土壤孔隙結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

蔡位子，劉怡穎，江 俊，歐陽(yáng)霖，楊沄瑾，盧煜強(qiáng)，侯俊偉，齊 龍，王海林

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

國(guó)家“十四五”規(guī)劃明確提出要加強(qiáng)耕地質(zhì)量建設(shè)，深入實(shí)施國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略[1]。耕地質(zhì)量的核心是土壤質(zhì)量，土壤孔隙結(jié)構(gòu)與土壤質(zhì)量密切相關(guān)[2]，其控制著氣體、水、溶質(zhì)、膠體和顆粒的傳輸，為植物根系發(fā)育和微生物繁殖提供了空間和養(yǎng)分，決定了土壤的保水、透水、通氣等性能[3]。因此，快速獲取土壤孔隙信息可以提高土地管理者對(duì)潛在生產(chǎn)限制的認(rèn)識(shí)，并有助于耕作制度和施肥方式的科學(xué)決策，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用。

作為土壤中不斷演變的復(fù)雜三維部分，土壤孔隙結(jié)構(gòu)的檢測(cè)在方法和理論上一直是一個(gè)難題[4]，包括如何準(zhǔn)確描述孔隙結(jié)構(gòu)的時(shí)空變異性、土壤孔隙結(jié)構(gòu)與土壤宏觀功能關(guān)系的定量化、研究尺度和代表性等。隨著一系列技術(shù)和理論的快速發(fā)展，孔隙結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)在近十多年來(lái)已取得較大成果，目前研究方法總體可分為兩大類(lèi)：間接法和直接觀察法。在現(xiàn)有方法中，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)于需要大樣本的科學(xué)研究和進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)查而言，往往成本高昂。而田間土壤孔隙度的原位快速檢測(cè)方法受設(shè)備、試驗(yàn)條件和土壤自身復(fù)雜性的限制存在影響因素多、精度低等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需要。

綜上所述，鑒于農(nóng)田土壤孔隙系統(tǒng)研究的重要性，針對(duì)獲取和量化土壤孔隙結(jié)構(gòu)中的難點(diǎn)，本研究對(duì)現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)、潛在誤差源及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了總結(jié)和分析，旨在為土壤孔隙結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置研發(fā)提供理論參考和新思路。

1 土壤孔隙結(jié)構(gòu)的獲取方法

1.1 間接法

間接法是利用土壤中水、氣、聲、熱等特性獲得孔隙直徑、體積或孔固體表面積等信息。這些方法一般需要對(duì)土壤孔隙形狀進(jìn)行假設(shè)，并且無(wú)法表征孔隙空間的形態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1.1 傳統(tǒng)方法 由于土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和“黑箱”性，早期的土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究一般利用土壤水、氣等信息間接獲得，常用的方法包括容重法[4]、水分特征曲線法[5]、壓汞法[6]和氣體吸附法[7]等。土壤孔隙度是孔隙的數(shù)量指標(biāo)，通常由土壤比重和容重計(jì)算得出，即容重法。實(shí)際土壤的比重精確值的獲取存在技術(shù)難度，因此對(duì)于大多數(shù)以石英為主的土壤，通常取2.65 g·cm-3作為土壤比重。但HUMBERTO等[8]指出，當(dāng)計(jì)算孔隙度所用到的比重值直接取2.65 g·cm-3時(shí)，結(jié)果會(huì)存在較大的誤差。

土壤孔隙分布是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，一般借助水分特征曲線、壓汞曲線或氣體吸附-脫附等溫線進(jìn)行估算。水分特征曲線法是通過(guò)離心或體積壓力板儀等方法測(cè)定土壤水分特征曲線（圖1a），獲得土壤含水量和土壤吸力數(shù)值，進(jìn)而得到土壤孔隙分布狀況。雖然水分特征曲線法操作較為簡(jiǎn)單，但是測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)于存在膨脹性黏土礦物的土壤，該方法不能準(zhǔn)確檢測(cè)土壤孔隙的分布[9]。相比而言，壓汞法是借助汞的非潤(rùn)濕性，即在一定壓力下，汞只能進(jìn)入對(duì)應(yīng)大小的孔隙中，壓入汞的體積等于相應(yīng)孔的體積（圖1b），檢測(cè)速度更快。但該方法無(wú)法檢測(cè)到閉合和孤立孔隙，且汞的高壓侵入可能會(huì)對(duì)土壤原有孔隙結(jié)構(gòu)造成破壞，尤其在結(jié)構(gòu)松散的土壤中更為明顯。此外，借助吸附氣體可以對(duì)土壤中更微小的孔隙（孔徑為0.3~300 nm[10]）進(jìn)行表征。氣體吸附法是在一定溫度下，測(cè)定不同壓力下土壤對(duì)氣體（如氮?dú)?、二氧化碳或氦氣等）的吸附量，獲得吸附-脫附等溫線，采用對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算土壤的比表面、孔隙容積及孔徑分布等（圖1c）。但每個(gè)模型的適用范圍有限，且在分析前需要對(duì)土壤樣品進(jìn)行加熱，可能會(huì)改變土壤的化學(xué)性質(zhì)[7]。

