土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳的關(guān)系、定量研究方法與展望

陳升龍，梁愛(ài)珍，張曉平，陳學(xué)文（.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春3002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京00049)

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳的關(guān)系、定量研究方法與展望

陳升龍1，2，梁愛(ài)珍1，張曉平1，陳學(xué)文1
（1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

近些年土壤固碳研究受到廣泛關(guān)注。在諸多影響土壤固碳的因素中，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制是研究的焦點(diǎn)。土壤中原始有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成中發(fā)揮著不可替代的作用，土地利用方式、耕作方式以及施肥措施發(fā)生變化后，團(tuán)聚體及其結(jié)構(gòu)在土壤有機(jī)碳固定中的作用變得更加凸顯。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)包含眾多的孔隙，這些孔隙的大小、數(shù)量、形狀以及空間分布等都會(huì)影響土壤中水分運(yùn)移、植物根系生長(zhǎng)、土壤生物活動(dòng)以及土壤有機(jī)碳分配，它們相互作用影響土壤中有機(jī)碳的固定。本文分析了水分、植物根系以及土壤生物與團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，闡述了這些因素在土壤有機(jī)碳變化中所起的作用，并對(duì)目前研究的不足進(jìn)行了概述。同時(shí)，闡述了不同CT（Computed Tomography，CT)技術(shù)在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用及其對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取方法，探討了團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳固定的影響，展望了團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳固定影響需要加強(qiáng)的研究?jī)?nèi)容。參66。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)；土壤有機(jī)碳固定；團(tuán)聚體孔隙；CT技術(shù)

土壤學(xué)關(guān)注的核心問(wèn)題主要是土壤固碳容量以及土壤固碳機(jī)制兩個(gè)方面［1］。自上個(gè)世紀(jì)末開(kāi)始相關(guān)研究報(bào)道已有很多，但對(duì)于土壤固碳機(jī)制的研究到目前為止仍需要深入探究。土壤固碳研究是在國(guó)際社會(huì)聚焦緩解溫室氣體排放和糧食安全問(wèn)題背景下產(chǎn)生的新研究課題［2－3］。化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性是用來(lái)解釋土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性機(jī)制比較常用的三種機(jī)制［4］。土壤結(jié)構(gòu)是可以用來(lái)控制和表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)主要物理穩(wěn)定性綜合變量，團(tuán)聚體是其重要組成部分［5］，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變會(huì)使微生物生存的物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤中有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化和固定［6］。

土壤團(tuán)聚體的形成區(qū)別于成土母質(zhì)土壤形成過(guò)程，植物殘?bào)w和植物根系滲出液等有機(jī)物膠結(jié)作用及微生物分解轉(zhuǎn)化作用在團(tuán)聚體形成模型中被認(rèn)為是其主要驅(qū)動(dòng)因素［5，7－8］，Bronick和Lal認(rèn)為土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體形成過(guò)程中起粘合劑和團(tuán)聚核心的作用［9］。團(tuán)聚體形成初期離不開(kāi)土壤有機(jī)碳的粘合作用，而在團(tuán)聚體多次團(tuán)聚和土壤中有機(jī)碳的再次分配作用下，團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳的固定作用就凸顯出來(lái)了，特別是當(dāng)土地利用方式、農(nóng)田土壤中耕作方式以及施肥方式改變時(shí)［10－12］。團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)物與空氣、水分和微生物接觸直接或間接受到團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)空間分布特征影響，從而影響有機(jī)碳的固定和分解［13］。文章簡(jiǎn)要介紹了團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)分級(jí)，主要從團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與土壤水分遷移、植物根系和土壤動(dòng)物三者間關(guān)系來(lái)闡述團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳固定的影響。同時(shí)，鑒于獲取團(tuán)聚體間孔隙的手段和方法以及對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)定量和篩選制約著團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳固定機(jī)制的定量描述，文章對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)提取手段和定量分析方法進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)。

