壤中流研究進展與展望

肖　雄，吳華武，李小雁,2

(1.北京師范大學資源學院，北京　100875；2.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京　100875)

?

壤中流研究進展與展望

肖雄1，吳華武1，李小雁1,2

(1.北京師范大學資源學院，北京100875；2.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875)

摘要：壤中流是徑流的重要組成部分，對流域徑流調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、泥沙遷移、養(yǎng)分流失等都具有非常重要的作用，是水文學研究的難點和前沿科學問題。論文介紹了壤中流的概念、研究背景和重要性，對壤中流研究的國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢和熱點研究內(nèi)容進行了總結(jié)，同時分析了壤中流形成的影響因素，總結(jié)并討論了徑流小區(qū)實驗法、地球物理法、模型模擬法、示蹤劑方法的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，提出了目前壤中流研究中存在的問題，并對未來壤中流研究進行了展望。

關(guān)鍵詞：壤中流；優(yōu)勢流；地表徑流；降雨入滲

引言

壤中流是在土壤中沿不同透水性土壤層界面流動的水流[1]，它是徑流的重要組成部分，對流域徑流調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、泥沙遷移、養(yǎng)分流失以及流域水文循環(huán)計算都具有非常重要的作用[2-4]。壤中流與地表徑流和地下徑流共同組成徑流，是重要的水文循環(huán)要素，而壤中流與地下徑流不同，它具有較高的匯流速度；壤中流與地面徑流也不同，因為它在多孔介質(zhì)中流動，匯流速度要低于地表徑流。壤中流產(chǎn)生的物理條件是包氣帶中存在相對不透水層及上層土壤含水量至少達到田間持水量[5]。

根據(jù)壤中流的運移形式，可將壤中流分為遵循達西定律的基質(zhì)流和不遵循達西定律的優(yōu)勢流。水分在孔隙度較小、性質(zhì)較為均一的土壤中運移時流速均勻，但將達西定律應用于含有大孔隙的土壤時，結(jié)果往往與達西定律所描述的有較大差異，因為土壤大孔隙可成為水分快速運移的通道，故而達西定律并不能很好地描述水分在大孔隙中的運動，這部分經(jīng)過大孔隙通道傳輸?shù)乃鞣Q為“優(yōu)勢流”[6]。根據(jù)優(yōu)勢流的形成方式將土壤非飽和帶中的優(yōu)勢流分為不同類型，如大孔隙流、指流、漏斗流、繞流、溝槽流、短路流和管流等[7-8]。由于優(yōu)勢流非線性的特征，描述優(yōu)勢流的非均勻性則非常重要，目前有基于染色實驗的方法描述優(yōu)勢流在土壤中運移路徑的分布特征[9-10]，也有通過概率統(tǒng)計和分布模型的方法來對優(yōu)勢流的非均質(zhì)特征進行表征[11-13]，壤中流的研究由均質(zhì)走向非均質(zhì)體現(xiàn)在對優(yōu)勢流的研究。

壤中流是地下徑流、河流、湖水的重要補給來源，是流域徑流過程中一個重要的組成部分，對于整個流域的水資源形成和徑流產(chǎn)生都非常重要，而影響壤中流的因素較多且相互作用的情況較為復雜，土壤性質(zhì)、植被覆蓋、降雨特征、土壤表層結(jié)皮、土壤初始含水量和坡度等因素都可影響壤中流的形成和運移。同時由于壤中流的形成和運移條件較為復雜，壤中流的實驗觀測難度很大，目前壤中流研究已成為水文學和土壤學交叉研究的熱點和難點領域。本文概述壤中流領域研究的總體發(fā)展態(tài)勢、壤中流的影響因素、研究方法、未來壤中流領域研究發(fā)展方向及其存在的主要問題。

1壤中流研究的國內(nèi)外總體發(fā)展態(tài)勢及主要研究論題

壤中流研究在現(xiàn)階段地球科學發(fā)展中處于極為重要的地位，同時還是當前水文學和土壤學領域研究的熱點問題之一。通過文獻計量方法，利用關(guān)鍵詞“subsurface flow”或“interflow”在Web of Science中統(tǒng)計自1990年以來不同年份和不同國家壤中流研究論文發(fā)表數(shù)量和被引頻次。結(jié)果表明全球壤中流研究呈現(xiàn)迅速增長態(tài)勢，有關(guān)壤中流研究的SCI論文發(fā)表數(shù)量從1990年的6 篇增加到2014年的309 篇，論文被引頻次增加顯著(圖1)，可以看出研究人員及相關(guān)研究機構(gòu)逐漸認識到壤中流研究在地球科學研究中的重要性。

