土壤大孔隙特征及其研究方法

李耀龍 趙洋毅 楊坤

摘要：土壤大孔隙是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。土壤孔隙的數(shù)量及大小分布直接決定著土壤的透氣性、持水保水性能以及作物根系在土壤空間的伸展，間接影響土壤的肥力和作物產(chǎn)量。基于前人研究基礎(chǔ)，比較了各種研究方法的適用性和局限性，大孔隙的研究方法可分為直接觀測法和間接描述法，并各有其適用性和局限性.土壤大孔隙研究的最終目的是調(diào)控它，為減少地下水污染、控制水土流失提供一條新途徑。

關(guān)鍵詞：土壤大孔隙;研究方法;影響因素

近多年來，土壤大孔隙及優(yōu)先流的研究已成為歐洲和美國等國家和地區(qū)土壤水文學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究開展較晚，理論和實(shí)驗(yàn)等方面相對薄弱，研究方法也主要參考國外經(jīng)驗(yàn)，雖取得了一定進(jìn)展，但仍有待深入。

1、土壤大孔隙的界定

對于土壤大孔隙的研究，最早可以追溯到1864年入滲過程中針對“大孔”的研究。之后各國學(xué)者針對土體中裂縫、蟲孔、植被根系、動物通道等大孔隙進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，同時提出了各自對大孔隙的認(rèn)識。有些學(xué)者則根據(jù)自己的需要直接進(jìn)行大孔隙進(jìn)行界定。按照當(dāng)量孔徑劃分是大孔隙界定最直接的方法，但是受各研究學(xué)者的研究方法的不同和儀器精度的限制，不同學(xué)者關(guān)于大孔隙的下限孔徑各有認(rèn)識。

學(xué)者們也會通過孔隙的功能直接對孔隙進(jìn)行分類。從孔隙功能的定性化去描述大孔隙，簡而言之就是能產(chǎn)生優(yōu)先流效應(yīng)的孔隙都可被認(rèn)為是大孔隙，這比用其他方法定量界定更直觀明了。與基質(zhì)孔隙相比，大孔隙是一個相對概念。這種劃分強(qiáng)調(diào)了出現(xiàn)在土壤孔隙中的水流過程，而不是單純從孔隙大小或者受吸力大小來定義大孔隙，因而在做定量化研究時，可以用它來作為參考指標(biāo)。因此，從土壤中水流功能來研究大孔隙更具有實(shí)際意義。

2、土壤大孔隙的研究方法

常用的大孔隙研究方法有：染色示蹤法、CT掃描法、穿透曲線法、滲透儀法、填筑澆灌法和數(shù)學(xué)模型法等。另外可以將大孔隙的研究方法分為直接測量法和間接測量法。

2.1直接測量法

（1）染色法

此法主要采用固結(jié)物質(zhì)和染料灌入土壤孔隙，描繪土壤剖面大孔隙連通形態(tài)，測量和計(jì)算大孔隙大小、數(shù)量和體積。將染色方法進(jìn)行改進(jìn)，使用溶液染色和觀察大孔隙流的路徑。通過在噴灑的水中加入碘離子，然后在水平挖開的土壤表面上灑上淀粉，再在噴灑淀粉的土壤表面上噴漂白液，這時優(yōu)先流的橫斷面顏色將從乳白或灰白色變成暗藍(lán)或紫羅蘭色。有些土壤本身顏色較深，與顏色深的染料對比度小，故染料的選擇對試驗(yàn)精度具有極大影響。應(yīng)用染色法運(yùn)作起來較為簡單、直觀，不論是在野外進(jìn)行測定，還是實(shí)驗(yàn)室分析，染色法皆適用，但由于土壤表面不平整，以及肉眼觀察能力的限制，這種方法的準(zhǔn)確性較差。

（2）切片法

此法選擇合適的染色劑或固結(jié)物質(zhì)（如石蠟、樹脂等），將其浸入土壤。當(dāng)染色劑的入滲濃度等于流出濃度時，染料附著在土壤大孔隙壁上，再將土壤分成幾個斷面，將土壤剖面攝成照片。切片法直觀性較強(qiáng)，但只能估計(jì)土壤大孔隙占總孔隙的比例，對大孔隙流難以做出定量判斷，且由于圖像分辨率、土壤切片的不平整等因素的影響，該法精度不高。

