全 文 ：土壤大孔隙及其研究方法 3
刘　伟 3 3 　区自清　应佩峰　(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室 ,沈阳 110016)
【摘要】　阐述了土壤大孔隙的定义、孔径划分类型及其成因 ,比较了各种研究方法的适用性和局限性. 土壤大
孔隙是可以提供优先水流路径的孔隙 ,其孔径大小为 > 0. 03mm. 大孔隙形状具有多样性 ,既有形状不规则的裂
隙和裂缝 ,也有近似圆柱状的管道. 土壤动物对土壤的挖掘作用 ,植物根系在土壤中的穿插作用 ,冻融和干湿交
替过程及化学过程是产生大孔隙的主要原因. 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、控制养分和水分的流失提供一条新
途径.
关键词 　土壤大孔隙 　定义 　类型 　成因 　研究方法
文章编号 　100129332 (2001) 0320465204 　中图分类号 　S15414 　文献标识码 　A
Soil macropore and its studying methodology. L IU Wei ,OU Ziqing and YIN G Peifeng ( L aboratory of Terrest rial E2
cological Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2001 ,12 (3) :465～468.
This paper discusses the definition , size , types , formation of soil macropores. Soil macropore ( > 0. 03mm) is the pore
space that provides preferential paths of flow. The shape of macropore varies from crack or fissure , through to cylin2
drical pipe. Macropore is formed in main ways : by plant roots and soil fauna ; wet2dry and freeze2thaw cycles ; chemi2
cal weathering. The studying method of macropore divided into direct measurement and indirect description , which
suitability and limitation are also reviewed.
Key words 　Soil macropore , Definition , Types , Origin , Methodology.
　　3 国家杰出青年基金 (49825111) 、国家自然科学基金 (49771044) 和
中国科学院沈阳生态站资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 10 - 14 收稿 ,2000 - 01 - 14 接受.
1 　引 　　言
大孔隙 (macropore)普遍存在于土壤中 ,无论是自然土壤还
是耕作土壤 ,都在某种程度上存在着大孔隙. 土壤大孔隙的存
在可以导致土壤优先水流和溶质优先迁移的发生 ,是水分和化
学物质快速、远距离运移的主要甚至可能是唯一的通道 [22 ] . 在
流经大孔隙时 ,土壤水及溶于其中的溶质 (如养分、盐分、污染
物等)不能与土体发生充分的相互作用 ,而是直接快速穿透土
体进 入 地 下 水 , 即 发 生 了 优 先 迁 移 ( preferential migra2
tion) [17 ,20 ] . 其结果造成了地下水的污染、养分流失和灌溉水的
浪费[26 ] . 因此 ,研究土壤大孔隙对于提高农业水利用率、开展
节水农业、降低农业成本和环境污染控制 (尤其是地下水污染
防治、土壤污染防治) 等方面均具有极为重要的科学意义和实
践价值. 本文阐述了大孔隙的定义、类型、形成及研究方法 ,为
进一步深入研究土壤大孔隙和土壤优先水流、溶质优先运移提
供参考.
2 　大孔隙的定义及其划分
211 　大孔隙的定义
对大孔隙进行准确的定义 ,是深入研究大孔隙形态、性质
和功能 ,完善大孔隙研究体系必要的理论基础和依据. 土壤大
孔隙是一个相对概念 ,它的定义一直是一个有争议问题 ,因此 ,
至今仍未达成共识. 也有些研究者并不重视大孔隙的概念 ,只
是使用这一名词而忽略其含义 ,也就是说 ,根本不去定义
它[32 ] . 大孔隙定义主要有以下 3 种观点.
21111 根据毛管势定义大孔隙 　Luxmoore[33 ]认为 ,大孔隙是可
以传导表面滞水 (ponding)穿过土壤剖面管道流的孔隙. 他将大
孔隙的毛管势定为 > - 300Pa ,并根据水的表面张力和毛管上
升力方程计算出大孔隙的当量孔径为 > 1mm. 这一定义是把土
壤大孔隙假设为毛管状 ,并不适用于较大的裂缝、裂隙等非管
状孔隙和所有土壤 (如砂土) ,而且对孔隙大小的测定和解释仍
然带有随意性[47 ] .
21112 根据功能定义大孔隙 　Skopp [47 ]根据孔隙传导水及溶质
的功能 ,将土壤孔隙分为两大类 :一类是基质孔隙 ,另一类是大
孔隙. 它们的区别在于 :大孔隙中水及溶质流动速度很快 ,大孔
隙与基质孔隙之间水和溶质的交换和传导受到限制 ,而在基质
孔隙中水和溶质的传导速度足够低 ,致使水和溶质可以在这样
的孔隙间充分混合和传导. 因此 ,按功能划分的大孔隙是指那
些可以提供优先水流 ( Preferential flow) 路径的团聚体间的孔
隙、土壤胀缩过程形成的裂隙 ,根孔或动物孔道.