1　團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響

土壤結(jié)構(gòu)被定義為土壤顆粒和孔隙的數(shù)量和排列，是影響土壤功能的一個(gè)關(guān)鍵因素，特別需要指出的是可以調(diào)整土壤中碳礦化和分解的過(guò)程［9］。團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)組成的基本單元，其動(dòng)態(tài)變化是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程的綜合反映［14－15］。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是決定土壤結(jié)構(gòu)好壞的關(guān)鍵因素，進(jìn)而也會(huì)影響有機(jī)碳的分解與轉(zhuǎn)化［16］。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)主要包括團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩部分，這兩部分形成的孔隙結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體本身構(gòu)成了土壤結(jié)構(gòu)整體。而孔隙結(jié)構(gòu)的確定基本上可以限定團(tuán)聚體的空間分布。團(tuán)聚體間和內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)制約著土壤中水分流通性、植物根系生長(zhǎng)和發(fā)育、土壤空氣含量以及土壤微生物數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)組成等［17］。而這些因素是影響土壤有機(jī)碳變化及土壤CO2排放的主要因素，從這一層面講團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與土壤有機(jī)碳礦化之間存在直接或者間接的聯(lián)系。

1.1團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)述

良好的團(tuán)聚土壤在團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體內(nèi)部都存在一個(gè)寬泛的孔隙范圍［18］。比較常用的孔隙分級(jí)如：大孔隙 （直徑＞30μm的非毛管孔隙)，中孔隙 （0.2μm＜直徑＜30μm的毛管孔隙)，微孔隙 （直徑＜0.2μm的貯存孔隙)［19］。土壤孔隙的空間分布、大小和數(shù)量能夠影響土壤有機(jī)碳的含量及其分解轉(zhuǎn)化，土壤有機(jī)碳和土壤質(zhì)地反作用于土壤的多孔性［20］。Naveed等學(xué)者對(duì)不同種植作物下自然和室內(nèi)培養(yǎng)后團(tuán)聚體進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描指出團(tuán)聚體中大于30μm孔隙所占的比例可以很好地表征團(tuán)聚體好壞［21］。Wang等學(xué)者對(duì)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中常規(guī)耕作和原生植被演替兩種土壤團(tuán)聚體中不同孔徑孔隙的分布進(jìn)行了研究［22］，Ananyeva等學(xué)者也做過(guò)類(lèi)似研究，同時(shí)還指出包含較多＜15μm和＞100μm原生植被演替土壤團(tuán)聚體更加有利于土壤中碳的固定［17］。團(tuán)聚體間孔隙會(huì)影響水分、空氣和土壤養(yǎng)分在土壤中的空間分布和運(yùn)移［23］，這些孔隙的存在可以使水、氣、化學(xué)物質(zhì)和微生物進(jìn)入團(tuán)聚體［17］。Mangalassery等研究表明，土壤孔隙度和孔隙大小對(duì)溫室氣體特別是CO2和CH4的排放通量有顯著的影響，農(nóng)田管理措施如耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚過(guò)程和土壤孔隙特征的發(fā)展有極大的影響，會(huì)直接影響土壤中溫室氣體的排放［24］。目前，對(duì)團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征的報(bào)道多集中在團(tuán)聚體內(nèi)部，對(duì)于團(tuán)聚體間孔隙結(jié)構(gòu)的研究還比較少，定量表征更有待加強(qiáng)。利用高分辨率CT技術(shù)提取更加精確孔隙數(shù)據(jù)是用來(lái)解決土壤孔隙提取準(zhǔn)確性和精確性的新方法，但對(duì)于利用CT技術(shù)結(jié)合圖像處理軟件提取的孔隙數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，從而獲取更加準(zhǔn)確表征團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)指標(biāo)的工作也有待加強(qiáng)。

