土壤斥水性影響土壤水分運動研究進展

王秋玲，施凡欣，劉志鵬，熊云武

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土壤斥水性影響土壤水分運動研究進展

王秋玲1，施凡欣1，劉志鵬2※，熊云武3

（1. 阜陽師范學院物理與電子工程學院，阜陽 236037；2. 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095； 3. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083）

土壤斥水性廣泛存在于各類土壤，是影響植物生長、土壤水分運動以及土壤侵蝕等水土過程的重要因素。該文闡述了土壤斥水性的基本概念，介紹了幾種常用的斥水性強度測定方法及適用范圍。在此基礎(chǔ)上，論文對土壤斥水性如何影響土壤水力性質(zhì)以及水分運動特征等研究現(xiàn)狀作了全面評述，重點討論了近年來該領(lǐng)域的研究熱點，如土壤斥水性影響下的指流觀測和理論模擬以及斥水性土壤蒸發(fā)過程等。最后，提出了相關(guān)研究中亟待解決的若干關(guān)鍵科學問題，主要包括確定土壤斥水性影響指流現(xiàn)象和蒸發(fā)過程的物理機制的揭示；考慮土壤斥水性參數(shù)的土壤水分運動數(shù)學模型的構(gòu)建；以及對新模型的求解及對數(shù)值解的理論分析。由于土壤斥水性對土壤水分運動有重要的關(guān)聯(lián)效應，相關(guān)問題的深入研究對進一步認識土壤水分運動的內(nèi)在物理機制具有重要理論意義，也將為掌握和有效利用土壤斥水性提供實踐指導。

土壤；水分；蒸發(fā)；土壤斥水性；土壤水力性質(zhì)；指流

0 引 言

早在19世紀，人們就注意到森林里的蘑菇群或原野上的草坪會出現(xiàn)一種神秘的環(huán)形圈，沿圈植物長勢格外茂盛，而圈內(nèi)外則明顯較差，人們稱之為“仙人圈”。后來人們發(fā)現(xiàn)，“仙人圈”的形成與土壤的某種物理性質(zhì)有關(guān)。圈內(nèi)放射狀生長的菌絲或草本植物所形成的斥水有機物使表層土壤很難被水濕潤，降雨時雨滴不能入滲土壤而富集到邊緣環(huán)狀區(qū)域，使得環(huán)狀區(qū)域的植物生長格外茂盛[1]。土壤顆粒表面不能或很難被水分濕潤的物理性質(zhì)稱為土壤斥水性，具有斥水性的土壤稱為斥水性土壤[2]。斥水性土壤并非少數(shù)特定環(huán)境下的特殊存在，它可以在不同土壤質(zhì)地、土地利用方式和氣候條件下廣泛存在，世界各地均有關(guān)于土壤斥水性的報道[3-7]。Tillman等[8]還發(fā)現(xiàn)，即使通常認為的親水性土壤，當干燥至低于某一臨界含水率時，也會表現(xiàn)出一定的斥水性。Tillman指出，土壤斥水性是土壤的一種常態(tài)性質(zhì)，即大部分土壤既非完全斥水，也非完全親水[8]。

土壤斥水性影響土壤水力特性，對包氣帶甚至地下水的大范圍物理過程具有直接或潛在的影響。主要體現(xiàn)在：1）斥水性土壤入滲能力較低，表層易積水，易產(chǎn)生地表徑流和坡面徑流，降雨較大時易形成大小細溝，加速土壤侵蝕過程，引起土壤質(zhì)量退化[9-11]； 2）水分入滲時容易產(chǎn)生不穩(wěn)定和不規(guī)則的濕潤鋒，入滲常常通過指流等優(yōu)先流完成，導致土壤水分的不均勻分布，引起養(yǎng)分流失，加快農(nóng)業(yè)化學物的淋洗，增加了地下水污染[9-12]； 3）抑制土壤蒸發(fā)，極大地影響田間土壤水分循環(huán)[9,13]。因此，土壤斥水性研究不僅涉及土壤科學，而且與生態(tài)、水文、地質(zhì)、微生物和環(huán)境等學科密切相關(guān)，研究土壤斥水性有助于人們提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、促進資源環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。