圖1　1990—2014年壤中流研究論文發(fā)表數(shù)量及被引頻次變化

利用壤中流研究中的關(guān)鍵詞“subsurface flow” 和“interflow”共搜索出3 717篇論文，研究涉及到生態(tài)學、水文和水資源學、地質(zhì)學、農(nóng)學、地理學、植物學、林學等領域。從圖2可以看出，1990年以來美國關(guān)于壤中流研究發(fā)表的論文數(shù)比例最高，達31.18%；其次為中國，占18.21%；第三為德國達7.48%，這說明壤中流相關(guān)研究的熱度和關(guān)注度在不同國家及地區(qū)間有明顯的差異性。圖3顯示：美國、中國、德國和加拿大自1990年以來論文發(fā)表數(shù)量及被引次數(shù)均呈增加趨勢，美國在壤中流研究領域所發(fā)表的論文數(shù)一直居高不下，中國該領域研究起步較晚，從1990年代末期才開始大量投入相關(guān)研究，但論文發(fā)表數(shù)量迅速增加且明顯快于其他國家(美國、德國及加拿大)，2010年后相關(guān)論文發(fā)表數(shù)超過美國，德國和加拿大在壤中流研究領域論文發(fā)表數(shù)增加趨勢緩慢(圖3a)。然而，中國與美國依然差距很大，特別是論文被引頻次方面。1990—2014年美國在壤中流領域發(fā)表的SCI論文數(shù)量為1 097篇，是中國的近2倍，文章被引頻次25 149，是中國的6倍多，而且中國在壤中流領域論文的被引頻次明顯低于世界平均水平(圖3b)。在高被引論文數(shù)量方面，美國有7篇，被引頻次達1 525次，而中國只有1篇，被引頻次僅有19次，加拿大和德國高被引論文數(shù)及被引頻次與中國狀況相當。總體來看，中國在國際學術(shù)影響力的提升方面要滯后于SCI論文數(shù)量的增長，說明中國在該領域研究成果的學術(shù)影響力有待加強，提高研究質(zhì)量成為未來階段的重點。

從1990—2014年壤中流領域研究TOP30高被引論文(SCI被引次數(shù)最高的30篇論文)分析來看，TOP30高被引論文所涉及研究內(nèi)容主要集中在壤中流的產(chǎn)流特征，壤中流對溶質(zhì)(養(yǎng)分)運移、物質(zhì)循環(huán)的作用以及壤中流對工程建設的影響等幾個方面。

圖2　世界不同國家有關(guān)壤中流

圖3　1990—2014年間美國、中國、德國及加拿大

1.1壤中流的產(chǎn)流特征

由于流域的氣候特點、空間尺度、土壤前期含水量、匯水面積、山坡坡度、土壤厚度、土壤孔隙度、土壤飽和/非飽和導水率等不同，壤中流的產(chǎn)流特征及對流域徑流的貢獻率都會發(fā)生變化[14]。Boulet等[15]對西班牙北部桉樹林區(qū)的地表徑流以及壤中流的研究發(fā)現(xiàn)，地表徑流并不是區(qū)域內(nèi)最主要的產(chǎn)流形式，即使在降水較多的濕潤時期，地表徑流的產(chǎn)流量在區(qū)域內(nèi)也存在一定的空間異質(zhì)性，產(chǎn)流率僅僅在0.6%～6%之間，而壤中流則為該區(qū)域的主要產(chǎn)流形式，其中，在巖土界面產(chǎn)生的管流和基質(zhì)流是壤中流的主要產(chǎn)流形式。謝頌華等[16]研究表明紅壤在不同地表處理條件下，壤中流可占到總產(chǎn)流量的68.4%～90%。Hopp等[17]對阿拉斯加東南部氣候暖濕、矸石上覆土壤區(qū)域的降雨徑流研究發(fā)現(xiàn)側(cè)向壤中流可占總降雨量的68%。在同一地區(qū)內(nèi)，降雨過程、雨量和雨前土壤含水量的不同也是導致壤中流產(chǎn)流量差異的重要因素。Van等[18]對西班牙西南部一次半干旱區(qū)坡地水文過程的研究發(fā)現(xiàn)：在強降雨事件中，坡地產(chǎn)流模式為超滲產(chǎn)流，產(chǎn)流方式主要為地表徑流，壤中流產(chǎn)流量占總徑流量的13%；在弱降雨事件中，土壤中孔隙逐漸濕潤，大孔隙流成為壤中流的主要形式，壤中流產(chǎn)流量可占總徑流產(chǎn)流量的80%。同時在一次降雨徑流過程中，壤中流對流域徑流的貢獻比例也隨降雨過程而變化，Burns等[19]使用端元分析模型量化佐治亞州Panola山脈坡地河流徑流幾個主要水分來源貢獻比例，發(fā)現(xiàn)坡地產(chǎn)流主要以壤中流的形式產(chǎn)生，壤中流對河流的貢獻率與降雨雨強的對應關(guān)系較為明顯，壤中流對總徑流的貢獻率在15%～20%之間。

