闞曉晴 程金花 王 葆 鄭 欣

（1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.國家林業(yè)局水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京 100083；

3.北京林業(yè)大學水土保持學院建水研究站，北京 100083）

土壤結(jié)構(gòu)是由生物和非生物因素（包括氣候、礦物成分、有機質(zhì)、根、真菌菌絲、土壤動物和耕作）相互作用，形成的固體土壤成分和孔隙在不同尺度上的三維排列[1]。其中，大孔隙是出現(xiàn)在土壤中大體積、連續(xù)的結(jié)構(gòu)性開口，為流經(jīng)土壤的物質(zhì)提供快速移動路徑[2]。大孔隙在土壤中普遍存在于植被生長的非飽和帶[3-5]，分布相對密集[6]，包含土壤裂隙、根系通道、生物洞穴等，土壤中的大孔隙長度、直徑、體積、表面積、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等發(fā)育特征決定了土壤的連通性，進而影響水分運動[7-8]及溶質(zhì)運移[9]，因此土壤大孔隙特性對水資源[10]、水分運移[11]、分子物質(zhì)[6]和污染物[12]在土壤中的遷移及滯留等問題的研究至關(guān)重要。土壤大孔隙特性及其與水分運移的關(guān)系是土壤水分運動的難點和前沿問題之一。陳曉冰[13]和姚晶晶[14]的研究結(jié)果表明，重慶紅壤區(qū)優(yōu)先流現(xiàn)象明顯，與土壤總孔隙度相關(guān)性顯著；王葆[15]和鄭欣[16]的研究結(jié)果表明，北京褐土區(qū)土壤大孔隙形態(tài)特征顯著，水分優(yōu)先運移現(xiàn)象與土壤總孔隙度呈正相關(guān)；Kan 等[17]、彭旭東[18]和朱曉鋒[19]的研究結(jié)果表明，喀斯特紅壤區(qū)水分入滲機制受可溶性巖石影響，水分沿土–石裂隙優(yōu)先下滲現(xiàn)象顯著。因此，不同土壤類型條件下的土壤孔隙量分別對當?shù)赝寥浪诌\移影響顯著，然而土壤結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性會導(dǎo)致土壤水力性質(zhì)的變化[20]，孔隙尺度的非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)也會控制著土壤的水分運移過程[21]，但水分運移及滯留嚴重制約著植被恢復(fù)[22]，因此在不同土壤類型條件下的土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征亟待研究。

土壤大孔隙的研究方法多為染色示蹤法[23]、穿透曲線法[24]等，但因其破壞性較強，無法對土壤結(jié)構(gòu)進行連續(xù)性觀測。Jarvis 等[25]發(fā)現(xiàn)X 射線的CT 成像可表示土壤中的孔隙；Soto 等[26]發(fā)現(xiàn)了CT 掃描獲得的孔隙路徑在流體運移中的作用，CT 斷層掃描原狀土柱的大孔隙研究結(jié)果精準且具有普適性[27]，為污染物在大孔土壤中遷移的研究提供理論基礎(chǔ)[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙彎曲度對水分運移有較大影響，但多為模擬彎曲度測算值，針對彎曲度的實際計算方法仍需研究[29]。本研究旨在采用非破壞性CT 斷層掃描技術(shù)及結(jié)構(gòu)方程模型（SEM），量化不同土壤的孔隙結(jié)構(gòu)特性，定量分析不同土壤類型、植被類型條件下土壤大孔隙特征，以期為大孔隙數(shù)學建模[30]、土壤孔隙水分運移模型[10]、河岸包氣帶及邊坡穩(wěn)定性[31]等研究提供科學支撐，為不同土壤類型條件下人工林的恢復(fù)、合理配置、撫育管理等問題提供參考。

1 研究區(qū)概況

本研究的11 個原狀土柱分別采集于典型褐土區(qū)（北京鷲峰試驗場）、紅壤區(qū)（重慶四面山試驗場）、喀斯特地貌紅壤區(qū)（云南建水試驗場）。研究點基本情況見表1。

表1 試驗區(qū)概況Table 1 Basic situation of the experimental sites

1）北京鷲峰試驗場（116°08′～116°28′E，39°54′～40°10′N）位于華北平原西部，屬于太行山系最北段與燕山山脈相會處的北京西山。海拔高度60～1153 m，受華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候影響，年平均氣溫11.8 ℃，年平均日照時數(shù)2000～2800 h，年平均降水量550.3 mm。其中喬木群落為欒樹（Koelreuteria paniculata）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）混交林，灌木為紫薇（Lagerstroemia indica），草本群落為紫花苜蓿（Medicago sativa）。

