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DOI:
10.11766/trxb202305310215
李保国，周虎，王钢，刘刚，高伟达，朱堃，陈冲.探索“透明”土壤体：土壤孔隙学的时代已经启航[J].土壤学报, 2023
LI Baoguo, ZHOU Hu,
WANG Gang, LIU Gang, GAO Weida, ZHU Kun, CHEN Chong.Explore the “Transparent”
Soils: Soilporelogy Has Sailed[J]. Acta Pedologica Sinica, 2023
土壤是地球陆地表面能够生长植物的疏松自然体，承载了地球关键带中生命存在形式和数量最丰富的生态系统。土壤在地球物质元素和能量循环以及稳定地表生态系统功能中发挥着举足轻重的作用。这些作用的发挥，与土壤的“疏松”特性密切相关。“疏松”是由于土壤具有可变的复杂孔隙结构。土壤内部真实三维场景是极其复杂、可变形态的孔隙结构与生态-水文过程耦合的动态复杂体系。在这个体系中，土壤孔隙及其关联气-固-液复杂界面发挥着以下重要功能：（1）水分贮存与输运；（2）气体的扩散与传输；（3）溶质的输运；（4）为根系生长提供空间；（5）土壤动物和微生物的生境；（6）土壤化学和生物化学反应的场所。这些功能与孔隙大小密切相关，Brady和Weil总结了它们之间的关系（表1）。
表1 土壤孔隙大小分级以及各级别的一些功能
Table
1 Soil pore size classification and some functions of each classification
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土壤孔隙结构取决于大小形状各异的土壤颗粒和土壤结构体在空间上的复杂排列方式，并受土壤微生物和动物（如蚯蚓、蚂蚁等）活动、植物根系生长、农业机械耕作和压实、干湿交替和冻融过程等生物和非生物因素作用而动态变化。因此，真实的土壤孔隙网络体系的时空变化非常复杂。传统物理技术很难直接观测和定量描述孔隙，更无法论及在这一网络体系中发生的水文与生态过程。进入21世纪以来，计算机技术、X射线CT扫描技术、生物技术和相关土壤性质原位观测和无损探测技术迅速发展，土壤物理、土壤化学及土壤生物学等方面的研究已经开始关注这方面的研究并取得了一定的进展，为被认为是“黑箱”的土壤孔隙网络的结构与功能研究打开了通道。“透明”土壤体的物理学已得到快速发展，土壤孔隙学（Soilporelogy）的时代已经启航。利用图像处理技术可以区分孔隙并提取参数进行表征。X射线CT扫描获取的图像为灰度图，灰度值反映了物体的密度。孔隙中空气的密度与土壤其他物质组成密度存在差异，因而灰度值存在差异，进而可以通过图像分割区分出孔隙，并进行三维可视化。图1是黑土经过11年免耕和翻耕后的三维孔隙结构，由于CT扫描分辨率为50 μm，图中的孔隙均为在这个分辨率下能够观测到的孔隙，不同颜色代表不同的孔隙大小。对分割后图像进行分析，可以获取表征孔隙三维结构特征的参数。![]()
图1 长期免耕和翻耕处理黑土三维孔隙结构
Fig.1
Three-dimensional pore structure of black soil under long-term no-tillage and
tillage treatments土壤孔隙是土壤中流体贮存的场所和运动的通道，在获取土壤三维孔隙结构基础上，可以利用数学方法模拟计算土壤中水分、气体和溶质的运动。由于土壤孔隙结构的复杂性和无序性，导致基于传热、传质方程的解析方法不适用。目前针对孔隙尺度的土壤传热、传质过程，主流数值模拟方法主要包括格子Boltzmann方法和有限元方法。
格子 Boltzmann 方法（LBM）是一种在类似晶格几何结构上模拟流体流动和热/质量传输的方法。利用LBM模拟2 cm×2 cm×2 cm（400体元）大小的黑土在饱和情形下的水分传导过程，获取了孔隙网络流场分布，可以直观显示土壤孔隙网络形态结构对水分传输的作用（图2），且模拟值与实测值相吻合。![]()
注：土壤样品为边长2cm（400体元）立方体。Note:The soil
sample is a cube with a side length of 2 cm (400 voxels).