（3）CT 掃描法

運(yùn)用CT技術(shù)研究土壤大孔隙特征是近年來出現(xiàn)的一種新方法。土樣經(jīng)過CT掃描儀掃描后，得到掃描圖像，該圖像由一定數(shù)量的圖形元素組成，每一個圖形元素對應(yīng)掃描物體的一個位置。依據(jù)物體各個位置的X-射線衰減系數(shù)把亮度值付給圖像中的每個圖形元素，掃描物體不同密度區(qū)可在圖像中以不同亮度表示，土壤大孔隙就可清晰地顯示出來。應(yīng)用此法研究土壤大孔隙，不僅可以提供定性描述，并且能提供染色示蹤劑空間分布的定量數(shù)據(jù)，為大孔隙及大孔隙流的模擬研究提供必要的參數(shù)，同時也為研究土壤孔隙中染色示蹤劑的二維和三維特征開辟了新的途徑。

2.2間接測量法

（1）穿透曲線法

利用土壤吸附較弱的離子（如 Cl-、Br-和 NO3-）、同位素和染料作為標(biāo)記物，土壤出流液中標(biāo)記物相對濃度（C/C0）和出流液相對體積（V/V0）的一個函數(shù)即為溶質(zhì)穿透曲線。結(jié)合基本水流方程和Poiseuille方程，還可從穿透曲線上計(jì)算出某一土水勢范圍內(nèi)大孔隙孔徑平均值。用這種方法研究岷江上游不同植被下土壤的大孔隙狀況，得出大孔隙的半徑范圍和數(shù)目，并探討了大孔隙特征對水分出流速率的影響。

（2）張力入滲儀法

在選定地點(diǎn)，采用靜止水面入滲流過程，利用土壤張力入滲計(jì)控制入滲液水頭梯度，求得不同水頭梯度下土壤大孔隙的導(dǎo)水率，根據(jù)毛管作用方程對大孔隙進(jìn)行分級，并結(jié)合Poiseuille 方程計(jì)算大孔隙度和單位面積大孔隙數(shù)量。該方法估算得出的是有效大孔隙度，操作也較簡單快速。

3、趨勢及問題

大孔隙的分布特點(diǎn)以及大孔隙流運(yùn)動機(jī)理尚未明確。長期以來，大孔隙的定義尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響到所建立模型的普適性。大孔隙特征的高度變異性和大孔隙流的非均質(zhì)性加大了水文過程研究的難度及深度，同時大孔隙流研究具有區(qū)域特點(diǎn)。因此，林地大孔隙及大孔隙流的起源、影響因素、水分在其中的運(yùn)移規(guī)律等仍是未來研究的重點(diǎn);只有進(jìn)行大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，獲取大量的數(shù)據(jù)資料，才能使大孔隙相關(guān)理論不斷完善。

4、結(jié)論

綜上所述，大孔隙的存在，改變了地表徑流、壤中流和地下徑流的形成過程和比例，因此開展大孔隙的詳細(xì)研究，可以明確徑流機(jī)理，提高產(chǎn)匯流預(yù)測精度，并對有效開展地表水和地下水資源管理，防治地下侵蝕及山體崩塌，泥石流滑坡等具有重要的作用。同時，大孔隙的研究，對于污染物風(fēng)險評估、灌溉，施肥，以及種植作物方案的確定同樣具有重要的應(yīng)用價值。因此土壤大孔隙的研究是地表徑流和坡面侵蝕的起點(diǎn)，是探討流域產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)與前提，研究土壤入滲無疑會對認(rèn)識降雨徑流形成過程有重要作用，并進(jìn)一步為建立土壤侵蝕預(yù)報模型提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 景可.中國土壤侵蝕與環(huán)境[M].科學(xué)出版社，2005.

[2] 高朝俠.黃土區(qū)土壤大孔隙流試驗(yàn)研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2014.

[3] 郭忠升，邵明安.半干旱區(qū)人工林地土壤入滲過程分析[J].土壤學(xué)報，2009，46（5）：953-958.

作者簡介：

李耀龍（1997-），男，云南臨滄人

基金項(xiàng)目：

云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018BB018）;國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于染色示蹤的滇南土石山區(qū)林地土壤大孔隙流特征及其影響因子”（201810677016）

（作者單位：西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院）