1.2團(tuán)聚體孔隙與土壤水分遷移

團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙大小制約著土壤中水分的運(yùn)移速度，間接影響著土壤中有機(jī)碳被微生物利用的程度。大孔隙促使優(yōu)先流的產(chǎn)生，進(jìn)而帶動(dòng)可溶性有機(jī)碳在土體中遷移。馮杰等利用醫(yī)用CT技術(shù)結(jié)合分形維數(shù)確定了土壤中大孔隙的分布情況，指出可以利用其定量描述大孔隙對(duì)水及溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移的影響［25］。裂隙和動(dòng)物巢穴以及通道等大孔隙的存在，促成了土壤優(yōu)先流的產(chǎn)生［26］。Ghafoor等研究表明，在耕作土壤的表層，優(yōu)先流的產(chǎn)生與土壤有機(jī)碳有著密切的聯(lián)系，有機(jī)碳含量較高的土壤優(yōu)先流較弱，優(yōu)先流對(duì)有機(jī)碳的沖刷作用較小，有機(jī)碳可以更加穩(wěn)定的存儲(chǔ)在團(tuán)聚體和土壤中［27］。Gish等在對(duì)土壤中優(yōu)先水流途徑的研究中發(fā)現(xiàn)，免耕處理的農(nóng)田，植物根系腐爛留下的根孔不僅對(duì)優(yōu)先水流產(chǎn)生較大的影響，而且有機(jī)物含量、微生物群落結(jié)構(gòu)和氧氣含量在這些根孔中的分布都要高于不存在根孔的土壤［28］。土壤中大孔隙造成的水分遷移會(huì)直接或者間接影響土壤有機(jī)碳在土壤中空間分布和轉(zhuǎn)化與固定。團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部中小孔隙的存在為土壤中水分再次分配提供了可能，土壤水分和溶質(zhì)通過(guò)外力和自身入滲作用形成新的土壤水分和可溶性有機(jī)碳的空間分布格局。團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)與土壤水分遷移對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化研究大多是探討團(tuán)聚體間大孔隙中優(yōu)先流帶動(dòng)下土壤有機(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化，至于其它較小孔隙在土壤水分遷移對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)不足。

1.3團(tuán)聚體孔隙與植物根系

團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部廣泛的孔隙是植物賴(lài)以生存的空間要素。作物根系生長(zhǎng)需要充足的水分和養(yǎng)分以及空間，在土壤大孔隙中保存著大量的水分和養(yǎng)料，也提供著植物扎根的空間。中等孔隙則有一定的限制，微孔隙更是極大地制約土壤根系的生長(zhǎng)。Dal Ferro等發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)耕作破壞了土壤原有的大孔隙 （54μm ～750μm)結(jié)構(gòu)，增加了土壤中54μm～250μm孔隙的數(shù)量，進(jìn)而改善了土壤的松弛度，對(duì)作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的影響［29］。有學(xué)者利用CT技術(shù)對(duì)種植植物和未種植植物的土壤孔隙進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)植物的土壤孔隙度和平均孔隙直徑比未生長(zhǎng)植物的土壤大得多［30］。植物根系會(huì)選擇性的在有利于其生長(zhǎng)的土壤孔隙中生長(zhǎng)，也會(huì)向著水分和養(yǎng)分充足的地方滲透，在作物死亡后，這些根系分解后會(huì)產(chǎn)生新的孔隙。植物根系生長(zhǎng)和凋亡的更替是促使土壤孔隙逐步形成的一個(gè)重要因素。