21113 根据水流动力定义大孔隙 　Beven[4 ,6 ]从水流动力学的
角度来定义大孔隙. 大孔隙具有非毛管性 ,连续大孔隙中的水
分流动主要受重力势的支配 ,而与毛管势及基质势的关系不
大. 也就是说 ,管道流的动力学性质比测量孔隙大小、分级范围
更为重要. 因此 ,定义大孔隙时 ,不应考虑其大小如何. 他们给
应 用 生 态 学 报 　2001 年 6 月 　第 12 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2001 ,12 (3)∶465～468
大孔隙下的定义为 :能传导非平衡管道水流 ( nonequilibrium
channeling flow)的孔隙.
综上所述 ,在定义大孔隙时 ,单纯考虑孔隙大小是不够的 ,
而应与孔隙的功能结合起来. 因此 ,土壤大孔隙的概念应为 :不
论孔隙大小、形状如何 ,能够提供优先水流路径的任何孔隙都
可称之为大孔隙.
212 　大孔隙的孔径划分
由于对土壤大孔隙的理解和定义不同 ,导致了对其孔径范
围的划分和确定存在较大分歧 ,研究者还常常根据各自的研究
需要来划分其大小. Hall [25 ]认为将土水势为 - 5000Pa 时排水的
孔隙称为大孔隙 ,其当量孔径为 > 0. 06mm ; Warner[52 ]等在应
用计算层析 x 射线摄影术研究大孔隙特征时 ,把比团聚体间或
团聚体内孔隙大的孔隙称为大孔隙 ,孔径为 > 1mm ; Lux2
moore
[32 ]以毛管这一特定模型为依据 ,也推导出大孔隙的当量
孔径为 > 1mm ;Singh 等[46 ]应用 AU TOCAD 和自动图像分析仪
测定及说明大孔隙性质时 ,把当量孔径大于 1. 6mm 的孔隙看
作是大孔隙 ,这是图像分析仪可以清楚区分这些孔隙的最小横
截面. Vermeul[50 ]等定量分析土壤大孔隙度时 ,认为土壤切片
图像中一个像素点大小 (0. 085mm)是土壤大孔隙的最小值 ,即
将孔径 ≥0. 085mm 的孔隙视为大孔隙. Beven 和 Germann 曾
给出大孔隙的孔径变化范围大致为 0. 03～3mm[4 ] ,但土壤动
物(如蚯蚓、蚂蚁等) 形成的孔隙直径可达十几甚至几十厘
米[11 ,24 ] ,因此可将这一范围扩大到 > 0. 03mm.
3 　土壤大孔隙类型与成因
尽管大孔隙没有普遍认可的定义和明确的界限 ,但根据形
态和成因对土壤大孔隙的类型所作的划分 [21 ]还是容易被人们
接受的. 大孔隙形状各异 ,既有较大的、不规则孔隙 (vughs) 、裂
口或裂缝 (cracks) ,裂隙 (fissures) ,也有近似于圆柱形的管道
(channels) . 土壤动物对土壤的挖掘作用 ,植物根系在土壤中的
穿插作用 ,冻融和干湿交替过程及化学过程都可以产生大孔
隙.
311 　生物因素
31111 土壤动物 　土壤动物形成的大孔隙基本是管状的 ,直径
的变幅一般在 1～50mm 左右 ,主要是由于土壤动物 ,如鼹鼠、
蚯蚓、蚂蚁等 ,对土壤的挖掘、翻动过程中形成的孔道. 这部分
大孔隙多集中在上层 1m 之内的土体中. 蚯蚓穴道一般直径在
2～11mm 之间 ,深度可达 60～70cm ,在免耕土壤中有的孔穴可
延伸到 80cm[37 ,42 ] . 蚂蚁活动产生的大孔隙 ,直径一般在 2～
50mm ,深度至少 1m[24 ] . 不同的耕作条件对这类孔隙的数量有
一定影响[11 ] ,4 年免耕土壤的蚯蚓孔穴数量约是耕作土壤的 2
倍[38 ] .除耕作过程中会破坏或堵塞一些孔隙之外 ,免耕土壤的
地表植物残体较多 ,形成覆盖物 ,有利于土壤生物的生存和活
动. 免耕土壤还由于没有耕作过程这样的外力扰动和破坏土壤
结构的过程 ,可使地表保存更多的孔隙数目 [18 ,23 ,24 ,49 ] .
