土壤团聚体中的孔隙结构对土壤的理化性质,功能以及发生在团聚体内的各种过程,如水气运移,溶质迁移,生物活动,固碳,土壤机械性质以及团聚体稳定性产生重要影响。然而,关于土壤团聚体的孔隙特征,可能的团聚机制,团聚体结构对改良剂的响应,以及团聚体中微生物的栖居空间等科学问题仍然认识不足。本研究应用了同步辐射先进成像技术、数字图像处理算法以及多维数据融合分析,对不同大小类型的团聚体和铁锰结核的孔隙结构进行了三维可视化和定量分析,充分揭示了土壤团聚体和铁锰结核的孔隙特征,阐明了土壤团聚体和铁锰结核内部孔隙的三维结构、形成过程及其对环境变化和土壤管理措施的响应。主要结果如下：1、以红壤和黑土团聚体为研究对象,综合应用了同步辐射显微CT(SR-mCT)和扫描电镜能谱技术,对两种土壤类型团聚体的胶结物质和孔隙特征进行了研究。应用数据融合分析方法,对同步辐射和电镜数据进行融合分析,建立了胶结物质与孔隙的相互关系。同步辐射显微CT研究表明,红壤团聚体的总孔隙度和孔隙各向异性显著低于黑土团聚体。不同大小红壤团聚体(5-10,2-5mm以及0.5-2mm)的孔隙大小分布规律较为相似,而不同大小黑土团聚体的孔隙大小分布规律则不同。扫描电镜分析表明,红壤团聚体中氧化铁的空间分布具有连贯性,呈岛链状分布；而黑土团聚体中碳的分布连贯性较差,呈现出独立的岛屿状。小波分析结果显示,红壤团聚体的形成可能是由于氧化铁与土壤微团聚体相互作用形成,由于红壤团聚体内氧化铁的流动范围较大,导致不同大小的红壤团聚体具有相似的孔隙大小分布规律。黑土团聚体可能是局部范围内土壤有机质与土壤微团聚体相互作用形成。由于不同孔隙中土壤有机质的合成和分解速率的不同,因此黑土团聚体的胶结过程是缓慢的,局部的,不均匀的,从而导致了不同大小黑土团聚体内部孔隙分布规律完全不同。热图分析结果表明,氧化铁不仅是红壤团聚体的主要胶结物质,同时会显著影响孔隙大小和形状。而土壤有机碳主要作为黑土团聚体的胶结物质,对孔隙大小和形状的影响不大。2、以0.3-0.5mm及3-5mm两种大小的红壤团聚体为研究对象,综合应用同步辐射显微CT和图像可视化技术,结合微生物培养方法,对土壤团聚体中的微生物生存环境进行了分析。显微CT分析结果表明,不同大小的土壤团聚体由于内部孔隙结构的显著差异,因此为微生物提供了截然不同的生存环境。3-5mm红壤团聚体孔隙总体积比0.3-0.5mm团聚体高约3个数量级。估算3-5mm团聚体对细菌,放线菌和真菌的理论容纳量约为0.3-0.5mm团聚体的104,102以及104倍。图像可视化分析表明,在3-5mm团聚体中,总孔隙度较大,大孔隙的数量较多,且孔隙相互连接成复杂的孔隙网络。这不但提供了充裕的空间容纳土壤微生物,还能增加团聚体内部和团聚体与土壤之间的水气养分交换,为微生物的生存提供适当的条件。在水分充裕的情况下, 某些厌氧微生物可以在团聚体网络孔隙内随水流动迁移。在0.3-0.5mm团聚体中,大孔隙和中孔隙数量较少,而超微孔隙和微孔隙数量较多,这些孔隙彼此独立,未形成网络孔隙系统,因此团聚体中的水气和养分交换相对受到阻碍,不具备微生物生存的理想空间。微生物可能的空间分布分析表明,由于土壤团聚体中大孔隙主要分布在团聚体边缘,因此这些区域是真菌可能生存的区域；细菌的体积较小,因此在团聚体内可能的生存区域最为广泛。3、以红壤和砂姜黑土为研究对象,分别按4%添加三种生物碳(秸秆、杂木和污泥生物碳),经180天培养试验,研究了不同生物碳对土壤团聚体结构改良作用和改良机理。同步辐射显微CT表明,添加杂木生物炭(WCB)和污泥生物碳(WSB)可显著改善土壤团聚体的孔隙度,而秸秆生物碳(SB)对土壤团聚体孔隙度影响不明显。生物碳改良土壤中的孔隙度增加主要来源于生物碳自身的孔隙以及土壤和生物碳相互作用形成的孔隙。SB对红壤和黑土团聚体内孔隙的空间分布无显著影响,而添加WCB和WSB可以显著改善砂姜黑土团聚体中孔隙的方向性分布,改良团聚体的内部结构。团聚体内孔隙的空间分布表明,WCB和WSB明显增加红壤团聚体边缘部分的孔隙数量,从而增加了团聚体与外部土壤的水汽以及养分交换。扫描电镜分析显示,与对照组相比,添加SB的红壤团聚体中,碳含量并未显著增加,而添加WSB能够显著提高整个红壤团聚体的碳含量。热图分析结果表明,添加SB对红壤和砂姜黑土团聚体的孔隙形状影响较大,而对孔隙度影响不明显；而添加WCB和WSB能够显著提高两种土壤的孔隙度。两种土壤中,WCB和WSB对红壤团聚体的改良效果更佳。4、以第四纪红壤中铁锰结核为研究对象,综合应用同步辐射显微CT、荧光成像、XRD技术以及X射线近边吸收谱学技术,对铁锰结核内部结构,生长机理,生长过程以及环境指纹等进行了全面的研究。同步辐射显微CT研究表明,5-8mm、3-5mm和2-3mm铁锰结核中存在典型的环带结构,而1-2mm的结核未观察到此类构造。X射线荧光成像显示,铁锰结核内部铁环带和锰环带呈交替排列,而微量元素主要在环带构造的形成过程中富集。X射线近边吸收谱学研究表明,铁锰结核内部的铁环带主要在氧化还原电位较低的湿润时期形成；锰环带是在氧化还原电位较高的干旱时期形成；而铁锰环带之间的过度环带主要是在干湿交替时期形成。结核内部孔隙定量分析结果表明,1-2mm结核的总孔隙度显著高于>2mm结核的总孔隙度。>2m结核中的>30微米的孔隙数量以及结核边缘孔隙的各向异性均显著高于1-2mm结核。因此,结核的形成是土壤网络孔隙的填充过程；同时,孔隙的大小和各向异性也会显著影响结核的生长。孔隙是结核形成和物质交换的通道,当结核边缘大孔隙数量较多时,水气以及无定形态氧化铁锰的流动不受阻碍,结核可以进一步生长；当结核边缘的大孔隙不断被填充,孔隙度下降时,结核生长速率也会逐渐下降,乃至逐渐停止生长。对典型的3-5mm结核进行生长过程重建表明,其生长过程主要分为两个阶段,第一阶段经主要经历了2次氧化还原过程,第二阶段主要经历了5次氧化还原过程。总之,铁锰结核的内部构造不但记录了铁锰结核形成过程中的古环境和古气候变化,还赋予了铁锰结核吸附和固定土壤微量元素的能力。