基于工業(yè)CT 掃描的不同類(lèi)型土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究

闞曉晴 程金花 王 葆 鄭 欣

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家林業(yè)局水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)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(jī)質(zhì)、根、真菌菌絲、土壤動(dòng)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(kāi)口，為流經(jīng)土壤的物質(zhì)提供快速移動(dòng)路徑[2]。大孔隙在土壤中普遍存在于植被生長(zhǎng)的非飽和帶[3-5]，分布相對(duì)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(zhǎng)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(jìn)而影響水分運(yùn)動(dòng)[7-8]及溶質(zhì)運(yùn)移[9]，因此土壤大孔隙特性對(duì)水資源[10]、水分運(yùn)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(wèn)題的研究至關(guān)重要。土壤大孔隙特性及其與水分運(yùn)移的關(guān)系是土壤水分運(yùn)動(dòng)的難點(diǎn)和前沿問(wèn)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(yùn)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(jī)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(lèi)型條件下的土壤孔隙量分別對(duì)當(dāng)?shù)赝寥浪诌\(yùn)移影響顯著，然而土壤結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性會(huì)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(huì)控制著土壤的水分運(yùn)移過(guò)程[21]，但水分運(yùn)移及滯留嚴(yán)重制約著植被恢復(fù)[22]，因此在不同土壤類(lèi)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(qiáng)，無(wú)法對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)。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(yùn)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(zhǔn)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(duì)水分運(yùn)移有較大影響，但多為模擬彎曲度測(cè)算值，針對(duì)彎曲度的實(shí)際計(jì)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(lèi)型、植被類(lèi)型條件下土壤大孔隙特征，以期為大孔隙數(shù)學(xué)建模[30]、土壤孔隙水分運(yùn)移模型[10]、河岸包氣帶及邊坡穩(wěn)定性[31]等研究提供科學(xué)支撐，為不同土壤類(lèi)型條件下人工林的恢復(fù)、合理配置、撫育管理等問(wèn)題提供參考。

1 研究區(qū)概況

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

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

1）北京鷲峰試驗(yàn)場(chǎng)（116°08′～116°28′E，39°54′～40°10′N(xiāo)）位于華北平原西部，屬于太行山系最北段與燕山山脈相會(huì)處的北京西山。海拔高度60～1153 m，受華北暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候影響，年平均氣溫11.8 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2000～2800 h，年平均降水量550.3 mm。其中喬木群落為欒樹(shù)（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(yàn)場(chǎng)（106°17′～106°30′E，28°31′～28°43′N(xiāo)）位于我國(guó)地勢(shì)二級(jí)階梯東緣三峽庫(kù)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(rùn)季風(fēng)氣候影響，雨水充沛且霧氣多。全年雨量較大，但時(shí)空分布差異較大，年平均氣溫13.6～18.4 ℃，年平均日照時(shí)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(xì)枝柃（Eurga loquaiana）。

3）云南建水試驗(yàn)場(chǎng)（102°55′～102°60′E，23°37′～23°44′N(xiāo)）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(fēng)影響，可形成明顯的干濕季。該地區(qū)季節(jié)性干旱嚴(yán)重，說(shuō)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(shí)數(shù)2322 h，年平均降水量805 mm。其中喬木群落為桉樹(shù)（Eucalyptus maideni），灌木群落為車(chē)桑子（Dodonaea viscosa）。

2 研究方法

2.1 樣地選取

為實(shí)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(jìn)行大孔隙特性分析。試驗(yàn)選取了3 個(gè)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(shù)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(duì)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(shí)根據(jù)對(duì)角線布點(diǎn)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(jì)算總孔隙度（P）、最大持水量（P1）、自然含水量（P2），在每個(gè)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(gè)重復(fù)樣品。環(huán)刀體積（v）100 cm3把每個(gè)土樣的環(huán)刀下蓋（帶網(wǎng)孔端）打開(kāi)，放入濾紙，蓋好后立即稱(chēng)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(méi)），吸水 12 h 后取出環(huán)刀，蓋上上蓋，擦凈水分，立即稱(chēng)質(zhì)量（m2），放入 105 ℃烘箱內(nèi)烘烤 24 h，蓋好上蓋，立即稱(chēng)質(zhì)量（m3）。取出土樣，稱(chēng)取帶濾紙環(huán)刀質(zhì)量（m4），計(jì)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(gè)取自北京鷲峰試驗(yàn)場(chǎng)，2 個(gè)取自重慶四面山試驗(yàn)場(chǎng)，4 個(gè)取自云南建水試驗(yàn)場(chǎng)，各重復(fù)2 個(gè)樣品，均采用管壁5 mm 的PVC 管采集，因金屬管壁會(huì)對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。11 個(gè)原狀土柱均采用IPT4106D 掃描設(shè)備進(jìn)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(jìn)而使CT 圖像堆棧通過(guò)VG Studio MAX 2.2軟件對(duì)孔隙進(jìn)行缺陷自動(dòng)檢測(cè)計(jì)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(jì)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(shí)際長(zhǎng)度（Lti）和彎曲度（δ）。為計(jì)算這些大孔隙特征，假設(shè)某段孔隙如圖1 所示，若將其無(wú)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(jìn)行積分計(jì)算即可獲得特征指標(biāo)。

圖1 大孔隙計(jì)算過(guò)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(zhǎng)度。

扭曲度（ξ）可描述土壤內(nèi)大孔隙的扭曲程度，為實(shí)際長(zhǎng)度（L0）的土壤內(nèi)共n層大孔隙角度（θi）的累積值，計(jì)算方法見(jiàn)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(shí)際長(zhǎng)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(shí)際大孔隙長(zhǎng)度（Lt）為大孔隙體積除以橫截面積，計(jì)算方法見(jiàn)公式（6）：

