全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员员期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 高朝侠袁徐学选袁赵娇娜袁等 渊圆愿园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
能源基地生态修复
我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述 吴摇 钢袁魏摇 东袁周政达袁等 渊圆愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究要要要以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东袁全摇 元袁王辰星袁等 渊圆愿圆员冤
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基于 阅孕杂陨砸模型的国家大型煤电基地生态效应评估指标体系 周政达袁王辰星袁付摇 晓袁等 渊圆愿猿园冤噎噎噎噎
西部干旱区煤炭开采环境影响研究 雷少刚袁卞正富 渊圆愿猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天煤矿区生态风险受体分析要要要以内蒙古平庄西露天煤矿为例 高摇 雅袁陆兆华袁魏振宽袁等 渊圆愿源源冤噎噎噎
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响要要要以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉袁牛建明袁张摇 庆袁等 渊圆愿缘缘冤
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三七对土壤中镉尧铬尧铜尧铅的累积特征及健康风险评价 林龙勇袁阎秀兰袁廖晓勇袁等 渊圆愿远愿冤噎噎噎噎噎噎噎
某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究 刘摇 庚袁毕如田袁权摇 腾袁等 渊圆愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用 雷摇 波袁刘 摇 彬袁罗承德袁等 渊圆愿愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 啄员缘晕稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究 张淑花袁张雪萍 渊圆愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎
铅镉抗性菌株 允月员员强化植物对污染土壤中铅镉的吸收 金忠民袁沙摇 伟袁刘丽杰袁等 渊圆怨园园冤噎噎噎噎噎噎噎
陕北地区石油污染土壤中不动杆菌属的筛选尧鉴定及降解性能 王摇 虎袁吴玲玲袁周立辉袁等 渊圆怨园苑冤噎噎噎噎
祁连山高山植物根际土放线菌生物多样性 马爱爱袁徐世健袁敏玉霞袁等 渊圆怨员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆沙冬青 粤酝和 阅杂耘真菌的空间分布 姜摇 桥袁贺学礼袁陈伟燕袁等 渊圆怨圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
聚糠萘水剂对不同积温带玉米花后叶片氮同化的影响 高摇 娇袁董志强袁徐田军袁等 渊圆怨猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度 王海梅袁侯摇 琼袁云文丽袁等 渊圆怨源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四种类型栓皮栎栲胶含量 尹艺凝袁张文辉袁何景峰袁等 渊圆怨缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物胁迫对翅二型丽斗蟋飞行肌和繁殖发育的影响 吴红军袁赵吕权袁曾摇 杨袁等 渊圆怨远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
颜色对梨小食心虫产卵选择性的影响 杨小凡袁马春森袁范摇 凡袁等 渊圆怨苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
缓释单萜类挥发物对落叶松毛虫行为及落叶松主要防御蛋白的影响 林摇 健袁刘文波袁孟昭军袁等 渊圆怨苑愿冤噎噎
种群尧群落和生态系统
黄土丘陵沟壑区不同植被恢复格局下土壤微生物群落结构 胡婵娟 袁郭摇 雷 袁刘国华 渊圆怨愿远冤噎噎噎噎噎噎
刺参池塘底质微生物群落功能多样性的季节变化 闫法军袁田相利袁董双林袁等 渊圆怨怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅郧郧耘技术的茯砖茶发花过程细菌群变化分析 刘石泉袁胡治远袁赵运林 渊猿园园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国区域间隐含碳排放转移 刘红光袁范晓梅 渊猿园员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南地区退耕还林工程主要林分 缘园年碳汇潜力 姚摇 平袁 陈先刚袁周永锋袁等 渊猿园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 李广泳袁李小雁袁赵国琴袁等 渊猿园猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算 魏书精袁罗碧珍袁孙摇 龙袁等 渊猿园源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区森林植被气候生产力模拟 潘摇 磊袁肖文发袁唐万鹏袁等 渊猿园远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制 朱爱民袁李嗣新袁胡摇 俊袁等 渊猿园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区 李亦秋袁鲁春霞袁邓摇 欧袁等 渊猿园愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于集对分析的京津冀区域可持续发展协调能力评价 檀菲菲袁张摇 萌袁李浩然袁等 渊猿园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
江西省自然保护区发展布局空缺分析 黄志强袁陆摇 林袁 戴年华袁等 渊猿园怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖生态经济区生态经济指数评价 黄和平袁彭小琳 袁孔凡斌袁等 渊猿员园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价 刘心竹袁米摇 锋袁张摇 爽袁等 渊猿员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿缘鄢圆园员源鄄园远
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封面图说院 三峡库区森林植被要要要三峡地区属亚热带区域袁山高坡陡尧地形复杂尧物种丰富袁森林是其最重要的自然资源之一袁
其面积占到库区总面积的 猿苑豫左右袁库区内现有森林可初步分为 圆 个植被型组袁愿 个植被型袁员愿 个群系组袁源源 个群
系袁员园圆个群丛袁主要树种有马尾松尧杉树尧柏树等袁低海拔处多为落叶阔叶林尧常绿阔叶林袁较高海拔分布有针阔混交
林尧针叶混交林尧灌木林等袁人工林主要有经济林尧竹林等遥 对三峡库区森林气候生产力进行模拟袁分析库区森林植
被的生产力并进行预测袁可以为三峡库区的生态建设决策提供科学依据遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 11 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.11
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41171421)
收稿日期:2013鄄01鄄22; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xuxuexuan@ nwsuaf.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201301220126
高朝侠,徐学选,赵娇娜,赵传普,张少妮.土壤大孔隙流研究现状与发展趋势.生态学报,2014,34(11):2801鄄2811.