自20世紀60年代以來，有關(guān)土壤斥水性的研究一直是土壤學研究的熱點[9-10]。國內(nèi)自從楊邦杰等首次闡述土壤斥水性的概念及由此引起的土壤退化問題以來[2]，開展土壤斥水性相關(guān)的研究團隊逐漸增多。針對中國土壤，商艷玲等[14]開展了再生水灌溉對土壤斥水性的影響研究，楊昊天等[15]對騰格里沙漠土壤斥水特性開展了研究、孫琪琪等[16]發(fā)現(xiàn)沂蒙山區(qū)桃園和玉米地棕壤斥水性表現(xiàn)強烈，以及郭成久等[17]對黃土高原苔蘚結(jié)皮斥水性的研究等。這些相關(guān)研究表明，斥水性土壤在中國同樣廣泛存在。然而，現(xiàn)階段中國有關(guān)土壤斥水性的研究方向還比較分散，系統(tǒng)的研究還比較少，尤其是土壤斥水性相關(guān)的指流理論模擬研究方面，國內(nèi)文獻中較少出現(xiàn)。本文在總結(jié)國內(nèi)外斥水性土壤水分運動研究基礎(chǔ)上，重點闡述土壤斥水性影響指流研究中涉及的相關(guān)物理問題，有望為中國斥水性土壤相關(guān)研究的深入開展提供一定參考。

1 土壤斥水性強度的表征

土壤斥水性強弱的表征方法主要有滴水滲透時間法、酒精液滴摩爾濃度法和進水閾值法等，通過定量測量土壤斥水的持久度、強烈度或使水分入滲土壤所需施加的正水壓等來作為衡量土壤斥水強弱[18-19]。以上3種方法簡單實用，被廣泛應用于土壤分類等定性研究中。如試驗上常采用的土壤斥水性分類標準[9-10]，即是根據(jù)滴水滲透時間法測量的滴水滲透時間將土壤斥水性分為5個等級：不斥水（<5 s），輕微斥水（5～60 s），強烈斥水（60～600 s），嚴重斥水（600～3 600 s）和極端斥水（>3 600 s）。一般情況下，以5 s作為斥水與不斥水的分界線。

上述方法雖然能夠簡單直觀地表征土壤斥水性強度，卻不適合用于理論模擬研究。在理論模擬研究時，一般采用水-固界面接觸角（）這一物理參數(shù)來表征土壤的斥水強度。90°的土壤可定義為斥水性土壤；反之，則稱為親水性土壤。試驗上測量土壤接觸角參數(shù)的方法主要有固著滴液法[20]和毛管上升法[21]等。固著滴液法是由Bachmann等[20]提出的，將雙面膠的一面粘在顯微鏡載玻片上，將過篩的土壤顆粒均勻地壓在雙面膠的另一面，形成一層均勻土壤顆粒層。在室溫（20 ℃）下用顯微鏡和量角器測出滴水后顆粒層-水的接觸角的值。毛管上升法是則是分別測量水和參照液體（如酒精）在測量土壤中的毛管上升高度，分別對2種液體應用毛管上升公式[21]

式中為表面張力系數(shù)，為液體密度，為重力加速度，為等效毛管半徑。在參照液體接觸角已知的情況下，如酒精的接觸角可視為0°，通過比值法消去試驗中很難測定的等效半徑，求得水對測量土壤的接觸角

式中下標和分別代表水和參照液體。

無論是固著滴液法還是毛細上升法所測定的接觸角均是宏觀意義上的接觸角，稱為等效接觸角φ。這與表面物理中常常用來表征材料表面親疏水性質(zhì)的接觸角概念不同，表面物理中的接觸角通常指的是內(nèi)稟接觸角φ，只具有微觀意義。等效接觸角φ不僅與內(nèi)稟接觸角φ有關(guān)，還與土壤孔隙的幾何形狀有關(guān)[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，由于土壤孔隙幾何形狀的非均勻性，當內(nèi)稟接觸角φ為50°左右時，相應的等效接觸角φ往往已經(jīng)大于90°，即已屬于斥水性土壤[22,24]；而通常認為完全親水的土壤（φ<5°），相應的等效接觸角也不能忽略。Aminzadeh等[25]應用毛管上升法測得完全親水性沙土的等效接觸角φ介于30°～35°之間。這些結(jié)果進一步證實了Tillman所指出的大部分土壤都會表現(xiàn)一定的斥水度，即斥水性是土壤的一種常態(tài)[8]。

