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土壤大孔隙研究的问题及展望

作者:未知

  摘要:土壤大孔隙是目前多领域研究重点,其引起的优先流现象会对生态环境产生重要影响。根据土壤大孔隙研究现状,总结了目前大孔隙研究的问题,并对未来发展方向进行展望,以期为土壤大孔隙及优先流研究的发展提供参考。
  关键词:大孔隙;结构特征;CT扫描
  土壤大孔隙是目前农业、生态学领域研究的重点,研究人员针对土壤大孔隙的量化方法、形成原因、结构特征等方面进行了大量的研究,也取得了一定的成果和进步。但由于量化技术、地域性差异、尺度适用性限制等问题,对大孔隙的相关研究还存在一定的问题。现对目前大孔隙研究领域存在的问题进行总结,并探讨问题产生的原因,对解决方法进行展望,以期为今后大孔隙的研究提供参考。
  1土壤大孔隙研究存在的问题
  近些年,研究人员对土壤大孔隙的研究方法、形成原因、结构特征等方面进行了大量的研究,也取得了一定的研究成果和进步。但是由于土壤大孔隙产生的原因具有地域性差异,且受到研究条件及设备的限制,目前对土壤大孔隙的研究还存在一定的问题,具体可总结为以下4条:
  1.1计算土壤大孔隙空间结构的方法有待完善
  以往的研究,多是利用染色法或基本水流方程法对大孔隙形态进行观测与计算,但是却不能得到大孔隙在土壤中的三维结构参数。近几年由于CT技术的发展,给在不破坏土体的条件下计算土体中大孔隙三维结构特征参数带来了一个新的方向。但由于实验条件及设备的限制、计算方法存在缺陷,对大孔隙三维结构参数的计算还有待进一步完善和发展。比如,不同CT具有不同的精度,精度越高的设备则对物体的大小限制越高,例如医用CT的精度较低,则可以扫描较大体积的土柱;而Micro-CT的精度较高,却只能扫描较小体积的土柱,目前CT设备对孔隙的扫描具有较高的精度(例如我国自主研发的上海光源,精度可达到um),目前需要改良的是对扫描物体体积的限制。此外,对土壤大孔隙空间结构的计算不仅仅依赖于CT、核磁共振等扫描设备,还需要图像处理软件的支持,而图像处理过程同样决定了大孔隙空间结构参数计算结构的精确度,目前使用较多的软件包括Avizo、VG Stu-dioMAX等,其中VG StudioMAX为商业软件,售价昂贵,Avizo虽未开放获取软件,但图像处理精度较低,且难度较大。因此,图像处理软件及方法同样是目前土壤大孔隙空间结构量化的难点。
  1.2无法在野外尺度对土壤大孔隙三维空间结构特征进行量化
  目前对土壤大孔隙三维特征的量化,局限于CT扫描、核磁共振等室内扫描技术,不能在野外对土壤大孔隙三维特征进行直接量化,也就是对土壤大孔隙三维空间结构特征进行分析时,必须取原状土柱运往实验室进行扫描、分析,过程中就难免会造成土柱的破坏,从而引起误差。另外,在取得原状土柱的同时也破坏了土壤环境,不利于长期的观测,例如分析某段过程中土壤大孔隙三维空间结构特征的变化时,取原状土柱时造成的土壤环境破坏便会引起误差。因此,无法在野外尺度对土壤大孔隙空间结构特征进行直接量化,便阻碍了对大孔隙影响因素等研究的发展。
  1.3不同土壤条件的大孔隙空间结构特征及形成原因尚不明确
  大量研究证明,不同土壤利用方式、不同植被覆盖土壤条件下的土壤大孔隙结构存在很大差异。因此,不同林地类型条件土壤的大孔隙的特征规律及差异还有待研究。并且不同土壤条件下土壤大孔隙的形成原因,以及这些原因对大孔隙三维结构有何种影响也有待研究。由于目前对大孔隙三维特征量化存在难度,且不能在野外对大孔隙三维空间结构特征进行直接量化,因此对不同条件土壤大孔隙三维空间结构特征的变化研究,以及引起土壤大孔隙三维空间结构特征参数变化的因素研究,都存在一定的困难。
  1.4缺少量化分析大孔隙三维结构特征对土壤水文特征影响的方法与体系
  目前对土壤大孔隙对土壤水分的影响研究多集中在大孔隙二维结构参数上,极少有系统探讨大孔隙三维结构特征参数对土壤水文特征影响的研究。并且在不同的研究条件、研究目的、研究区域等因素的影响下,得到的结果也不尽相同。因此,准确地量化不同林地条件大孔隙三维结构特征,并进一步探讨每个大孔隙三维特征参数与土壤持水与导水的关系,并提出系统的针对林地土壤大孔隙对土壤水分作用机理的研究方法和体系是十分必要的。
  2土壤大孔隙研究发展趋势
  土壤大孔隙相关研究的未来发展趋势,主要包括土壤大孔隙结构计算的新技术和新设备的应用、针对不同土壤条件的大孔隙三维结构参数的计算,以及量化分析大孔隙三维结构特征参数对土壤水文特征的影响研究。
  2.1土壤大孔隙结构计算的新技术和新设备应用
  为了更精确地在不破坏土体的情况下计算土壤中大孔隙的三维空间结构特征,以及进一步计算,以往的方法无法得到的大孔隙的三维结构特征参数,使用更为先进的技术,如上海光源、工業CT、核磁共振成像技术等等,结合不断优化的图像处理软件与方法,对土壤中大孔隙三维空间特征参数进行相关研究,将成为未来土壤大孔隙的空间结构特征研究的主要发展趋势。
  2.2不同土壤条件的大孔隙与石砾结构计算
  不同土壤条件、土地利用类型、林地类型都具有不同的大孔隙结构,国内外研究人员在不同区域进行了大量针对土壤大孔隙的研究,得到的结论却不尽相同,可见土壤大孔隙特征具有地域性差异。因此在今后的研究中,针对不同土壤类型、土地利用情况的土壤大孔隙三维结构参数的研究具有重要意义。
  2.3量化分析大孔隙与石砾三维结构特征参数对土壤水分的影响
  土壤大孔隙三维空间结构对土壤水文特征的影响,不仅关系着当地水土流失及生态环境建设,还与地下水污染息息相关,在研究土壤大孔隙结构特征参数的同时,更应该明确大孔隙特征对土壤水分的影响,从定性和定量的角度分析大孔隙三维结构特征对土壤水分入渗、土壤持水、土壤侵蚀、地表径流的影响,是未来对土壤大孔隙研究的一个主要方向。
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