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法Figure 1 Traditional laboratory methods

1.1.2 聲波法 土壤是一種典型的多孔介質(zhì)，通過(guò)研究其內(nèi)部聲波傳播特性，可以建立相關(guān)參數(shù)與土壤孔隙度的依賴(lài)關(guān)系。1956年，BIOT[11]提出了飽和多孔介質(zhì)中地震波傳播理論，他的工作被廣泛認(rèn)為是該領(lǐng)域的里程碑。FOTI等[12]利用測(cè)得的地震波速確定流體飽和多孔介質(zhì)中的孔隙度。FOTI等[13]根據(jù)地震波速預(yù)測(cè)了飽水砂土和黏土的孔隙度，預(yù)測(cè)結(jié)果與直接測(cè)量的平均差異低于10%。UYANIK[14]利用地震折射波法，通過(guò)縱波和橫波速度、地震波速度比、泊松比、體積模量和剪切模量估算淺層黏土的孔隙度，并指出當(dāng)縱波與橫波速度比小于1.53時(shí)，黏土的孔隙空間充滿(mǎn)了氣體。除地震波外，研究學(xué)者還利用可聽(tīng)聲波來(lái)估算土壤的總孔隙度。BARROS等[15]使用阻抗管測(cè)量不同土壤樣品的吸聲系數(shù)，并通過(guò)建立函數(shù)來(lái)估計(jì)土壤孔隙度，結(jié)果表明孔隙度和平均吸聲系數(shù)之間有很好的相關(guān)性，為孔隙度原位檢測(cè)提供了新的思路。

1.1.3 熱脈沖-時(shí)域反射法 土壤孔隙度會(huì)隨著降雨、干濕交替等自然過(guò)程而發(fā)生變化，利用熱脈沖-時(shí)域反射（thermo-time domain reflectometry，Thermo-TDR）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙度進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有在不干擾土壤的情況下，對(duì)同一位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。該方法的核心是通過(guò)探針測(cè)定土壤的熱特性估算土壤容重，包括熱容量法[16]和熱導(dǎo)率法[17]，進(jìn)而根據(jù)土壤容重計(jì)算出孔隙度，典型的熱脈沖探針結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。REN等[18]通過(guò)融合熱脈沖技術(shù)和時(shí)域反射技術(shù)，發(fā)明了熱脈沖-時(shí)域反射探針，用于連續(xù)測(cè)量土壤含水量、電導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等，從而得到土壤容重等物理參數(shù)[19]。為了進(jìn)一步提高田間土壤容重的測(cè)量準(zhǔn)確性，LIU等[20]基于前人對(duì)熱脈沖法測(cè)量的誤差來(lái)源分析，針對(duì)REN等[18]提出的常規(guī)探頭，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤容重的原位監(jiān)測(cè)[21]，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的結(jié)果相差8%，為土壤孔隙度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。劉曉娜等[22]利用改進(jìn)后的Thermo-TDR探頭，測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室不同質(zhì)地土壤的孔隙度并用于野外的原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法相比，室內(nèi)和野外測(cè)定值的相對(duì)誤差均小于5%，并指出探針入土?xí)r擺動(dòng)導(dǎo)致的探針間距變化是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。

圖2 典型熱脈沖探針結(jié)構(gòu)圖[16]Figure 2 Structural diagram of typical Thermo-TDR probes[16]

孔徑分布是孔隙空間的另一個(gè)顯著指標(biāo)。FU 等[23-24]進(jìn)一步擴(kuò)展了Thermo-TDR 傳感器的應(yīng)用，提出了根據(jù)土壤體積電導(dǎo)率σ和含水量θ測(cè)量值估算van Genuchten（VG）模型參數(shù)，VG 模型通常用于描述土壤水分特征曲線，從而表征孔徑分布。結(jié)果表明，基于體積電導(dǎo)率σ（含水量θ）的新方法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)土壤水分保持曲線，為通過(guò)熱傳感器和電傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量孔隙度和孔徑分布提供了可能。