2 土壤斥水性對土壤水分運動的影響

土壤斥水性對土壤水分運動過程具有重要影響，使得其中的水分入滲、再分布以及蒸發(fā)過程均與親水性土壤明顯不同。

土壤斥水性降低土壤滲透系數(shù)，降低土壤導水能力，這是斥水性對土壤水分運動影響的最明顯特征。DeBano[26]對比了加熱后具有斥水性的土壤與未加熱的親水性土壤的水平和垂直入滲，發(fā)現(xiàn)斥水性土壤的水平穩(wěn)定入滲率僅有親水性土壤的二十五分之一；Wallis等[27]報道斥水性土壤穩(wěn)定入滲率僅有相鄰地塊親水性土壤的六分之一，而且在測量的前5 min，斥水性土壤的最大導水率僅有不到親水土壤的1%。由于斥水性土壤中水分入滲受到阻滯，土壤表面很容易積水，當降雨充分時，斥水性土壤比親水性土壤更易出現(xiàn)地表徑流和坡面徑流。Hosseini等[28]報道了火災后土壤變得斥水的松樹林地表徑流增加，導致土壤中的氮磷流失嚴重。值得注意的是，土壤的斥水性與土壤濕潤狀況密切相關(guān)，土壤濕潤后斥水性強度普遍降低[29]。Ritsema和Dekker研究了德國北部的一塊斥水性田地土壤斥水性隨季節(jié)的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)干燥季節(jié)里將近90%的表層土壤表現(xiàn)出明顯斥水性，而濕潤季節(jié)僅有30%的較深層土壤表現(xiàn)出斥水性[30]。因此，土壤斥水性導致的土壤入滲能力下降這一影響，在較長的干旱周期內(nèi)會更為明顯。Burch等報道澳大利亞尤加利林地土壤在旱季時入滲率僅有0.75～1.9mm/h，而雨季時則有7.9～14.0mm/h，入滲率相差10倍[31]。

土壤斥水性不僅使土壤入滲能力降低，還容易引起非均勻入滲。在非均質(zhì)土壤中，如土壤基質(zhì)存在大孔隙、裂隙、根孔、動物洞穴等，水分入滲是濕潤鋒往往繞過大部分土壤基質(zhì)僅沿一些優(yōu)勢通道運動，形成優(yōu)先流。盡管優(yōu)先流并不僅局限于斥水性土壤，但土壤斥水性會阻滯或延遲水分向土壤基質(zhì)入滲，從而迫使水流借助大孔隙、裂隙等優(yōu)先通道運動，從而加劇優(yōu)先流的形成。如1993年3月在荷蘭的一場降雨量達75 mm的大雨后，Ritsema等在斥水土壤中觀測到非均勻滲潤的優(yōu)先流現(xiàn)象，而臨近的親水性土壤中則是均勻的入滲模式[32]。他們還發(fā)現(xiàn)，當斥水性土壤表面覆蓋薄層親水性土壤時，水流往往先在表層土壤中形成橫向徑流，進而通過優(yōu)先流穿透下層斥水性土壤[33]。在均質(zhì)土壤中，土壤斥水性使水分入滲時容易產(chǎn)生不穩(wěn)定和不規(guī)則的濕潤鋒，進而形成“指流”[34-37]。Wallach等采用化學處理的方法調(diào)節(jié)供試土壤的接觸角參數(shù)，進行了一系列不同接觸角土壤在二維玻璃平板夾層中間的點源和面源入滲試驗[34-36]。結(jié)果表明，當接觸角較小時（如48°），土壤濕潤區(qū)域呈現(xiàn)圓形結(jié)構(gòu)的典型穩(wěn)定入滲特征。當土壤接觸角增大到56°時，土壤濕潤區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的指流入滲特征。Annaka等在干燥沙土中進行的非積水入滲試驗中，也發(fā)現(xiàn)當接觸角大于72°時土壤入滲通過指流模式進行[37]。這一結(jié)果也說明單純地用土壤接觸角大于90°這一標準來判斷土壤斥水性與否有待商榷，也進一步印證了非零固液接觸角在影響土壤水分運動中扮演的不可忽視的作用。

