坡地徑流與溶質(zhì)輸出研究進(jìn)展

謝頌華，涂安國，莫明浩，張 杰

1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029

坡地徑流與溶質(zhì)輸出研究進(jìn)展

謝頌華1,2，涂安國2，莫明浩2，張 杰2

1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029

坡耕地是我國水土流失的重要策源地，也是農(nóng)業(yè)面源污染重要污染源。坡地徑流和溶質(zhì)輸出是水土流失及其面源污染的一個(gè)重要過程，也是坡地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)水和物質(zhì)循環(huán)的一個(gè)重要過程。坡地水文過程和溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化不僅是土壤學(xué)近期的重點(diǎn)研究內(nèi)容，也是需解決的資源環(huán)境問題之一。文章從坡地降雨水文過程的地表徑流、壤中流和地下徑流的輸出研究，壤中流模擬研究以及坡地降雨條件下土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬等3個(gè)方面總結(jié)了國內(nèi)外坡地徑流與溶質(zhì)輸出的相關(guān)研究結(jié)論。同時(shí)指出：（1）紅壤坡地地表徑流、壤中流和地下徑流的輸出特征及規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。（2）對于土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究，現(xiàn)有成果主要是研究徑流和溶質(zhì)在土壤中的垂向運(yùn)移，而對其輸出過程卻很少研究，尤其是坡面徑流和土壤溶質(zhì)分層輸出的耦合關(guān)系還沒有深入的研究。（3）土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論的研究亟需從封閉的室內(nèi)土柱試驗(yàn)擴(kuò)展到野外大田觀測，以獲取足夠的數(shù)據(jù)資料來確切地描述溶質(zhì)運(yùn)移過程，使理論研究與生產(chǎn)實(shí)際問題聯(lián)系得更緊密。（4）同位素方法應(yīng)用、野外長期定位試驗(yàn)和模擬模型是未來坡地徑流與溶質(zhì)輸出研究需加強(qiáng)的幾個(gè)方面。

坡地徑流；溶質(zhì)；輸出

水利部、中國科學(xué)院和中國工程院聯(lián)合完成的“中國水土流失防治與生態(tài)安全科學(xué)考察”結(jié)果表明：我國大中型水庫富營養(yǎng)化問題突出，水土流失作為面源污染物傳輸?shù)妮d體，是造成江河、水庫水質(zhì)惡化的重要原因之一，水土流失傳輸?shù)拿嬖次廴緦ξ覈髁饔蛩h(huán)境安全已造成了巨大壓力。坡耕地是我國水土流水的重點(diǎn)區(qū)域，也是農(nóng)業(yè)面源污染的重點(diǎn)污染源。坡地徑流和溶質(zhì)輸出是水土流失及其面源污染的一個(gè)重要過程，也是水土流失與其養(yǎng)分流失過程的耦合機(jī)制之一。坡地土壤水文和溶質(zhì)遷移過程是當(dāng)前土壤學(xué)和環(huán)境學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。本文從降雨水文過程的地表徑流、壤中流和地下徑流的輸出研究，壤中流模擬研究以及坡地降雨條件下土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬等3個(gè)方面總結(jié)國內(nèi)外坡地徑流與溶質(zhì)輸出的相關(guān)研究進(jìn)展，提出了目前該領(lǐng)域亟待研究解決的問題，以期為坡地農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及面源污染的防治研究提供方向。

1 坡地降雨水文過程研究

坡地降雨的水文過程包括地表徑流、壤中流和地下徑流，主要受降水、氣溫、地形、地質(zhì)、土壤、植被和人類活動等影響。地表徑流的形成是坡面供水與下滲的矛盾產(chǎn)物，反映了下墊面、土壤、氣候和其它一些綜合水文特征。壤中流是水分在土壤內(nèi)的運(yùn)動，包括土壤水分的垂直下滲和水平側(cè)流；地下徑流指滲入地下成為地下水，并以泉水或滲透水的形式泄入河道的那部分降水，國際上一般將壤中流與地下徑流統(tǒng)稱為基流。

