孟晨

摘要：土壤大孔隙是目前多領(lǐng)域研究重點(diǎn)，其引起的優(yōu)先流現(xiàn)象會(huì)對(duì)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(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)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(diǎn)，研究人員針對(duì)土壤大孔隙的量化方法、形成原因、結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行了大量的研究，也取得了一定的成果和進(jìn)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(duì)大孔隙的相關(guān)研究還存在一定的問題?，F(xiàn)對(duì)目前大孔隙研究領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行總結(jié)，并探討問題產(chǎn)生的原因，對(duì)解決方法進(jìn)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(duì)土壤大孔隙的研究方法、形成原因、結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行了大量的研究，也取得了一定的研究成果和進(jìn)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(duì)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(jì)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(duì)大孔隙形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)與計(jì)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(jì)算土體中大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)帶來(lái)了一個(gè)新的方向。但由于實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備的限制、計(jì)算方法存在缺陷，對(duì)大孔隙三維結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算還有待進(jìn)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(duì)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(duì)孔隙的掃描具有較高的精度（例如我國(guó)自主研發(fā)的上海光源，精度可達(dá)到um），目前需要改良的是對(duì)掃描物體體積的限制。此外，對(duì)土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)的計(jì)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(jì)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(jià)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(diǎn)。

1.2無(wú)法在野外尺度對(duì)土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行量化

目前對(duì)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(duì)土壤大孔隙三維特征進(jìn)行直接量化，也就是對(duì)土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析時(shí)，必須取原狀土柱運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行掃描、分析，過程中就難免會(huì)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(shí)也破壞了土壤環(huán)境，不利于長(zhǎng)期的觀測(cè)，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(shí)，取原狀土柱時(shí)造成的土壤環(huán)境破壞便會(huì)引起誤差。因此，無(wú)法在野外尺度對(duì)土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直接量化，便阻礙了對(duì)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(duì)大孔隙三維特征量化存在難度，且不能在野外對(duì)大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直接量化，因此對(duì)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(duì)土壤水文特征影響的方法與體系

目前對(duì)土壤大孔隙對(duì)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(duì)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(jìn)一步探討每個(gè)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(duì)林地土壤大孔隙對(duì)土壤水分作用機(jī)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(shì)

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

2.1土壤大孔隙結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算土壤中大孔隙的三維空間結(jié)構(gòu)特征，以及進(jìn)一步計(jì)算，以往的方法無(wú)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(jìn)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(duì)土壤中大孔隙三維空間特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，將成為未來(lái)土壤大孔隙的空間結(jié)構(gòu)特征研究的主要發(fā)展趨勢(shì)。

2.2不同土壤條件的大孔隙與石礫結(jié)構(gòu)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究人員在不同區(qū)域進(jìn)行了大量針對(duì)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(duì)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(duì)土壤水分的影響

土壤大孔隙三維空間結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)，更應(yīng)該明確大孔隙特征對(duì)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(duì)土壤水分入滲、土壤持水、土壤侵蝕、地表徑流的影響，是未來(lái)對(duì)土壤大孔隙研究的一個(gè)主要方向。