Gao Z X,Xu X X,Zhao J N, Zhao C P, Zhang S N.Review on macropore flow in soil.Acta Ecologica Sinica,2014,34(11):2801鄄2811.
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势
高朝侠1,徐学选1,2,*,赵娇娜3,赵传普1,张少妮2
(1. 中国科学院 水利部 水土保持研究所, 杨凌摇 712100; 2. 西北农林科技大学 水土保持研究所,杨凌摇 712100;
3. 襄禹水利勘测设计有限公司, 邢台摇 054000)
摘要:大孔隙流方面的研究是土壤水运动机理由均质走向非均质领域的标志而成为土壤物理学学目前的研究热点,研究成果对
评估土壤污染物风险、确定灌溉、施肥、以及种植作物方案等提供理论依据。 围绕大孔隙的分类标准、大孔隙流的影响因素、土
壤大孔隙流量化方法 3个方面综合介绍了土壤大孔隙流的研究现状,指出目前研究中存在的不足以及今后的发展趋势。 旨在
为深入研究大孔隙流提供新的思路及参考。
关键词:大孔隙流;影响因素;量化方法;发展趋势
Review on macropore flow in soil
GAO Zhaoxia1,XU Xuexuan1, 2, *,ZHAO Jiaona3, ZHAO Chuanpu1, ZHANG Shaoni2
1 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
2 Institute of Soil and Water Conservation,Northwest Agricultural and Forestry University,Yangling 712100, China
3 Xiangyu Water Conservancy Survey and Design Limited Company, Xingtai 054000, China
Abstract: Macropore flow is a natural and ubiquitous phenomenon in soil environment. Research on macropore flow involves
studying mechanisms of soil water movement from homogeneous to heterogeneous fields, so it has become research focus in
soil physical science. Understanding of mechanisms on macropore flow would provide useful information for irrigation,
fertilization, crops planting and pollution tendency simulating. This paper introduces present research situation of macropore
flow from classification standards, the influencing factors and quantitative methods, the deficiency of present research and
research directions are discussed. The purpose of this paper is to provide some new ideas for deeply studying macropore flow.
Key Words: macropore flow;influencing factors;quantification methods;prognosis
摇 摇 土壤是天然的过滤器及净化器,其性质往往决
定了土壤持水数量以及地下水的质量。 人们通常认
为,土壤生态系统具有较强的自净能力,进入土壤中
的污染物,通过土壤本身吸附、分解、迁移、转化等自
然作用,可以使污染物浓度降低甚至消失。 然而,大
量的研究表明[1鄄2],即使进入土壤中的污染物没有超
过土壤的自净能力,也会对深部土壤和地下水造成
污染。 甚至还有学者认为,即使是一些迁移性小、降
解周期短、残留量低的农业化学物质仍然能在地下
水中监测到[3鄄4]。 因此可推断,必然存在另外一种机
制,驱使着水及溶质向土壤深部快速运移,这便是优
先流。 早在 1989 年 Monte Verita 研讨会上,参会的
17名科学家已经达成共识[5]:优先流是普遍存在
的,研究优先流意义重大。 随后引起了诸多学者的