1.1 地表徑流輸出及其調(diào)控

地表徑流產(chǎn)流是一個(gè)具有時(shí)空變化的動態(tài)概念，包括產(chǎn)流面積在不同時(shí)刻的空間發(fā)展及產(chǎn)流強(qiáng)度隨降雨過程和土壤入滲的時(shí)程變化。Dunne（1978）對坡面徑流現(xiàn)象、坡面流速等作了系統(tǒng)論述，描述了坡地徑流形成過程和各種現(xiàn)象，為坡地水文研究奠定了基礎(chǔ)；Freeze（1978）系統(tǒng)提出了坡地水文數(shù)學(xué)模型，該模型主要包括坡面漫流和壤中流兩個(gè)部分，推動了山地水文研究的進(jìn)展。1980年其利用隨機(jī)模擬方法研究了坡面降雨入滲和徑流過程，為坡面產(chǎn)流研究尋求了另一途徑。Philip(1991)構(gòu)建了降雨入滲模型。20世紀(jì)60年代后期Woolhiser 和Ligget 將運(yùn)動波模型引入坡面水流研究，促進(jìn)了坡地產(chǎn)流研究的發(fā)展。近年來，運(yùn)動波理論日趨完善，成為目前國際上研究坡面徑流過程、流域水文過程等常用的一種方法。

20世紀(jì)60年代以來，我國水文學(xué)者曾先后提出了濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主，干旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主的理論，可用于界面產(chǎn)流及不同自然條件的統(tǒng)一產(chǎn)流研究（趙人俊，1984）。降雨是產(chǎn)生徑流的必要條件，一般來說，年降雨量多的地方，年平均徑流量就大，但是次降雨量因?yàn)槠涫艿接陱?qiáng)、土壤、植被和人為等因素的制約，與徑流的相關(guān)關(guān)系不一定非常明顯。坡度對產(chǎn)流的影響也是多方面的，目前學(xué)術(shù)界對于坡度與徑流的影響存在不同的說法，有研究表明徑流隨著坡度的增加而增加，也有研究發(fā)現(xiàn)徑流隨著坡度的增加而減小，或者與坡度的關(guān)系不明顯。當(dāng)前，坡地地表產(chǎn)流理論雖然有了很大的發(fā)展，但坡地降雨-入滲-產(chǎn)流過程的研究還處于初始階段，對入滲和產(chǎn)流的過程及機(jī)理還缺乏深入的認(rèn)識。