1.2壤中流對溶質(zhì)(養(yǎng)分)運移及物質(zhì)循環(huán)的作用

溶質(zhì)(養(yǎng)分)在土壤中的運移特征在不同的氣候、地形等條件下，其時空異質(zhì)性較大，運移的路徑也千差萬別，通過系統(tǒng)觀測能較全面地探討壤中流對土壤養(yǎng)分空間分布的影響機制。Shen等[20]系統(tǒng)地探討了壤中流對于沼澤地區(qū)養(yǎng)分分布的影響，并指出雖然地形、土壤性質(zhì)、地層分布、蒸散發(fā)等因素對于區(qū)域內(nèi)養(yǎng)分的分布有重要影響，但壤中流的作用同樣不可忽視，例如鹽分梯度所產(chǎn)生的優(yōu)勢流可有效地增加地表水與地下水、溪邊與沼澤內(nèi)部水分的聯(lián)通與交換。而對于一些地形較為平緩、植被覆蓋較好、地下水水位較高、氣候濕潤的流域，不飽和土壤中的壤中流可以攜帶大量養(yǎng)分[21-22]。壤中流中養(yǎng)分的遷移發(fā)生于土壤中的淋溶過程以及優(yōu)勢流中，最開始向下遷移的是氮、磷等。在超量供水條件下，農(nóng)田土壤氮的主要損失途徑是通過淋溶的方式進行，同時是氮進入壤中流的重要方式，在某些特定的情況下，壤中流中氮濃度可以達到地表徑流中氮濃度的5～22倍[23]。Wang等[4]經(jīng)過長時間的觀測發(fā)現(xiàn)，紫色土中氮的主要流失形式為壤中流，占流失總量的22%，而通過地表徑流流失的比例僅為0.6%。通常認為磷對于土壤有較強的親和力，在沒有淋溶及大規(guī)模磷的向下遷移發(fā)生的情況下，磷的流失主要通過地表徑流引起[24]，但有實驗表明，壤中流也是磷流失的一個重要途徑[25]，如在沙質(zhì)土壤的積水區(qū)內(nèi)，壤中流是溶解態(tài)和懸浮顆粒態(tài)磷向河道運移的主要方式[26]。陳玲等[27]的研究表明，壤中流中總磷和顆粒態(tài)磷可在產(chǎn)流初期產(chǎn)生峰值，而在地表徑流和壤中流中，溶解態(tài)無機磷占溶解態(tài)總磷的比例較高。對于人工濕地養(yǎng)分、污染物、細菌菌落分布和水力效應影響的研究在近幾年也成為壤中流研究中的熱點問題[27-32]，如Yu等[31]探討了水平和垂直壤中流對模擬人工濕地系統(tǒng)固磷能力的空間異質(zhì)性影響，結(jié)果表明：雖然無機磷在模擬人工濕地系統(tǒng)中的小范圍分布存在明顯的根區(qū)以及入流/出流效應，但無機磷的分布與水平方向的壤中流存在顯著正相關(guān)關(guān)系。以上研究結(jié)果表明壤中流在溶質(zhì)(養(yǎng)分)運移中扮演重要作用，對壤中流的研究可以為減少土壤養(yǎng)分流失、提高農(nóng)業(yè)養(yǎng)分利用效率提供切實有效的科學依據(jù)。

1.3壤中流對工程建設的影響

壤中流也是工程建設和山地災害預防中必須考慮的重要因素之一。有研究表明，在風化程度較強的花崗巖地區(qū)，長時間、大雨強的降雨從巖石縫隙入滲成為壤中流的水分來源，即使降雨已經(jīng)停止，壤中流仍舊會逐漸向上滲漏到上覆土層中，當水位提升到臨界值時就會誘導山體滑坡的產(chǎn)生[33]。壤中流的影響在公路建設過程中同樣需要考慮，例如在修建公路的排水溝和截水溝時如果僅僅考慮地表徑流的影響而沒有考慮壤中流，壤中流在降水后不斷地從土壤水滲漏出來，因為不能順利地流到坡腳而積蓄在坡面中間，造成大面積的坍塌，特別是工程施工期間會在山體邊緣造成山體斷裂，故而必須設計能夠引導壤中流的排水溝[34]。

2壤中流形成的影響因素

壤中流形成的先決條件和影響因子極為復雜。由于包氣帶土層物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的復雜性，造成土壤自地表到相對不透水層往往形成多個層次，且不同層次之間土壤性質(zhì)差異明顯，同時由于劇烈的非線性特征和滯后現(xiàn)象使得有些地區(qū)壤中流匯流速度很慢，壤中流峰值往往滯后于降雨徑流主峰2～4 d[35-37]，即使在均一、非濕脹的土壤中，壤中流過程也非常復雜。不同地區(qū)壤中流產(chǎn)流特征差別較大，而在一個小流域或坡面上，壤中流的形成和運移特征往往也會因為區(qū)域內(nèi)植被、地形和土壤存在異質(zhì)性而不同。影響壤中流的因素主要有降雨因素(包括雨量、雨強和降雨過程)、土壤因素(包括土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地、土壤中的植物根系、土壤表層結(jié)皮、土壤雨前含水量)、植被因素(如植被種類以及植被覆蓋率等)和地形因素(如坡度)等。