图2 二维格子 Boltzmann 方法(LBM)模拟土壤饱和导水率流场示意图
Fig. 2 Schematic diagram of the simulated
soil saturated hydraulic conductivity flow field by the two-dimensional lattice
Boltzmann method (LBM)有限元方法（FEM）作为一种主流数值计算方法，广泛用于求解偏微分方程的弱解形式问题。和LBM以及有限差分不同，FEM的主要优点是能够处理复杂的几何形状, 且具有较高的计算精度。例如，确定二维土壤网络状孔隙结构对扩散系数（图3a）及热传导的影响，以及三维土壤大孔结构参数和饱和导水率等水力参数之间的关系（图3b）。![]()
图3 有限元模拟(a)孔隙形态对二维气体扩散的影响，采用自由格式的三角形网格(参考红色方框对应区域)以离散化不规则几何体。(b)虫孔对三维水分入渗的影响
Fig.3 Finite element simulation (a) The
effect of pore shape on 2D gas diffusion, using a free-form
triangular mesh (refer to the area corresponding to the red box) to discretize
the irregular geometry, (b) Effect of wormholes on three-dimensional water
infiltration随着显微CT、平面光极（Planar Optode）、酶谱（Zymography）等原位观测技术的发展，可以实现对土壤孔隙尺度的氧气、pH和二氧化碳等物质浓度的动态观测，围绕土壤孔隙结构与有机质周转关系的研究取得了一系列进展。Zhu等[1]通过构建土壤微观试验模型，首次从土壤微观孔隙尺度观测了土壤中秸秆残体腐解的微观过程，发现秸秆残体降解过程导致土壤微观界面氧气浓度梯度剧增（图4），从而促进氧化亚氮排放。
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图4 土壤中秸秆残体降解过程的土壤孔隙中氧气浓度分布图
Fig. 4 Oxygen
concentration distribution in soil pores during the degradation process of straw
residues in soil根系在一定程度上可以看作是土壤中“活的孔隙”，土壤孔隙和根系相互影响、相互促进。一方面，土壤孔隙结构通过直接或间接作用影响根系生长和根系构型。通过种植穿透能力强、生物量大的根系，可以塑造土壤孔隙结构，缓解土壤压实。农田采用少免耕措施，可以保持根系形成的连通生物大孔隙（图1），能够提高土壤的水气传输能力。现在通过X射线CT扫描等手段，可以提取土壤中根系的三维形态结构（图5a）并进行定量表征；在获取根系三维构型基础上，结合土壤水分、养分监测和植物生长过程分析，国内外学者开展了根系吸收水分和养分的模拟研究（图5b），对认识根土交互作用进而开展土壤和作物管理具有重要意义，同时也推动了对“活的孔隙”（根系）体系的透明化认识。注： (a) 通过CT技术提取水稻根系三维构型，（b）基于土壤水分运动方程的玉米根系三维结构与吸水功能模拟的可视化。Note：(a) Extraction of the three-dimensional
configuration of the rice root system by CT technology, (b)Visualization of
three-dimensional structure and water absorption function simulation of maize
root system Based on the soil water movement equation.