2）重慶四面山試驗場（106°17′～106°30′E，28°31′～28°43′N）位于我國地勢二級階梯東緣三峽庫區(qū)內(nèi)。海拔高度500～1780 m，位于中緯度亞熱帶，受亞熱帶濕潤季風氣候影響，雨水充沛且霧氣多。全年雨量較大，但時空分布差異較大，年平均氣溫13.6～18.4 ℃，年平均日照時數(shù)888.5～1539.6 h，年平均降水量1221.5～1530.7 mm[17]。其中灌木群落為細枝柃（Eurga loquaiana）。

3）云南建水試驗場（102°55′～102°60′E，23°37′～23°44′N）位于云南省建水鎮(zhèn)西南巖溶區(qū)羊街集水區(qū)，為典型的喀斯特盆地地貌。海拔高度1350～1700 m，受西南印度洋季風影響，可形成明顯的干濕季。該地區(qū)季節(jié)性干旱嚴重，說明雨季（5 月至10 月）潮濕，旱季（11 月至次年4月）降水稀少。年平均氣溫19.8 ℃，地表年平均氣溫20.8 ℃，年平均日照時數(shù)2322 h，年平均降水量805 mm。其中喬木群落為桉樹（Eucalyptus maideni），灌木群落為車桑子（Dodonaea viscosa）。

2 研究方法

2.1 樣地選取

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)量的充足性，獲得了另外兩位研究者的許可和原狀土柱數(shù)據(jù)，進行大孔隙特性分析。試驗選取了3 個樣地，包括北京褐土混交林（B?F?1，B?F?2）、灌木（B?S?1，B?S?2）、草地（B?G?1），重慶紅壤灌木（C?S?1，C?S?2），云南喀斯特桉樹人工林（Y?EF?1，Y?EF?2）、灌木（Y?S?1，Y?S?2），所有樣地均選自坡腳處，消除山體隆起高度對土壤特性的影響[32]。為減少誤差，首先將土壤表層枯落物剝離，再采用按壓法取原狀土柱，同時根據(jù)對角線布點法采集環(huán)刀樣本。

2.2 土壤性質(zhì)

采用環(huán)刀浸透法獲得土壤并根據(jù)公式（1）～（3）計算總孔隙度（P）、最大持水量（P1）、自然含水量（P2），在每個樣地10、30、50 cm深處使用環(huán)刀鉆將環(huán)刀壓入土壤5 cm 深，所得環(huán)刀土樣分別代表0～20、20～40、40～60 cm 土層的土壤，并分別取3 個重復(fù)樣品。環(huán)刀體積（v）100 cm3把每個土樣的環(huán)刀下蓋（帶網(wǎng)孔端）打開，放入濾紙，蓋好后立即稱質(zhì)量（m1），取下環(huán)刀上蓋，將環(huán)刀帶網(wǎng)孔端放入水盆中，盆中水層高度至環(huán)刀上沿（不淹沒），吸水 12 h 后取出環(huán)刀，蓋上上蓋，擦凈水分，立即稱質(zhì)量（m2），放入 105 ℃烘箱內(nèi)烘烤 24 h，蓋好上蓋，立即稱質(zhì)量（m3）。取出土樣，稱取帶濾紙環(huán)刀質(zhì)量（m4），計算公式如下[18-19]：

式中：P為總孔隙度，P1為最大持水量，P2為自然含水量，v為環(huán)刀體積，m1為原質(zhì)量（含環(huán)刀、濾紙質(zhì)量），m2為飽和土壤環(huán)刀質(zhì)量（含環(huán)刀、濾紙質(zhì)量），m3為干質(zhì)量（含環(huán)刀、濾紙質(zhì)量），m4為環(huán)刀、濾紙質(zhì)量。

2.3 CT 掃描及圖像分析

本研究的原狀土柱（管內(nèi)直徑10 cm，高30 cm）中有5 個取自北京鷲峰試驗場，2 個取自重慶四面山試驗場，4 個取自云南建水試驗場，各重復(fù)2 個樣品，均采用管壁5 mm 的PVC 管采集，因金屬管壁會對掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。11 個原狀土柱均采用IPT4106D 掃描設(shè)備進行斷層掃描，4 MeV 加速器面陣CT 掃描系統(tǒng)，將原狀土柱以0.2 mm/pixel 掃描為2048×2048 的CT 圖像矩陣，進而使CT 圖像堆棧通過VG Studio MAX 2.2軟件對孔隙進行缺陷自動檢測計算，利用高斯濾波，在不破壞土壤整體結(jié)構(gòu)的情況下獲得其內(nèi)部孔隙三維結(jié)構(gòu)，以及大孔隙的直徑、體積、表面積、分布。