式中：Lti為第i層內(nèi)實(shí)際大孔隙長(zhǎng)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(dòng)物體的運(yùn)移路徑長(zhǎng)度，計(jì)算方法見(jiàn)公式（7）：

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

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型統(tǒng)計(jì)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(shí)也會(huì)考慮誤差，因此可以用來(lái)分析優(yōu)先流的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[34]。與傳統(tǒng)的Pearson 相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)方法相比，結(jié)構(gòu)方程模型SEM 在分析相關(guān)性過(guò)程中將可測(cè)變量及潛在變量分開(kāi)考慮，允許參數(shù)估計(jì)中的測(cè)量誤差，減少由測(cè)量誤差引起的潛在變量之間相關(guān)性估計(jì)的干擾[35]。同時(shí)，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(cè)量模型組成，通常由3 個(gè)矩陣方程表示，見(jiàn)式（8）～（10）[36]。公式（8）反映了實(shí)際中無(wú)法測(cè)量的潛在變量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，公式（9）、（10）為測(cè)量模型，可以反映觀測(cè)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(duì)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(cè)量誤差，Y為內(nèi)在觀測(cè)變量矢量，X為外在觀測(cè)變量矢量，Λx為外在觀測(cè)變量矢量的因子載荷，Λy為內(nèi)在觀測(cè)變量矢量的因子載荷觀測(cè)變量向量，分別是外在觀測(cè)變量和內(nèi)在觀測(cè)變量的度量。潛在變量可以通過(guò)測(cè)量模型由可測(cè)量變量反映出來(lái)。通過(guò)求解方程（8）～（10），可以得到每個(gè)潛在變量和可測(cè)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(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤類(lèi)型條件的大孔隙特征對(duì)比

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

圖2 11 個(gè)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(qiáng)，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(qiáng)。

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(tuán)，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(gè)樣品中較具代表性的橫截面見(jiàn)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(gè)樣本的代表性橫截面Fig.3 Representative cross section of 11 samples

不同土壤類(lèi)型條件下灌木土壤大孔隙特征值對(duì)比見(jiàn)表2。灌木群落土壤大孔隙的平均直徑為Y?S>C?S>B?S，標(biāo)準(zhǔn)差較?。豢紫犊傮w積為C?S>B?S>Y?S，標(biāo)準(zhǔn)差較大；孔隙總表面積與累積扭曲度趨勢(shì)相似，為B?S>C?S>Y?S，標(biāo)準(zhǔn)差較大；累積彎曲度與平均角度的趨勢(shì)相反，標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)型條件下喬木土壤大孔隙特征值對(duì)比見(jiàn)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(shì)相似，為B?F>Y?EF，標(biāo)準(zhǔn)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(shì)相似為Y?EF>B?F，標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)型條件的大孔隙特征對(duì)比

不同植被類(lèi)型條件下北京褐土區(qū)的大孔隙特征值對(duì)比見(jiàn)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?。煌寥揽紫犊傮w積為B?S>B?G>B?F，灌木土壤的標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)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(lèi)型條件下云南喀斯特紅壤區(qū)的大孔隙特征值對(duì)比見(jiàn)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(lèi)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(jì)算

結(jié)合表1～5 數(shù)據(jù)可知，不同土壤類(lèi)型、不同植被類(lèi)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(shì)，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(biāo)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(cè)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)誤差、臨界比和模型影響因素的顯著性見(jiàn)表6～7[39]。本研究采用絕對(duì)擬合指數(shù)和相對(duì)擬合指數(shù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，表7 中SEM 各指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)，且臨界比絕對(duì)值大于2，說(shuō)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(duì)擬合指數(shù)和相對(duì)擬合指數(shù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)（表7）。每一個(gè)都符合標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)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(gè)指標(biāo)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(fù)相關(guān)（標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)為?0.56），說(shuō)明在相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)為0.69），說(shuō)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(shí)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(píng)價(jià)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(lèi)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(lèi)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(shuō)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(qiáng)，同時(shí)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(shí)間[40]，進(jìn)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(shuō)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(zhǎng)，因此在土壤中的滯留時(shí)間可能更長(zhǎng)。

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(shuō)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(shuō)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(yùn)移過(guò)程中可能會(huì)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(huì)在孔隙通道彎曲度高處降低，因此彎曲度高的立地類(lèi)型更易存儲(chǔ)水分并供植物根系生長(zhǎng)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(shuō)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(shuō)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(lèi)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(qiáng)，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(shuō)明草本群落的土壤孔隙細(xì)小，地表水分的入滲可能會(huì)受其土壤孔隙細(xì)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(qiáng)，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(jìn)入地下[43]，并快速運(yùn)移至深層土壤，因此喬木群落相對(duì)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?zé)o法將地表水分優(yōu)先運(yùn)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(lèi)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(yuǎn)高于其他立地條件。

經(jīng)結(jié)構(gòu)方程模型驗(yàn)證，土壤大孔隙彎曲度的增加會(huì)促進(jìn)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(fù)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(huì)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(duì)于土壤水分運(yùn)移具有決定性影響，但目前對(duì)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(yùn)移的限制，但本研究主要對(duì)比3 種土壤類(lèi)型條件下喬灌草的土壤大孔隙形態(tài)特征對(duì)比，不同條件下的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)具有較高辨識(shí)度，有較明顯的區(qū)別和特征，但仍需進(jìn)一步更廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論完善。