有關(guān)斥水性土壤蒸發(fā)的研究相對較少，但研究結(jié)果較一致，即均發(fā)現(xiàn)土壤斥水性對土壤蒸發(fā)具有不同程度的抑制效應。Bachmann等對不同斥水性強度的砂土分別進行了等溫及非等溫條件下的土柱蒸發(fā)試驗，試驗結(jié)果表明，兩種條件下的土壤累積蒸發(fā)量均隨土壤斥水性強度的增加而降低[38]。李毅等進行了覆膜開孔條件下斥水性層狀土壤蒸發(fā)試驗，結(jié)果表明隨著土壤斥水性強度增加，累積蒸發(fā)量有所減小[39]。Gupta等利用土壤斥水性抑制蒸發(fā)的原理，在親水性土壤表層覆蓋斥水性土壤薄層，達到降低水分散失的目的。他們的對比試驗結(jié)果表明，表層覆蓋2 cm厚的斥水性土壤薄層，即可讓下層親水性土壤保持90%的含水量達83 h[40]。Rye等在田間試驗土箱中進行的原位測量，結(jié)果表明4 d內(nèi)斥水性土壤的累積蒸發(fā)量比親水性土壤低40%～80%[13]。

3 土壤斥水性對土壤水力特性的影響

斥水性直接影響土壤孔隙的毛管作用力，使得斥水土壤的水力特性與一般親水性土壤有很大差異。Wang等應用非正弦毛細管束模型模擬土壤結(jié)構(gòu)，研究了土壤接觸角對土壤水分特征曲線的影響[22]。正弦毛細管束模型中，土壤孔隙結(jié)構(gòu)被描述為周期性變化的正弦毛細管，孔徑函數(shù)為

其中為孔隙半徑，沿水分入滲方向的位移坐標，0為基礎(chǔ)半徑，為孔徑變化振幅，為變化周期。根據(jù)Laplace定理，半徑為的毛細管對應的毛細力為

其中，φ=φ+φ；φ為等效接觸角，(°)；φ為內(nèi)稟接觸角，(°)；φ為由毛細管壁非均勻性引起的接觸角增加。從公式（4）可以看出，土壤接觸角是決定土壤毛管吸力的重要參數(shù)，非零接觸角與土壤微觀孔隙非均勻性的耦合作用將進一步放大土壤的滯后效應，使斥水性土壤阻滯水分運動效應更為明顯。這一結(jié)論與Czachor等的模擬結(jié)果[23]和Bauters等的試驗結(jié)果一致[41]。圖1為Bauters等通過混合土壤法獲得不同斥水強度土壤，分別測量的不同斥水度土壤在濕水/脫水過程的水分特征曲線（如圖1所示）。從圖1a可以看出，土壤斥水性對土壤水分特征曲線的吸濕曲線影響顯著，斥水性強度增加，同等含水量對應的土壤毛管吸力增加，當接觸角大于90°時，毛管吸力由普遍的負值轉(zhuǎn)為正值；而圖1b中不同斥水性強度土壤的曲線基本重疊，表明斥水性對特征曲線的脫水分支影響很小。

值得注意的是斥水性土壤的進水閾值h在水分特征曲線的位置與親水性土壤不同。進水閾值對應的是土壤基質(zhì)中孔徑最大的孔隙所具有的毛管吸力（斥力或吸力）[42]。斥水性土壤中，進水閾值等于吸濕曲線中空氣含量接近飽和端的拐角處（圖1a的A點）的壓力值，且h>0表明需施加一個正水頭迫使水分進入土壤。對<90°的親水性土壤，孔徑最大的孔隙最后開始進水，進水閾值等于脫濕曲線中水分含量接近飽和端的拐角處（圖1a的B點）的壓力值，且h<0，表明負壓狀態(tài)下水分即可進入土壤孔隙。