关注,大量的田间试验以及室内模拟试验从此展开。
大孔隙流是优先流的一种,土壤大孔隙中的水
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流可以绕过周围大部分土壤基质并且短时间内到达
土壤深层, 产生大孔隙流,此时的非均质流不再符
合达西定律,土壤水分的流速和流量远大于达西定
律描述下的运动特性[6]。 大孔隙的存在具有两面
性,一方面,大孔隙加快了地下水的响应速度,减少
了地表径流,另外大孔隙增加了土壤的通气性,促进
了根系生长,提高了作物产量,同时,透气性增强了
土壤中微生物的活动,有利于植物残渣、农药以及污
染物的分解[7];另一方面,地表垃圾渗滤液、污染物
等可通过大孔隙快速到达深层土壤及地下水中,危
害人类健康,对于农业生产中施放到土壤表面的营
养物质或化学物质来讲,则来不及被土壤基质吸附
和被植物利用,造成了肥料利用率降低以及地下水
的污染[8]。 本文将着重介绍土壤大孔隙流的研究现
状,存在问题及发展趋势,旨在为深入研究大孔隙流
提供一定的参考。
1摇 大孔隙分类
土壤中大孔隙的存在,导致水分入渗时湿润锋
动力学的不稳定性从而产生大孔隙流[9]。 对土壤孔
隙的分类研究及定量观测有利于大孔隙流运移机制
的理解。 目前,人们普遍接受的大孔隙分类标准有
两种:一是基于大孔隙成因,二是基于大孔隙形态。
1.1摇 基于大孔隙成因分类
根据大孔隙成因,大孔隙一般分为生物性孔隙
和非生物性孔隙。 生物孔隙又可细分为根孔及土壤
动物孔隙,非生物孔隙包括裂隙、团聚体间的孔
隙等[9]。
1.1.1摇 生物性孔隙
Hursh等[10]指出在森林土壤中每年植物根系的
腐烂都会形成较多的连续性开放孔道,其间具有快
速的水流,这就是植物根孔。 植物根孔在森林土壤
中大约可以占到土壤孔隙 35%,并随深度增加而下
降。 由植物根系形成错综复杂的孔隙网络通道,显
著影响水分及溶质在土壤中的运动,是形成大孔隙
流的重要机制。 Li 等[11]人工栽培玉米及紫花苜蓿
形成自然植物根孔,通过 NO-3 的穿透试验发现根系
对 NO-3 的迁移有重要影响。 Noguchi等[12]利用白色
涂料研究热带森林土壤大孔隙的水流模式,发现植
物根系区亦是染料集中区。 荐圣淇等[13]同样指出
染色等级高以及染色面积大的区域一般出现在根系
密度较大的池方,因此可推断根系为染料提供了优
先迁移的通道。 根孔包含活体植物根系在生长过程
中与土壤之间形成的孔隙(活孔)以及植物根系死亡
腐败后在土壤中形成的孔道(死孔) [14]。 其中死孔
对水分传导及溶质运移具有重要地位[15鄄18]。
Mitchell等[19]研究了膨胀土的孔隙分布及对土壤下
渗速率的影响,结果表明,示踪剂经活根可以下渗 16
cm,而经死根却能下渗 55 cm。 也有学者认为活根
本身不具备水分传导的功能,之所以能进行水分传
导原因在于根系穿插过程土壤收缩而形成了
裂缝[13,15,19]。
植物根系、枯枝落叶、土壤中的有机质通常是土
壤动物食物的来源,因此由土壤动物形成的大孔隙
经常与植物根孔相互交错并且可连通到土壤表面。
土壤动物的活动(如地鼠、蚯蚓、蚂蚁等)形成的孔隙
基本是管状的,大小在 1—50 mm 之间,主要集中于
土壤表层[20]。 在潮湿地区,蚯蚓活动可产生大量的
虫孔, 尤其是 anecic 蚯蚓物种中的 Lumbricus
terrestris蚯蚓,每平方米可以产生几百个管状孔隙,
直径在 2—12 mm 之间,扭曲度在 1.1—1.2 之间,并
且可以不顾中间层的抵抗,直接从表面连通到心土
层[21]。 而表层中的蚯蚓物种,往往产生的是临时性
的虫孔,方向随机,扭曲度大并且多分枝[22]。 Cey
等[23]指出在加拿大西南部 Ontario 区部分饱和土壤
中,蚯蚓孔隙占到总孔隙的 85%,最大深度可达
1郾 2—1.4 m。 蚂蚁活动产生的大孔隙, 直径一般在
2—50 mm, 深度至少 1 m[24]。
植物的生长、土壤动物觅食与排泄处于不断的
运动之中,从而使土壤大孔隙的研究更为复杂。
Meek[15]等发现紫花苜蓿在生长过程中,下渗速率呈
现先下降再上升的特点。 原因在于植物在生长过程
中,根系的穿插堵塞了原有的孔隙,破坏了孔隙的连
通性,从而使下渗速率降低,但随着根系的腐烂,死
孔数量明显增加,下渗速率升高。 Mitchell[19]等应用
亮蓝染色,发现有些孔隙边壁上未被染色,孔隙中间
的团聚体呈现蓝色,推测该孔隙是蚯蚓在染色过程
中形成的新的孔隙,之间蓝色团聚体为蚯蚓的排
泄物。
1.1.2摇 非生物性孔隙
非生物性孔隙是指土壤在水力等外力作用下产
生的孔隙。 如冻融、干湿交替产生的裂隙、化学风化