2.1降雨因素

壤中流的產(chǎn)流量與降雨量有較顯著的正相關(guān)關(guān)系。Fu等[38]對中國南方花崗巖小集水區(qū)內(nèi)降雨徑流特征研究發(fā)現(xiàn)，占總徑流比例相對較大的壤中流只有在降雨量或者雨強較大時才會產(chǎn)生。降雨量對于壤中流的影響取決于能否形成水分的側(cè)向流動，降雨特征對壤中流的影響主要表現(xiàn)在降雨強度和降雨歷時2個方面[39]，例如在土壤土質(zhì)較為疏松多孔的地區(qū)，優(yōu)勢流發(fā)育較為充分，遇到較大強度降雨時，水分會以較快的速度入滲，進而形成壤中流，而基質(zhì)流在土壤中的入滲速度較慢，雨水入滲的過程較為均一，故整個降雨過程中降雨的總量對基質(zhì)流的影響最為顯著[40]，如上文所述，基質(zhì)流和優(yōu)勢流的區(qū)別就在于是否遵循達西定律、能否快速形成產(chǎn)流。在人工降雨試驗的條件下，對于紫色土而言，小雨強、長歷時的降雨更容易形成壤中流，而相反，雨強增加時地表容易形成土壤結(jié)皮進而造成壤中流產(chǎn)流量較低，雨水多轉(zhuǎn)化為地表徑流[41]。

2.2土壤因素

土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地充分影響壤中流的形成，一般來說，包氣帶以下的一個相對不透水層是壤中流形成不可缺少的因素。汪濤等[36]對紫色土地區(qū)壤中流產(chǎn)流特征的研究發(fā)現(xiàn)：紫色土由紫色頁巖風化形成，紫色頁巖易于崩解和風化，土壤質(zhì)地疏松多孔且礫石含量較多，使得水分更加容易向更深層次土壤入滲，進而在土壤相對不透水層以上形成壤中流。土壤結(jié)構(gòu)有時會成為壤中流形成的重要因素，如華北石質(zhì)山區(qū)的土壤層淺薄，持水能力低，容易達到飽和，壤中流產(chǎn)流特點為陡漲或陡落，且產(chǎn)流量較少，遠低于地表徑流和風化帶出流的產(chǎn)流量[42]；太行山片麻巖區(qū)坡地具備典型的“巖土二元結(jié)構(gòu)體”，在巖石和土壤的交界面處或巖石裂隙易形成壤中流[43]。土壤容重也是影響壤中流形成和運移的一個重要因素，容重大的土壤中基流較為發(fā)育，大孔隙流則較少產(chǎn)生，進而影響壤中流對于土壤的沖刷作用，同時在不同介質(zhì)中運移的壤中流所攜帶的溶質(zhì)成分和含量也會有所不同[44]。對于森林流域內(nèi)的坡地，表層土壤質(zhì)地疏松多孔，有利于雨水向土壤更深層次入滲，坡地地形所產(chǎn)生的重力作用也利于土壤水以壤中流的形式向坡下方運移，同時森林坡地由于存在植物根系消耗土壤水分的作用，使得土壤中的水分分布不均勻，而根區(qū)更多的大孔隙也導致水分在土壤中以更快的速度運移，加快了水分在土壤中的傳導，以上因素使得森林流域內(nèi)的坡地極易形成壤中流[45]。

土壤表層結(jié)皮對壤中流有重要影響，降雨落到地表后，由于土壤表層結(jié)皮具備阻塞水分向下入滲的能力，進而阻礙壤中流的發(fā)生，入滲的雨水越少則越有利于地表徑流的形成[46]。徐勤學等[41]對不同植被覆蓋下紫色土坡地壤中流的研究表明：壤中流的產(chǎn)流量與地表結(jié)皮存在一定關(guān)系，裸地由于在雨水的擊濺下形成了地表結(jié)皮，地表結(jié)皮減少了水分的下滲，降雨更多地轉(zhuǎn)化為了地表徑流，從而使得壤中流產(chǎn)流量減少。

雨前土壤含水量對壤中流的影響一方面表現(xiàn)在對水分入滲速率的影響上，有研究表明，水分的入滲速率與土壤含水量成反比[47]，同時雨前土壤含水量越大則坡地壤中流產(chǎn)流開始的時間明顯提前[48]。而雨前土壤含水量對壤中流另一方面的影響表現(xiàn)在對于壤中流的補給上，對于相同的降雨而言，雨前土壤含水量越大則壤中流產(chǎn)流量越大，相對較高的雨前土壤含水量是壤中流產(chǎn)生的重要條件之一[49]。有研究表明，紫色土壤中流形成的前提是土壤水分飽和或者得到充分的水分補給，水分補給的方式如大雨和暴雨等，壤中流的產(chǎn)流過程相對于降雨過程有一定的滯后，但壤中流在雨后的產(chǎn)流與降雨強度無關(guān)[50]。

