作者：张 靖，陈 琳，周 虎，马东豪，黄 平
土壤孔隙是评价土壤质量的重要指标。结构良好的土壤通常包含两种孔隙类型：一是由气候、田间管理和土壤生物活动等形成的团聚体间的结构孔隙，二是由土壤颗粒形成的微团聚体内的质地孔隙（图1）。土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小、数量搭配和空间分布状况的综合反映，孔隙结构的复杂性和异质性决定了土壤水分迁移、气体扩散、生物活动和植物有效水的获取等。因此，开展孔隙结构的量化研究对于预测土壤水力性质、控制地下水污染、增加土壤肥力和作物产量等方面具有重要意义。
量化孔隙结构的研究方法包括间接法和直接法，间接法以水气信息的变化间接推测孔隙的分布特征，能粗略获取孔隙度和孔隙大小分布信息，但无法衡量孔隙的形态参数和空间构型（表1）。直接法以数字图像为基础，经图像处理实现了孔隙结构的直接可视化和定量化（表2）。如土壤切片法、扫描电镜法和染色示踪法等，可满足孔隙二维特征参数的提取，但却具有制样麻烦，操作费时费力，对孔隙结构破坏大的缺点。计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）技术实现了原状孔隙结构的三维构建及其拓扑结构（连通度、弯曲度、欧拉数等）的研究，具有高效、快速、无损的特点，但易受样本大小和空间分辨率之间的权衡，主要用于小体积样本研究。可见，数字图像技术的发展虽然实现了土壤孔隙结构的直接可视化和定量化，但孔隙提取的精度仍然受采样方法、设备分辨率和分割技术的限制。
当前，土壤孔隙研究已由破坏性取样–室内分析逐步过渡到原位监测–可视化研究阶段。研究尺度跨越米到纳米级，结合图像分析实现了孔隙2D、3D重构，可提取更多的孔隙细节信息。但土壤孔隙在时空尺度上受诸多因素影响，具有较大的异质性，加之已有研究都是基于小样本取样进行，结果的代表性往往较差。CT技术、MRI技术虽已实现原状孔隙的无损研究，但仍难以实现原位观测同一地点、同一孔隙的动态演变过程，且应用成本较高，很难满足大规模应用推广。因此，接下来的土壤孔隙研究还具有较大的突破空间，如：（1）在图像获取上，亟需探索土壤孔隙原位动态观测系统；（2）在图像处理中，建立各类土壤图像公共数据库，实现神经网络的无监督学习；（3）在功能研究中，建立多技术耦合，实现土壤多功能探索。
通讯作者简介
黄平 研究员 博导
现任中国科学院重庆绿色智能技术研究院水库生态学研究中心副主任，兼任中国土壤学会青年工作委员会委员、重庆市土壤学会理事、土壤专业委员会副主任。主要从事土壤结构演变与界面物质循环研究，于2015和2018年分别在瑞士苏黎世联邦理工大学、美国密歇根州立大学开展合作研究。先后主持国家自然科学基金青年和面上项目、国家重点研发计划项目子课题、三峡后续工作计划课题等省部级以上项目20余项，在 Biology and Fertility of Soils、Soil & Tillage Research、GEODERMA、CATENA、《土壤学报》、《生态学报》等相关研究领域的主流期刊上发表学术论文60余篇。申请国家专利10余项，其中6件已授权。于2016和2020年先后入选中国科学院青年创新促进会会员、中国科学院西部青年学者（A类）。