2082 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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溶解而产生的空洞、亚表层流的侵蚀产生的土壤管
道、耕作形成的暗洞以及产生于破碎心土层的孔
隙[25]。 其中以裂隙的研究较多。 区自清等[26]认为
冻融交替和干湿交替均可使土壤产生大孔隙和优先
水流,并且冻融交替的影响更显著。 裂隙也受成土
过程的影响,土壤越熟化,有机质含量越高,裂隙的
密度越小。 刘目兴[27]等发现三峡库区低山针叶林
土壤剖面的下渗深度最大,主要原因在于该区土壤
存在母岩裂隙。 裂隙随着土壤含水量的升高,表层
孔隙数量会明显降低,连通性亦会随之降低[28]。
1.2摇 基于大孔隙形态分类
基于大孔隙形态划分,基本上可以划分为 3
类[29]:由洞穴动物和腐烂植物根系形成的管状孔
隙;由干湿、冻融等物理过程形成的裂缝;由耕作和
动物产生的团聚体间的不规则孔隙。
1.2.1摇 管状孔隙
管状孔隙近似圆柱状孔隙,包含无分支、有分支
的以及网络状的孔隙。 植物根孔和土壤动物形成的
土壤孔隙基本上都是管状的,并且内壁通常光滑,植
物的腐烂或动物的吞食排泄使得孔隙壁上的土壤有
机质含量往往高于土壤基质[30]。
1.2.2摇 裂缝
裂隙常不连续,而是由被一些斜裂隙所分割的
长形碎段所组成。 李德成[31]等发现土壤总孔隙中
直径较大的部分主要由裂隙构成,直径较小的部分
则由其它类型孔隙和裂隙共同构成,土体中其它类
型的孔隙直径分布曲线类似对数正态分布,而裂隙
直径分布曲线是不规则的。 Cherkov 等[32]研究发现
膨胀土裂隙的扭曲度在 1.5—2.2 之间,连通性随着
深度的增加而减小。
1.2.3摇 不规则孔隙
不规则孔隙其形状和大小无规律可循,形态各
异,孔隙壁呈棱角形亦或平缓弯曲形、粗糙亦或平
滑。 主要是由于土壤的团聚作用形成的,通常植物
根孔、虫孔等富含丰富的有机物为土壤发生团聚作
用奠定一定的基础。 另外,土壤动物觅食与排泄、化
学风化溶解、亚表层流的侵蚀、耕作等也会形成不规
则孔隙。
2摇 大孔隙流的影响因素
2.1摇 土壤性质
土壤性质,如土壤质地、土壤结构、土壤容重、孔
隙率、饱和导水率、有机质含量等均会影响到大孔隙
流[33]。 相对于粗质土壤而言,细质土壤水流运动的
非均 匀 程 度 更 高, 优 先 流 特 征 更 明 显[34鄄35]。
Flury[36鄄37]发现结构性好的土壤的染色深度远大于结
构性差的土壤。 陈效民等[38]研究了太湖地区主要
水稻土的大孔隙特征及其影响因素,发现大孔隙的
含量与土壤容重、孔隙度、饱和导水率、有机质含量
呈极显著相关。
2.2摇 生物因素
土壤根孔与虫孔、裂隙等其它的孔道联系起来,
形成广泛的复杂的优势流网状通道,对土壤中水分
及溶质运移产生重要影响。 赵娇娜[39]认为在有限
补给情况下,林地大孔隙流运移深度最深,其次是草
地,农地相对较小。 Mitchell 等[19]发现种植紫花苜
蓿的土壤稳定入渗率、染色深度均大于种植小麦的
土壤。 土壤动物亦是形成大孔隙的重要因素。 外界
自然环境、动物的种类、区系、生境等均会影响大孔
隙流的整个过程。 免耕土壤利于土壤动物的生存,
大孔隙数量丰富,易于产生连通性的孔隙,对水分分
布产生重要影响。 例如 Bodhinayake 等[40]研究发现
天然草地的大孔隙数量,饱和导水率、输水孔隙度等
均显著大于人工草地。 然而,土壤动物的觅食与排
泄在产生新的孔隙的同时也破坏原有的孔隙,有可
能降低孔隙的连通性。 因此,土壤动物产生的孔隙
随机性更强。
2.3摇 初始含水量
初始含水量也是影响水和溶质迁移的另一重要
因素。 然而,学者们却得出不一致的观点。 一些学
者认为,初始含水量低的土壤由于其疏水性质而使
更多地水分从表层孔隙向深层流动。 Edward 等[41]
发现高强度的暴雨加上干燥的土壤可以产生更多的
优先流。 Shipitalo 等[42]研究得出杀虫剂在干燥的土
壤中的渗漏量远远高于预处理中润湿的土壤。
Hardie等[43]发现 texture鄄contrast 型土壤中干土中染
色剂的入渗深度是湿土的近 3 倍,入渗率是湿土的
近 10倍。 Merdun等[44]设置了 3 个初始含水量水平
研究土壤水分的三维分布特征,发现干土对优先流
响应最为明显。
另一些学者认为,湿土一定程度上限制了水和
溶质的侧渗,因此湿土比干土更容易产生优先水流。
Flury[37]应用亮蓝染色发现,染色深度中湿土较干土
3082摇 11期 摇 摇 摇 高朝侠摇 等:土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 摇
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深,并且湿土对 Cl-、Br-以及 3 种农药的迁移深度也