對于西北干旱區(qū)而言，一些非降水性陸面水分分量，比如空氣中的霧水、空氣中水分在土壤表面凝結(jié)的露水或霜、來自下層土壤的水分(土壤毛管抽吸水和土壤蒸餾水)等，是土壤水分相當重要的補給來源，在某些降水量極低的地區(qū)對于土壤水分的補充作用甚至超過了降水[51]，所以在西北干旱區(qū)壤中流的研究中，一些陸面過程參數(shù)、植被生理生態(tài)指標的獲取是必不可少的。土壤對于太陽輻射的反照率、表層土壤向深層土壤傳遞熱量的能力、土壤水分的蒸發(fā)以及植物蒸騰作用的強弱都深刻影響著西北干旱區(qū)非降水性陸面水分分量和土壤水分的變化，張強等[52]對西北干旱區(qū)戈壁土壤反照率和熱傳導率等土壤參數(shù)進行了實驗室測量和野外實測的對比，從而為西北干旱區(qū)土壤水分和壤中流的研究提供了基礎。

2.3植被因素

植被覆蓋也是影響壤中流的一個重要因素。即使對于同一區(qū)域，不同植被覆蓋下地表徑流與壤中流的產(chǎn)流量也會有極大不同，呂錫芝等[53]對黃土高原坡地不同植被覆蓋下壤中流和地表徑流在降雨徑流過程中所占比例的研究中發(fā)現(xiàn)：不同植被覆蓋下壤中流和地表徑流的產(chǎn)流率差異較大，其中混交徑流小區(qū)的壤中流產(chǎn)流量可占總徑流的90.86%。Zhao等[54]基于人工降雨實驗來分析植被覆蓋率對于壤中流的影響，結(jié)果表明降雨量相同時植被覆蓋率大的徑流小區(qū)內(nèi)壤中流產(chǎn)流率更高，原因是植被覆蓋較多的地表可以有效減緩地表徑流的流速，使得更多水分下滲，從而增加壤中流的產(chǎn)流量，但雨強對于壤中流產(chǎn)流影響不明顯，與當?shù)赝寥蕾|(zhì)地有關(guān)。王峰等[55]對湖南紅壤丘陵區(qū)自然降雨條件下壤中流產(chǎn)流過程進行了研究，用油茶林和恢復區(qū)2種植被覆蓋進行對比，結(jié)果表明：油茶林和恢復區(qū)的壤中流產(chǎn)流特征不同，油茶林壤中流產(chǎn)流量大于同層恢復區(qū)，產(chǎn)流歷時也較長，同一土地利用方式下，深層土壤壤中流產(chǎn)流量更大且迅速。劉泉等[56]對土石山區(qū)降雨徑流過程的研究發(fā)現(xiàn)：植被覆蓋對壤中流有著直接影響，植被覆蓋越大則壤中流的產(chǎn)流量越高，反之地表徑流的產(chǎn)流量會相應地增加。

2.4地形因素

坡度對壤中流的影響也很大，前人對土壤水分與坡度的關(guān)系做了許多研究。對于坡地徑流過程而言，雨水落到坡地后會受到重力的作用，坡度越大則落到地表的雨水更容易形成地表徑流，進而導致壤中流產(chǎn)流量減少。同時，坡地壤中流產(chǎn)流歷時與坡度具有良好的指數(shù)相關(guān)性，而土壤穩(wěn)定入滲速率與坡度表現(xiàn)出良好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系[48]。坡度較小的地區(qū)地表徑流和壤中流產(chǎn)流量都較低，進而可以起到良好的保氮和固磷作用[57]。

綜上所述，眾多影響因素都對壤中流的產(chǎn)生起重要作用，每個因素的改變都會對壤中流的運移路徑、產(chǎn)流量、運移方式(基質(zhì)流或優(yōu)勢流等)以及壤中流中所攜帶的溶質(zhì)數(shù)量造成影響。其中有些因素是壤中流形成中不可缺少的，首先，充足的水分來源是形成壤中流所必須的，例如要有足量的降水補充和雨前土壤水含量才能形成壤中流，若是降雨量太小或是雨前含水量太低，則雨水落到地面后多用來補充土壤的水分虧缺，而不會發(fā)生雨水將雨前儲存在土壤中的水分驅(qū)替而出的過程，進而也就不會形成壤中流。同時，降水量或者土壤水含量越高，則壤中流產(chǎn)流量越高。但壤中流的形成并不要求土壤水含量必須達到飽和，例如在包氣帶達到水分飽和狀態(tài)前，在局部相對不透水層的作用下，由于水分下滲速率小于水分側(cè)向流動速率，壤中流也可以小范圍產(chǎn)生，所以相對不透水層也是側(cè)向壤中流形成的另一個重要條件。而土壤質(zhì)地、土壤表層結(jié)皮、植被覆蓋和坡度等因素都可以不同程度地對壤中流產(chǎn)生影響，但這些因素并不是壤中流能否形成的關(guān)鍵性因素。目前國內(nèi)外對于壤中流影響因素的研究還局限在1種或2種因素的改變上，且各因素對于壤中流的影響還多為定性的研究，缺乏多影響因子協(xié)同作用、定量化的研究，這在后續(xù)的研究中還需要加強和深入。