圖1 不同斥水強度土壤的水分特征曲線（試驗數(shù)據(jù)取自文獻[41]）

土壤斥水性不僅影響土壤毛管吸力大小，還影響土壤入滲時水分進入孔隙的先后順序，使得斥水性土壤的非飽和導水率曲線對土壤含水量的響應關(guān)系也與親水性土壤有很大區(qū)別。土壤主要通過水分充填的孔隙導水，因此土壤的非飽和導水率主要取決于水分充填部分孔隙所占總孔隙度的比例[42]。親水性土壤基質(zhì)勢起吸水作用，孔徑越小的孔隙吸力越強，水分入滲時首先進入孔徑較小的孔隙；與之相反，斥水性土壤基質(zhì)勢起斥水作用，孔徑越大的孔隙排斥力越小，水分入滲時先進入孔徑較大的孔隙。土壤含水量較低時，親水性土壤中水分首先被分配給孔徑最小的部分孔隙，起導水作用的通道孔徑較小，由于導水率與孔徑的平方成正比，此時土壤導水率也較低。隨著土壤含水量增加，較大孔徑的孔隙被水分充填并參與導水，土壤導水率迅速增加，研究發(fā)現(xiàn)導水率隨含水量增加呈指數(shù)遞增。斥水性土壤中，孔徑越大的孔隙越早被水分充填。土壤水量較低時，水分首先被分配給孔徑較大的部分孔隙，起導水作用的通道孔徑較大。因此在低含水量條件下，斥水性土壤的導水率比親水性土壤的要高。隨著含水量的增加，較小孔徑的孔隙被水充填并參與導水，土壤導水率隨之增加，但增加速度較親水性土壤要慢得多。DiCarlo等測量了原油污染的斥水性土壤的導水率曲線，發(fā)現(xiàn)其非飽和導水率隨含水量增加呈線性遞增，比親水性土壤的指數(shù)遞增要慢的多[43]。另外，相同土壤含水量條件下，斥水性土壤在吸濕和脫濕過程的導水率也不同，這也是由于不同過程水分充填起導水作用的孔隙不同引起的。Diamantopoulos 等對比研究了不同斥水性強度土壤在吸濕和脫濕2個動態(tài)過程的導水率曲線，發(fā)現(xiàn)隨著土壤斥水性強度的增加，土壤導水率曲線的滯后效應越發(fā)明顯[44]。

4 土壤斥水性影響土壤水分運動模擬研究

4.1 土壤入滲模擬

準確模擬并預測斥水性土壤水分運動在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護中具有重要意義。然而，斥水性土壤水分入滲時經(jīng)常發(fā)生的指流現(xiàn)象及其特征，給經(jīng)典的多孔介質(zhì)水分運移理論帶來了巨大的挑戰(zhàn)[45-47]。

DiCarlo[48]應用光透射法測量土壤剖面含水率分布時發(fā)現(xiàn)，緊隨濕潤鋒后的“指尖”含水率較高甚至接近飽和，而上方的“指尾”含水量較低（如圖2b）。這種土壤含水量分布沿入滲深度在“指尖”處呈現(xiàn)凸起的現(xiàn)象被稱為非單調(diào)性飽和度分布（如圖2b所示）。指流的這一特征與經(jīng)典土壤水分運動方程描述的穩(wěn)態(tài)流的土壤含水量隨入滲深度增加單調(diào)遞減的現(xiàn)象明顯不同（如圖2a所示）。另外，Gerger等[49]測量入滲過程的毛管吸力分布時發(fā)現(xiàn)，指流發(fā)生時伴隨非單調(diào)性飽和度分布的還有毛管吸力分布的非單調(diào)性凸起，由此產(chǎn)生的壓力梯度反轉(zhuǎn)使得濕潤鋒不穩(wěn)定，很容易分裂成數(shù)個“指狀”前鋒，并不斷發(fā)育推進。具有這種非單調(diào)性特征的水分入滲也被稱為“非穩(wěn)態(tài)流”?？茖W解釋非穩(wěn)態(tài)流的非單調(diào)性特征，對探明指流發(fā)生機制至關(guān)重要。

圖2 均勻入滲和指流的飽和度分布示意圖

經(jīng)典的多孔介質(zhì)水分運移理論Richards方程，是一種基于連續(xù)介質(zhì)假設的理論模型。Richards方程在模擬均勻入滲時取得了巨大成功，被廣泛應用于各種土壤的飽和及非飽和入滲過程的模擬。Richards方程是基于白金漢-達西定理和連續(xù)方程建立的偏微分方程，即

其中為土壤含水率，為土壤基質(zhì)勢，()為土壤非飽和導水率，為時間，為坐標。在給定的土壤水力特性（土壤特征曲線()和導水率曲線()或()）條件下，結(jié)合初始條件和邊界條件，數(shù)值求解方程（5）可獲得土壤含水率的時空分布(,)。