比干土深。 Quisenberry 等[45]发现当土壤含水量低
于田间持水量,水和溶质的迁移深度不超过 90 cm,
而当初始含水量大于田间持水量时,大部分的水和
溶质迁移深度都超过了 90 cm。 盛丰等[34]认为初始
含水量高的土壤中土壤水的入渗深度较大,但土壤
含水率对染色面积的分布模式无显著影响。
另外,还有一些学者认为,初始含水量对水和溶
质运移没有显著影响。 如 Tallon 等[46]认为,土壤初
始含水量的显著差异并没有引起细菌及氯离子运移
的差异。
2.4摇 降雨强度及灌溉方式
大孔隙流始于降雨或灌溉速率超过土壤入渗率
或出现饱和流的时候,降雨强度及灌溉方式影响穿
透时间及水流通量。 程金花等[47]研究了长江三峡
花岗岩区天然降雨对优先流的影响,发现该区优先
流产流的日降雨量在 26 mm 以上。 Stone 等[4]通过
二元径流分割计算出某 2次降雨中小雨强长历时和
大雨强短历时优先流的贡献率分别为 11%和 51%。
Flury等[36]发现传统的灌溉方式染色深度是喷灌的
2倍。 盛丰[34]等认为入渗水量的增加将提高实际入
渗的均匀程度,然而过多的增加初始水头高度对入
渗的均匀性增长的影响是有限的。
2.5摇 耕作方式
多数研究结果表明:保护性耕作中,由于对土壤
表层干扰较少,有利于土壤动物的生存,易在垂直方
向上形成连通到地表的大孔隙,从而使导水率大大
提高。 McGarry 等[48]认为免耕可以增加土壤持水
量、稳定入渗率以及总入渗量;李文凤等[49]研究不
同耕作方式下黑土的渗透性能和优先流特征,表明
免耕土壤的稳定入渗率是秋翻土壤的 1.35 倍,累积
渗透量是秋翻土壤的 1.44 倍,并且免耕土壤的染色
深度(43 cm)明显大于秋翻土壤(27 cm)。
然而,也有少量研究表明,保护性耕作对土壤水
分传导性质的改变不如传统耕作,Daraghmeh 等[50]
比较了冬小麦生长过程中传统耕地 ( CT)和少耕
(RT)两种耕作方式下砂壤土饱和导水率的变化特
征,得出从耕种 10月到翌年 6月 CT和 RT方式下表
层土壤饱和导水率变化范围分别为 65—5 mm / h,
52—8 mm / h。 Lipiec 等[51]认为相对于免耕或者少
耕,传统耕作可以增加土壤入渗以及持水量。
Hangen 等[52] 应 用 亮 蓝 染 色 研 究 Luvisol 和
Podzolluvisol两种土壤类型下传统耕作和保护性耕
作对大孔隙分布的影响,结果表明,Luvisol 型土壤
中,保护性耕作由于孔隙的连通性,最大染色深度为
120 cm,而传统耕作仅为 50 cm,而 Podzolluvisol型土
壤中,保护性耕作由于表面植物残体对水分的截留,
而是染色深度仅仅为 5cm,而传统耕作达到了
20 cm。
3摇 土壤大孔隙流量化方法
3.1摇 染色示踪法
染色示踪法应用最为广泛,主要用于大孔隙分
布的研究。 染色水流经过的区域,土壤被染色剂染
成明显不同于土壤基底的颜色,从而将水流经过的
区域和没有经过的区域划分开来[53]。 常用的染色
剂有亮蓝、罗丹明 B、荧光素、亚甲基蓝、碘离子等。
Wang等[54]挖取不同的土壤纵剖面,用亮蓝和淀粉鄄
碘化钾两种染色剂分别示踪土壤大孔隙及大孔隙水
流;李文凤等[47]运用亚甲基蓝染料研究不同耕作方
式下黑土的渗透特性和优先流特征;Wang 等[55]应
用碳酸铵外加 PH 指示剂研究水分的运移通道。
Morris 等[56]应用亮蓝染色示踪剂和图像分析技术,
同时结合 TDR 观测剖面和穿透曲线作对比研究了
大孔隙的物理形态特征以及优先流的发生机制。
除染料外,还有 Cl-、Br-、NO-等非吸附性无机
离子、大肠杆菌和 3H、36Cl、15N 等放射性同位素等可
用作示踪分析。 在有些仅需利用示踪物反映水分运
移路径的试验,可用与周围土壤颜色明显区别的红
墨水或黑墨汁来示踪[57]。 Bouma 和 Anderson[58]利
用直接钻孔的办法制造 5 mm内径的人造大孔隙,研
究水及氯离子在大孔隙中的运移机理。 Gazis 等[59]
应用18O稳定同位素在降雨和土壤剖面水流中的不
同组成,研究了混合流和优先流流通路径。 另外,也
有学者综合使用多种示踪剂。 例如 Allaire 等应用亮
蓝、罗丹明以及溴化钾 3 种示踪剂研究不同扭曲性
及连通性孔隙对不同吸附性溶质运移的影响[60鄄61]。
倪余文等[62]采用直径 159 mm,高 600 mm 的填充土
柱,利用玻璃棒在直径为 100 mm 的 PVC 土柱中制
造一直径 6 mm的连通大孔隙,进行了非吸附性离子
Br-和 NO-3 侧向入渗试验的研究;Flury 等研究壤土
和砂土在不同水湿条件下 Br-、Cl-、亮蓝以及 3 种不