1.1.4 變壓法 OUOBA等[25]提出了一種測(cè)定土壤總孔隙度的力學(xué)方法。該方法需將土壤樣品放入容器中，其容積可以通過(guò)活塞改變氣體體積來(lái)調(diào)節(jié)，從而根據(jù)體積增量期間氣相總壓力的變化推導(dǎo)出總孔隙度，裝置如圖3a。結(jié)果表明，試驗(yàn)值與理論值具有良好的近似性，但該裝置需對(duì)待測(cè)土樣進(jìn)行完全干燥，預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)。ALEKSEEV等[26]提出了一種適用野外的簡(jiǎn)單、快速測(cè)定孔隙度的方法。該方法通過(guò)測(cè)量孔隙空氣膨脹到減壓區(qū)域和從增壓區(qū)域泵送空氣時(shí)的空氣狀態(tài)，從壓力差間接求解總孔隙度，裝置如圖3b。試驗(yàn)結(jié)果表明孔隙度值的置信概率大于95%，使得在現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)成為可能

圖3 機(jī)械裝置圖[25-26]Figure 3 Mechanical device diagram[25-26]

1.1.5 回歸分析法 回歸分析是一種預(yù)測(cè)性的建模技術(shù)，研究因變量和自變量間的依賴(lài)關(guān)系。通過(guò)多元線性回歸、決策樹(shù)回歸、支持向量機(jī)回歸（support vector regression，SVR）等模型，可根據(jù)已有的、易獲取的數(shù)據(jù)間接估算土壤孔隙度，數(shù)據(jù)包括土壤表面粗糙度、累計(jì)平均日降雨量、土壤阻力和土壤有機(jī)質(zhì)含量等。SUN等[27]利用地面激光掃描儀來(lái)定量表征土壤粗糙度，指出粗糙度指數(shù)與表面孔隙度間呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，通過(guò)結(jié)合降雨數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸建立預(yù)測(cè)土壤表面孔隙度的回歸模型，該模型的決定系數(shù)R2為0.758 6，均方根誤差為2.06%[28]。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，土壤粗糙度逐漸以土壤表面圖像的顏色和紋理參數(shù)進(jìn)行表征。楊瑋等[29]利用土壤粗糙度、土壤阻力與土壤孔隙度的相關(guān)關(guān)系，采用SVR和決策樹(shù)回歸模型預(yù)測(cè)土壤孔隙度，對(duì)比二者發(fā)現(xiàn)SVR模型預(yù)測(cè)精度更高，R2為0.743。最近，ROBINSON等[30]建立了一個(gè)預(yù)測(cè)土壤孔隙度隨土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的分析函數(shù)，并在威爾士和英國(guó)兩個(gè)國(guó)家級(jí)表土數(shù)據(jù)集（0~15 cm）上進(jìn)行了測(cè)試，克服了土壤傳遞函數(shù)（pedo-transfer function，PTF）通常僅適用于土壤有機(jī)質(zhì)含量低于20%的礦質(zhì)土壤的局限性。

回歸分析法是尋找大量數(shù)據(jù)與孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間蘊(yùn)含的真實(shí)規(guī)律，目前仍停留在小樣本研究，導(dǎo)致建立的模型具有一定局限性。此外，土壤圖像具有的豐富特征信息仍有待挖掘，如何提高模型的泛化性是此方法研究的重點(diǎn)。鑒于圖像獲取具有快速便捷性，基于土壤圖像的檢測(cè)技術(shù)在今后土壤孔隙度原位檢測(cè)中具有一定發(fā)展前景。

1.1.6 小結(jié) 由于土壤孔隙結(jié)構(gòu)本身具有易破碎性，直接研究較難開(kāi)展。因此，許多研究學(xué)者借助儲(chǔ)存在孔隙中的水、氣或其他介質(zhì)來(lái)間接研究總孔體積、比表面積和空間分布等。本部分對(duì)常用的容重法、水分特征曲線法、壓汞法、氣體吸附法以及近年出現(xiàn)的新興方法進(jìn)行了闡述，表1為各類(lèi)方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。在傳統(tǒng)方法中，壓汞法是近幾十年來(lái)用于測(cè)定孔徑分布和孔隙度最常用的方法，美國(guó)Micromeritics公司基于此方法研發(fā)生產(chǎn)了AutoPore 系列全自動(dòng)壓汞儀并投入使用，迄今已推出了第5代產(chǎn)品，雖然強(qiáng)化了使用汞的安全性能，但仍無(wú)法避免汞的高壓侵入對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)造成的破壞問(wèn)題，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)松散的土壤而言。另外，這種方法會(huì)污染被測(cè)土壤，導(dǎo)致土壤資源無(wú)法循環(huán)利用。氣體吸附法可以測(cè)量壓汞法無(wú)法測(cè)量到的微孔（孔徑＜2 nm），但可測(cè)量孔徑的跨度較小，且需對(duì)土壤進(jìn)行加熱預(yù)處理，可能會(huì)改變土壤原有的化學(xué)性質(zhì)。