然而，研究發(fā)現(xiàn)，Richards方程的雙曲型特性決定了方程（5）在給定土壤的單調(diào)性()關(guān)系前提下只能給出單調(diào)性解，與指流飽和度分布的非單調(diào)性特征明顯不符，因此不能用于描述指流現(xiàn)象[50]。人們嘗試了各種方法修正Richards方程。Eliassi和Glass提出“阻滯-堆積效應”這一物理概念[51]，認為流體的某種物理性質(zhì)會輕微阻止水分進入干燥孔隙內(nèi)，宏觀效果上就導致濕潤鋒前進被阻滯,而后續(xù)輸運的水分只能在濕潤鋒后形成堆積，這種堆積效應形成了較高含水量的“指尖”區(qū)域。為此，人們提出多種物理機制解釋濕潤鋒被阻滯的原因，如Hilpert等提出的動態(tài)接觸角機制[52-53]，Hilfer等提出的毛管滯后效應[54-55]等。與這些物理機制相對應，需要在Richards微分方程中增添一定的高階項。修正后的Richards方程在某些條件下能夠模擬指流的飽和度凸起特征，但是不足之處在于引入了過多的經(jīng)驗參數(shù)，而這些參數(shù)值往往偏離實驗允許的合理范圍。

除修正的Richards方程外，Cueto-Felgueroso和Juanes將曾在模擬二維流室中粘滯力驅(qū)動的指流時取得成功的相場理論應用于非飽和土壤入滲過程，建立了四階偏微分方程[56]，即

除連續(xù)模型外，人們還嘗試應用其他非連續(xù)模型來模擬指流。Dicarlo等[57]應用網(wǎng)格模型，結(jié)合微觀孔隙尺度上的“活塞式”和“階躍式”2種孔隙水分充填機制，對石英砂介質(zhì)入滲過程中的水飽和度分布進行了模擬。但他們的模型對所有供水率條件都給出飽和度凸起，這與試驗觀測到的飽和度凸起僅在某些供水率范圍內(nèi)出現(xiàn)的結(jié)果不一致。為此，人們在網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上考慮各種細微效應，比如考慮粘滯力引起壓力消減的動態(tài)網(wǎng)格模型等[58]。但模型預測結(jié)果與試驗測量值之間仍有較大差距。

除上述以土壤水力特性為輸入?yún)?shù)的數(shù)學物理模型外，Xiong等應用矩分析法模擬斥水性土壤中的非穩(wěn)態(tài)水分運動，使用濕潤區(qū)中心距和二階矩這2個變量隨時間的變化特征，定量描述親水土壤和斥水土壤的水分垂直入滲過程[59]。模擬獲得的斥水性土壤濕潤區(qū)的二階距隨時間變化曲線能夠較好反應出實驗觀測到的濕潤區(qū)邊緣含水量急劇降低、濕潤鋒后的飽和度凸起等非穩(wěn)態(tài)流特征，表明矩分析法在定量描述斥水性土壤水分運動過程具有一定有效性。此外，他們還嘗試應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬親水性土壤和斥水性土壤的水分運動過程[60]，進行了3種人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型（self-organizing maps，SOM；multilayer perceptrons， MLP 和modular neural networks， MNN）的模擬應用研究，發(fā)現(xiàn)后2種人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型可以通過預測濕潤區(qū)域的空間矩，獲得具有非穩(wěn)態(tài)流特征的模擬結(jié)果。

4.2 土壤蒸發(fā)模擬研究

土壤蒸發(fā)過程的模擬研究，主要有連續(xù)介質(zhì)模型和非連續(xù)介質(zhì)模型2類。前者主要見楊邦杰等[61]和Bachmann等[38]的研究，兩者都是基于Philip-de Vries理論建立水熱耦合運動控制方程，數(shù)值求解偏微分方程獲得蒸發(fā)率和累積蒸發(fā)量，這方面工作李毅等[62]已作詳細介紹，本文不再贅述。

非連續(xù)介質(zhì)模型主要是基于侵入滲流理論（IP invasion percolation）的網(wǎng)格模型。Chapuis和Prat[63]應用二維方形孔道構(gòu)成的網(wǎng)格模擬多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，在侵入滲流理論基礎(chǔ)上考慮接觸角參數(shù)對孔隙充填機制的影響（如表1所示），數(shù)值模擬了不同接觸角參數(shù)條件下的蒸發(fā)過程。模擬結(jié)果表明，親水性介質(zhì)的干燥時間遠小于斥水性介質(zhì)。