需要計算的大孔隙特征參數(shù)還包括大孔隙角度、扭曲度、大孔隙實際長度（Lti）和彎曲度（δ）。為計算這些大孔隙特征，假設(shè)某段孔隙如圖1 所示，若將其無限拆分為n層，則該孔隙可近似看做一段線段，將每一維段的數(shù)值進行積分計算即可獲得特征指標。

圖1 大孔隙計算過程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch calculation process of macropores

大孔隙角度（θ）為大孔分支的傾角[33]，公式如下：

式中：θ為大孔隙角度，x、y和z分別是x、y和z方向上的投影大孔長度。

扭曲度（ξ）可描述土壤內(nèi)大孔隙的扭曲程度，為實際長度（L0）的土壤內(nèi)共n層大孔隙角度（θi）的累積值，計算方法見公式（5）：

式中：ξ為扭曲度，n為土壤總層數(shù)，θi為第i層大孔隙角度的累積值。

第i層大孔隙實際長度（Lti）為假設(shè)大孔隙被拆分后每一微段孔隙為圓柱體，則實際大孔隙長度（Lt）為大孔隙體積除以橫截面積，計算方法見公式（6）：

式中：Lti為第i層內(nèi)實際大孔隙長度（mm），V為土壤孔隙體積（mm3），S為土壤孔隙表面積（mm2），r為土壤孔隙橫截面半徑（mm），Vi為第i層大孔隙的體積（mm3），d i為第i層大孔隙的直徑（mm）。

彎曲度（δ）為大孔隙路徑的卷積程度，可反應(yīng)大孔隙通道內(nèi)流動物體的運移路徑長度，計算方法見公式（7）：

式中：δ為彎曲度，Lti為第i層內(nèi)實際大孔隙長度（mm），Lli為第i層內(nèi)垂直距離長度（mm）。

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型統(tǒng)計分析

為定量描述土壤大孔隙特征參數(shù)與土壤自然含水率、土壤最大持水量間的關(guān)系，采用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM），在考慮變量間的相關(guān)性的同時也會考慮誤差，因此可以用來分析優(yōu)先流的試驗數(shù)據(jù)[34]。與傳統(tǒng)的Pearson 相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計方法相比，結(jié)構(gòu)方程模型SEM 在分析相關(guān)性過程中將可測變量及潛在變量分開考慮，允許參數(shù)估計中的測量誤差，減少由測量誤差引起的潛在變量之間相關(guān)性估計的干擾[35]。同時，結(jié)構(gòu)方程模型不僅可以得到因子間的相關(guān)系數(shù)，還可顯示相關(guān)關(guān)系中的方向性，因此本研究選擇結(jié)構(gòu)方程模型分析各因子間的相關(guān)關(guān)系。SEM 由結(jié)構(gòu)方程和測量模型組成，通常由3 個矩陣方程表示，見式（8）～（10）[36]。公式（8）反映了實際中無法測量的潛在變量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，公式（9）、（10）為測量模型，可以反映觀測變量和潛在變量之間的關(guān)系。

式中：η為內(nèi)在潛變量，B為內(nèi)在潛變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，Г為內(nèi)在潛變量對外在潛變量的結(jié)構(gòu)系數(shù)矩陣，ξ為外在潛變量，ζ為測量誤差，Y為內(nèi)在觀測變量矢量，X為外在觀測變量矢量，Λx為外在觀測變量矢量的因子載荷，Λy為內(nèi)在觀測變量矢量的因子載荷觀測變量向量，分別是外在觀測變量和內(nèi)在觀測變量的度量。潛在變量可以通過測量模型由可測量變量反映出來。通過求解方程（8）～（10），可以得到每個潛在變量和可測變量之間的關(guān)系。在建立初始模型之后，路徑系數(shù)表示變量之間關(guān)系的程度，通常用極大似然法計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤類型條件的大孔隙特征對比

3 個研究區(qū)植被群落土壤的三維可視化圖像見圖2。由圖2 可知，這些大孔隙既連續(xù)又獨立，而大孔隙的連續(xù)性在土壤的滲透過程中極為重要[37]。