地表徑流調(diào)控是通過改變下墊面狀況，阻止雨滴直接打擊裸露的地面，分散地表徑流，最終目的是削弱水土流失動力；另外，通過提高土體穩(wěn)定性來抵抗徑流對地表土壤的搬用和輸移能力，減少土壤侵蝕量，利用地表徑流分散和聚集相結(jié)合的手段達(dá)到控制水土流失和水土資源保護(hù)的雙重目標(biāo)。自E.Wollny（1877）首先對水土流失進(jìn)行觀察到現(xiàn)在，研究人員都在尋找一種最有效、容易操作、成本低、生產(chǎn)第一線的農(nóng)民容易接受的水土保持方法，而植草覆蓋和枯落物、秸稈覆蓋成本低，建植容易，效果好，為收入較低的廣大農(nóng)民和農(nóng)場主廣泛接受。國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于坡面草被措施對坡面徑流的影響研究、對侵蝕產(chǎn)沙量的影響研究開展的比較廣泛，并取得了很多研究成果，大多集中在草被對產(chǎn)沙量、坡面流速、侵蝕產(chǎn)沙量及其相關(guān)關(guān)系方面，近年來，也出現(xiàn)了對坡面生物措施對坡面侵蝕過程影響的研究及對坡面水力學(xué)參數(shù)的影響的研究（李勉等，2007）。黃炎和（2007）采用徑流小區(qū)法研究不同生草方式（帶狀覆蓋與敷蓋、全園覆蓋、帶狀覆蓋）對土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明無論采用何種方式進(jìn)行果園生草處理，與凈耕區(qū)比較，都能有效降低地表徑流量和土壤流失量。楊潔等（2012）根據(jù)江西水土保持生態(tài)科技園2001─2008年不同植物措施處理的柑橘林地徑流小區(qū)的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的定位觀測，結(jié)果表明有草被覆蓋的柑橘林小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯小于柑橘清耕小區(qū)。王玲玲等（2009）為研究坡面生物措施減蝕作用，利用試驗(yàn)土槽和放水沖刷方法，研究得出與裸坡相比，30%和70%覆蓋度坡面水流平均流速降低25%和47%，草被具有顯著的減沙效應(yīng)，但隨著流量的加大，草被對坡面流的阻滯作用呈下降趨勢。李勉等（2005；2007）的研究表明草被覆蓋對坡面流有明顯的阻延作用，坡面—溝坡系統(tǒng)坡面流各段面平均曼寧糙率系數(shù)和平均阻力系數(shù)隨流量的增大在有草被覆蓋斷面兩系數(shù)呈減小趨勢，在無草被覆蓋斷面呈增大趨勢。

1.2 壤中流輸出研究

在1936─1944年間許多水文學(xué)者通過在試驗(yàn)場的觀測，指出壤中流參與暴雨徑流形成的重要性。Hewlett等人1963年曾由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非飽和流也能成壤中流或地下徑流，甚至斷言陡峻流域土層中的非飽流在過程分析中不能忽視(吳偉等，2006)。20世紀(jì)70年代，Dunne等大量的觀測與試驗(yàn)基礎(chǔ)上證實(shí)，非均質(zhì)包氣帶具備產(chǎn)生壤中流的條件（Stephenson和Meadows，1986），但當(dāng)時(shí)并未得到重視。自Kirkby（1978）對壤中流的現(xiàn)場觀測、產(chǎn)生機(jī)理、模擬作了系統(tǒng)總結(jié)之后，國外學(xué)者在壤中流的觀測方法、預(yù)測、以及壤中流與地表流關(guān)系上進(jìn)行了研究，并取得了一定進(jìn)展。國內(nèi)壤中流的研究基于紫色土的較多，如劉剛才(2002)對常規(guī)耕作制度下紫色土坡地壤中流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壤中流在大雨、暴雨或土壤飽和后才發(fā)生，雨停后的壤中流歷時(shí)與降雨強(qiáng)度無關(guān)。賈海燕等(2006)通過人工降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在紫色土地區(qū)壤中流是硝態(tài)氮流失的主要途徑。徐佩等(2006)利用人工模擬降雨方法對紫色土坡耕地的壤中流特征進(jìn)行研究，分析了耕作方式、土層厚度、坡度、雨強(qiáng)對壤中流的影響，研究了暴雨條件下、小雨條件下壤中流與地表流的對比，發(fā)現(xiàn)壤中流的產(chǎn)生滯后于地表流，產(chǎn)流過程表現(xiàn)出緩慢變化的單峰過程。丁文峰(2008)采用人工模擬降雨法進(jìn)行了紫色土坡面壤中流與侵蝕產(chǎn)沙的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在降雨強(qiáng)度較小的條件下，各徑流小區(qū)壤中流占總降雨量的比例隨坡度的增大而增大。徐勤學(xué)等（2010）的紫色土坡地野外人工模擬降雨試驗(yàn)表明：未擾動荒坡地壤中流徑流系數(shù)是裸露坡耕地的3～15倍，平均流量是坡耕地的7～33倍，植被覆蓋的減少和降雨對疏松地表的壓實(shí)導(dǎo)致壤中流明顯減少。對于紅壤地區(qū)壤中流的研究也在嘗試，如王峰等（2007）對紅壤坡地上層、下層在自然降雨條件下壤中流產(chǎn)流過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：壤中流對降雨及地表徑流的響應(yīng)均為上層快于下層，隨著土層加深，壤中流輸出滯后時(shí)間延長。尹忠東等（2006）在江西水土保持生態(tài)科技園的初步研究發(fā)現(xiàn)，與裸地相比，百喜草覆蓋、死地被物敷蓋顯著增加壤中流量，壤中流量與雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、初滲雨量呈正相關(guān)關(guān)系。劉士余等（2007）通過土壤水分滲漏裝置試驗(yàn)研究了百喜草及其枯落物在紅壤坡地對土壤水分動態(tài)和水量平衡的影響。結(jié)果表明：地表徑流的比例較小，絕大部分降雨要通過土壤進(jìn)行再分配。劉廷璽(1994)在飽和與非飽和入滲理論基礎(chǔ)上分析了壤中流形成機(jī)制，提出了壤中流形成的6個(gè)條件。