图5 根系在土壤中的三维构型与吸水过程模拟
Fig.5 Three-dimensional configuration of the
root system in the soil and the simulation of the water absorption process得益于现代分子生态学和宏基因组学技术以及土壤原位试验观测技术的高速发展与广泛应用，使得从孔隙尺度探究土壤微生态过程及其关联生物地球化学过程成为可能。有研究利用精细多孔陶土模拟土壤粗糙界面，在孔隙尺度实现了土壤微生物活动和种群互作过程的原位观测（图6），发现微观界面水分动态变化过程引发的微观水动力学能够有效调控微生物的空间分布，并显著促进细菌种群之间的互作和基因交流。
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注：图中灰白色为多孔陶土界面，橙色或绿色是细菌和真菌菌丝。Note：Gray and white are porous clay interfaces,
and orange or green are bacterial and fungal hyphae
图6 土壤微生物在多孔陶土粗糙界面生长及群落分布图
Fig. 6 The growth and community
distribution of soil microorganisms on the rough interface of porous clay土壤孔隙的形态结构是动态的，并与土壤的各种物理、化学和生物学过程相互作用。在未来农业生产与生态保护的基础研究中，本文认为土壤孔隙学的研究越发重要。对此新兴领域研究本文作如下展望：（1）精确重构和还原土壤孔隙结构，是土壤孔隙学研究的基础。
（2）基于孔隙三维结构的物理过程模拟，推动土壤传热、传质过程研究。
（3）直接探索孔隙表面反应及过程，理解、量化和预测土壤生物化学过程和微生态过程。
（4）开展土壤和生物（根系和土壤动物等）交互的原位研究，理解其互作机制，指导土壤管理。参考文献
[1] Zhu K, Ye X, Ran H Y, et al. Contrasting
effects of straw and biochar on microscale heterogeneity of soil O2and pH: Implication for N2O emissions[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 2022, 166: 108564.
李保国，山西省襄汾县人。教育部"教育部人才项目特聘教授奖励计划"特聘教授。曾任北京农业大学农业水管理研究所副教授、所长，土壤和水科学系系主任，农业部土壤和水重点实验室主任。曾被聘为中国农业大学土壤学科"教育部人才项目特聘教授奖励计划"特聘教授及资源环境学院副院长、教育部植物土壤互作过程实验室副主任、农业部华北耕地保育重点实验室主任。1996年入选人事部首批"百千万人才工程"第一、二层次。兼任中国土壤学会常务理事，全国科学技术名词审定第四届委员会委员，中国土壤学会土壤学名词审定委员会主任，中国土壤学会盐渍土委员会副主任，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室学术委员会委员，中国自动化学会农业知识工程专业委员会副理事长，中国水利学会水资源专业委员会委员，北京市土壤学会理事长，中国农业大学学位委员会委员、资源与环境学院学位委员会主任，《资源科学》杂志副主编，Pedosphere、《土壤学报》、《农业工程学报》、《土壤》、《土壤通报》、《中国农业大学学报》编委，国家863"数字农业"重大专项专家组成员。科研工作主要集中在土壤过程的定量化及其在农业、资源利用和环境保护中的应用，先后主持承担国家自然科学基金重大项目、国家重点基础发展规划项目（973）、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家重点科技攻关项目等各类课题20余项 。现发表文章170余篇，其中在Water Resources Research、Soil Science、Geoderma等国际土壤和水学科著名杂志发表6篇， 被SCI、EI、ISTP收录论文27篇；出版教科书及专业书籍5部。他提出和研制了区域水盐运动监测预报系统、干旱地区土壤发育过程模拟系统、区域尺度的随机土壤水分均衡模型，建立了基于GIS的土壤分布式过程模型（水、氮、盐、污染物等）并在黄淮海平原、西北地区区域水土资源管理中得到了应用，提出和初步建立了虚拟农田系统。他作为主要研究者完成的"区域水盐运动监测预报"成果1992年获国家教委（甲类）一等奖，1993年荣获国家科技进步特等奖；1993年入选首批国家教委"跨世纪人才计划"；1995年其专著《区域水盐运动监测预报》获全国优秀科技图书二等奖；1999年节水农业应用基础研究成果获农业部科技进步二等奖（甲类，排名第一）；1997年获得北京市第十一届"五四"奖章、国务院政府特殊津贴；2001年获第七届中国农学会青年科技奖；2004年获首届"中国土壤学会奖";2012年获得农业部科研杰出人才。