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同吸附性能的杀虫剂的运移情况[37]。
最常见的图片处理方法是将染色区与未染色区
采用黑白两色区分进而分析大孔隙流染色特征,即
就是二元分类法。 常见的特征指标有染色百分比、
染色面积分数曲线、最大染色深度、 50%染色深
度[63]、最大染色深度 / 50%染色深度[63]、平均路径条
数、染色路径宽度 ( SPW)等[64]。 最大染色深度 /
50%染色深度是一个无量纲的数值,是描述优先流
的快速运动特征的一项指标,其值越大,表明优先流
现象在较深土壤层越明显。 SPW 首次由 Weiler 和
Hannes 提出,他们以 SPW<20 mm,20—200 mm,>
200 mm为标准,统计各自所占的百分比例,最终将
水流运动模式分为五种类型[64]。 为了从染色图像
中获取更多地信息,对染色区进行蓝色等级再划分
的多元分类图像处理技术也被提出,旨在分析土壤
剖面染色剂浓度分布情况[64鄄65]。
染色方法的缺点是对土样的挖取具破坏性,试
验结果不能在同一地点重复获得;有的染色剂可以
被土壤基质吸附,研究水分运移具有一定的迟滞性,
可用来研究相同吸附性能污染物的运移状况。 染色
示踪法常常与其他方法(穿透曲线法、水分特征曲线
发、入渗仪法、切片法)相结合对优势流与孔隙综合
特征之间的关系予以补充。 例如王伟等[66]采用环
刀对染色区和未染色区分层采样,利用土壤水分穿
透曲线量化大孔隙数量与分布特征。 吴华山等[67]
将染色区分为 10个等级,并且与土壤水分特征曲线
的结果予以对照,结果表明白土和黄泥土>1 mm 的
大孔隙含量与蓝色最深的两个等级之和的百分相
当,而乌栅土与蓝色最深的 3 个等级百分数之和相
当。 李文风等[49]将染色示踪和双环法相结合,对连
续 6年的免耕与秋耕黑土进行水分入渗与优先流的
对比研究。 李德成[68]等通过对原状土壤加入树脂、
固化剂和荧光染料,在紫外光下拍照并进行数字图
像处理,进而评价土壤孔隙变异度和复杂度。
3.2摇 CT扫描法
CT技术是一种无损的 3D 成像技术,土样经过
CT扫描仪扫描后,扫描物体不同密度区就可以在图
像中以不同亮度表示,土壤大孔隙就可以清晰地显
示出来[69]。 Peyton等利用 X射线 CT 扫描的方法对
大孔隙的结构进行了分析, 计算了孔隙的分形维
数[70]。 Luo[71鄄73]等应用 X鄄射线扫描并通过图像三维
提取得出大孔隙的大孔隙度、密度、平均扭曲度,节
点密度、水力半径、网络密度、倾斜角度、路径条数等
指标。 冯杰[74]等对含有各种大孔隙的原状土柱和
已知直径大孔隙的填充土柱进行 CT 扫描, 得到大
孔隙数目、大小、形状和连通性的分布情况。 赵世
伟[75]等利用 CT 扫描,得出土壤孔隙数、孔隙度、孔
隙成圆率和分形维数等孔隙参数。
与其它一些观测方法相比,CT 扫描测定快速方
便,不会破坏土壤的原有结构,而且精确地揭示大孔
隙的数目、大小、形状以及连通性指标,具有优越的
发展前景。 然而,CT 扫描费用较高,并且目前普遍
使用的是医用扫描仪,土壤孔隙扫描以及图片处理
对分辨率有一定的要求,因此研发专门供土壤孔隙
研究的 CT扫描仪成为目前要解决的一大技术难题。
3.3摇 穿透曲线法
土壤溶质穿透曲线是人们认识和研究土壤孔隙
特性和溶质迁移机制的一个重要手段。 穿透曲线实
验多在室内进行,室内实验是从实验地取原状土柱
或在填充土柱中人为设置大孔隙。 各种土柱准备好
以后,在土柱表面施用染色剂或示踪剂,然后人工模
拟降雨或施入一定深度水量,观察初时出流的时间,
计算滞后时间及在一定时间内流出水量,分析其中
的示踪剂含量,得出示踪剂穿透曲线。 出流完成以
后,可以将土柱不同部位切开,观察染色剂染色情
况,计算大孔隙度[76]。
穿透曲线的较早初始穿透、拖尾和双峰现象以
及曲线的不对称性可清晰地表示出大孔隙的作
用[77]。 Radulovich[78]利用基本流量方程和 Poiseulle
方程计算大孔隙半径,这里的大孔隙半径代表每次
收集出流溶液阶段(4—5s)内导水大孔隙的平均半
径,然后计算从开始排水到饱和稳定流阶段大孔隙
的大小分布。 吕刚[79]等同样用水分穿透法研究了
辽西半干旱区 8种植被类型下土壤大孔隙的半径范
围、个数及分布情况。 Li 等[80]研究了含有人工制造
大孔隙的 3 种土质的穿透曲线,发现在给定通量的
前提下,与粗质结构土壤相比,优先流更易发生在细
质结构中;郭会荣等[81]通过室内土柱试验,人工制
造大孔隙的方法,模拟了优先流条件下的穿透曲线,
得出了大孔隙越发育,优先流对穿透曲线的贡献量
越大的结论。
3.4摇 渗透仪法
利用渗透仪控制入渗液水头梯度,测得的不同