植物根系會(huì)促成團(tuán)聚體間大孔隙的形成，同時(shí)對(duì)土壤中有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化有著重要的影響。水分和土壤中溶質(zhì)是植物根系生長(zhǎng)必不可少的，植物根系對(duì)土壤大中孔隙中水分和養(yǎng)分獲取難易程度，最終將影響植物生長(zhǎng)好壞及其向土壤有機(jī)物料輸入的量。Schmidt等［31］研究指出，通過(guò)植物根系輸入土壤中的碳比通過(guò)表層添加秸稈等方式輸入的碳固定效果好。在土壤表層施入的碳大部分在枯枝落葉層或者是土壤表層就被礦化了，而通過(guò)植物根系和菌絲方式進(jìn)入土壤的碳則多是通過(guò)與土壤顆粒和團(tuán)聚體間的物理化學(xué)交互作用而固定的，更加有效和穩(wěn)定［32］。Vinther等和王大力等研究認(rèn)為，生長(zhǎng)過(guò)程中植物根系分泌物提供了微生物生長(zhǎng)必需的碳源，形成一系列微生物群落；根系死亡分解腐爛后，孔隙中有大量的根系殘?bào)w，加上優(yōu)先流提供的水分和溶質(zhì)以及進(jìn)入的空氣，共同促成了這些孔隙周?chē)⑸锘钚缘奶岣?，?dǎo)致土壤碳的分解速率加快［33－34］，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化。這方面研究主要是從土地利用方式或者耕作方式變化后植物根系對(duì)土壤孔隙度產(chǎn)生的影響，或者是某一孔徑孔隙發(fā)生變化后對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響這些方面展開(kāi)，對(duì)團(tuán)聚體孔隙定量數(shù)據(jù)精確度不夠，進(jìn)而影響到對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)研究。

1.4團(tuán)聚體孔隙與土壤生物

土壤孔隙為植物的生長(zhǎng)提供了必不可少的環(huán)境條件，也促成了土壤中動(dòng)物和微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的變化［35］。

土壤動(dòng)物可以改善土壤的通氣性、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、動(dòng)植物殘?bào)w混合度和養(yǎng)分獲取度，提高土壤中碳和氮的穩(wěn)定性、減少土壤中碳的轉(zhuǎn)化［36－37］。亦有研究發(fā)現(xiàn)，土壤中大型動(dòng)物蚯蚓對(duì)土壤有機(jī)碳的作用受土壤有機(jī)碳和可以被蚯蚓利用碳的量的高低影響，有機(jī)碳含量高的土壤受蚯蚓活動(dòng)激發(fā)的二氧化碳釋放速率較慢，反之則釋放速率較快，而蚯蚓在土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化中起著重要的調(diào)節(jié)作用［38］。Tisdall 和Oades指出真菌、微生物、植物根系和大型動(dòng)物 （如：蚯蚓)的活動(dòng)導(dǎo)致生物大團(tuán)聚體的形成［39－40］。蚯蚓和螞蟻可以通過(guò)筑巢、活動(dòng)以及攝入有機(jī)物料等經(jīng)消化后形成新的孔隙和更加穩(wěn)定的團(tuán)聚體，有利于改善土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響到土壤有機(jī)碳的固定［41］。

微生物在土壤中數(shù)量眾多、分布廣泛，土壤孔隙大小對(duì)其生存活動(dòng)有很大的制約性。土壤結(jié)構(gòu)變化和微生物活動(dòng)促使土壤有機(jī)碳發(fā)生變化，或是被分解轉(zhuǎn)化，或是被團(tuán)聚體及其形成的孔隙隔離固定。＞250μm團(tuán)聚體儲(chǔ)存著可以用來(lái)充分分解有機(jī)碳的空氣和溶解有機(jī)碳的水，孔隙度成為控制有機(jī)物質(zhì)分解過(guò)程的關(guān)鍵因素；團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙如果小于細(xì)菌所能活動(dòng)的極限 （3μm)時(shí)，以胞外酶向土壤基質(zhì)擴(kuò)散這一極大耗能途徑來(lái)降解有機(jī)碳，從而使有機(jī)碳的分解降低［42］。亦有研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳在包含有大量直徑小于0.2μm孔隙的微團(tuán)聚體中的分解速率會(huì)減低，而這些孔隙被認(rèn)為是限制土壤微生物接觸到有機(jī)碳的最小直徑［29，43］。Deurer等通過(guò)對(duì)有機(jī)蘋(píng)果園果樹(shù)栽種行和機(jī)器輪胎行進(jìn)軌跡0～0.1m土壤有機(jī)碳分析發(fā)現(xiàn)，后者有機(jī)碳含量明顯高于前者，且對(duì)采集的土柱進(jìn)行X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描CT（Computed Tomography，CT)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械輪胎行進(jìn)痕跡上采集的土柱土壤中大孔隙度比例下降，中孔隙度比例有所上升，經(jīng)研究指出利用這種小幅度壓縮的方法可以有效減少土壤中大型真菌和中型真菌分解顆粒態(tài)有機(jī)碳的活性，進(jìn)而達(dá)到固定土壤有機(jī)碳的目的［44－45］。團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)是影響土壤微生物活動(dòng)的主要因素之一，調(diào)整土壤孔隙的結(jié)構(gòu)組成和空間分布是制約土壤微生物獲取水分、養(yǎng)分 （包括有機(jī)碳)和生存空間進(jìn)而固定有機(jī)碳、限制土壤碳排放的重要途徑。隨著土壤固碳研究的深入，對(duì)影響土壤中碳動(dòng)態(tài)變化的微生物和孔隙結(jié)構(gòu)等微觀(guān)因素的關(guān)注在不斷上升。