1.3 地下徑流輸出研究

呂玉娟（2013）采用基流分割方法，發(fā)現(xiàn)紫色土坡地地下徑流對降雨的響應(yīng)具有明顯的延遲效應(yīng)，不同降雨事件中產(chǎn)生的地下徑流量所占的降雨比例也不同，大雨事件徑流量約占降雨量的53.6%，而小降雨事件徑流量僅占1.6%。除與降雨量有關(guān)外，土壤初始含水量也是影響地下徑流系數(shù)的重要因素。目前對于地下徑流的研究在森林水文領(lǐng)域小流域尺度研究得較多，在微尺度坡面上研究較少。崔向慧(2006)對江西大崗山常綠闊葉林區(qū)集水區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)其平均年徑流輸出總量為854.3 mm，徑流系數(shù)為48.2%，其中地下徑流為853.1 mm，地表徑流僅為1.2 mm。而王彥輝(1993)對該地區(qū)毛竹林水文學(xué)過程進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該小流域年徑流系數(shù)為54.8%，其中地表徑流僅占0.8%，壤中流占15.0%，地下徑流占39.0%。鄧湘雯(2007)根據(jù)17年的水文觀測數(shù)據(jù)研究了湖南會同生態(tài)站不同年齡階段杉木人工林的徑流特征，結(jié)果表明集水區(qū)徑流輸出以地下徑流為主，地表徑流只占總徑流量的2.3%～7.9%。目前，很多有關(guān)坡面地下徑流的研究，通常是相對于坡地地表徑流而言，把壤中流和地下徑流不加區(qū)別一起作為地下徑流進(jìn)行分析研究。

2 壤中流模擬研究

壤中流是土壤水在土壤內(nèi)部的流動而形成的，因此土壤水分運(yùn)動與轉(zhuǎn)化機(jī)理是研究壤中流過程的基礎(chǔ)。盡管國內(nèi)外對坡地土壤水分運(yùn)動與轉(zhuǎn)化在觀測試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬上進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成果。但是，以往研究主要側(cè)重于室內(nèi)人工降雨條件下初始含水量均一的均質(zhì)、各向同性坡地的表層土壤水分運(yùn)動。野外雖也進(jìn)行了這方面的研究，但對降雨期間坡面水分的入滲規(guī)律以及入滲后的再分布過程分析不夠，而且大部分研究沒有將降雨入滲與坡面產(chǎn)流以及土壤水分的動態(tài)變化過程結(jié)合起來，沒有綜合考慮土壤性質(zhì)的空間變異性、滯后作用、植被截留以及根系吸水等的影響。鑒于此，Philip(1966)提出了SPAC系統(tǒng)理論，即把坡面土壤（soil）—植物(plant)—大氣(atmosphere)作為一個(gè)物理上的連續(xù)體(continuum)，以大氣水、地表水、植物水和土壤水相互轉(zhuǎn)化過程和機(jī)制為基礎(chǔ)，研究坡面土壤—植被—大氣界面水分運(yùn)動和轉(zhuǎn)化規(guī)律，并進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。