31112 植物根系 　植物根系所形成的孔隙也基本属于管状 ,活
体根和腐烂的根都可形成大孔隙. 树皮腐烂要比木质部需要更
长的时间 ,腐烂树皮形成了管状大孔隙 [19 ] . 树皮构成的空腔常
常被自己腐烂的树根和凋落物的松散有机物质填充. 这样的大
孔隙至少占森林土壤体积的 35 % ,并随深度增加数量减少. 根
系形成的大孔隙结构与植物种类和生长状况有关 ,腐烂树根每
年产生相当数量的连续裂隙 ,成为水分快速传导的通道 ,即使
在非饱和土壤中也是如此 [3 ,35 ,36 ] . 草根和作物根系也可产生同
样的大孔隙系统. 而且 ,这些孔隙相互之间具有连通性 ,它们所
构成的网络体系的排水和持水性与团聚体结构是相似的 [30 ] .
土壤含有丰富的相互连通的孔隙、孔洞和洞穴 ,是根系、蚂
蚁和蚯蚓的活动所产生的 [38 ] . 在不受人为干扰的情况下 ,由生
物形成的孔隙在土壤中可以保持很长时间. 蚂蚁、鼹鼠形成的
大孔隙可以保存几百年[11 ] ;由树根形成的大孔隙可在含有
30 %粘粒的土壤中保持 50～100 年[4 ] . 大孔隙的有效存在时间
与土壤结构的稳定性有关. 稳定性越强 ,保存的时间越长.
312 　物理因素
31211 干湿交替 　受季节影响 ,在干湿交替过程中 ,土壤随水
分增加或减少发生膨胀或收缩 ,膨胀与收缩的程度与土壤质地
有关. 粘质土干燥时 ,土体收缩会产生裂隙或裂缝状的大孔
隙[12 ,31 ] .这样的孔隙也会由于土壤湿润膨胀而关闭. 表面”光
滑”的结构体比”粗糙”的膨胀后 ,水平裂隙的闭合效果更
好[13 ] .而由生物因素形成的大孔隙则一般会保持敞开 [5 ,30 ] ,重
粘土结构体之间的裂缝 ,即使长期湿润也不能闭合 [53 ] . 在干燥
季节 ,壤质土和粘质土结构体收缩 ,在地表产生宽而深的裂隙
(fissures) ,而在湿润季节 ,结构体膨胀 ,它的表面相对紧密地闭
合[11 ] . 因此 ,这两种土壤的孔隙度在干燥季节达到最大.
31212 冻融交替 　在寒冷地区冻融交替是形成大孔隙的主要
机制[40 ] ,但这方面的报道很少. 它与温度变化的幅度和土壤水
分状况有关 ,土温急剧变化和高含水量有利于大孔隙的形成.
由于土表温度与深层土温的差异 ,从地表到深层土壤 ,冻融交
替作用呈减弱趋势 [40 ] . 冻融交替过程所形成的大孔隙 ,以裂隙
和裂缝为主[4 ] . 室内模拟实验证明 :干湿交替和冻融交替都可
产生大孔隙 ,后者的作用较前者更强 [7 , 40 ] .
313 　化学因素
化学因素主要是由于化学风化导致的溶液管道 [48 ] . 英国
威尔斯高地的泥炭型潜育灰壤的管道类型 ,就是由于风化作用
于岩床上形成了管道 ,而后 ,泥炭覆于其上 ,形成了这些管道.
这种管道的直径最大可近 1m[28 ] . 在渗透性很强的、非粘性的
土壤上 ,当有水头梯度存在时 ,可能产生自然土壤管道 ,主要原
因在于亚表层流对土壤的侵蚀 [45 ] ,当水流作用于土壤单粒上
的力超过土壤结构承受力时 ,形成了这一类土壤管道 [54 ] .
4 　研究土壤大孔隙的方法
411 　直接测定
41111 直接观测法 　这种方法既适用于野外 ,也适用于室内分
析[18 ,24 ,29 ,37 ] ,主要采用固结物质和染料灌入土壤孔隙的方法
描绘土壤剖面大孔隙网络 (network) 形态[38 ,46 ] ,测量和计算孔
隙大小、数量和体积. 所用的固结物有石膏、熟石灰悬浆及乳胶
混合剂等. 染料主要有龙胆紫 (gentian violet) 、亚甲基蓝 (methy2
lene blue) 、丽丝胺黄 F. F. (Lissamine Yellow F. F. ) 、罗丹明 B
664 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
(Rodamine B)等. 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 ,但运作起来较为简单、直观.
41112 切片法 　在描述土壤大孔隙特征时 ,切片法是常用的一
种方法. 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.或将固结后的土壤制成薄片 ,用透明纸把大孔隙的轮廓描
成图 ,或用定量电视显微镜、图像分析仪等测出孔隙的数量、面
积、周长、大小和分级等指标 [7 ,8 ,10 ,11 ,14 ,21 ,46 ,51 ] .