2　土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的研究方法

對(duì)于團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究在土壤固碳和土壤有機(jī)碳變化的影響研究中占據(jù)著重要作用，而團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取對(duì)選用的技術(shù)有很強(qiáng)的依賴(lài)性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)飛速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了土壤切片圖像定量化研究，即對(duì)土壤樣品進(jìn)行薄片制備，然后借助顯微鏡對(duì)薄片進(jìn)行觀(guān)察［46－47］，然后利用二值圖像研究土壤孔隙特征［48－49］。然而，土壤薄片制備這一傳統(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)研究手段制備過(guò)程復(fù)雜，薄片制備對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有損壞破壞原始土壤結(jié)構(gòu)，影響真實(shí)定量結(jié)果［50］；薄片的制備需要利用聚醋樹(shù)脂這種有機(jī)樹(shù)脂來(lái)固定土壤孔隙結(jié)構(gòu)，不利于繼續(xù)開(kāi)展有機(jī)碳的相關(guān)研究，同時(shí)圖像處理技術(shù)只限定于二維結(jié)構(gòu)。疊合的薄片雖然可以一定程度上反映土壤的結(jié)構(gòu)特征，但結(jié)構(gòu)的精確度有待考證，而且，通過(guò)傳統(tǒng)方法得到的土壤孔隙結(jié)構(gòu)分辨率較低，無(wú)法滿(mǎn)足研究要求。這些因素均限制了土壤結(jié)構(gòu)在土壤固碳過(guò)程中的作用研究。

X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的引入為土壤學(xué)研究提供了極大的便利。CT技術(shù)是通過(guò)位于物體外部檢測(cè)的X射線(xiàn)投影數(shù)據(jù)重構(gòu)得到物體橫截面和縱截面等內(nèi)部信息的技術(shù)，無(wú)損的對(duì)原狀土壤樣本進(jìn)行快速成像和分析，精確得到樣品的三維分布信息［51－53］，而且具有很高的空間分辨率，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法在團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳研究的不足。因而，這一技術(shù)被廣泛用來(lái)研究原狀土體、土壤團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和三維視圖成像［51，54－56］。近幾年，結(jié)合圖像處理技術(shù)定量研究土壤結(jié)構(gòu)已成為研究團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征與有機(jī)碳變化間關(guān)系的重要手段。目前，可以用于土壤結(jié)構(gòu)無(wú)損探測(cè)的CT技術(shù)有醫(yī)用CT技術(shù)、微CT技術(shù)和同步輻射微CT技術(shù)。

2.1醫(yī)用CT技術(shù)

