土壤微形態特徵

微組構分析(microfabric analysis)的發展至今已超過 60 年之久，在農業、工程、

生態學、地質學、地理學、考古學等科學領域中，均有其應用的價值，最早始於 Kubiena (1938)。微形態學透是透過光學儀器的使用，來觀察自然且非破壞的土壤 或岩石礦物微組構的排列情形(Cady, et al., 1986; Stoops, 2003)。土壤微形態學則是 在探討土壤組成物的大小、形狀以及在空間的排列情形(Stoops, 2003)。研究使用

例如在黏質地的土壤剖面中，黏聚層(agrillic horizon, Bt)中的黏粒膜(clay films)很 難從野外形態特徵中發現，透過薄切片在偏光顯微鏡的觀察下，就能發現黏粒結 皮的大小、形狀與分佈狀態；又如機械分析的結果僅能知道土壤中砂粒、坋粒與 黏粒的含量百分比，但經過微形態特徵的探討，便能更進一步得知砂粒、坋粒與 黏粒的自然排列情形與土壤孔隙之間的相對關係。

偏光顯微鏡的主要構造有光源(light source)、偏極器(polarlizer)、接物鏡 (objective lens)、分析器(analyzer)與接目鏡(ocular)等。利用 偏極器其雙折射性質 (birefringence)來產生平面偏極光。當平面偏極光通過土壤薄切片上之光學各向同 性(isotropic)的物質時，光在所有方向前進的速率均一致，這些物質包括土壤中的 無定形礦物質與有機物等；但是結晶的物質如黏粒、鐵錳氧化物及原生與次生礦 物等卻是各向異性的(anisotropic)，會以不同的速率傳遞偏極光，其速率隨偏極光 與晶體軸之間的角度而有所不同。 在未置入分析器時偏光顯微鏡所產生的是平 面偏光(plane polarized light)，土壤孔隙部分會直接讓偏極光穿透；而於載物臺上 方置入分析器時，平面偏光穿過各向異性的物質而到達分析器時能產生正交偏光 (cross polarized light)，但非結晶物質因不具雙折射性以致在視野下為黑色的，其 原因是方向互為垂直的偏極器及分析器將通過非結晶物質或孔隙部分的光線抵消 掉而無法傳遞至觀察者的眼睛。微形態特徵的描述主要是參考Bullock et al. (1985) 所作的”HANDBOOK for SOIL THIN SECTION DESCRIPTION”一書。

一、HL-1 樣體之微形態

Bw1 化育層的微形態照片可看到土壤基體(groundmass)中有斜輝石、橄欖石及 尚未風化的浮石等火山物質，而這些物質表面也有些許的黑色有機質附著在其表 面。陳政宏(1990)提到在烘爐山的高鋁玄武岩中的斑晶主要為橄欖石、斜輝石及 斜長石，而在微形態照片中確實也觀察到斜輝石及橄欖石的斑晶。其中斜輝石、

橄欖石屬於各向異性物質，而浮石為各向同性物質，因此在正交偏光下不具偏光 性。斜輝石解理面相交近90 度，平行 b 軸切面平行消光、對稱消光，其他切面斜 消光，消光角約在30–54 度。橄欖石解理不發育，常見不規則裂紋，為平行消光 (曾廣策等人，2006)。Bw1 化育層觀察到的浮石屬於風化程度低的新鮮浮石，還 屬於白色物質尚未因風化而變為黏土礦物之棕色(Vingiani et al., 2014)，在浮石周圍 也零星分佈著黃棕色的黏粒及黑色有機物質。Bw1 化育層質地分析的結果為坋質 黏土，而火山灰土壤膠結程度大，可見微形態照片下的土壤基體為整片狀。土壤

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(coarse/fine-related distribution)情形應屬於 open porphyric。有機質使得土壤基體較 為暗色，也有較明顯的黑色有機質及風化後的鐵錳物質。孔道(channel)周圍可見 undifferentiated b-fabric，c/f 分佈為 open porphyric。而在斜輝石及赤鐵礦間具有光 學各向同性的半透明且淡金黃色的鋁英石存在(Jongmans et al., 1995; Gérard et al., 2007)。Bw2 化育層的光學各向同性的無定形物質較多使得在正交偏光的情形下土 壤基體相較於Bw1 化育層呈現黑色(圖二十二)。

BC 化育層微形態照片可見風化程度低的新鮮浮石以及原生礦物風化後自然 生成的孔隙，而浮石及孔隙的周圍均有明顯的現地風化生成的亮黃棕色黏粒。土 壤基體屬於undifferentiated b-fabric，c/f 分佈為 open porphyric，也可見許多有機 質與風化後的鐵錳物質散佈於土壤基體上(圖二十三)。