表1 間接法Table 1 Indirect analysis methods of soil pore structure

此外，聲波法、熱脈沖-時(shí)域反射法、變壓法和回歸分析法是突破傳統(tǒng)方法的新嘗試，目前研究成果不多，仍在探索和發(fā)展階段。其中，熱脈沖-時(shí)域反射法的優(yōu)勢(shì)在于能連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤孔隙度的動(dòng)態(tài)變化，但探針插入土體時(shí)的擺動(dòng)影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性，且單個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域僅限于空間中的一點(diǎn)，效率不高。在今后研究中，應(yīng)逐步攻克土壤孔隙結(jié)構(gòu)空間變異性的難點(diǎn)問(wèn)題，構(gòu)建起由點(diǎn)到面、由面到體的高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，生成不同深度的土壤孔隙重要參數(shù)的空間分布圖，指導(dǎo)人們對(duì)耕作制度和施肥方式的科學(xué)決策，提高土地資源的利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增效。

1.2 直接觀察法

直接觀察方法是指成像技術(shù)，因?yàn)檫@些方法可以直接通過(guò)幾何可視化來(lái)觀察土壤孔隙空間。其優(yōu)勢(shì)在于借助圖像處理技術(shù)，可以從圖像中提取大量的定量形態(tài)學(xué)和拓?fù)涿枋龇?，進(jìn)而更細(xì)致、具體地評(píng)估土壤孔隙空間，但圖像分析結(jié)果往往會(huì)受圖像分辨率和分割步驟的影響。

1.2.1 切片觀察 切片觀察是土壤微形態(tài)學(xué)研究中的重要手段[31]，也是在小尺度上定量評(píng)價(jià)土壤孔隙的空間度和復(fù)雜度的有效方法。首先將原狀土樣進(jìn)行固化，普遍采用環(huán)氧樹(shù)脂-三乙醇胺低溫固化-冷杉膠黏片法和冷杉膠-松節(jié)油低溫滲膠固化-502膠黏片法[32]，將充分固化后土柱的各層次土壤斷面切割成薄片（圖4），現(xiàn)代切片技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了厚度＜30 μm或更薄的超微薄片制備[33]。得到土壤切片后，采用光學(xué)顯微鏡[34]、背散射電子模式下的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）[35]、照片掃描儀[36]、數(shù)碼相機(jī)[37-39]等技術(shù)采集土壤薄片圖像進(jìn)行分析，迄今的研究主要集中在利用二值圖像對(duì)土壤孔隙進(jìn)行定量描述，包括數(shù)量、長(zhǎng)度、形狀、方向、彎曲度和連通性等，并對(duì)土壤功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。近年來(lái)，ALINE等[38]利用土壤切片對(duì)農(nóng)牧一體化管理系統(tǒng)下土壤孔隙的微觀形態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)孔隙度以及孔隙的形狀和尺寸分布結(jié)果改善了土壤結(jié)構(gòu)。BRYK等[36]評(píng)估了圖像分析技術(shù)在使用樹(shù)脂浸漬土塊估計(jì)土壤透氣性和透水性中的適用性，指出利用現(xiàn)有的薄片和拋光塊集合可獲取歷史傳輸參數(shù)，并用于模擬土壤水分狀況的長(zhǎng)期趨勢(shì)。

圖4 土壤薄片制備過(guò)程Figure 4 Preparation process of soil thin sections

綜上，切片觀察法可以評(píng)價(jià)土壤孔隙的微觀形態(tài)，但土壤薄片的制備過(guò)程較為繁瑣，且制備過(guò)程中可能破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)。另外，該方法得到的是二維的孔隙信息，由此推斷三維的土壤孔隙空間容易出現(xiàn)偏差或錯(cuò)誤，上述問(wèn)題在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。