圖2 11 個樣本的三維可視化圖像Fig.2 3D visualization images of 11 samples

北京褐土、重慶紅壤、云南喀斯特紅壤3 種土壤條件下的灌木土壤大孔隙形態(tài)特征清晰。北京褐土和重慶紅壤的灌木群落土壤大孔隙主要為縱向發(fā)育，通道形態(tài)清晰且分布較均勻，而云南的灌木群落土壤大孔隙主要為橫向發(fā)育且多為小體積裂隙（孔隙體積<1 mm3），分布較均勻，這與Kung[38]的研究結(jié)果相似。

北京褐土、云南喀斯特紅壤的喬木土壤大孔隙連通度高。北京褐土區(qū)的喬木群落土壤大孔隙明顯下沉且縱向連續(xù)性強，而云南喀斯特地貌的人工林群落土壤大孔隙集中區(qū)域明顯上移且破碎化程度極高，橫向連續(xù)性強。

北京褐土的草本群落土壤大孔隙分層明顯。草本土壤的大孔隙明顯分為上、中、下3 層，上層近地表孔隙可能與草本植物淺根相關(guān)，大孔隙通道直徑較小且不聚集成團，中層存在連接上、下層大孔隙的通道，但分布數(shù)量較少，而下層土壤中接近地下30 cm 深處的大孔隙均為垂直形態(tài)且分布較均勻，該孔隙通道的形成可能與地下裂隙或水分入滲侵蝕相關(guān)。

選取11 個樣品中較具代表性的橫截面見圖3。北京褐土地區(qū)的大孔隙呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且密集，重慶紅壤地區(qū)灌木的大孔隙呈通道狀，較分散且孔隙直徑明顯大于北京褐土地區(qū)的灌木樣地，云南喀斯特地區(qū)的人工恢復(fù)林大孔隙呈聚集狀且覆蓋面積較大，該地區(qū)土壤破碎程度較大。

圖3 11 個樣本的代表性橫截面Fig.3 Representative cross section of 11 samples

不同土壤類型條件下灌木土壤大孔隙特征值對比見表2。灌木群落土壤大孔隙的平均直徑為Y?S>C?S>B?S，標準差較??；孔隙總體積為C?S>B?S>Y?S，標準差較大；孔隙總表面積與累積扭曲度趨勢相似，為B?S>C?S>Y?S，標準差較大；累積彎曲度與平均角度的趨勢相反，標準差較大。

表2 灌木大孔隙特征值Table 2 Characteristic value of macropore of shrub

不同土壤類型條件下喬木土壤大孔隙特征值對比見表3。喬木群落土壤大孔隙的平均直徑、累積扭曲度與平均角度的趨勢相似，為B?F>Y?EF，標準差為Y?EF>B?F；孔隙總體積、孔隙總表面積與累積彎曲度趨勢相似為Y?EF>B?F，標準差為Y?EF>B?F。

表3 林地大孔隙特征值Table 3 Characteristic value of macropore of forest

3.2 不同植被類型條件的大孔隙特征對比

不同植被類型條件下北京褐土區(qū)的大孔隙特征值對比見表4。北京褐土區(qū)的林地、灌木、草地土壤大孔隙直徑平均值及平均角度均為喬木最大，灌木和草本相似且較小；土壤孔隙總體積為B?S>B?G>B?F，灌木土壤的標準差較大；孔隙總表面積、累積彎曲度、累積扭曲度均為B?G>B?S>B?F。

表4 北京褐土不同植被類型條件下大孔隙特征值Table 4 Macropore characteristic value of cinnamon soil in Beijing

不同植被類型條件下云南喀斯特紅壤區(qū)的大孔隙特征值對比見表5。云南喀斯特紅壤區(qū)的林地、灌木土壤大孔隙直徑平均值、土壤孔隙總體積、孔隙總表面積及平均角度均為Y?EF>Y?S；累積彎曲度、累積扭曲度均為Y?S>Y?EF。

表5 云南喀斯特不同植被類型條件下大孔隙特征值Table 5 Macropore characteristic value of karst soil in Yunnan