表1 不同接觸角參數(shù)范圍適應的孔隙充填機制

無論試驗觀測還是理論模擬，研究結(jié)果均表明土壤斥水性抑制土壤水分蒸發(fā)，但土壤斥水性如何抑制土壤水分蒸發(fā)的物理機制尚未明確。Lehmann等[64]應用基于IP理論的三維網(wǎng)格模型模擬研究多孔介質(zhì)干燥過程特征，發(fā)現(xiàn)干燥特征長度對累積蒸發(fā)量具有重要影響。Shokri等[65]比較了親水性和斥水性均勻土柱蒸發(fā)試驗，發(fā)現(xiàn)斥水性土壤的特征干燥長度僅17 mm，而親水性土壤則達到130 mm。試驗初始斥水性土壤的干燥鋒深度未達到特征長度之前，2種土壤的累積蒸發(fā)量相近；當斥水性土壤的干燥鋒深度達到17 mm后，斥水性土壤穩(wěn)定蒸發(fā)階段結(jié)束，蒸發(fā)率迅速下降。與之相反，親水性土壤的穩(wěn)定蒸發(fā)階段一直持續(xù)至干燥鋒到達130 mm深度，因此親水性土壤的累積蒸發(fā)量遠高于斥水性土壤。基于這一結(jié)果，Shokri等[66]進一步提出，土壤中斥水性顆粒的存在使得附著在土壤顆粒表面的薄膜水減少，降低了土壤孔隙內(nèi)水分分布的連續(xù)性，切斷了深層水分通過毛管吸力向上輸運的連續(xù)通道，水分輸運只能通過擴散作用完成，蒸發(fā)過程由穩(wěn)定蒸發(fā)階段轉(zhuǎn)為蒸發(fā)率持續(xù)下降階段。由這一猜想出發(fā)，Shokri等應用團簇模型，考慮不同比例的斥水性和親水性團聚體組成的團簇，計算團簇的等效接觸角，并根據(jù)毛管吸力與重力相平衡原理，計算不同組分團簇的特征干燥長度，計算得到的特征干燥長度值與試驗測量值相符。然而，Kim等[67]將混合后的親水性和斥水性砂土進行X-射線掃描，結(jié)果卻顯示親水性沙土附著的水膜已足夠保持水力通道的連續(xù)性，使得干燥鋒進一步推進。因此土壤斥水性對土壤蒸發(fā)過程的影響機制，還有待更多的研究。

5 總結(jié)

綜上所述，盡管學術(shù)界對土壤斥水性的研究已有近百年的歷史，大量科學家從不同角度探索了其發(fā)生物質(zhì)來源，建立了多種定性定量地表征土壤斥水性強度的方法，并揭示了土壤斥水性對土壤水分運動的重要影響。然而，由于土壤結(jié)構(gòu)的復雜性，微生物、有機質(zhì)、氣候、溫度和土壤含水率等都對土壤斥水性有顯著影響，且土壤斥水性具有高度的時空異質(zhì)性，有關(guān)土壤斥水性特征、斥水性土壤水分運動及模擬方面的研究中仍存在許多亟待解決的問題：

1）需要進一步明確斥水性對土壤水力性質(zhì)的影響機理，并建立包含土壤斥水性參數(shù)（接觸角）的土壤水力性質(zhì)函數(shù)模型。土壤水力性質(zhì)不僅與土壤孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與土壤斥水性密切相關(guān)。然而，現(xiàn)有的土壤水力性質(zhì)函數(shù)模型（如van Genuchten模型、Brooks-Crey模型等）均不包含表征土壤斥水性的參數(shù)，不能直接反映土壤斥水性對土壤水力性質(zhì)的影響。通常的處理方法是忽略土壤斥水性的作用，即認為土壤水力特性僅由土壤孔隙結(jié)構(gòu)決定。這種處理方法容易低估斥水性對土壤水分運動的影響。特別是對一些具有較強斥水性的土壤，容易導致模型預測與實際情況出現(xiàn)較大偏差。

2）土壤斥水性影響土壤水分入滲、再分布及蒸發(fā)過程的物理機制仍不明確。目前描述土壤水分運動的理論模型都是以土壤水力特性（如土壤水分特征曲線、非飽和土壤滲透系數(shù)曲線等）作為模型輸入條件。然而，斥水性土壤與親水性土壤的水力特性具有本質(zhì)區(qū)別，且土壤水力特性函數(shù)并不包含土壤接觸角參數(shù)，這些模型不能用來模擬斥水性土壤中的水分運動過程。因此，需要從微觀孔隙尺度的物理過程著手[68-70]，借助恰當?shù)某叨壬仙Ｐ?，結(jié)合理論預測與試驗觀測，探明土壤斥水性影響水分運動的作用機制，并建立包含土壤斥水性參數(shù)的水分運動理論模型，進而定量分析土壤斥水性對水分運動過程的影響。