醫(yī)用CT于1982年首次被引入土壤科學(xué)研究，極大的推進(jìn)了土壤結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［57］。CT技術(shù)雖然可以直接得到原狀土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速成像和分析，但是并不能對(duì)圖像顯微放大，并且在與其它探測(cè)技術(shù)結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成進(jìn)行分析方面比較困難。而且，國(guó)內(nèi)使用較多的醫(yī)用CT分辨率多在0.2mm～0.5mm左右，比較適合分析較大的孔隙結(jié)構(gòu)，但卻無(wú)法分辨團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)等方面的細(xì)節(jié)特征，而且實(shí)驗(yàn)室光源的低通量，光源點(diǎn)大小及其單色性等因素使其向高分辨率方向發(fā)展的難度較大［3，58］。

2.2微CT技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微CT技術(shù)逐步發(fā)展并被引入到土壤微結(jié)構(gòu)研究中來(lái)。空間分辨率在1μm～100μm之間的CT稱(chēng)為Micro－CT或者μCT，其三維空間分辨率可達(dá)微米量級(jí)，可以觀(guān)察土壤團(tuán)聚間內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)；顯微CT利用微焦點(diǎn)X射線(xiàn)源作為光源，雖然其空間分辨率可以達(dá)到微米量級(jí)，由于光通量較低，且為非單色光，隨著樣品的差異會(huì)產(chǎn)生不同程度束線(xiàn)硬化效應(yīng)，對(duì)其分辨率的準(zhǔn)確性影響較大［59］。近些年納米CT也在逐步發(fā)展，世界上第一臺(tái)亞－100納米－CT掃描裝置nanoXCT由Xradia公司研制開(kāi)發(fā)成功，這一系統(tǒng)是利用專(zhuān)用容器和物鏡光學(xué)，其分辨率可精確到50納米，納米－CT可能在不久的將來(lái)在研究土壤團(tuán)聚間內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)和微顆粒分布發(fā)揮更大作用［60］。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，微CT的定義將有所變化，同時(shí)其分辨率的不斷提高，將極大地促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)研究。

2.3同步輻射微CT技術(shù)

相比于醫(yī)用CT和微CT等常規(guī)X光機(jī)來(lái)說(shuō)，同步輻射裝置是利用電子在磁場(chǎng)中做加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生同步輻射的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，同步輻射 （synchrotron radiation，SR)光源可提供高達(dá)數(shù)萬(wàn)倍的光通量以及平滑連續(xù)的能譜，能生成任意給定能量下的單色X射線(xiàn)［61］。同步輻射作為一種新興的光源，具有高亮度、高光子通量、高準(zhǔn)直性、高極化性、高相干性以及寬泛的頻譜范圍等特性，它與高分辨的X射線(xiàn)探測(cè)器相結(jié)合，即顯微CT引入同步輻射光源技術(shù)，形成同步輻射微CT（SRμ－CT)技術(shù)，其空間分辨率可達(dá)10μm以下［61］。同步輻射微CT高分辨率的立體成像技術(shù)給土壤結(jié)構(gòu)特別是土壤團(tuán)聚體的三維立體成像定量研究提供了可能，進(jìn)而為研究土壤結(jié)構(gòu)及其帶來(lái)的土壤功能特性創(chuàng)造了條件。在國(guó)內(nèi)周虎等學(xué)者率先利用上海光源的SRμ－CT技術(shù)，對(duì)不同利用年限的水稻土團(tuán)聚體三維微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著耕種年限的增長(zhǎng)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高了土壤肥力［13］。他還利用該技術(shù)對(duì)已經(jīng)連續(xù)25年施肥試驗(yàn)的老成土團(tuán)聚體進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)顯示：無(wú)機(jī)和有機(jī)肥料結(jié)合使用后土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高，只施無(wú)機(jī)化肥的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最低［62］。這些研究結(jié)果也是對(duì)同步輻射微CT技術(shù)結(jié)合數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)作為團(tuán)聚體三維微結(jié)構(gòu)研究可行性的一種肯定。利用SRμ－CT技術(shù)重構(gòu)三維透視圖可以用來(lái)表征團(tuán)聚體中的孔隙立體空間分布結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合同位素示蹤技術(shù)和X射線(xiàn)近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜或者掃描電鏡配合輔助的X射線(xiàn)能譜儀等儀器，可以對(duì)土壤團(tuán)聚體儲(chǔ)存土壤有機(jī)碳的特征進(jìn)行全面描述。