3.3 基于結(jié)構(gòu)方程的土壤孔隙特征參數(shù)相關(guān)性計算

結(jié)合表1～5 數(shù)據(jù)可知，不同土壤類型、不同植被類型條件下的土壤大孔隙平均直徑、孔隙總體積、孔隙總表面積、累積彎曲度、累積扭曲度、平均角度等特征參數(shù)與土壤孔隙度、土壤自然含水量、土壤最大持水量之間存在相同或相反的變化趨勢，為定量研究大孔隙特征參數(shù)與土壤含水量間的關(guān)系，本研究利用AMOS 7.0 軟件中的結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）建立各指標間的關(guān)系，分析土壤總孔隙度、最大持水量、自然含水量、平均直徑、孔隙總體積、孔隙總表面積等可測變量與累積彎曲度、累積扭曲度等潛變量間的關(guān)系[34]，模型結(jié)構(gòu)路徑經(jīng)過多次調(diào)整后得到圖4。各特征參數(shù)之間的路徑系數(shù)、標準誤差、臨界比和模型影響因素的顯著性見表6～7[39]。本研究采用絕對擬合指數(shù)和相對擬合指數(shù)對模型進行檢驗，表7 中SEM 各指標均符合標準，且臨界比絕對值大于2，說明可以利用該模型研究各特征參數(shù)的相關(guān)性。在本研究中，采用絕對擬合指數(shù)和相對擬合指數(shù)對模型進行檢驗（表7）。每一個都符合標準，說明圖4 的結(jié)構(gòu)方程模型可用。經(jīng)SEM 去誤差化分析土壤總孔隙度、最大持水量、自然含水量、平均直徑、孔隙總體、孔隙總表面積、累積彎曲度、累積扭曲度共8 個指標之間的關(guān)系。由表6 可知，孔隙總體積與平均直徑呈顯著負相關(guān)（標準化估計為?0.56），說明在相對固定的土體內(nèi)大孔隙總體積的增大可能抑制大孔隙平均直徑的大小。累積彎曲度與孔隙總表面積呈顯著正相關(guān)（標準化估計為0.69），說明彎曲度高的土體內(nèi)，大孔隙的累積表面積更大，水分流經(jīng)該部分土體時可以與土壤有更充分的接觸。

表6 SEM 協(xié)方差結(jié)果Table 6 Regression results of SEM variables

表7 SEM 整體適配度評價及擬合結(jié)果Table 7 Evaluation and fitting results of SEM overall fitness

圖4 土壤孔隙參數(shù)典型特征值的結(jié)構(gòu)方程Fig.4 SEM of preferential flow characteristic parameters

4 結(jié)論與討論

同一立地植被條件下不同土壤類型的土壤孔隙度及彎曲度均與土壤持水量成正比，即喬木和灌木土壤在不同土壤類型條件下，土壤總孔隙體積與累積彎曲度越大，土壤最大持水量和自然含水量越小。云南喀斯特紅壤區(qū)喬木群落土壤大孔隙的總體積、總表面積、累積彎曲度、累積扭曲度均大于北京褐土區(qū)喬木群落土壤，但兩地區(qū)的灌木群落土壤大孔隙特征值相反，云南喀斯特紅壤區(qū)的喬木土壤大孔隙總體積和表面積分別是北京褐土區(qū)喬木土壤的2.25 倍和5.64 倍，說明云南喀斯特紅壤區(qū)人工恢復(fù)地區(qū)喬木群落土壤的大孔隙分布較北京褐土地區(qū)更大，喀斯特紅壤區(qū)人工林土壤破碎程度高且水平連續(xù)性強，同時其內(nèi)部孔隙表面積更大，因此可有效增加土壤的蓄水能力，減少水分滯留在地表的時間[40]，進而減少水分揮發(fā)，提高地表水分的利用。云南喀斯特紅壤區(qū)喬木土壤的累積彎曲度和累積扭曲度分別是北京褐土區(qū)喬木土壤的2.78 倍和0.17 倍，說明北京褐土區(qū)和云南喀斯特紅壤區(qū)人工恢復(fù)喬木群落土壤的大孔隙扭曲度近似，但水分在云南喀斯特紅壤區(qū)中下滲的路徑更長，因此在土壤中的滯留時間可能更長。