二、HL-2 樣體之微形態

Bw2 化育層微形態照片可見原生礦物風化後自然生成的孔隙，土壤基體屬於 undifferentiated b-fabric，c/f 分佈為 open porphyric，孔隙及土壤基體中都能看見現 地風化的黃棕色黏粒，而在土壤基體中也含有黑色的有機質及風化後的紅黑色鐵 錳物質。質地分析結果為黏土，由於黏粒含量甚多且火山灰土壤膠結力強，因而 看見的土壤基體呈現整片狀，孔隙中周圍並無發現黏粒膜或黏粒移動的現象，因 此並無明顯黏粒的洗入情形(圖二十四，a)。

Bw3 化育層的微形態照片裡可見土壤基體裡有零星的赤鐵礦，土壤基體屬於 undifferentiated b-fabric，c/f 分佈為 open porphyric，由於黏粒甚多且土壤膠結力強 的因素，基體呈現整片狀。土壤基體中有黑色的有機質及風化後的鐵錳物質散佈 其中，此外也能看見較小的新鮮浮石碎片，土壤基體中並無黏粒膜或黏粒移動的 情況，並沒有黏粒洗入情形(圖二十四，b)。

ol

cpx

ol cpx pumice

pumice

PPL 0.25 mm

XPL 0.25 mm (a)

(a)

圖二十、HL-1 樣體 Bw1 化育層之微形態照片。(a)橄欖石、斜輝石及浮石；cpx:斜 輝石；ol:橄欖石；pumice:浮石。PPL:平面偏光；XPL:正交偏光；線條 長度: 0.25 mm。

Fig. 20. Thin section micrographs of Bw1 horizon in HL-1 pedon. (a) olivine,

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(c) (b)

pumice

V

PPL 0.25 mm

PPL 0.25 mm 圖二十一、HL-1 樣體 Bw1 化育層之微形態照片。(b)浮石；(c)黏粒；C:黏粒；pumice:

浮石；V:孔隙。PPL:平面偏光；線條長度: 0.25 mm。

Fig. 21. Thin section micrographs of Bw1 horizon in HL-1 pedon. (b) weakly weathered pumice; (c) clay; C: clay; V: void. PPL: plane polarized light; scale bar: 0.25 mm.

C

PPL 0.25 mm

XPL 0.25 mm Q

cpx

cpx

cpx

cpx Q

(d)

圖二十二、HL-1 樣體 Bw2 化育層之微形態照片。(d)斜輝石、石英、赤鐵礦及 鋁英石；allo.:鋁英石；cpx:斜輝石；Hem:赤鐵礦；Q:石英。PPL:平面 偏光；XPL:正交偏光；線條長度: 0.25 mm。

Fig. 22. Thin section micrographs of Bw2 horizon in HL-1 pedon. (d) quartz, allo.

Hem

Hem (d)

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(f)

V C

pumice

C

PPL 0.25 mm

PPL 0.25 mm 圖二十三、HL-1 樣體 BC 化育層之微形態照片。(e)浮石和黏粒；(f)浮石和黏粒；

pumice:浮石；C:黏粒；V:孔隙。PPL:平面偏光；線條長度: 0.25 mm。

Fig. 23. Thin section micrographs of BC horizon in HL-1 pedon. (e) weakly

weathered pumice and clay; (f) weakly weathered pumice and clay; C: clay;

V: void. PPL: plane polarized light; scale bar: 0.25 mm.

pumice (e)

pumice

(b)

V C V

C (a)

圖二十四、HL-2 樣體 Bw2 及 Bw3 化育層之微形態照片。(a)Bw2；(b)Bw3；C:

黏粒；V:孔隙；Hem:赤鐵礦。PPL:平面偏光；線條長度: 0.25 mm。

Fig. 24. Thin section micrographs of Bw2 and Bw3 horizons in HL-2 pedon. (a) Bw2; (b) Bw3; C: clay; V: void; Hem: hematite. PPL: plane polarized light;

PPL 0.25 mm

PPL 0.25 mm Hem

doi:10.6342/NTU201601148 undifferentiated b-fabric (圖二十五)。

烘爐山樣體微形態觀察的結果，礦物的部分有斜輝石、橄欖石、石英及少量 石(chlorite)等(Soil Survey Staff, 2014)。在某些土壤分類上，對於砂粒、坋粒及黏 粒的礦物學是必需的。X 光繞射(X-ray diffraction)、熱差分析(Differential thermal analysis)及岩相分析(petrographic analysis)是礦物分析裡常見的方法，也能使用其 他物理或化學方法來得知其他的礦物特性(Soil Survey Staff, 2014)。X 光繞射分析 是鑑定及半定量結晶性礦物其中一種最有用的方法(Hughes et al., 1994; Kahle et al., 2002)，不同礦物有其特定的 d 值(d-spacing)，藉由 XRD 能夠得到相對繞射峰 位置及繞射強度進而得知礦物的種類及進行半定量。美國土壤調查實驗室(KSSL) 將半定量結果分為五個等級，然而繞射峰的強度易受到許多干擾的影響，因此半