3　土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的定量研究

土壤結(jié)構(gòu)的時(shí)空變異性成為困擾土壤結(jié)構(gòu)定量研究學(xué)者的一個(gè)難題［15］。CT技術(shù)的引入不僅提高了土壤結(jié)構(gòu)提取的精度，也會(huì)極大地促進(jìn)了土壤孔隙結(jié)構(gòu)定量研究。CT技術(shù)與圖像處理軟件的結(jié)合，是較簡(jiǎn)捷的孔隙結(jié)構(gòu)定量研究手段。CT技術(shù)僅僅能獲得結(jié)構(gòu)的圖像和三維視圖，只有通過(guò)科學(xué)定量圖像信息才能解釋土壤結(jié)構(gòu)在土壤生態(tài)和團(tuán)聚體固定有機(jī)碳中作用的機(jī)制。國(guó)內(nèi)外利用CT技術(shù)探討土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤碳固定影響研究已成為近幾年的熱點(diǎn)，定量數(shù)據(jù)也主要集中在土壤團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的描述 （如表面積，體積，孔隙數(shù)目和孔隙連通度等)，以及不同管理措施下土壤團(tuán)聚體粒級(jí)中碳的含量和分布特性的描述［17，24］，而對(duì)于團(tuán)聚體之間結(jié)構(gòu)的描述和定量研究還比較少［63］。土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較多，但多是參數(shù)的羅列，或者是少數(shù)幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與土壤中碳循環(huán)相結(jié)合進(jìn)行研究，缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)體系。同時(shí)，對(duì)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)定量指標(biāo)的篩選也鮮有報(bào)道，優(yōu)化定量參數(shù)可以讓我們更好的評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤有機(jī)碳變化研究也有著重要的意義。

一般，土壤結(jié)構(gòu)定量研究是借用CT技術(shù)獲取影像，經(jīng)過(guò)圖像處理獲取二值化圖片，設(shè)定閾值，經(jīng)過(guò)計(jì)算后提取團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表面積、體積、孔隙數(shù)目、孔隙連通度等。Peth等利用同步輻射微CT技術(shù)獲取了不同耕作處理下團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)影像，并利用3DMA－rock軟件獲得了團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維立體信息［64］。有的學(xué)者通過(guò)建模來(lái)表征三維立體下的孔隙相關(guān)信息，如嘗試采用立體幾何方法來(lái)表征具有時(shí)空變異性的土壤孔隙，利用廣義柱面對(duì)土壤中孔隙進(jìn)行模擬和定量，由于這些柱面是由排列緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有強(qiáng)大分段近似性的球體組成［65］，所以該方法還利于進(jìn)行孔隙當(dāng)量直徑換算。鑒于CT技術(shù)得到的形貌學(xué)上的參數(shù)比較復(fù)雜，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)好壞的表征不能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有學(xué)者就嘗試引入分形和多重分形來(lái)對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述［55，66］。然而，由于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，尤其是孔隙結(jié)構(gòu)特征非常復(fù)雜，分形維數(shù)是否能夠用于表征土壤結(jié)構(gòu)特征，還需要進(jìn)行深入探討。

4　研究展望

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究需要借助微CT技術(shù)等新進(jìn)的技術(shù)和手段，而且還需要對(duì)借助新技術(shù)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，以提取出更加有利于表征團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的參數(shù)更方便與有機(jī)碳動(dòng)態(tài)結(jié)合進(jìn)行研究?；趫F(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳研究的現(xiàn)有成果，未來(lái)的研究工作應(yīng)該從以下方面展開(kāi)：

