沁南地区土壤微观孔隙结构特征研究

沁南地区土壤微观孔隙结构特征研究

刘刚

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安710075）

摘要：为丰富土壤微观孔隙特征研究，利用氩离子剖光扫描电镜（SEM）和低温液氮吸附等实验测试手段，并结合分形特征分析对沁南地区土壤开展了微观尺度的孔隙特征研究。研究结果表明：研究区土壤具有复杂的微观孔隙系统，孔隙类型主要以有机质孔、粒内孔、粒间孔隙发育为主；微孔分形维数大，具有孔隙形态复杂、高比表面积的特征，增强了土壤对气态物质的吸附性，但受其孔径大小的制约，对改善土壤持水性等特征不明显；小孔、中孔及大孔的存在提高了土壤的总孔隙度，对增强土壤的持水性及通透性具有一定的积极作用。

关键词：土壤；微观孔隙；现代测试技术；分形特征

中图分类号：S152.5文献标志码：A

1样品信息与实验方案

为了探究研究区土壤的微观孔隙结构特征，对采集的6份样品分别开展氩离子剖光扫描电镜实验（SEM）及液氮吸附的配套实验测试，目的是从可视角度并与定量表征的相结合的方式，全面分析研究区土壤微观孔隙结构特征。

2实验结果分析

2.1氩离子剖光扫描电镜实验

扫描电子显微镜（SEM）是电子信号成像来观察样品的表面形态的重要实验测试手段。实验前将样品处理成薄片状，两边平坦，并进行喷金处理。

通过氩离子剖光扫描电镜实验发现，研究区土壤孔隙较发育，孔隙类型以有机质孔、粒内孔（脆性矿物、黏土矿物）、粒间孔隙（黄铁矿晶间孔、粘土矿物粒间孔）发育为主。

（1）有机质孔

主要为有机质在热演化过程中收缩和产生气体排出时产生，干酪根的分布是此类孔隙发育的物质基础。有机质孔的观察主要采用氩离子抛光技术，土壤中有机质孔常常密集分布，孔隙多为μm或nm级，观测发现该类孔隙直径一般小于1μm，属于非活性孔，植物根毛和微生物不能进入。

（2）粒内孔

粒内孔发育在颗粒的内部，大多数是成岩改造形成的，部分是原生的，主要包括黏土和云母矿物颗粒内的解理面孔和草莓状黄铁矿结核内晶体之间的孔隙。该类孔隙尺寸多为μm级，孔径介于几微米至几十微米之间，可能含有部分非活性孔和毛管孔隙[10]，对土壤的持水能力具有一定的积极作用。

（3）粒间孔隙

该类孔隙是矿物聚集胶结过程中颗粒之间的孔隙类型，分散于黑色片状黏土、粉砂质颗粒间，该类孔隙较常见，孔径可达几十微米之上，形状通常不规则、连通性较好，可以相互之间形成连通的孔喉网络，该类孔隙可大大改善土壤的通透性。

根据电镜观测结果可知，大小不一、形态各异的多种类型的孔隙构成了研究区土壤复杂的孔隙系统，不同类型孔隙因其结构不同使得其物理特性存在差异，也导致土壤具有不同的持水性及通透性特征，这也是土壤具有较强非均质性的重要原因。

2.2分形特征分析

通过以上实验发现，虽然测试样品的微孔总孔容占比不高，但却有较高的比表面积贡献率，为了探究孔隙形态特征对此的影响，在液氮吸附实验测试的基础上，开展了研究区样品微观孔隙分形特征研究。

分形概念于1975年由Mandelbort首先提出，现在已经成为分析表面、孔结构的几何和结构特征的一种强有力的工具，分形理论中的重要参数分形维数D作为分形的定量表征和基本参数，能够描述表面的复杂程度、不规则性，2≤D≤3，当D趋于2时，固体表面接近完全光滑，当D越趋于3时，表面越复杂。

基于液氮吸附实验数据，以p/p0=0.5为界限，利用PFEIFER等提出的理论，由FHH方程分别计算低压阶段与高压阶段的分形维数D1与D2：

lnV=A（nln（P0/P））+B（1）

式中，V为平衡压力P下的气体吸附量；P0为气体的饱和蒸汽压；P为气体吸附的平衡压力；A为拟合直线的斜率；B为常数。通常情况下，分形维数D的计算方法有两种，根据不同压力阶段孔隙吸附机理的不同，对分形维数D1与D2分别采用公式A=D-3和D=(D-3)/3进行计算。

据此计算各样品分形维数如表1所示，样品分维值D1主要介于2.6-2.7之间，均值为2.64，D2主要介于2.1-2.4之间，均值为2.2。由上文可知，D1与D2分别代表了不同压力阶段的分维值，对于液氮吸附实验而言，当p/p0＜0.5时，氮气主要作用于孔径＜10nm的孔隙，即分维值D1反应的是微孔的分型特征，D2则是小孔、中孔的分型特征。

由此可以说明微孔具有更大的分维值，即微孔孔隙表面更加复杂，可提供更大的比表面积，而小孔、中孔较微孔而言，分维值更小，显示出它们具有形态简单，表面圆滑的特点。

3结论及讨论

为探究研究区土壤微观孔隙结构特征，对研究区样品开展了针对性的实验测试及分析，取得的认识如下：

（1）氩离子剖光扫描电镜测试结果显示，研究区土壤微观孔隙类型以有机质孔、粒内孔（脆性矿物、黏土矿物）、粒间孔隙（黄铁矿晶间孔、粘土矿物粒间孔）发育为主，多种类型的孔隙共同发育构成了研究区土壤复杂的微观孔隙系统。

（2）利用低温液氮吸附实验定量分析了研究区土壤孔隙的微观特征，结果表明研究区土壤不同孔径范围的孔隙均有发育，其中微孔具有较大的比表面积贡献率，占比在75%以上，增强了土壤对气态物质的吸附性，但受控其孔径特征的制约，孔隙类型为非活性孔，对改善土壤持水性等特征不明显；小孔、中孔及大孔的存在提高了土壤的总孔隙度，对增强土壤的持水性及通透性具有一定的积极作用。

（3）分形特征结果表明，微孔具有更大的分维值，即微孔孔隙表面更加复杂，可提供更大的比表面积，而小孔、中孔较微孔而言，分维值更小，显示出它们具有形态简单，表面圆滑的特点。

土壤孔隙研究是一项复杂系统的研究工作，本次研究仅从微观角度开展了针对性的样品采集及实验测试工作，导致部分实验测试结果具有局限性（孔隙度偏低等），若要取得更全面的土壤孔隙数据，需要进一步优化样品采集及实验设计方案，进行全尺度的土壤孔隙研究。

参考文献

[1]赵世伟．黄土高原子午岭植被恢复下土壤有机碳—结构—水分环境演变特征[D]．西北农林科技大学，2012．

[2]杨永辉，武继承，韩庆元，等．保水剂对土壤孔隙影响的定量分析[J]．中国水土保持科学，2011，9(6)：88-93．

[3]程亚南，刘建立，张佳宝．土壤孔隙结构定量化研究进展[J]．土壤通报，2012(4)：988-994．

[4]POESEN，INGELMOJ，SANEHEZ.Runoffandsedimentyieldfromtop-soilswithdifferentporosityasaffectedbyrockfragmentcoverandposition[J]．Catena，1992，19：451-474．