俄罗斯研究团队利用离子束扫描电镜揭示黑钙土亚微米孔隙结构

俄罗斯莫斯科物理技术学院研究人员及合作团队近日利用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)，对黑钙土样本的微观结构进行了精细表征。研究显示，该技术能够识别土壤中小于1微米的孔隙、孔隙形态以及特定有机组分，为理解黑钙土肥力形成和维持机制提供了新的观测手段。相关研究得到俄罗斯科学基金会项目支持，并发表在《莫斯科大学学报》第17辑《土壤学》上。

土壤科学研究通常需要从田间尺度延伸到微观尺度。计算机断层扫描(CT)因能够在不破坏样本的情况下重建土壤三维结构，已被广泛用于观察土壤内部孔隙网络。不过，CT的分辨率存在限制，主要能够显示较大的孔隙通道，对于由复杂土壤过程形成的更细小孔隙，则难以充分辨识。

为弥补这一不足，莫斯科物理技术学院、莫斯科国立罗蒙诺索夫大学、多库恰耶夫土壤科学研究所和俄罗斯科学院施密特地球物理研究所的科学家，将FIB-SEM用于中央黑土保护区黑钙土样本研究。该方法通过电离镓原子束逐层切割土壤样本，暴露内部结构，再由扫描电子显微镜获取高分辨率图像，相当于用“离子手术刀”配合高倍显微成像观察土壤内部细节。

研究人员首先使用CT扫描仪建立土壤团聚体三维模型，分辨率为1微米，并通过图像分割算法区分孔隙与固体成分。随后，他们利用FIB-SEM在土壤中切割出微沟槽，获取分辨率最高可达4纳米的图像。由于样本表面包含黏土和有机物等复杂结构，研究团队对孔隙边界进行了手动勾勒，以提高识别精度。

结果表明，两种技术呈现出的土壤结构信息各有侧重。CT提供的是较大尺度的整体结构视图，而FIB-SEM能够探测小至0.075微米、即75纳米的结构，并同时捕捉纳米孔隙和较大孔隙。研究还发现，FIB-SEM可清晰区分土壤团聚体中的有机质。在图像中，这些有机质表现为1至10微米大小的均匀灰色斑点，而在CT图像中则较难与背景区分。

在孔隙形态方面，CT图像中土壤孔隙多呈圆形，而FIB-SEM显示样本内部存在大量裂缝以及细长、锯齿状孔隙。这些微裂缝构成了黑钙土微观孔隙网络，有助于解释其保持水分和透气的结构基础。

研究团队同时指出，FIB-SEM的视野较窄，约为30×50微米，因此不能完全替代CT。两种方法结合使用，能够从大型结构到纳米级孔隙和有机颗粒建立更完整的土壤三维图像，为进一步研究土壤结构演变、过滤特性以及团聚体形成过程提供支撑。莫斯科物理技术学院相关研究人员表示，团队将继续研究有机矿物化合物在纳米尺度上的结构特征，并发展土壤结构多尺度模型。