為了有效控制與預(yù)測坡地壤中流產(chǎn)流過程，揭示其內(nèi)在機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究與理論分析，并提出和建立了壤中流產(chǎn)流模擬模型。到目前為止，壤中流模型根據(jù)其主要原理可分為Richards模型、動力波模型和貯水—泄流模型3大類（李金忠，1999）。Sloan&Moore（1984）在預(yù)測森林陡坡壤中流過程時(shí)對這三種模型進(jìn)行了比較，其結(jié)果表明Richards模型盡管在求解土壤含水量時(shí)精度稍高，但由于其求解過程與結(jié)果非常復(fù)雜，以至難以對暴雨的洪水產(chǎn)生進(jìn)行快速預(yù)報(bào)與預(yù)測，無法推廣應(yīng)用于較大流域的水文反應(yīng)。同時(shí)，Richard模型其求解的結(jié)果主要是得到水頭值或含水量的值，不能直接求出滲流區(qū)域邊界上的側(cè)向流入量與水力坡度，要想求得坡面出口斷面處壤中流泄流量問題，必須進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。動力波模型僅適應(yīng)λ＜0.175的情況，其應(yīng)用有較大的局限性(Beven，1982）。貯水—泄流模型求解過程簡單，其求解的結(jié)果可直接得到坡面出口斷面處壤中流泄流量，可對暴雨洪水進(jìn)行快速的預(yù)報(bào)與預(yù)測，便于推廣應(yīng)用于整個(gè)流域的水文反應(yīng)與水文計(jì)算。Sloan在提出該模型時(shí)假設(shè)飽和導(dǎo)水率Ks與有效孔隙度ω都是不隨深度變化的常數(shù)，然而Beven（1982）認(rèn)為飽和導(dǎo)水率隨深度指數(shù)遞減，因此該模型在飽和導(dǎo)水率和有效孔隙度假設(shè)上還有待改進(jìn)，并對該模型進(jìn)行修改。Robinson（1996）應(yīng)用Beven修正的模型在森林流域坡地壤中流模擬中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果顯示修正后模型精度較高。

我國學(xué)者李金中（1998）通過野外選取原狀土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測定結(jié)果表明，森林流域內(nèi)飽和導(dǎo)水率和有效孔隙度都隨深度對數(shù)遞減，其指數(shù)遞減模型在森林流域內(nèi)不盡合理，而飽和導(dǎo)水率和有效孔隙度隨深度對數(shù)遞減對壤中流過程的影響有待深入研究。隨后李金中等（1999）針對Sloan和Robinson貯水泄流模型假設(shè)的不足，對模型進(jìn)行了修正，提出具物理意義的壤中流模型，并利用修正后的模型對人工模擬降雨條件下長白山林地下壤中流的產(chǎn)流過程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，改進(jìn)模型在森林流域精度有所提高。針對以往模型都簡化了坡面流與壤中流的相互影響，鄭侃等（2008）采用飽和入滲理論、Saint-Venant方程和Richards方程構(gòu)建了以有限差分法求解的坡面流與壤中流耦合模型，并模擬了不同坡度和不同雨強(qiáng)下的坡面產(chǎn)匯流室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示模型的模擬精度較高。李力等（2008）用系統(tǒng)模型的思想，對半干旱半濕潤地區(qū)的壤中流計(jì)算模式進(jìn)行了改進(jìn)，但該模型在預(yù)測森林壤中流徑流歷時(shí)方面，精度仍然不佳，出流過程線的上升段與下降段都較實(shí)測值偏陡。