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张力条件下的孔隙渗透速度来计算土壤大孔隙分
布。 根据毛管上升公式和 Poiseulle 公式,可对大孔
隙进行分级,计算单位面积大孔隙数量和大孔隙度,
从而可以得到大孔隙的分布。 Clothier 等[82]最早介
绍如何使用圆盘式渗透仪确定低张力条件下土壤孔
隙水的入渗速度; Wilson等[83]使用张力渗透仪估计
了森林流域大孔隙度。 Cey 等[23]将染色示踪与张力
入渗仪结合起来,发现-3 cm 进水压力是产生大孔
隙流的临界水头。 Holden[84]等应用张力入渗仪研究
不同覆被条件下大孔隙特征,表明在 0—20cm 土壤
层中,半径小于 0.25 mm 的土壤孔隙仅能解释 22%
的水流通量。 Carey等[85]通过入渗实验以及图像分
析研究亚北极地区有机土壤不同等级孔隙对水的传
导作用,发现输水总孔隙度为(内径大于 1 mm,具有
传导水分功能的孔隙)为 1.1伊10-4,虽然仅占总孔隙
度 0.01%,却能够解释约 65%的水流通量。 相比于
张力计,Hood 入渗仪可减小因地表扰动,引起的水
力参数的变化,省时省力[86]。 Bucako 等应用 Hood
入渗仪研究耕作方式对水力参数及大孔隙度的
影响[87]。
3.5摇 数学模型法
以上大孔隙和大孔隙流的实验研究方法大都需
要耗费巨大的人力物力,多数只能进行定性和形态
学的研究,不能作出定量的判断。 因而发展了许多
有关大孔隙流的数学模型。 目前研究中主要的数学
模型有:可动鄄不可动模型、双重孔隙度型、多域模
型、数值模型、两阶段模型、多尺度平均模型、随机模
型等[76]。 Weiler[88]应用染色示踪剂喷洒试验与双
渗透率模型研究方法,结合土壤大孔隙的变动性,研
究了 IN3M入渗模型。 G覿rden覿s 等[8]应用可动鄄不可
动、双重孔隙度、双重渗透性等模型模拟污水和农药
在土壤中的渗滤过程,结果表明双重渗透性模型可
以更好的描述优先排泄流。 Stump 等[89]分别采用
numerical transient model ( Hydrus1D ) 和 lumped
dispersion model(DM)来模拟天然降雨条件下含大孔
隙土柱的水分运移,得出优先流对出流通量的贡献
率分别为 0.85 mm /周和 0.42 mm /周。 吴继强[90]等
应用双重渗透率模型并结合 Hydrus2D 软件模拟不
同深度大孔隙土壤水分运移情况,结果表明效果
良好。
4摇 大孔隙流研究存在问题及发展趋势
大量的田间试验及室内试验使人们对大孔隙流
有了更加深刻的认识,然而,仍然有许多问题有待于
深入的研究。
4.1摇 缺乏统一标准
由于大孔隙几何形状的多样性、空间分布的复
杂性和形成的多因素性, 大孔隙的定义至今未达成
共识。 张家明等从定性和定量两个角度综述目前大
孔隙的定义,发现无论是定性还是定量,大孔隙的定
义都存在很大的差异,有的甚至互相矛盾。 测量方
法的不同以及孔隙时效稳定性是导致结果差异性的
主要原因[91]。 例如穿透法、渗透仪法实质上测定的
是孔隙“瓶颈冶大小,实际结果偏小。 而染色法中并
不是所有的染色区域都是孔隙,量化结果往往偏
大[2],因此有必要建立一种标准化孔隙量化方法,促
进不同方法之间的比较。 另外,目前研究大孔隙流
的室内外试验设备都是根据自己的试验要求组装而
成,如室内试验中的土柱,室外试验中入渗仪、染色
试验布置,其在大小、形状、监测装置等都缺乏统一
的标准。
对大孔隙进行准确的定义,建立标准化量化方
法,研发标准实验设备,形成统一的判断标准,才能
够使众多研究学者有标可寻,同时促进研究结果的
一致性和对比性分析。
4.2摇 建模的局限性
定量描述大孔隙流已成为学术界亟待解决的难
题,然而在数学模型的研究中,需要确定很多的模型
参数,通常情况下这些参数是通过实验获得,还不能
通过理论推导出来,同时,模型研究大都有假设条
件,与真正的大孔隙流水分运移存在一定的差距,加
上时空尺度效应,各种描述大孔隙流的数学模型均
有不足之处。 目前,最关键的问题是解决大孔隙流
和土壤水分运动参数之间的关系,即就是大孔隙与
土壤水分特征曲线 导水率之间的关系。 土壤水分
特征曲线是土壤水基质势与土壤含水量之间的关
系,土壤导水率是基质势的函数。 土壤水分特征曲
线影响因素复杂,至今上没有从理论上建立土壤含
水量与土壤水基质势之间的关系,通常用经验公式
描述,常用的有 Brooks鄄Corey 模型和 Van Genuchen
模型,都存在自身的局限性。 深入研究土壤水基质
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势、含水量及导水率的关系,解决基础理论是完善模
型,准确预测的基础。
