土壤大孔隙特征及其研究方法

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　　摘要：土壤大孔隙是土壤结构的重要组成部分，是衡量土壤质量的重要指标之一。土壤孔隙的数量及大小分布直接决定着土壤的透气性、持水保水性能以及作物根系在土壤空间的伸展，间接影响土壤的肥力和作物产量。基于前人研究基础，比较了各种研究方法的适用性和局限性，大孔隙的研究方法可分为直接观测法和间接描述法，并各有其适用性和局限性.土壤大孔隙研究的最终目的是调控它，为减少地下水污染、控制水土流失提供一条新途径。
　　关键词：土壤大孔隙;研究方法;影响因素
　　近多年来，土壤大孔隙及优先流的研究已成为欧洲和美国等国家和地区土壤水文学研究的热点领域之一。国内在这一领域的研究开展较晚，理论和实验等方面相對薄弱，研究方法也主要参考国外经验，虽取得了一定进展，但仍有待深入。
　　1、土壤大孔隙的界定
　　对于土壤大孔隙的研究，最早可以追溯到1864年入渗过程中针对“大孔”的研究。之后各国学者针对土体中裂缝、虫孔、植被根系、动物通道等大孔隙进行了较系统的研究，同时提出了各自对大孔隙的认识。有些学者则根据自己的需要直接进行大孔隙进行界定。按照当量孔径划分是大孔隙界定最直接的方法，但是受各研究学者的研究方法的不同和仪器精度的限制，不同学者关于大孔隙的下限孔径各有认识。
　　学者们也会通过孔隙的功能直接对孔隙进行分类。从孔隙功能的定性化去描述大孔隙，简而言之就是能产生优先流效应的孔隙都可被认为是大孔隙，这比用其他方法定量界定更直观明了。与基质孔隙相比，大孔隙是一个相对概念。这种划分强调了出现在土壤孔隙中的水流过程，而不是单纯从孔隙大小或者受吸力大小来定义大孔隙，因而在做定量化研究时，可以用它来作为参考指标。因此，从土壤中水流功能来研究大孔隙更具有实际意义。
　　2、土壤大孔隙的研究方法
　　常用的大孔隙研究方法有：染色示踪法、CT扫描法、穿透曲线法、渗透仪法、填筑浇灌法和数学模型法等。另外可以将大孔隙的研究方法分为直接测量法和间接测量法。
　　2.1直接测量法
　　（1）染色法
　　此法主要采用固结物质和染料灌入土壤孔隙，描绘土壤剖面大孔隙连通形态，测量和计算大孔隙大小、数量和体积。将染色方法进行改进，使用溶液染色和观察大孔隙流的路径。通过在喷洒的水中加入碘离子，然后在水平挖开的土壤表面上洒上淀粉，再在喷洒淀粉的土壤表面上喷漂白液，这时优先流的横断面颜色将从乳白或灰白色变成暗蓝或紫罗兰色。有些土壤本身颜色较深，与颜色深的染料对比度小，故染料的选择对试验精度具有极大影响。应用染色法运作起来较为简单、直观，不论是在野外进行测定，还是实验室分析，染色法皆适用，但由于土壤表面不平整，以及肉眼观察能力的限制，这种方法的准确性较差。
　　（2）切片法
　　此法选择合适的染色剂或固结物质（如石蜡、树脂等），将其浸入土壤。当染色剂的入渗浓度等于流出浓度时，染料附着在土壤大孔隙壁上，再将土壤分成几个断面，将土壤剖面摄成照片。切片法直观性较强，但只能估计土壤大孔隙占总孔隙的比例，对大孔隙流难以做出定量判断，且由于图像分辨率、土壤切片的不平整等因素的影响，该法精度不高。
　　（3）CT 扫描法
　　运用CT技术研究土壤大孔隙特征是近年来出现的一种新方法。土样经过CT扫描仪扫描后，得到扫描图像，该图像由一定数量的图形元素组成，每一个图形元素对应扫描物体的一个位置。依据物体各个位置的X-射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描物体不同密度区可在图像中以不同亮度表示，土壤大孔隙就可清晰地显示出来。应用此法研究土壤大孔隙，不仅可以提供定性描述，并且能提供染色示踪剂空间分布的定量数据，为大孔隙及大孔隙流的模拟研究提供必要的参数，同时也为研究土壤孔隙中染色示踪剂的二维和三维特征开辟了新的途径。
　　2.2间接测量法
　　（1）穿透曲线法
　　利用土壤吸附较弱的离子（如 Cl-、Br-和 NO3-）、同位素和染料作为标记物，土壤出流液中标记物相对浓度（C/C0）和出流液相对体积（V/V0）的一个函数即为溶质穿透曲线。结合基本水流方程和Poiseuille方程，还可从穿透曲线上计算出某一土水势范围内大孔隙孔径平均值。用这种方法研究岷江上游不同植被下土壤的大孔隙状况，得出大孔隙的半径范围和数目，并探讨了大孔隙特征对水分出流速率的影响。
　　（2）张力入渗仪法
　　在选定地点，采用静止水面入渗流过程，利用土壤张力入渗计控制入渗液水头梯度，求得不同水头梯度下土壤大孔隙的导水率，根据毛管作用方程对大孔隙进行分级，并结合Poiseuille 方程计算大孔隙度和单位面积大孔隙数量。该方法估算得出的是有效大孔隙度，操作也较简单快速。
　　3、趋势及问题
　　大孔隙的分布特点以及大孔隙流运动机理尚未明确。长期以来，大孔隙的定义尚未形成统一标准，影响到所建立模型的普适性。大孔隙特征的高度变异性和大孔隙流的非均质性加大了水文过程研究的难度及深度，同时大孔隙流研究具有区域特点。因此，林地大孔隙及大孔隙流的起源、影响因素、水分在其中的运移规律等仍是未来研究的重点;只有进行大量的室内外试验，获取大量的数据资料，才能使大孔隙相关理论不断完善。
　　4、结论
　　综上所述，大孔隙的存在，改变了地表径流、壤中流和地下径流的形成过程和比例，因此开展大孔隙的详细研究，可以明确径流机理，提高产汇流预测精度，并对有效开展地表水和地下水资源管理，防治地下侵蚀及山体崩塌，泥石流滑坡等具有重要的作用。同时，大孔隙的研究，对于污染物风险评估、灌溉，施肥，以及种植作物方案的确定同样具有重要的应用价值。因此土壤大孔隙的研究是地表径流和坡面侵蚀的起点，是探讨流域产流机制的基础与前提，研究土壤入渗无疑会对认识降雨径流形成过程有重要作用，并进一步为建立土壤侵蚀预报模型提供理论基础。
　　参考文献：
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　　[2] 高朝侠.黄土区土壤大孔隙流试验研究[D].中国科学院大学，2014.
　　[3] 郭忠升，邵明安.半干旱区人工林地土壤入渗过程分析[J].土壤学报，2009，46（5）：953-958.
　　作者简介：
　　李耀龙（1997-），男，云南临沧人
　　基金项目：
　　云南省重点研发计划项目（2018BB018）;国家级大学生创新训练计划项目“基于染色示踪的滇南土石山区林地土壤大孔隙流特征及其影响因子”（201810677016）
　　（作者单位：西南林业大学生态与环境学院）
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