土壤入滲研究進(jìn)展及方向評述

呂振豫，劉姍姍，秦天玲，邢子強(qiáng)

(1. 清華大學(xué)水利水電工程系, 北京 100084；2 中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038；3. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

作為聯(lián)系地表水、地下水和生物地球循環(huán)的紐帶，物質(zhì)傳輸和運(yùn)移的載體，土壤水與大氣水、地表水、地下水和植被存在著緊密聯(lián)系，是水資源中最重要，也是最復(fù)雜的部分[1,2](圖1)。土壤入滲是地面水轉(zhuǎn)化為可被植被吸收利用水分的唯一途徑，決定著土壤水有效蓄存程度，也決定著地表徑流和土壤侵蝕的程度，影響作物根區(qū)水分分布和水分有效利用情況，最終影響作物生長狀況與產(chǎn)量[3-7]。

基于土壤入滲過程的重要性，18世紀(jì)中葉，西方國家開展了一系列研究并取得了顯著成果。1856年，法國工程師達(dá)西(H. Darcy)提出飽和水流運(yùn)動規(guī)律[8]。1907年，白金漢(E. Buchingham)引入“毛管勢”的概念[9]。國內(nèi)關(guān)于土壤入滲研究始于20世紀(jì)50年代，以應(yīng)用為目的開展了系列研究[10,11]。真正開始用定量的、連續(xù)的能量觀點(diǎn)，研究土壤入滲過程要追溯到20世紀(jì)70-80年代。這一時期，雷志棟等[12]撰寫編著了《土壤水動力學(xué)》；張蔚榛等[13]編著了《地下水與土壤水動力學(xué)》。土壤入滲研究早期，處于定性描述或用各種經(jīng)驗(yàn)方法處理生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的新問題。隨著物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算科學(xué)以及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，土壤入滲研究逐漸從單學(xué)科向?qū)W科交叉、從均質(zhì)走向非均質(zhì)、從點(diǎn)的研究走向面的研究、從理論推導(dǎo)或經(jīng)驗(yàn)公式走向模型應(yīng)用[14-16]。然而，全球變化不斷影響人口、糧食、資源和環(huán)境，給土壤入滲研究提出了新的挑戰(zhàn)，要求其從傳統(tǒng)思路中拓展開來?；诖?，本研究從土壤入滲基本理論、測定方法、模擬方程和影響因素分析等幾個方面綜述其進(jìn)展，并探討未來發(fā)展方向。

圖1 土壤水循環(huán)Fig.1 Soil water cycle

1 土壤入滲基本理論

土壤入滲理論發(fā)展至今，已有100余年的歷史。先后經(jīng)歷了從宏觀到微觀，從飽和一維垂直入滲到非飽和多維入滲，從形態(tài)學(xué)定性研究到能量學(xué)定量研究，從學(xué)科分支到獨(dú)立學(xué)科等幾個階段。土壤入滲理論研究，起步于19世紀(jì)50年代末，最初只是針對飽和土壤垂直一維入滲過程，代表性的是達(dá)西定律。1877年，BrigsL.J提出毛管假說，指出表面張力是土壤保持水分的主要原因，使土壤入滲研究由宏觀走向微觀[17]。1907年，Buckingham提出毛管勢理論，開辟了能量學(xué)觀點(diǎn)研究土壤入滲過程的新途徑。1920年，Gardner推導(dǎo)出土壤水勢與含水量的關(guān)系，作為土壤水分特征曲線的雛形，使土壤入滲過程與能量觀點(diǎn)聯(lián)系更加緊密[18]。1931年，Richards根據(jù)毛管理論，將數(shù)學(xué)物理方法引入非飽和土壤水運(yùn)動中，標(biāo)志著土壤入滲研究從飽和一維向非飽和多維轉(zhuǎn)變[19]。此后，能態(tài)研究，以及在此基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)物理方法定量化土壤入滲過程取得極大進(jìn)展，形成了土壤水動力學(xué)這一獨(dú)立學(xué)科。1952年，Klute建立毛管勢與土壤含水量的關(guān)系，擴(kuò)展了土壤含水量在入滲研究中的作用[20]。1957年，Philip揭示了土壤水運(yùn)動水熱耦合特征，應(yīng)用熱力學(xué)函數(shù)表達(dá)土壤水分的形式得到推廣[21]。1966年，土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)概念的提出，從水循環(huán)過程和互反饋關(guān)系上量化水分傳輸過程，將土壤入滲研究推向新階段[22]。我國土壤入滲理論研究起步較晚，20世紀(jì)50-60年代，以蘇聯(lián)A.A.Pone為代表的形態(tài)學(xué)研究觀點(diǎn)和方法支配著我國土壤入滲研究。1988年，雷志棟等研究了考慮土壤蒸發(fā)、植被蒸騰等外部條件的土壤入滲過程的解析和半解析解，分析了通過特征參數(shù)標(biāo)定，利用空間插值方法，解決土壤水動態(tài)變化空間異質(zhì)性的方法；1996年，張蔚榛等總結(jié)分析了土壤水和地下水的相互關(guān)系，出版了《地下水與土壤水動力學(xué)》。1997年，第一次全國土壤物理學(xué)術(shù)討論會，能量學(xué)研究土壤入滲過程得到推廣。此后，SPAC系統(tǒng)水熱通量的測定和估算方法研究深入開展。