①重視團(tuán)聚體間結(jié)構(gòu)的探測(cè)，加強(qiáng)中小孔隙在土壤有機(jī)碳固定中作用的探討。目前相關(guān)研究多是從團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)解釋團(tuán)聚體的固碳機(jī)制，而團(tuán)聚體間結(jié)構(gòu)的研究只停留在大孔隙動(dòng)態(tài)變化對(duì)有機(jī)碳變化的影響上。從孔隙結(jié)構(gòu)與土壤水分遷移、植物根系生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物活動(dòng)間關(guān)系的闡述也可以看出，團(tuán)聚體間其他孔徑孔隙在土壤碳固定和有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化中的作用還有待探索。利用微CT技術(shù)可以很好的進(jìn)行團(tuán)聚體間結(jié)構(gòu)探測(cè)，得出更加精確和完整的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

②注重多尺度，多技術(shù)結(jié)合進(jìn)行團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化研究。對(duì)于團(tuán)聚體微觀(guān)尺度結(jié)構(gòu)的報(bào)道占據(jù)團(tuán)聚體固碳研究的主體地位，而團(tuán)聚體間孔隙的研究關(guān)注程度不足。將團(tuán)聚體內(nèi)部和團(tuán)聚體間這兩個(gè)尺度的孔隙結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合可能會(huì)更加有利于揭示土壤固碳機(jī)制，進(jìn)而推動(dòng)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究。CT技術(shù)結(jié)合同位素示蹤和X射線(xiàn)近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜或者掃描電鏡配合輔助的X射線(xiàn)能譜儀等技術(shù)，可以更好地確定團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化中的作用。

③篩選表征團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的參數(shù)?，F(xiàn)有的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的表征參數(shù)比較復(fù)雜而不成體系，無(wú)法很好的對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而用于土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化研究。不加選擇的利用現(xiàn)有一系列參數(shù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化土壤結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系和土壤有機(jī)碳變化研究，需對(duì)現(xiàn)有土壤結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行篩選和優(yōu)化。

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Soil Aggregate Structure and the Relationship between Organic Carbon，Quantitative Research Methods and Prospect

CHEN Sheng-long1，2，LIANG Ai-zhen1，ZHANG Xiao-ping1，CHEN Xue-wen1
（1.Northeast Institute of Geography and Agroecology，CAS，Changchun 130102，China；
2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

Soil carbon sequestration has turned into a key issue in the global carbon research and been given great attentions.The physical protection of soil organic carbon through aggregates is one of the most important mechanisms of C sequestration.The initial soil organic carbon plays an irreplaceable role in the formation of soil aggregates and aggregate structure.When land use，tillage practices and fertilization change，the role of aggregates and aggregate structure in soil organic carbon sequestration become more prominent.There are numerous pores existing inter-and intra-aggregates，so aggregate pore structure is used to characterize the aggregates structure.The number of pores，pore size，pore shape and spatial distribution of pores affect soil water movement，plant root growth，soil biological activity and soil organic carbon distribution，and thereby affect soil C sequestration.This paper analyzes the relationships among water，plant roots，soil organisms and aggregate pore structure，and the roles of these factors in the dynamics of soil organic carbon，and outlines the deficiency of the present research.Meanwhile，it expounds the applications of different computed tomography（CT)techniques in detecting soil aggregate structure and corresponding data extraction method，also discusses the effects of organic carbon stabilization by aggregate pore structure.In the end，this paper points out further studies which needs be strengthened in this area.

aggregates structure；soil organic carbon sequestration；aggregates pores；CT technology

S151.9；S152.4

A

10.11689/j.issn.2095－2961.2015.01.005

2095－2961（2015)01－0034－08

2014－11－11；

2014－12－01.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （31170483)、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目 （KZZD－EW－TZ－16－02)、中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所"優(yōu)秀青年人才"基金項(xiàng)目 （DLSYQ12003).

陳升龍 （1988－)，男，湖北丹江口人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體與有機(jī)碳固定.

梁愛(ài)珍 （1979－)，女，山西交城人，副研究員，主要從事保護(hù)性耕作與土壤有機(jī)碳固定機(jī)制研究.