图像分析仪是软件支持系统 ,为分析光学图像而设计. 这
一方法易造成一些信息丢失 ,如在绘取大孔隙轮廓、摄取照片
和图像分析时 ,研究的孔径大小受分辨率的限制 [46 ,50 ] . 染料或
固结物 (如石膏 ,熟石灰)的投加受到土壤含水量和孔隙的连通
性影响. 当这些物质渗入大孔隙时 ,由于并非所有大孔隙都是
表面连通的或在地表开口的 ,因此无法使这些物质进入全部大
孔隙. 在湿润条件下 ,染料需取代土壤水分 ,也使染料在孔隙壁
着色不完全[2 ] . 当土壤中含有石膏、石灰等浅色矿物时 ,为避免
产生分析误差 ,不宜用石膏、熟石灰和石蜡作固结剂.
41113 x 射线层析扫描摄像法 (CT) 　这是一种非破坏性的方
法 ,可以在保持土壤完整结构的情况下 ,描述某一层次土壤大
孔隙的性质[15 ,43 ] ,如孔径、土壤含水量、容重等. 与切片法相
比 ,具有方便快捷的特点 ,可以精确的反映出大孔隙的数量、大
小和位置 ,改进后的 CT 法 (如 x 射线立体造影术) 还可以观测
大孔隙三维结构 [30 ] . 由于土壤大孔隙取向不确定 ,CT 法在描
述单个土壤大孔隙连通性方面 ,存在一定的困难 [52 ] . 此方法另
一个缺点是费用较高.
412 　间接描述
41211 标记物穿透曲线法 　标记物穿透曲线法 (breakthrough
curve)是间接描述法常用的方法[1 ,16 ,32 ,34 ,41 ] . 标记物种类主要
有 :与土壤吸附较弱的离子 (如 Cl - 、Br - 和 NO -3 ) 、同位素和染
料. 穿透曲线是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 ,这里 C/ C0 是出流液中标记物的
浓度与入流液浓度的比 ;V/ V0 为出流液体积与入流液体积的
比.当入流液取代土壤中原有水分时 ,孔隙结构不同 ,土壤穿透
曲线的形状也不同. 当土壤中存在连通性良好的大孔隙 ,标记
物会快速穿过土体 ,很快达到 1 ,穿透曲线形状极不对称 ;孔隙
有较宽孔径范围的土壤 ,C/ C0 是逐渐达到 1 的 ,穿透曲线接近
对称[9 ,10 ] . 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 [44 ] .
41212 土壤张力入渗计法 　此方法在选定地点 ,采用静止水面
入渗流过程 ,利用土壤张力入渗计 (tension infiltrometer) 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 (capillarity equation) 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 [53 ] .
直接测定和间接描述这两种方法是从不同的角度对大孔
隙进行描述 ,如直接测定法是测定田间条件下土壤大孔隙实际
的大小 ;间接描述法是将土壤大孔隙作为一个整体 ,根据溶质
迁移和水流特征来综合评述大孔隙结构. 由于水和溶质在土壤
孔隙中迁移速率取决于孔径最小的孔隙 ,即”瓶颈”,而非平均
大小的孔隙 ,因此间接描述法实质上测定的只是”瓶颈”大小 ,
其值小于直接测定法的结果 [44 ] . 尽管这两种方法还存在一定
局限性 ,但在某些方面 (如大小、数量、分级等) 仍提供了客观和
定量的测定方法[51 ] .
5 　结 　　语
国外对土壤大孔隙及由其存在而产生的优先迁移现象的
重要性早有认识[27 ] ,并开展了大量的研究工作 ,而我国在这一
领域的研究则刚刚起步 ,至今文献报道很少 [27 ,39 ] . 近年来 ,对
土壤大孔隙的研究多集中在水流方面的研究 ,而土壤形态学、
土壤大孔隙形成机理以及土壤大孔隙形成与环境条件、土壤性
质的关系等方面还有待进一步研究和发展. 大孔隙的定义、分
类和测定是研究和认识土壤大孔隙必不可少的前提 ,但由于大
孔隙的几何形状多样性、空间分布复杂性、形成多因素性 ,因而
很难给出严格的定义和孔径范围 ,使得对它的定义至今仍存在
着很大分歧 ,因而 ,大孔隙概念还有待进一步完善. 大孔隙研究
的最终目的是能够调控它 ,为减少地下水污染、控制养分和水
分的流失提供一条崭新的途径.
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作者简介 　刘 　伟 ,女 ,1968 年生 ,讲师 ,在读博士生 ,主要从事
土壤生态、土壤物理学研究 ,已发表论文 3 篇. E2mail :liuwei @
iae. syb. ac. cn
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