2 土壤入滲過程的測定方法

早期，對土壤入滲過程的描述主要基于室內(nèi)和田間試驗(yàn)，觀察記錄土壤水動態(tài)變化，包括注水法(雙環(huán)實(shí)驗(yàn))、水文法(水量平衡)、人工降雨法和基于時域反射技術(shù)的土壤水動態(tài)監(jiān)測[23，24]。

注水法通常采用同心環(huán)入滲裝置，定水頭入滲，記錄某一時段的入滲量，計(jì)算土壤入滲率的變化。包括：雙(單)環(huán)入滲法、滲透儀測量法和專業(yè)入滲儀測量法等[25-28]。水文法主要利用徑流實(shí)驗(yàn)場&小區(qū)中實(shí)測的降雨-徑流過程資料，通過水文分析方法推求入滲方程。這一方法只用于計(jì)算徑流實(shí)驗(yàn)場&小區(qū)土壤平均入滲率，無法獲得土壤水動態(tài)變化過程[29]。隨著時域反射技術(shù)的推廣，相關(guān)學(xué)者開始采用時域反射儀(TDR)測定徑流實(shí)驗(yàn)場&小區(qū)土壤水的動態(tài)變化。TDR監(jiān)測土壤水分的基本原理是利用探針測定高頻階梯狀脈沖在土壤中的傳播時間，進(jìn)而獲得土壤含水量的動態(tài)變化[30,31]。人工降雨法通過降雨裝置模擬天然降雨，設(shè)定降雨強(qiáng)度，通過室內(nèi)土柱入滲或野外小區(qū)觀測實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測土壤入滲動態(tài)過程，利用水量平衡法推算土壤入滲量[32]。

室內(nèi)和田間試驗(yàn)局限于單點(diǎn)測量，無法反映大尺度土壤水分變化的時空異質(zhì)性。20世紀(jì)90年代后，遙感技術(shù)的不斷推廣，利用“3S”技術(shù)進(jìn)行土壤水分研究取得重大進(jìn)展。通過測量土壤表面反射或發(fā)射的電磁能量，建立遙感獲取信息與土壤水分之間的關(guān)系，反演地表土壤水分變化。然而，目前遙感反演局限于土壤表層，且空間分辨率低[33]。

3 土壤入滲模擬方程

然而，上述理論、半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)性入滲公式往往僅能描述入滲速率隨時間的變化規(guī)律，且多屬單點(diǎn)入滲。伴隨著人類活動不斷的改變天然土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，一些學(xué)者開始嘗試建立描述人類活動影響下土壤水分入滲過程的理論方程[39]。截止到目前，相關(guān)基本方程雖取得極大進(jìn)展，但仍局限在土體單元單一入滲過程。20世紀(jì)80年代后，SPAC(Soil-Plant-Atmo-sphere Continuum)將土壤-植物-大氣作為一個連續(xù)體，用統(tǒng)一的能量指標(biāo)----水勢將不同介質(zhì)之間的相互聯(lián)系作為整體中的內(nèi)部聯(lián)系，使土壤水和作物及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一?；赟PAC系統(tǒng)建立植被覆蓋影響下的土壤入滲模型，成為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