北京褐土和重慶紅壤的灌木群落大孔隙分布均勻且縱向發(fā)育顯著，大孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密集，云南喀斯特紅壤的灌木群落土壤大孔隙橫向發(fā)育顯著。重慶紅壤區(qū)灌木群落大孔隙總體積最大，分別是北京褐土區(qū)灌木和云南喀斯特紅壤區(qū)的1.22倍和6.28 倍，說明重慶紅壤區(qū)灌木群落的土壤大孔隙空間最大，存在大量蓄水的可能性。但重慶紅壤區(qū)灌木的大孔隙表面積不是最大的，北京褐土區(qū)灌木大孔隙總表面積分別是重慶紅壤區(qū)灌木和云南喀斯特紅壤區(qū)灌木的1.44 倍和1.46 倍，說明重慶紅壤區(qū)灌木的大孔隙表面積與云南喀斯特紅壤區(qū)灌木接近，水分在北京褐土地區(qū)灌木群落的土壤中運移過程中可能會接觸到更多的土壤，若淺層土壤中存在可溶解的有毒物質(zhì)，則其溶解在水中并滲入土壤的可能性較大。Saravanathiiban 等[41]和徐宗恒等[42]的研究表明，水分在土壤中的入滲速度會在孔隙通道彎曲度高處降低，因此彎曲度高的立地類型更易存儲水分并供植物根系生長使用。北京褐土區(qū)灌木的累積彎曲度是重慶紅壤區(qū)灌木和云南喀斯特紅壤區(qū)灌木的5.84 倍和0.24 倍，說明北京褐土地區(qū)和云南喀斯特人工恢復(fù)地區(qū)灌木群落土壤的大孔隙彎曲度相近，但重慶紅壤地區(qū)灌木群落土壤的大孔隙彎曲度很小，而北京褐土區(qū)灌木的累積扭曲度是重慶紅壤區(qū)灌木和云南喀斯特紅壤區(qū)灌木的1.62 倍和4.52 倍，說明北京褐土區(qū)灌木的累積扭曲度和累積彎曲度最高，大孔隙通道的形狀可近似于螺旋體，重慶紅壤區(qū)灌木的累積彎曲度低且累積扭曲度高，大孔隙通道的形狀可近似于螺絲釘體，云南喀斯特紅壤區(qū)灌木的累積彎曲度高但累積扭曲度低，大孔隙通道的形狀可近似于滑梯狀。

同一土壤類型條件下不同立地植被的土壤孔隙特征差異顯著。喬木土壤大孔隙垂直連續(xù)性強，喬木群落大孔隙平均直徑約為灌木群落大孔隙平均直徑的1.33 倍，接近草本群落大孔隙平均直徑的1.87 倍，說明草本群落的土壤孔隙細小，地表水分的入滲可能會受其土壤孔隙細小的影響。喬木群落的土壤大孔隙分布最廣泛且垂直連通性極強，存在明顯的聚集現(xiàn)象，水分從地表可以優(yōu)先沿大孔隙進入地下[43]，并快速運移至深層土壤，因此喬木群落相對于草地更不易形成地表徑流，且蓄水性更好；灌木群落土壤大孔隙特征值與喬木相反，灌木群落的土壤大孔隙分布較均勻，且孔隙直徑較小，通道形態(tài)清晰；草本群落土壤大孔隙總體積小，但累積扭曲度最高，且草地的土壤大孔隙分布極不均勻且出現(xiàn)分層隔離現(xiàn)象，連通性更差，因此草地無法將地表水分優(yōu)先運移至土壤內(nèi)部，因此極易形成地表積水和地表徑流[44]。

根據(jù)不同土壤類型、植被群落條件下土壤大孔隙的各特征參數(shù)，褐土區(qū)的累積彎曲度和累積扭曲度均較高，故大孔隙通道的形狀可能近似于螺旋體；紅壤區(qū)累積彎曲度低但累積扭曲度高，故大孔隙通道的形狀可能近似于螺絲釘體；喀斯特人工恢復(fù)地區(qū)土壤累積彎曲度和扭曲度都低，故大孔隙通道的形狀可能近似于滑梯狀。草本群落的土壤大孔隙旋轉(zhuǎn)程度遠高于其他立地條件。

經(jīng)結(jié)構(gòu)方程模型驗證，土壤大孔隙彎曲度的增加會促進土壤大孔隙總面積的增大，該結(jié)果與Saravanathiiban 等[41]的結(jié)論一致。大孔隙的體積與平均直徑呈負相關(guān)，與Zhang 等[43]的結(jié)論一致，表明大孔隙只占土壤總孔隙度的一部分。彎曲度會抑制土壤自然含水量和最大持水量，該結(jié)果與Meng 等[33]的結(jié)論相似，表明土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可能增加水分流失情況發(fā)生。

土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的三維研究對于土壤水分運移具有決定性影響，但目前對于土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的研究仍較少，主要受到CT 掃描技術(shù)以及樣本運移的限制，但本研究主要對比3 種土壤類型條件下喬灌草的土壤大孔隙形態(tài)特征對比，不同條件下的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)具有較高辨識度，有較明顯的區(qū)別和特征，但仍需進一步更廣泛的實驗驗證和理論完善。