綜上得出，近年來國內(nèi)外專家已對壤中流進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬，但對這些研究都側(cè)重于靜態(tài)方面的研究，對壤中流長時(shí)期持續(xù)產(chǎn)流過程觀測與研究不夠，尤其是自然降雨和坡面條件下的壤中流持續(xù)產(chǎn)流過程的研究很少涉及?，F(xiàn)有壤中流模型還不成熟，較為復(fù)雜，影響因子較多，多應(yīng)用于室內(nèi)模擬，對野外條件下模擬的有效性仍有待研究和驗(yàn)證。同時(shí)，國內(nèi)現(xiàn)有壤中流研究成果主要是針對紫色土和森林坡面，而對紅壤坡面壤中流形成條件與機(jī)制試驗(yàn)研究還有待深入。

3 坡地土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究

國際上對溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移的模型研究始于20世紀(jì)60年代。1952年，Lapidus和Amundson首次將一個(gè)類似于對流-擴(kuò)散方程的模擬模型應(yīng)用于溶質(zhì)運(yùn)移問題的研究，但未對模型的推導(dǎo)及物理意義做任何解釋。Nielson首次系統(tǒng)地論述了CDE（對流-彌散）方程的科學(xué)性和合理性（忤彥卿，2007）。之后，各國學(xué)者根據(jù)不同土壤環(huán)境及研究目的需要，建立了許多描述溶質(zhì)運(yùn)移的模型，這些模型概括起來大致可分為確定性模型和隨機(jī)模型。其中：確定性模型是土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論研究的經(jīng)典方程和基本方程，包括對流-彌散傳輸模型、動水-不動水體模型（二區(qū)模型）。二區(qū)模型由Coats和Van等人發(fā)展，即認(rèn)為土壤多孔介質(zhì)孔隙中的水分可以分成二部分，一部分是不運(yùn)動的，另一部分是運(yùn)動的。由于實(shí)際土壤的非均質(zhì)性，二區(qū)模型的模擬結(jié)果不理想，特別無法描述具有雙鋒的化學(xué)物質(zhì)穿透曲線。為了使對流彌散方程可以描述具有雙鋒的化學(xué)物質(zhì)穿透曲線，Skopp（1981）提出了二流區(qū)模型（王全九，2007）。有研究結(jié)果表明，與兩區(qū)模型相比，兩流區(qū)模型可以更好地描述優(yōu)先流情況下的溶質(zhì)穿透曲線（馬東豪，王全九，2004）。隨機(jī)模型是針對土壤水力特性參數(shù)的空間變異性及確定性模型中存在的缺點(diǎn)和不足而逐漸發(fā)展起來的，它包括機(jī)理性隨機(jī)模型和完全隨機(jī)模型。完全隨機(jī)模型其中Jury教授（1982）提出的隨機(jī)傳遞函數(shù)模型（也稱為“黑箱模型”）最具代表性，是目前模擬大田土壤溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的有效模型；任理（2000）等運(yùn)用隨機(jī)傳遞函數(shù)模型研究了穩(wěn)定流條件下飽和均質(zhì)土壤的鹽分遷移和非穩(wěn)定流條件下非飽和均質(zhì)土壤溶質(zhì)運(yùn)移的傳遞函數(shù)解。函數(shù)傳遞模型僅可預(yù)測出口斷面土壤溶質(zhì)遷移數(shù)量或者濃度變化過程，而無法預(yù)測研究土體內(nèi)溶質(zhì)的濃度分布，為了改進(jìn)上述模型，Jury和Roth提出確定土壤溶質(zhì)濃度分布方法，任理等（2000）利用這一方法研究了硝態(tài)氮濃度分布。簡化模型是對土壤溶質(zhì)運(yùn)移的過程進(jìn)行了假設(shè)和簡化，使計(jì)算簡捷，主要有田間持水量模型和CDE簡化模型。Rivlin等（1995；1997）通過地表徑流質(zhì)量守恒定律和徑流溶質(zhì)質(zhì)量守恒方程，簡化各種復(fù)雜因素，建立了模擬坡面溶質(zhì)隨地表徑流遷移模型。Walton等（2000）在小坡度田間試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)，通過假定降雨產(chǎn)流后坡地為不透水坡面，聯(lián)立徑流溶質(zhì)質(zhì)量平衡方程和地表徑流運(yùn)動波方程，建立坡地徑流溶質(zhì)遷移模擬模型。