3）預測指流發(fā)生并定量描述和模擬指流現(xiàn)象一直是土壤物理學領(lǐng)域研究熱點和難點。土壤斥水性是引發(fā)指流的一個重要因素。今后的研究中需進一步揭示土壤斥水性調(diào)控指流發(fā)生發(fā)展的物理機制，并構(gòu)建和求解相應的數(shù)學模型，改進對指流中土壤水分含量時空分布的模擬精度。

針對斥水性土壤研究中存在的科學問題，有針對性的開展深入研究，有望進一步揭示土壤水分運動的微觀物理機制，并在指流的理論模型及數(shù)值模擬方面取得突破，不僅對土壤物理學的理論基礎(chǔ)本身，而且對其他相關(guān)學科如土壤水文學、農(nóng)業(yè)生態(tài)學、土壤環(huán)境學和應用數(shù)學等具有重要的推動作用。

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Review on soil water movement affected by soil water repellency

Wang Qiuling1, Shi Fanxin1, Liu Zhipeng2※, Xiong Yunwu3

(1.,,236037,; 2.,,210095,; 3.,,100083,)

Soilwater repellency (SWR) is a normal property with major repercussions for plant growth, surface and subsurface hydrology, and for soil erosion. Important advances have been made since the late 1960s in identifying the range of environments affected by SWR, its characteristics and its hydro-geomorphological impacts. In this review, we outlined the concept of SWR, summarized the commonly used methods of soil water content (SWC) measurement and classification criterion, but focused particularly on recent advances in identifying the impacts of SWR on water movements, and indicated the existing research gaps. Significant advances relating to the impacts of SWR on the hydraulic properties as well as the dynamics of water infiltration and evaporation in these unique systems were discussed. SWR affected the matric potential through the contact angle, and shifts the water entry values. The wetting branch of water retention curves is strongly affected by the contact angle, in contrast, effects for the drying branch are minimal, SWR can resist or retard surface water infiltration. Besides the retardation or resistance of surface water infiltration, water repellent soils have been associated with fingered flow. Fingers are known to have a distinctive nonmonotonic saturation profile, with water accumulation behind the wetting front (tip) and lower saturation above it (tail). This nonmonotonic saturation profile is known as saturation overshoot. Saturation overshoot is associated with capillary pressure overshoot and has been confirmed to be the cause for gravity driven fingering. However, the saturation overshoot cannot be described by the Richards equation, the primary unsaturated flow equation. Richards’ equation in its basic form, along with the standard (monotonic) pressure-saturation relations is incompatible with the saturation overshoot for fingered flow. Modifications of Richards’ equation and other approaches have been proposed to account for and describe the nonmonotonicity of the saturation field. In comparison with numerous work on infiltration, studies on evaporation are relatively less but show uniform results, namely SWR suppresses soil evaporation. Percolation-based morphological pore network modeling of evaporation confirms the results. Experimental and modeling results suggest that water repellency affects liquid phase continuity in partially wettable porous media and reduces the evaporation characteristic length relative to capillarity effects. Major research gaps, however, remain in (a) identifying the exact role of, and the interactions between the variables controlling the development and effectiveness of flow pathways through repellent soils; (b) establishing and improving the models with new mechanisms with consideration of the effects of SWR in controlling fingers, and proposing the relevant analytical and numerical methods for solving these new models. Improved understanding of effects of SWR will enable its overall roles in surface and subsurface hydrological and erosion processes to become more clearly defined.

soils; moisture; evaporation; water repellency; soil hydraulic properties; finger flow

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.013

S152.7

A

1002-6819(2017)-24-0096-08

2017-08-28

2017-12-05

國家自然科學基金項目（41701254,41771258），安徽省國際科技合作項目（1403062027），阜陽市政府-阜陽師范學院橫向合作項目（XDHX2016008）

王秋玲，女（漢族），廣東梅州人，副教授，博士，主要從事土壤水分運移研究。Email：qiulingwangql@163.com

劉志鵬，男（漢族），講師，博士，主要從事土壤水分運移、土壤性質(zhì)空間變異等方面研究。Email：zpliu0306@126.com

王秋玲，施凡欣，劉志鵬，熊云武. 土壤斥水性影響土壤水分運動研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：96－103. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.013 http://www.tcsae.org

Wang Qiuling, Shi Fanxin, Liu Zhipeng, Xiong Yunwu. Review on soil water movement affected by soil water repellency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 96－103. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.013 http://www.tcsae.org