4.3摇 运移机理尚不明确
目前,在模拟非饱和土壤大孔隙流时,通常认为
当土壤基质的水利传导度低于降雨强度或接近表面
的土壤是饱和时,大孔隙流即会产生。 但 Nimmo[92]
等列举出大量的实例证明大孔隙流在土壤表层未达
到饱和甚至干燥土壤也会产生大孔隙流。 他指出可
能存在两点原因,(1) 孔隙连通性 (2) 土壤斥水性。
斥水性使土壤不能或很难被水湿润,斥水性的临界
土壤含水量是多少? 斥水性、土壤含水量、大孔隙流
三者之间的关系如何? 以及土壤含水量对孔隙连通
性的响应等方面的研究可促进对大孔隙流运移机理
的理解。
土壤本身性质(质地、结构、孔隙度、含水量、有
机质含量、导水率、土壤微生物等)和外界环境(降
雨、气候类型、植被类型、动物生境、枯枝落叶、耕作
方式等)共同影响着土壤中大孔隙流,各因素对大孔
隙流影响机制及影响程度大小、大孔隙流产生的影
响因子临界值、影响因素之间的协同、交互、拮抗作
用等方面的研究仍不是十分透彻。
单独大孔隙内、大孔隙与大孔隙间,大孔隙域与
基质域间水分运移机理,水分界面与土壤界面之间
物理机制等微观方面研究目前难度系数仍较大,需
要研发高精度的仪器设备作为依托。
4.4摇 尺度效应
在空间尺度上,大孔隙流的研究主要围绕四种
尺度展开:孔隙尺度、剖面尺度、试验田尺度和流域
尺度。 目前的研究主要基于孔隙尺度及剖面尺度,
而试验田尺度及流域尺度研究较少。 土壤的空间变
异决定了小尺度的研究与实际状况之间必存在难以
调和的差距,实验结果往往误差较大,难以反映真实
的状况。 在时间尺度上,基于染色,CT 扫描,穿透试
验等方法研究大孔隙流均是某一瞬时时间的孔隙状
况,而孔隙的生长与消亡是处于不断的运动之中的,
这样势必会影响实验结果的代表性。
大尺度、长时间序列研究是探索大孔隙流规律
必不可少。 目前已有学者利用先进的水分连续监测
仪器如 TDR[93],多传感电容探针[94]获取长时间序列
水分运移数据,分析湿润锋运移速率,优先流深度以
及各影响因子对优先流的影响。 另外,将同位素技
术应用到大孔隙流的研究中,可获取较长时间序列
及较大空间范围的数据,一定程度上促进了大孔隙
流的发展。 如 Vogel等利用 啄18O研究了优先流在坡
地产流中的运移路径及贡献量[95]。
除以上所述,土壤大孔隙中气体扩散机理,冻
土、湿地、喀斯特区域等特殊土壤类型大孔隙运移机
理、黄土干层与土壤大孔隙流之间关系等也是未来
大孔隙流研究的发展方向
5摇 结语
大孔隙流是一种快速非平衡的土壤水分运动,
开展大孔隙流的详细研究,是准确进行污染物风险
评估的前提,同时对于确定灌溉、施肥、以及种植作
物方案,保证生态环境向良性方向发展具有重要的
现实意义。 虽然大量的田间及室内实验使人们对大
孔隙流有了更多地认识,然而由于土壤大孔隙流时
空变异性极强、影响因素繁多,仍存在不少难点问题
亟待解决。 因此,在当前和未来较长一段时间内,有
关大孔隙流问题的研究应侧重于进行大量的田间及
室内实验,改善现有研究大孔隙流的方法、技术,引
进新的先进技术,从而获得足够多的数据资料,完善
大孔隙流研究理论,最终提高模拟精度。
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再粤晕郧 载蚤葬燥枣葬灶袁 酝粤 悦澡怎灶泽藻灶袁 云粤晕 云葬灶袁 藻贼 葬造 渊圆怨苑员冤
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孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
杂燥蚤造 皂蚤糟则燥遭蚤葬造 糟燥皂皂怎灶蚤贼赠 泽贼则怎糟贼怎则藻 怎灶凿藻则 凿蚤枣枣藻则藻灶贼 增藻早藻贼葬贼蚤燥灶 则藻泽贼燥则葬贼蚤燥灶 责葬贼贼藻则灶泽 蚤灶 贼澡藻 造燥藻泽泽 澡蚤造造赠 葬则藻葬
匀哉 悦澡葬灶躁怎葬灶袁 郧哉韵 蕴藻蚤袁 蕴陨哉 郧怎燥澡怎葬 渊圆怨愿远冤
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 员员期摇 渊圆园员源年 远月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
地址院北京海淀区双清路 员愿号
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电话院渊园员园冤远圆怨源员园怨怨憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶
主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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