盡管這些不同類型的數(shù)學(xué)模型各具特點(diǎn)，但多數(shù)模型所需參數(shù)在田間獲取十分困難，所以土壤溶質(zhì)運(yùn)移的模擬至今仍是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。國內(nèi)外學(xué)者投入大量精力，尋求土壤溶質(zhì)的遷移參數(shù)的確定方法。Shao（1998）和Wang（2007）等在分別假定溶質(zhì)濃度分布為二、三次多項(xiàng)式和四、五次多項(xiàng)式的基礎(chǔ)上，提出了確定CDE方程中參數(shù)及其近似解的邊界層理論模型，研究結(jié)果表明，邊界層理論可應(yīng)用于土壤溶質(zhì)遷移的研究。劉春平（2004）等人基于土壤中溶質(zhì)運(yùn)移的對流-彌散方程(CDE)提出了溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)估計(jì)的圖解方法。結(jié)果表明圖解法具有較高的精度和較好的穩(wěn)定性，特別是對于運(yùn)移參數(shù)R的估值。近年來一些學(xué)者通過對二區(qū)模型的概化，發(fā)展了一些測定不動水體與可動水體的比例系數(shù)和質(zhì)量交換系數(shù)的方法。Clothier等人假定在實(shí)驗(yàn)結(jié)束提取土樣時(shí)，可動區(qū)土壤溶質(zhì)濃度與示蹤濃度相同，而且質(zhì)量交換和動力彌散作用都很小，得到確定不動水體含量的表達(dá)式。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立即提取土樣測定土壤含水量和溶質(zhì)濃度就可獲得不動水體含量。Jaynes等人（1995）認(rèn)為在提取土樣時(shí)水動力彌散作用比較小，而且可動水體溶質(zhì)濃度與示蹤溶液濃度相同，提出了確定不動水體含量和質(zhì)量交換系數(shù)方法。

綜上得出，近些年國內(nèi)外專家已對土壤溶質(zhì)遷移進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬，但是這些研究多是集中在自由排水條件下，對于土壤水分飽和條件下和土壤滲流條件下的研究涉足很少（Huang，1999；Zheng，2004）?，F(xiàn)有的資料研究前提條件大都研究人工降雨條件下，幾乎很少研究自然降雨與徑流共同作用引起土壤溶質(zhì)遷移量，同時(shí)單獨(dú)對徑流導(dǎo)致土壤溶質(zhì)流失的研究更少?，F(xiàn)有的模型缺乏可重復(fù)性，眾多的模型除建立者自己進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證外，很少能被他人直接應(yīng)用到類似問題上，出現(xiàn)大量的重復(fù)勞動，模型的應(yīng)用也受到限制。在研究方法上，側(cè)重于土壤溶質(zhì)在土柱中的運(yùn)移室內(nèi)試驗(yàn)，野外試驗(yàn)觀測資料還顯不足。