表1 土壤入滲模擬方程Tab.1 Soil water infiltration equation

4 土壤入滲影響因素

根據(jù)非飽和土壤達(dá)西滲流公式，土壤入滲量主要與土壤水力傳導(dǎo)度和土壤水勢梯度有關(guān)。另外，土壤入滲本質(zhì)是水分在土體里流動而不斷深入的過程，入滲速率主要受土壤孔隙的影響[40]。

截止到目前，土壤入滲的影響因素包括兩大類，一類是土壤自身理化性質(zhì)，包括土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、容重和有機(jī)質(zhì)等；另一類則是外部因素，包括：初始含水量、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋、微地貌結(jié)構(gòu)以及人為干擾等。土壤質(zhì)地是土壤固相物質(zhì)各粒級土粒的配合比例，通過改變土粒表面能，影響土壤孔隙尺度和分布，對土壤水分運(yùn)動的驅(qū)動力和水力傳導(dǎo)度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤入滲能力。Ma等[41]基于Kostiakov、Philip和Green-Ampt方程分析了土壤質(zhì)地與土壤滲透性的關(guān)系。結(jié)果表明，砂質(zhì)土壤的入滲率和累積入滲量高于壤土。土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒的排列和組合，通過孔隙結(jié)構(gòu)影響土壤水力傳導(dǎo)度和水勢梯度，進(jìn)而影響土壤的入滲能力[42]。容重通過改變土壤飽和導(dǎo)水率影響土壤入滲過程。隨土壤容重的增加，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)喪失，孔隙減小，土壤緊密堅(jiān)實(shí)，入滲能力降低。李卓等[39]通過人為改變土壤顆粒級配，利用土柱積水入滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析了容重對土壤入滲能力的影響。結(jié)果表明，土壤入滲能力隨容重增大而遞減，實(shí)驗(yàn)所用3種典型土壤穩(wěn)定入滲率與容重呈對數(shù)負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)通過對土壤孔隙尺寸和分布的影響，改變土壤水力傳導(dǎo)度，影響土壤水入滲能力。有機(jī)質(zhì)含量往往與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)成正相關(guān)，一方面，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)多的土壤，毛管孔隙多，可儲存大量水分；另一方面，土壤孔隙穩(wěn)定性隨有機(jī)質(zhì)含量的升高而增大，過水面積增加，入滲能力提高[43]。

土壤初始含水量決定入滲早期土水勢的大小，初始含水量越高，初始入滲率和累計(jì)入滲量越小[44]。降雨對入滲的影響包括直接影響和間接影響。直接影響表現(xiàn)為雨型、降雨強(qiáng)度變化等對開始積水時間、開始積水前入滲過程、積水持續(xù)時間、積水后入滲過程等的影響；間接影響則表現(xiàn)為降雨產(chǎn)生的地表結(jié)皮等阻礙土壤入滲[45]。植被覆蓋和耕作方式通過改變天然土體的物理性質(zhì)，影響土壤入滲。耕作方式通過改變微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體之間的轉(zhuǎn)化和再分布，影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響土壤入滲能力[46]。免耕、休耕等保護(hù)性耕作措施減少了對土壤的機(jī)械擾動，改善表層土壤結(jié)構(gòu)，提高表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，使土壤入滲性能提高，蓄保水能力增強(qiáng)。深松可有效打破犁底層，加深耕作層深度，使耕作層內(nèi)土壤疏松，通透性良好，增強(qiáng)土壤入滲能力。候賢清等[47]于寧南旱區(qū)研究了免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松和連年翻耕三種耕作模式對土壤入滲性能的影響，結(jié)果表明，通過改變土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定率，不同輪作模式可顯著增強(qiáng)土壤入滲性能，免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松處理降雨入滲率較連年翻耕分別提高35.2%和15.3%。人為干擾如生物炭的施加，可以有效減低土壤容重，增大土壤孔隙度，改變土壤團(tuán)聚性，影響土壤入滲過程[48]。另外，極端氣候造成的土壤凍結(jié)等也是影響土壤入滲性能的重要因素[49,50]。