3壤中流的研究方法

3.1徑流小區(qū)實驗法

徑流小區(qū)實驗法是世界上研究坡面徑流的代表性方法之一，也是目前研究坡面徑流最直觀、最準確的方法。其他方法都需要借助徑流小區(qū)來進行驗證或控制產(chǎn)流條件，根據(jù)不同的地形、植被覆蓋、土壤性質(zhì)、區(qū)域產(chǎn)匯流特點進行選擇和布置，同時根據(jù)實驗目的來布置徑流小區(qū)。徑流小區(qū)按照大小可分為微型小區(qū)、一般小區(qū)和大型小區(qū)3類[58]，在坡面上或流域內(nèi)進行壤中流研究則需要根據(jù)實驗目標和研究區(qū)特點來布置徑流小區(qū)。

但布置徑流小區(qū)時往往也存在尺度和異質(zhì)性問題。一般來說，降雨后雨水一部分被植被冠層截留，一部分從地表入滲到土壤中，還有一部分在地表形成徑流。地表徑流在經(jīng)過一段距離的運移后也有可能入滲到土壤中與土壤中的壤中流匯合[39]，所以壤中流的產(chǎn)匯流過程較為復雜。同時壤中流的產(chǎn)匯流過程往往發(fā)生在一個坡面甚至更大的尺度上，形成壤中流需要相對不平坦的地形、一個較大的匯水坡面和較多的降水，但在大流域內(nèi)由于土壤性質(zhì)、地形的空間異質(zhì)性較高，甚至對于一個坡面而言，不同坡位的土壤性質(zhì)和植被覆蓋都會有明顯的差異，人為影響如耕作方式的不同也對壤中流的產(chǎn)匯流有重要影響。然而以往的觀測研究多集中在標準徑流小區(qū)尺度(5 m×20 m)和坡面尺度開展，或者在點尺度上對土壤或人工濕地系統(tǒng)利用染色法或元素示蹤法進行水分和溶質(zhì)運移的研究，無法完整系統(tǒng)地觀測壤中流的形成、運動、匯流至河道或湖泊等過程，所以需要借助衛(wèi)星遙感手段來劃分壤中流的產(chǎn)匯流區(qū)域，同時在坡面尺度甚至在流域尺度上建立壤中流的觀測系統(tǒng)。

3.2地球物理方法

以往的研究在建設徑流小區(qū)時對土壤擾動較大，壤中流的形成和運移已經(jīng)受到了干擾，從而改變了壤中流觀測斷面原有的水力學邊界條件，在此情形下獲得的壤中流觀測結(jié)果不能很好地代表包氣帶中壤中流的真實情況，所以需要建立在不破壞、不擾動原狀土壤前提下可精確研究壤中流產(chǎn)匯流的觀測系統(tǒng)，例如使用CT掃描、磁共振成像、電阻層析成像(ERT)、時域反射儀法(TDR)、探地雷達(GPR)、大地電導率儀(EMI)等地球物理新技術(shù)來研究壤中流的形成和運移過程。

CT掃描技術(shù)是一種非入侵性的三維成像技術(shù)，可在不破壞、不擾動土壤的前提下對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的幾何介質(zhì)和拓撲特征進行表征，通過計算機圖像處理技術(shù)來進行可視化，從而獲得土壤孔隙的三維結(jié)構(gòu)[59]。CT掃描技術(shù)最初應用在對土壤密度和土壤含水量的測量上[60]，經(jīng)過幾十年發(fā)展成為可測量土壤孔隙數(shù)目、位置、形狀和大小的技術(shù)手段[61]。CT掃描技術(shù)還可以利用軟件對掃描得到的圖像進行分析，如提取出根系直徑和長度等形態(tài)信息以及植物根系在土壤中位置和密度等分布信息[62-63]。同時，土壤質(zhì)地是影響壤中流產(chǎn)生的一個重要因素，利用CT掃描技術(shù)可以對土壤中的團聚體結(jié)構(gòu)、粒徑組成等進行探究[64-65]，進而在分析土壤孔隙分布、根系分布、土壤質(zhì)地等影響土壤連通性因素的同時，對水分在土壤中下滲和側(cè)向流動的可能運移路徑和運移方式進行探討，例如可判定水分是以基質(zhì)流還是以優(yōu)勢流的方式運移。

核磁共振技術(shù)與CT掃描技術(shù)同屬于在不破壞、不擾動原狀土壤的前提下對土壤孔隙結(jié)構(gòu)進行多維、定量描述的技術(shù)手段，而核磁共振的頻率更高[66]。Metzner等[67]將核磁共振技術(shù)和CT掃描技術(shù)對于植物根系的三維成像效果進行了比較，結(jié)果顯示2種方法對小根系的成像效果相當，由于CT掃描技術(shù)分辨率較高，對根系細節(jié)的表現(xiàn)上更好，核磁共振成像技術(shù)則由于具有較高的頻率而對根系分形維數(shù)的計算有更好的結(jié)果。核磁共振與CT掃描技術(shù)的應用都為定量分析土壤中孔隙和根系的大小和分布提供了新的手段，同時也是分析水分在土壤中的運移速率和運移方式的新方法。但由于核磁共振技術(shù)的成本要高于CT掃描技術(shù)，核磁共振技術(shù)的應用還不是很廣泛[68]。