1.2.2 掃描電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡（SEM）是土壤微結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)直接且有效的手段，其基本原理是用高能電子束轟擊試樣表面，通過(guò)探測(cè)二次電子或背散射電子，放大信號(hào)后調(diào)制成圖像來(lái)觀察樣品表面形態(tài)（圖5）。首先要獲取新鮮的土壤斷面，常用的方法有掰斷法和刀切法[40]，由于土壤的導(dǎo)電性較差，需在制好的土樣表面噴一層金屬薄膜，厚度一般為20~30 nm。隨著環(huán)境掃描電鏡的應(yīng)用，可直接觀察土樣，不需要進(jìn)行鍍膜處理，能更好地反映土體的原始形態(tài)。

圖5 掃描電子顯微鏡原理圖及土樣電鏡形貌圖[41]Figure 5 The schematic diagram of SEM and the morphology of soil samples by SEM[41]

目前，SEM 在我國(guó)黃土微觀結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用上已取得了較大成果，探討了黃土宏觀力學(xué)行為（即濕陷性、滲透性、壓縮性等）與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，研究涉及在不同應(yīng)力水平下及不同含水量增量下坍塌變形對(duì)孔隙形態(tài)的影響[42-43]、機(jī)械荷載引起的微觀結(jié)構(gòu)和孔徑分布的變化[44-45]、凍融過(guò)程滲透性變化機(jī)理及規(guī)律[46]等，為地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理研究和實(shí)際工程提供了重要依據(jù)。此外，利用SEM 研究土壤孔隙結(jié)構(gòu)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用、生態(tài)修復(fù)等方面也均有應(yīng)用。CUI 等[47]研究了高層建筑群導(dǎo)致的土壤固結(jié)和土地沉降問(wèn)題，提出一種利用相似灰度值計(jì)算孔隙率的方法，定量分析了離心機(jī)模型試驗(yàn)前后土壤微觀結(jié)構(gòu)特征的變化。王世佳等[48]結(jié)合SEM 和氮?dú)馕椒?，研究了粉壟耕作?duì)農(nóng)田赤紅壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響，從微觀角度分析了粉壟耕作對(duì)作物增產(chǎn)提質(zhì)的作用。李裕瑞等[49]通過(guò)SEM 對(duì)毛烏素沙地砒砂巖與風(fēng)沙土的復(fù)配土特性進(jìn)行定性和定量分析，將微觀特征與防護(hù)固沙、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等宏觀功能相聯(lián)系，為沙地治理提供了科學(xué)參考。

SEM成像的特點(diǎn)是放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍大（幾十倍～幾十萬(wàn)倍），且成像分辨率高、景深大、立體感強(qiáng)（圖5）。利用SEM 可從微觀角度定性揭示土壤表觀特征，再通過(guò)圖像處理定量分析土壤顆粒和孔隙特征。但是，定量分析結(jié)果會(huì)受二維圖像分割步驟影響，具有一定的主觀性，且該方法只能獲取微小區(qū)域內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)的二維形態(tài)特征。

1.2.3 計(jì)算機(jī)斷層掃描 計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）是一種非破壞性成像技術(shù)，可以通過(guò)幾何可視化來(lái)定量表征土壤孔隙的三維形態(tài)，圖6為計(jì)算機(jī)斷層掃描的圖像處理流程。1982年，PETROVIC等[50]首次將醫(yī)用CT應(yīng)用于土壤科學(xué)，極大促進(jìn)了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究。隨著CT技術(shù)的發(fā)展，CT方法在毫米到納米尺度上提供了精細(xì)的測(cè)量分辨率，由最初分析毫米級(jí)的大孔隙特征到如今研究微納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，再逐步發(fā)展到利用層析參數(shù)研究土壤特性。

圖6 計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像處理流程圖[51]Figure 6 Image processing flow chart of computer tomography [51]

CT 掃描最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而醫(yī)用CT 的分辨率較低，主要集中在0.2~0.5 mm 之間，因此其在土壤孔隙研究中多用于大孔隙的分析。WARNER 等[52]通過(guò)醫(yī)用CT 對(duì)土壤中的大孔隙進(jìn)行表征，驗(yàn)證了CT 圖像能夠準(zhǔn)確揭示大孔隙的數(shù)量、大小和位置。隨后，ANDERSON 等[53-54]提出了對(duì)大孔隙進(jìn)行定量描述的方法，包括孔隙周長(zhǎng)、等效直徑和孔隙度。由于孔隙形狀復(fù)雜，PEYTON 等[55]將分形理論應(yīng)用于大孔隙的定量化研究，計(jì)算了大孔隙的分形維數(shù)，用以描述孔隙形狀的不規(guī)則性。KATUWAL 等[56]通過(guò)醫(yī)用CT 對(duì)農(nóng)田表土的大型原狀土芯進(jìn)行掃描，將土壤中空氣、水和溶質(zhì)運(yùn)輸與大孔隙特征聯(lián)系起來(lái)，有助于評(píng)價(jià)土壤功能。