4 總結(jié)與展望

地表徑流、壤中流和地下徑流輸出是坡地水文過程的重要組成部分。壤中流對水分在土壤中的再分配和流域徑流產(chǎn)生過程有重要影響，對地表徑流和地下徑流的形成與變化具有重要作用，是區(qū)別傳統(tǒng)Horton入滲模型的核心。盡管國內(nèi)外對坡地土壤水分運(yùn)動與轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量研究，但以往研究主要側(cè)重于室內(nèi)人工降雨條件下初始含水量均一的均質(zhì)、各向同性坡地的表層土壤水分運(yùn)動。野外雖也進(jìn)行了這方面的研究，但對降雨期間坡面水分的入滲規(guī)律以及入滲后的再分布過程分析不夠，而且大部分研究沒有將降雨入滲與坡面產(chǎn)流以及土壤水分的動態(tài)變化過程結(jié)合起來，沒有綜合考慮土壤性質(zhì)的空間變異性、滯后作用、地表結(jié)皮、植被截留以及根系吸水等的影響，尤其是地表徑流、壤中流和地下徑流的分配和輸出過程研究還很缺乏。對于土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究，現(xiàn)有成果主要是研究徑流和溶質(zhì)在土壤中的垂向運(yùn)移，而對其輸出過程卻很少研究，尤其是坡面徑流和土壤溶質(zhì)分層輸出的耦合關(guān)系還沒有深入的研究。土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論的研究亟需從封閉的室內(nèi)土柱試驗(yàn)擴(kuò)展到野外大田觀測，以獲取足夠的數(shù)據(jù)資料來確切地描述溶質(zhì)運(yùn)移過程，使理論研究與生產(chǎn)實(shí)際問題聯(lián)系得更緊密。

今后，坡面水文過程和溶質(zhì)輸出研究應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面：（1）進(jìn)一步提高坡面水文過程和溶質(zhì)輸出觀測手段和方法。同位素方法為研究坡面水文過程和溶質(zhì)輸出提供了一種新的有效手段，它有助于從宏觀上和微觀上闡明坡地水文過程和溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理；（2）進(jìn)一步加強(qiáng)野外長期定位試驗(yàn)研究，從不同時(shí)間尺度上分析土壤水分和溶質(zhì)沿坡面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及輸出特征。（3）發(fā)展和提高土壤水和溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化模擬模型，尤其是徑流和溶質(zhì)輸出耦合機(jī)理模型。

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Advances in the Research of the Law of Slope Runoff and Solute Output

XIE Songhua1,2, TU Anguo2, MO Minghao2, ZHANG Jie2
1. College of LandScape and Art ,Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China

Cultivated slope land is an important source of water loss and soil erosion, and it is also an important agricultural non-point source pollution in China. Slope runoff and solute output are generally regarded as the important process regarding not only soil and water loss and its non-point source pollution, but water and material cycle in the slope eco-agricultural system as well. The hydrological process and solute migration and transformation of slope soil is not only a key research content of soil science, is also a resources environmental problem to solve. This study was conducted to summarize the conclusions made for the studies on slope runoff and solute output at home and abroad from three aspects concerning hydrological process of slope rainfall of the study on output of surface runoff, interflow and subsurface runoff, the simulation study on interflow and soil solute migration. Finally, a further study for the output characteristics and law of red-soil slope surface runoff, interflow and subsurface runoff was pointed out in the paper. The existing studies have been mainly focused on the vertical migration of runoff and solute in the soil but rarely on their output progress especially the coupling relationship between slope runoff and soil solute layered output. Hence, it is high time to convert the enclosing indoor soil column experiments to the spacious wild field observations to obtain sufficient data to precisely illustrate the solute migration process for the sake of the closer connection between theoretical research and practical problems in production. Stable isotopes method applying，long-term field positioning trial and Simulation model development need to be strengthen in the future on slope runoff and solute output research.

slope runoff; solute; output

S157.1

A

1674-5906（2014）09-1551-06

謝頌華，涂安國，莫明浩，張杰. 坡地徑流與溶質(zhì)輸出研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(9): 1551-1556.

XIE Songhua, TU Anguo, MO Minghao, ZHANG Jie. Advances in the Research of the Law of Slope Runoff and Solute Output [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1551-1556.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101266）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201401051）；江西省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目（KT201310）

謝頌華(1978年生)，男，教授級高級工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗帘３?。E-mail:XSHZJL3111@163.com

2014-06-16