除了利用計算機斷層掃描技術(shù)(CT掃描、核磁共振成像)之外，還有利用電阻層析成像儀法、時域反射儀法、探地雷達法、大地電導率儀法等介電特性法對壤中流進行研究。介電特性法主要通過獲取媒質(zhì)的介電系數(shù)，同時建立起介電系數(shù)與媒介含量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而推導出對媒質(zhì)導電能力有影響的媒介含量。應用在對于土壤水的監(jiān)測中則土壤為媒介，水分(媒質(zhì))在土壤中的多少可以顯著改變土壤導電率，可以通過介電系數(shù)反演出土壤含水量。電阻層析成像技術(shù)主要通過測量電極上的電位變化來獲得土壤電阻率值，進而推導出土壤中水分的含量[69]。時域反射儀法基于電磁波在介電特性不同的土壤中傳播速度不同的原理，通過探針發(fā)射并接收反射回來的電磁波來推導土壤含水量[70]。這2種方法可以對固定位置的土壤進行含水量的連續(xù)觀測，在獲得土壤水分的動態(tài)變化的同時來探究壤中流的形成和運移特征。

探地雷達法主要通過發(fā)射與接收大地波或回波并分析波的傳播速度與振幅來推導土壤含水量，雷達波的傳播速度、振幅與土壤含水量存在較強的正相關(guān)關(guān)系[71]。Guo等[72]針對目前對于壤中流的形成、持續(xù)性產(chǎn)流和運移方式等方面的理解尚不清晰的現(xiàn)狀，使用延時性探地雷達解釋壤中流在坡地上的運移方式和路徑等方面的問題，結(jié)果表明：在一場降雨徑流過程中，區(qū)域內(nèi)水分下滲速率和土壤含水量因土壤性質(zhì)存在空間異質(zhì)性而不同，雷達信號也會由此而不同，建立較好的雷達信號與土壤含水量的關(guān)系，可以從探地雷達波的傳播速度和振幅等數(shù)據(jù)中挖掘壤中流產(chǎn)生及運移的信息。大地電導率儀法主要通過發(fā)射磁場對土壤介電特性進行探測，可在點尺度和空間尺度上測量土壤表光電導率(ECa)，根據(jù)不同土壤性質(zhì)下的光電導率與土壤含水量的經(jīng)驗公式，計算得到土壤水空間分布信息，有實驗表明土壤含水量和表光電導率的相關(guān)性系數(shù)較高[73]。這2種方法都可快速、準確地獲得土壤水分空間分布的綜合信息，對于面積較大和水文條件復雜區(qū)域內(nèi)土壤含水量的監(jiān)測有較大潛力。

但地球物理新技術(shù)的應用仍舊存在較大局限性。首先，實驗的開展需要較多的資金，例如在坡面尺度上開展壤中流的研究時，需要沿著坡面安裝若干套ERT土壤水分探頭或TDR探針，才有可能捕捉到一次降雨徑流過程中較為完整的土壤水分動態(tài)變化信息，而布置相關(guān)的實驗設備花費較高。CT掃描和核磁共振成像技術(shù)目前僅應用在微觀或者小尺度的土體上，并且需要從野外將原狀土壤采集回實驗室掃描，采集回實驗室的原狀土壤往往受到不同程度的擾動，而如何將計算機斷層掃描技術(shù)應用到田間實驗是亟待解決的問題。探地雷達法和大地電導率儀法所獲取的土壤含水量數(shù)據(jù)通常是某一固定時刻的數(shù)值，無法反映土壤水分的動態(tài)變化，而壤中流的發(fā)生和運移卻是動態(tài)、連續(xù)的過程，故而這2種方法并不能滿足壤中流研究的需要。這些局限性使得地球物理方法難以應用到大尺度的壤中流研究中，一些新技術(shù)還處在理論研究和應用的拓展上，這些實際問題的解決還亟待實驗儀器在應用方面有突破性進展。

3.3模型模擬

水文模型運用數(shù)學方法定量刻畫壤中流的發(fā)生和運動、植被與水文過程的相互作用及評估環(huán)境變化與生態(tài)水文效應，同時可以模擬全球變化對壤中流的影響[74]。描述壤中流的發(fā)生和運移所用到的數(shù)學及物理方法主要根據(jù)Buckingham提出的毛管勢理論、Richards提出的非飽和流方程。國內(nèi)外對壤中流模型已開展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果，使本來較為復雜的壤中流的發(fā)生和運移有了可以定量描述的工具，同時近20 a來計算機技術(shù)的高速發(fā)展為壤中流的模型模擬提供了有力的工具，對于土壤中水分運移的研究也完成了從靜態(tài)分析到動態(tài)分析的邁進，對于壤中流的研究也逐漸成熟化、系統(tǒng)化[75]。