隨著工業(yè)納米CT和同步輻射微CT的出現(xiàn)，CT技術(shù)在土壤微結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。微米級(jí)的分辨率滿(mǎn)足了微團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的研究需求。李文昭等[57]運(yùn)用同步輻射顯微CT對(duì)不同施肥措施下的水稻土團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，通過(guò)土壤孔隙度、比表面積和孔喉數(shù)量等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同施肥條件下團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。趙冬等[58]借助顯微CT定量分析了黃土在不同植被恢復(fù)模式下的團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)，通過(guò)總孔隙度、大孔隙度（>100 μm）、分形維數(shù)和連通性等對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。吳呈鋒等[59]基于同步輻射顯微CT研究了紅壤團(tuán)聚體的內(nèi)部孔隙形態(tài)、連通性、各向異性、大小分布和空間分布，為解釋土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，研究的重點(diǎn)和趨勢(shì)是將計(jì)算的層析參數(shù)用于土壤水文和物理力學(xué)性質(zhì)研究中，這對(duì)土壤科學(xué)理論的發(fā)展和應(yīng)用起著重要作用。FERRO 等[60]將土壤三維層析成像信息與孔隙形態(tài)模型和基于無(wú)網(wǎng)格平滑粒子流體力學(xué)（smoothed particle hydrodynamics，SPH）的數(shù)值模擬相結(jié)合，以預(yù)測(cè)粉質(zhì)壤土形成層中的飽和水電導(dǎo)率。MüLLER 等[61]將傳統(tǒng)土壤物理測(cè)量與土壤可視化技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)CT圖像獲得的大孔隙拓?fù)涮卣鱽?lái)參數(shù)化土壤大孔隙的水力特性。SOTO-GóMEZ 等[62]利用土壤CT 圖像的多重分形分析來(lái)表征不同管理土壤中大孔隙的標(biāo)度特性及其與土壤功能相關(guān)的宏觀物理性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

可見(jiàn)，CT 技術(shù)能夠分析毫米級(jí)至納米級(jí)的孔隙結(jié)構(gòu)，具有無(wú)損、定量檢測(cè)、分層識(shí)別土體內(nèi)部組成與可視化三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，但存在檢測(cè)費(fèi)用高昂、結(jié)果受圖像分辨率影響及數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)，因此該方法不適合大批量樣本的研究。

1.2.4 核磁共振 核磁共振技術(shù)（nuclear magnetic resonance，NMR）是一種無(wú)損的探測(cè)技術(shù)，不同于CT的射線成像，其主要通過(guò)測(cè)量孔隙中水的弛豫時(shí)間（T2）來(lái)確定多孔介質(zhì)的孔隙度、滲透性以及孔隙分布情況等。該方法普遍用于研究巖土的微觀結(jié)構(gòu)，涉及干濕循環(huán)下土體的孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律[63-65]、改良前后土體孔隙分布的變化規(guī)律[66-67]及凍土凍融過(guò)程中孔徑分布特征曲線的變化規(guī)律[68-71]等方面，為建立宏-微觀等效關(guān)系提供了基礎(chǔ)。然而，核磁共振技術(shù)在農(nóng)業(yè)土壤的孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用卻較為少見(jiàn)。孫超等[72]基于低場(chǎng)核磁技術(shù)研究了常規(guī)水稻土和設(shè)施蔬菜地土壤的持水性能和孔隙分布特征，并指出在農(nóng)業(yè)土壤領(lǐng)域中暫未建立起橫向弛豫時(shí)間T2與孔隙半徑之間良好的線性關(guān)系。此外，雖然核磁共振的分辨率要高于CT，但成本太高，主要應(yīng)用在石油勘探、生命科學(xué)、高分子材料等領(lǐng)域[73]。