5 研究展望

作為土壤水資源補(bǔ)給的重要途徑，降水、植物水、地表水、土壤水和地下水等“五水”轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，土壤入滲過程近年來成為相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于土壤水資源評價、水文模型構(gòu)建等相關(guān)領(lǐng)域中。結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展，土壤入滲研究亟需加強(qiáng)以下兩個方面的研究：①氣候變化和人類活動對土壤入滲過程影響的機(jī)理識別；②“點(diǎn)”和“流域”尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)。

5.1 加強(qiáng)氣候變化和人類活動對土壤入滲過程影響的機(jī)理識別

目前，傳統(tǒng)土壤入滲研究主要基于單點(diǎn)入滲過程監(jiān)測，且多關(guān)注均質(zhì)土壤入滲過程的研究，未能充分考慮環(huán)境變化的影響，量化分析土壤入滲的時空變異規(guī)律。部分研究雖然考慮非均質(zhì)土壤入滲問題，及人類活動如秸稈還田等耕作措施對土壤入滲過程的影響，但多基于實(shí)驗(yàn)觀測，分析影響大小，對影響機(jī)理過程的描述尚需完善。以增溫為主要特征的全球變化加快了能量流動和水循環(huán)速率[51]，使蒸發(fā)量增大，影響土壤水再分布過程，導(dǎo)致單次降雨(灌溉)土壤累積入滲量減少；水資源時空分布不均勻性加劇，使土壤入滲空間變異性增強(qiáng)[52]。高強(qiáng)度人類活動誘發(fā)的下墊面條件劇烈變化，改變了土壤水熱特性和自然景觀分布格局[53]；耕作管理如秸稈還田改變表層土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，減緩地表結(jié)皮，可有效增加入滲水量；深松/深翻增加土壤有效深度和地表糙率，提升土壤層調(diào)蓄空間；壟溝建設(shè)改變微地貌特征，增加地表洼蓄量，延長入滲時間；填埋材料改變天然土壤的理化性質(zhì)，影響入滲過程。以基本理論為支撐，以室內(nèi)&野外實(shí)驗(yàn)觀測為手段，系統(tǒng)識別氣候變化和人類活動對土壤入滲的影響機(jī)理，建立不同變化環(huán)境下土壤入滲理論方程是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

5.2 “點(diǎn)”和“流域”尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)

土壤入滲過程本身是土壤水分運(yùn)移的微觀描述，相關(guān)研究也多聚焦于單點(diǎn)入滲過程的數(shù)學(xué)解析和模型模擬。隨著水循環(huán)理論的不斷發(fā)展，將流域作為研究水問題的基本單元，相關(guān)學(xué)者開始關(guān)注大尺度土壤入滲過程的研究[54]。理論知識的不斷完善，以地理信息技術(shù)為支撐的研究手段快速發(fā)展，大尺度土壤入滲研究已取得了一系列成果。然而，將點(diǎn)尺度土壤入滲實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用于大尺度研究，必須考慮流域土壤和氣象因素異質(zhì)性導(dǎo)致的入滲能力空間異質(zhì)性和尺度轉(zhuǎn)換問題。相關(guān)機(jī)理和方法的研究仍是尚未解決且亟需突破的難題。為滿足宏觀研究的需求，基于點(diǎn)尺度、長序列土壤水分變化動態(tài)監(jiān)測成果，結(jié)合遙感反演，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建大尺度土壤水分動態(tài)監(jiān)測平臺，有助于識別點(diǎn)及流域尺度土壤入滲問題的特征及相應(yīng)的尺度效應(yīng)和尺度問題。