土壤大孔隙研究的問題及展望

孟晨

摘要：土壤大孔隙是目前多領(lǐng)域研究重點，其引起的優(yōu)先流現(xiàn)象會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。根據(jù)土壤大孔隙研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前大孔隙研究的問題，并對未來發(fā)展方向進行展望，以期為土壤大孔隙及優(yōu)先流研究的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：大孔隙;結(jié)構(gòu)特征;CT掃描

土壤大孔隙是目前農(nóng)業(yè)、生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的重點，研究人員針對土壤大孔隙的量化方法、形成原因、結(jié)構(gòu)特征等方面進行了大量的研究，也取得了一定的成果和進步。但由于量化技術(shù)、地域性差異、尺度適用性限制等問題，對大孔隙的相關(guān)研究還存在一定的問題。現(xiàn)對目前大孔隙研究領(lǐng)域存在的問題進行總結(jié)，并探討問題產(chǎn)生的原因，對解決方法進行展望，以期為今后大孔隙的研究提供參考。

1土壤大孔隙研究存在的問題

近些年，研究人員對土壤大孔隙的研究方法、形成原因、結(jié)構(gòu)特征等方面進行了大量的研究，也取得了一定的研究成果和進步。但是由于土壤大孔隙產(chǎn)生的原因具有地域性差異，且受到研究條件及設(shè)備的限制，目前對土壤大孔隙的研究還存在一定的問題，具體可總結(jié)為以下4條：

1.1計算土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)的方法有待完善

以往的研究，多是利用染色法或基本水流方程法對大孔隙形態(tài)進行觀測與計算，但是卻不能得到大孔隙在土壤中的三維結(jié)構(gòu)參數(shù)。近幾年由于CT技術(shù)的發(fā)展，給在不破壞土體的條件下計算土體中大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)帶來了一個新的方向。但由于實驗條件及設(shè)備的限制、計算方法存在缺陷，對大孔隙三維結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算還有待進一步完善和發(fā)展。比如，不同CT具有不同的精度，精度越高的設(shè)備則對物體的大小限制越高，例如醫(yī)用CT的精度較低，則可以掃描較大體積的土柱;而Micro-CT的精度較高，卻只能掃描較小體積的土柱，目前CT設(shè)備對孔隙的掃描具有較高的精度（例如我國自主研發(fā)的上海光源，精度可達到um），目前需要改良的是對掃描物體體積的限制。此外，對土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)的計算不僅僅依賴于CT、核磁共振等掃描設(shè)備，還需要圖像處理軟件的支持，而圖像處理過程同樣決定了大孔隙空間結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)構(gòu)的精確度，目前使用較多的軟件包括Avizo、VG Stu-dioMAX等，其中VG StudioMAX為商業(yè)軟件，售價昂貴，Avizo雖未開放獲取軟件，但圖像處理精度較低，且難度較大。因此，圖像處理軟件及方法同樣是目前土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)量化的難點。

1.2無法在野外尺度對土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進行量化

目前對土壤大孔隙三維特征的量化，局限于CT掃描、核磁共振等室內(nèi)掃描技術(shù)，不能在野外對土壤大孔隙三維特征進行直接量化，也就是對土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進行分析時，必須取原狀土柱運往實驗室進行掃描、分析，過程中就難免會造成土柱的破壞，從而引起誤差。另外，在取得原狀土柱的同時也破壞了土壤環(huán)境，不利于長期的觀測，例如分析某段過程中土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征的變化時，取原狀土柱時造成的土壤環(huán)境破壞便會引起誤差。因此，無法在野外尺度對土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征進行直接量化，便阻礙了對大孔隙影響因素等研究的發(fā)展。

1.3不同土壤條件的大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征及形成原因尚不明確

大量研究證明，不同土壤利用方式、不同植被覆蓋土壤條件下的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)存在很大差異。因此，不同林地類型條件土壤的大孔隙的特征規(guī)律及差異還有待研究。并且不同土壤條件下土壤大孔隙的形成原因，以及這些原因?qū)Υ罂紫度S結(jié)構(gòu)有何種影響也有待研究。由于目前對大孔隙三維特征量化存在難度，且不能在野外對大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進行直接量化，因此對不同條件土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征的變化研究，以及引起土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化的因素研究，都存在一定的困難。

1.4缺少量化分析大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征對土壤水文特征影響的方法與體系

目前對土壤大孔隙對土壤水分的影響研究多集中在大孔隙二維結(jié)構(gòu)參數(shù)上，極少有系統(tǒng)探討大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對土壤水文特征影響的研究。并且在不同的研究條件、研究目的、研究區(qū)域等因素的影響下，得到的結(jié)果也不盡相同。因此，準(zhǔn)確地量化不同林地條件大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征，并進一步探討每個大孔隙三維特征參數(shù)與土壤持水與導(dǎo)水的關(guān)系，并提出系統(tǒng)的針對林地土壤大孔隙對土壤水分作用機理的研究方法和體系是十分必要的。

2土壤大孔隙研究發(fā)展趨勢

土壤大孔隙相關(guān)研究的未來發(fā)展趨勢，主要包括土壤大孔隙結(jié)構(gòu)計算的新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用、針對不同土壤條件的大孔隙三維結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算，以及量化分析大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對土壤水文特征的影響研究。

2.1土壤大孔隙結(jié)構(gòu)計算的新技術(shù)和新設(shè)備應(yīng)用

為了更精確地在不破壞土體的情況下計算土壤中大孔隙的三維空間結(jié)構(gòu)特征，以及進一步計算，以往的方法無法得到的大孔隙的三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，使用更為先進的技術(shù)，如上海光源、工業(yè)CT、核磁共振成像技術(shù)等等，結(jié)合不斷優(yōu)化的圖像處理軟件與方法，對土壤中大孔隙三維空間特征參數(shù)進行相關(guān)研究，將成為未來土壤大孔隙的空間結(jié)構(gòu)特征研究的主要發(fā)展趨勢。

2.2不同土壤條件的大孔隙與石礫結(jié)構(gòu)計算

不同土壤條件、土地利用類型、林地類型都具有不同的大孔隙結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究人員在不同區(qū)域進行了大量針對土壤大孔隙的研究，得到的結(jié)論卻不盡相同，可見土壤大孔隙特征具有地域性差異。因此在今后的研究中，針對不同土壤類型、土地利用情況的土壤大孔隙三維結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究具有重要意義。

2.3量化分析大孔隙與石礫三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對土壤水分的影響

土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)對土壤水文特征的影響，不僅關(guān)系著當(dāng)?shù)厮亮魇Ъ吧鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)，還與地下水污染息息相關(guān)，在研究土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的同時，更應(yīng)該明確大孔隙特征對土壤水分的影響，從定性和定量的角度分析大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征對土壤水分入滲、土壤持水、土壤侵蝕、地表徑流的影響，是未來對土壤大孔隙研究的一個主要方向。