1.2.5 小結(jié) 借助圖像處理技術(shù)，直接觀察法可以從圖像中提取大量的定量形態(tài)學(xué)和拓?fù)涿枋龇?，進(jìn)而更細(xì)致、具體地評(píng)估土壤孔隙空間。本部分對(duì)切片觀察、SEM技術(shù)、CT技術(shù)和NMR技術(shù)在土壤孔隙結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。表2為各類(lèi)方法優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比。其中，切片觀察和SEM技術(shù)是觀察二維土壤孔隙微觀形態(tài)的手段，成本低，但在制備土壤薄片或?qū)ν寥辣砻孢M(jìn)行鍍膜處理時(shí)，可能會(huì)破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)二維的信息來(lái)推斷三維的土壤孔隙會(huì)存在偏差甚至錯(cuò)誤，無(wú)法對(duì)孔隙空間進(jìn)行整體把握。此外，CT和核磁共振技術(shù)是一種非侵入性的三維成像技術(shù)，具有無(wú)損、分層識(shí)別土體內(nèi)部組成與可視化三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，但成本高昂，難以大規(guī)模普及應(yīng)用，不適合大批量樣本的研究。目前，核磁共振由于其較高的成本，較少應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤孔隙研究。CT技術(shù)的局限性在于無(wú)法兼顧圖像分辨率和土壤樣本尺寸的綜合需要，也就是說(shuō)，對(duì)于一臺(tái)已知分辨率的CT設(shè)備，土柱層析圖像分辨率與其尺寸大小成反比。而層析圖像分辨率影響分析的準(zhǔn)確性，土壤樣本尺寸又限制結(jié)果的代表性。因此，尺寸太小或圖像分辨率太低均不利于分析，如何權(quán)衡這對(duì)矛盾是未來(lái)開(kāi)展基于CT的土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究亟需解決的問(wèn)題。

表2 直接觀察法Table 2 Direct observation methods of soil pore structure

2 表征土壤孔隙結(jié)構(gòu)的定量化方法

2.1 常規(guī)統(tǒng)計(jì)法

常規(guī)統(tǒng)計(jì)法是運(yùn)用最廣泛的一種定量化方法，對(duì)土壤孔隙的大小、形狀、方向、分布等特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，是評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)在土壤供水、保水和氣體交換中作用的前提。BORGES 等[74]利用顯微CT圖像，確定了土壤大孔隙、大孔隙數(shù)、孔隙彎曲度和連通性。PIRES 等[75]利用CT 掃描，根據(jù)每個(gè)孔隙的橢球體的長(zhǎng)軸、中軸和短軸等幾何參數(shù)，將孔隙形狀分類(lèi)為等軸、長(zhǎng)軸、扁軸和三軸，并對(duì)各類(lèi)孔隙數(shù)目分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。LIU 等[76]在黏土的SEM 圖像中引入概率熵、概率分布指數(shù)分別來(lái)描述孔隙方向分布和面積分布。李鑫[77]利用CT 技術(shù)，在黃土孔隙結(jié)構(gòu)模型中統(tǒng)計(jì)了二維等效直徑、形狀因子、長(zhǎng)寬比以及三維孔隙傾角等空間幾何特征參數(shù)，并提出了精確表征孔隙直徑的分類(lèi)表征方法。

2.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用

土壤是一個(gè)非均質(zhì)體，在氣候溫度、生物、母質(zhì)、人為活動(dòng)等多因素的綜合作用下，土壤連續(xù)體在垂直剖面上具有動(dòng)態(tài)變化特征，即土壤具有空間異質(zhì)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是一門(mén)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，研究自然現(xiàn)象在空間尺度上變化的科學(xué)，彌補(bǔ)了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)忽略空間方位的缺陷。此外，通過(guò)空間地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行估計(jì)有助于在未采樣地點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)值預(yù)測(cè)，從而減少估計(jì)誤差方差和實(shí)施成本。1978年，CAMPBELL[78]首次將地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于土壤學(xué)領(lǐng)域，目前該方法已被廣泛用于評(píng)估土壤屬性的空間變化。李凱[79]以武功山微地形為研究對(duì)象，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)分析得出總孔隙度隨頂坡-上坡-中坡-麓坡-谷床逐漸增大。ZAKARIA 等[80]應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤總孔隙度等物理化學(xué)及水力參數(shù)的空間相關(guān)性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化和插值，以便為現(xiàn)場(chǎng)灌溉和植物營(yíng)養(yǎng)的特定管理提出建議。

