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Soil micromorphology - 土壤微形態

2021/08/27
最近很常搞混的兩個中文字,分別是形態 (morphology) 以及無定型 (amorphous),這兩個才是正確的使用方法,需要小心不要搞錯。
我的土壤微形態切片最近剛從美國處理好寄回來,其實切片看似薄薄一片,就要2000臺幣,我一共切了九片就用掉老師快兩萬的研究經費,當然要趁此機會好好學習土壤微形態。

土壤的微形態學 (micromorphology) 是一門高深的學問,其複雜程度不亞於解剖學,這篇文章雖然盡力呈現我所學到的微形態知識及描述方法,但也只是九牛一毛,期望能在未來更加精進。這篇文章內容很多參考西班牙格拉納達大學的教學網站,對於自學非常有幫助,另外A Visual Atlas for Soil Micromorphologists (open access,很推薦) 與Soil Micromorphology and Soil Classification (我們實驗室有一本) 也都很推薦。

When something is important enough, you do it even if the odds are not in your favor.
—Elon Musk

基本概念

微形態的觀察需使用偏光顯微鏡 (polarized light microscopy),所謂的偏光 (polarized light) 是利用偏振片 (polarizer) 將原本沒有偏振方向性的自然光攔截,只允許特定振動方向的光通過,在顯微鏡上施加一面偏振片稱作平面偏光 (plane polarized light, PPL),PPL只允許振動跟其方向平行的光通過,而施加兩面允許振動方向相反的光互相垂直的偏振片則稱作正交偏光 (cross polarized light, XPL),當施加XPL時,原則上沒有光能夠直接通過兩個偏振片 (A跟B垂直,則跟A平行就不可能跟B平行),因此顯微鏡所看到的會是黑色的畫面。

但是,有些物質能夠改變光的偏振方向性。當一個物質不會改變光的偏振方向性時稱作各向同性 (isotropy),而當物質會改變光的偏振方向性時則稱作各向異性 (anisotropy),光通過一道偏振片後只剩下單一方向的振動,此時並不能通過跟其垂直的偏振片,但若經過各向異性的物質改變振動方向,則可以通過和原本方向垂直的偏振片,這種被雙折射所改變後產生的顏色被稱作干擾色 (interference colour)。

因此,若土壤中有具各向異性的物質,則玻片在XPL下就不會呈現黑色,例如礦物的晶體構造所具有的雙折射 (birefrigence) 性質便會使礦物在XPL下有五彩斑斕的顏色,由於具備良好結晶性的物質多具有各向異性,可以藉由XPL下的雙折射現象來判斷物質是否結晶良好,這使得觀察物質的雙折射現象成為微形態觀察的一大重點。

Groundmass

Groundmass (基體) 一詞描述了組成土壤最基本的成分,即玻片下所觀察到的物質,包含不同粗細大小的礦物,在微形態中粗/細並沒有嚴格的規定,只要是在鏡頭下可以用相對大小區分出來的物質即可,例如粗物質石英與細物質黏粒。

基體所包含的物質可能很多樣,例如被許多大小礦物粒子 (mineral fragments) 所堆疊形成的基體、原生礦物形成的基體、或是被有機金屬錯合物所披覆的基體,根據土壤的質地、化學性質不同,可以看到的基體樣貌也不同。如果是礦物還可以利用其偏光折射的性質去區分礦物種類。

在描述基質時有兩個重要的概念,分別為骨骼粒子 (skeleton grain)髓質 (plasma),提出微形態描述標準之一的Stoops and Jongerius (1975) 區分這兩者的概念是在於其穩定性 (stability),骨骼粒子代表的是土壤中較為穩定存在的物質,通常指的是較為粗的礦物粒子,而髓質則是較為不穩定的物質,曾經聽過一個比喻是,在吃橘子的時候,橘子有固體的種子 (如骨骼粒子) 與液體的汁液,但是也有介於兩者之間的果肉,如漿狀的果肉有點形狀但又不太穩定,髓質指的就是這樣的物質,雖然說是不穩定,但也只是相對性的,並不是真的像果肉這麼容易流動。髓質物質可能填入土壤的孔隙當中或是附著於骨骼粒子的表層,洗入的黏粒、無定型物質、有機物、有機-金屬錯合物通常都是土壤中的髓質。