2.3 分形理論的應(yīng)用

土壤孔隙結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，孔隙度、孔徑、連通度等參數(shù)不能充分刻畫(huà)孔隙性質(zhì)。20世紀(jì)70年代誕生的分形幾何是描述復(fù)雜自然現(xiàn)象的有力工具，為土壤孔隙定量化研究提供了新的途徑。大量研究發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙結(jié)構(gòu)在一定尺度范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)自相似性[81]，即分形特征。因此，分形維數(shù)可以用來(lái)表征土壤孔隙的不規(guī)則性。PEYTON 等[55]利用CT圖像描述了土壤大孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)；ANDERSON 等[82]通過(guò)土壤薄片圖像計(jì)算了孔隙的分形維數(shù)，并比較了具有相同孔隙度的不同土壤樣品的維數(shù)；更多研究嘗試將分形維數(shù)與土壤的水力特性[83-85]、氣體擴(kuò)散[86-87]等宏觀物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，便于從微觀角度來(lái)揭示土力學(xué)行為的本質(zhì)。然而，分形維數(shù)反映的是孔隙結(jié)構(gòu)的整體特征，忽略了孔隙分布的異質(zhì)性。多重分形理論能夠刻畫(huà)土壤孔隙空間中微小的局部特征，更適合復(fù)雜且不均勻的孔隙網(wǎng)絡(luò)研究。管孝艷等[88]研究了長(zhǎng)期再生水灌溉后土壤孔隙分布的多重分形特征。WANG等[89]基于CT圖像和多重分形理論，分析了露天煤礦排土場(chǎng)重構(gòu)土壤的孔隙分布異質(zhì)性。但上述研究停留在二維空間，三維多重分形的引入更能精確表征不規(guī)則的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。SOTO-GóMEZ 等[62]研究了不同耕作方式下土壤CT圖像的三維多重分形特征，以探討不同管理中土壤大孔隙的標(biāo)度特性與土壤功能相關(guān)的宏觀物理特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

土壤孔隙結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)土壤肥力與生態(tài)功能中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)其進(jìn)行量化研究是了解土壤結(jié)構(gòu)、明晰孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀功能關(guān)系的前提。本文綜述了國(guó)內(nèi)外土壤孔隙結(jié)構(gòu)獲取技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了對(duì)復(fù)雜、多變的孔隙系統(tǒng)進(jìn)行定量研究的方法和理論。由于土壤孔隙的復(fù)雜性和不可直接測(cè)定等因素，現(xiàn)有獲取土壤孔隙結(jié)構(gòu)技術(shù)都存在不同的局限，未來(lái)應(yīng)該突破傳統(tǒng)方法，在研究技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。通過(guò)總結(jié)土壤孔隙結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展，認(rèn)為今后需在一些機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)上做進(jìn)一步研究，具體包括：（1）加強(qiáng)土壤孔隙變異性評(píng)估和多傳感器信息融合技術(shù)研究。土壤變異性評(píng)估是特定地點(diǎn)管理中重要步驟之一，今后應(yīng)逐步攻克獲取土壤孔隙空間變異性數(shù)據(jù)的難點(diǎn)問(wèn)題。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)，將各種傳感器（遙感、作物冠層等傳感技術(shù)）進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，即通過(guò)卡爾曼濾波、模糊邏輯推理等數(shù)據(jù)融合算法以充分利用多源信息，從而提高多傳感器系統(tǒng)對(duì)土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的感知能力，構(gòu)建起由點(diǎn)到面、由面到體的高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，繪制土壤孔隙重要參數(shù)的空間分布圖。（2）推進(jìn)多學(xué)科交叉融合。未來(lái)要進(jìn)一步打破學(xué)科壁壘，將物理學(xué)、生物學(xué)和土壤學(xué)等多學(xué)科進(jìn)行有效融合，深入研究土壤孔隙結(jié)構(gòu)在調(diào)控土壤水滲透、養(yǎng)分循環(huán)及生物協(xié)同中的作用機(jī)理，探索孔隙特征如大小、彎曲度、孔隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和長(zhǎng)度等的演變與水氣運(yùn)輸、土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)和微生物協(xié)同互作等過(guò)程間的相互作用及具體影響，從而明確微觀尺度下的孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀功能的定量關(guān)系，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用和生態(tài)修復(fù)等方面提供重要的理論支撐。（3）將研究結(jié)果進(jìn)行尺度上的擴(kuò)展。目前土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究都是在小樣本上進(jìn)行的，結(jié)果無(wú)法充分代表具有高度異質(zhì)性的土壤空間，如何將研究結(jié)果進(jìn)行尺度上的擴(kuò)展，是未來(lái)土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。