基體中可能包含的物質有很多,他們的長相可以透過多看圖來熟悉,例如有:

這些性質雖然在顯微鏡下有其獨特樣貌,但不能將微形態作為唯一的證據,假設發現了黏粒膜,那理所當然要去對應其黏粒含量,若是黏粒含量只有10%,那麼光是看到黏粒膜也沒有辦法說服什麼。

Voids

Voids (孔隙) 是基體中未被物質填滿的區域,但當然在解析度的限制下有些孔隙是看不到的。
由於土壤中多少會存在一些孔隙,微形態學也對孔隙進行觀察與描述,若在土壤中觀察到孔隙,可能的來源有 (1) 原生礦物之間的孔隙 (2) 土壤結構間的孔隙,如angular blocky,以及 (3) 生物活動造成的孔隙

Microstructure

Microstructure (微結構) 用於描述在玻片底下所看到的樣子,跟土壤形態描述一樣,都是共通語言,忠實的描述所看到的,常見的微結構包含:

Aggregate
Soil aggregates也是微結構的一部分,包含數種:

要分辨孔隙與微結構,就只有多看圖辨識。

Fabric

Fabric (組構) 這個詞最一開始是由微形態之父Kubiëna所提出的,這個詞所代表的是觀察微形態時所注意到土壤中各組成物的大小、排列、組織性等整體的性質,也是一種意象(?),換言之觀察微形態時要注意的是組成物與組成物之間的關係。
說起來相當抽象,微形態的組構也的確具涵蓋各特徵的重要性,可以用於描述物質的同質性 (homogeneity) 與異質性 (heterogeneity),在微形態中看到的各種物質組成都可稱為組構。

若在偏光顯微鏡下觀察雙折射現象所產生的干擾色,則此時觀察的是雙折射組構 (birefringent fabric, b-fabric)。其中一種雙折射組構是洗入 (infilling) 的黏粒因定位排列 (oriented arrangement) 所產生的條痕化 (striation),例如下圖這張洗入的黏粒膜,該圖為XPL,可以看到明顯的條痕化。

雙折射組構並不只黏粒膜,b-fabric指的是在XPL觀察下的組構,在1985年的Soil Micromorphology and Soil Classification附錄所給的定義是”Fabric of the fine material in soil thin section as evaluated by the pattern of birefringence caused by clay orientation”,顯示b-fabric一詞是以其雙折射性質來衡量組構,並非一定是有雙折射現象,換句話說,在XPL下的組構即為雙折射組構。

更細的分類描述可以看教學網站。描述組構時注意其結晶性的分布,以及條痕的排列方式,更多圖片可以參考A Visual Atlas for Soil Micromorphologists的File 45、46。

所謂的coarse/fine related distribution (c/f-related distribution, 粗細顆粒相對分布) 是來自Stoops and Jongerius (1975),有感於骨骼粒子/髓質這個區分有點主觀 (partly subjective) 所提出的。
就如同其字面上所講的,c/f-related distribution用於描述樣品中粗顆粒與細顆粒組成物的相對分布,有專屬的劃分命名:

這五種類型是漸變的,並非各自獨立,可以表示成下圖這樣的變化,六面體內是可能發生的c/f-related disdribution,越往上則細顆粒越少,越往下則細顆粒越多。

辨識c/f-related distribution是研究微形態時很重要的描述,且粗細顆粒相對分布是客觀的,根據觀察到的微形態樣貌描述即可。

Pedofeature

如果說前面的描述是針對不同物質,那麼pedofeature (土壤特徵) 就是在描述完前面數個特徵後,針對土壤化育過程中產生的各種特徵進行的描述。
能被稱作土壤特徵的只有那些在化育過程中所產生,具有與周圍不同組構的特徵,因此原生礦物與骨骼粒子並不能被稱作土壤特徵,常見的土壤特徵包含了黏粒膜、有機物結皮、鐵膜、鐵瘤 (iron nodule) 等。

不同種類的土壤,所要關注的土壤特徵也不同,這裡只能列舉一小部分,有空我將再寫一篇淋澱土的微形態特徵及我實際的微形態描述過程。

參考資料

Stoops, G., and Jongerius, A. 1975. Proposal for a micromorphological classification of soil materials. I. A classification of related distribution of fine and coarse particles. Geoderma, 13(3), 189–199. https://doi.org/10.1016/0016-7061(75)90017-8