根據(jù)不同的標準，壤中流模型有不同分類，以下按照模型中對土壤與水文過程相互作用的描述，將現(xiàn)有模型歸為3大類，即貯水—泄流模型、動力波模型和Richards模型。前人對這3大模型的原理、應用和優(yōu)缺點已經(jīng)進行了系統(tǒng)且詳細的分析[76-77]：Richards模型對于土壤水分的求解較為精確，但由于其計算過程以及結(jié)果比較復雜，不便于在較大流域中應用，同時也不能較好地應用在暴雨徑流的預測上；貯水—泄流模型由于其計算方法和結(jié)果較為簡單，可以很好地應用于暴雨徑流的預測上；動力波模型的應用對于壤中流強度的下限有所限定(Ks>140 mm·h-1)，這使得動力波模型具有一定的局限性。

在以上3種模型基礎上，壤中流模型也不斷得到改進。有學者構(gòu)建了更為精簡的坡地壤中流模型，即為貯水—泄流模型的改進版，并在闊葉紅松林流域坡面土壤對其進行了驗證，同時與原模型進行對比分析，結(jié)果表明改進后的模型要比原貯水—泄流模型的精度更高[78]。另有學者針對現(xiàn)有壤中流模型簡化地表徑流與壤中流相互影響的不足，采用飽和入滲理論、Saint-Venant方程和Richards方程構(gòu)建了地表徑流—壤中流耦合模型，并應用于實驗室模擬，較好地描述了坡面地表徑流和壤中流的耦合產(chǎn)流機制[79]，但該耦合模型僅應用于室內(nèi)模擬實驗，未考慮到冠層截留、蒸散發(fā)和地下水交換等水文過程對壤中流的影響，同時模型假設土壤均一且忽略了枯枝落葉對產(chǎn)流的影響，故有待于進一步的研究和改進。

現(xiàn)有模型在以下幾個方面等尚存在問題：(1)現(xiàn)今所有壤中流模型中對降雨條件的設定過于均一，但野外真實情況是雨強隨時間而改變，同時壤中流產(chǎn)流過程隨雨強而改變；(2)大多數(shù)壤中流模型將所應用的條件設定為理想坡面，對于自然坡面條件下壤中流持續(xù)產(chǎn)流的研究較少；(3)壤中流的模擬研究多為室內(nèi)實驗，許多野外條件下可能影響壤中流發(fā)生和運移的因素并未考慮到，然而在野外的坡面、小流域以至于大流域中，土壤、植被、地形等因素異質(zhì)性較大，導致模型在實際應用時存在誤差和不能反映野外真實情況等問題，故而現(xiàn)有模型仍舊需要調(diào)整以提高模擬的有效性。以上問題是未來壤中流模型研究的重點，需要開展深入的研究。

3.4示蹤劑方法

采用示蹤劑可以較好地示蹤水分在土壤中的運移路徑，在國內(nèi)外的研究中應用較多，示蹤劑方法可應用在野外大尺度中，對壤中流的運移路徑和運移速度進行示蹤研究，同時該方法可以在不擾動土壤的前提下對水分的運移進行示蹤，示蹤劑包括染色劑和水化學示蹤劑。

染色劑示蹤法最早應用在描述土壤中動物活動所形成的孔洞方面[80]，目前在點尺度上對水分的運移路徑和方式進行的研究較多，易溶于水的染色劑可以較好地對水分進行示蹤。染色劑法在點尺度上對優(yōu)勢流的研究有較好的效果，但需要進行配置溶液、場地準備、溶液入滲、挖開土壤、拍照和后期圖像處理分析等步驟，實驗流程較為繁瑣[81]。該方法也有較大的局限性，例如將染色劑示蹤法應用在較大尺度上水分運移研究時，染色劑溶液在被水分長距離搬運后往往難以在土壤中觀測到清晰的染色痕跡，所以需要找到更好的染色劑來對壤中流進行示蹤研究。

水化學示蹤劑主要應用鈣、鎂離子和土壤水溶液電導率以及PH值等參數(shù)來進行研究，但應用這些參數(shù)時通常會遇到一些問題，例如參數(shù)易受到影響，因為水在流域內(nèi)循環(huán)過程中易與流經(jīng)的土壤和巖層發(fā)生化學元素的交換，也有可能會發(fā)生化學反應，進而改變水體的水化學特征。有時在流域內(nèi)不同位置采集到的水樣的水化學參數(shù)相差很大，因此在解釋這些水化學參數(shù)的差異時存在很大的不確定性[82]，所以水化學示蹤劑法應用于壤中流的研究時顯得不那么可靠，使用更為可靠的示蹤劑來研究坡地壤中流的發(fā)生以及運移就顯得非常重要。

目前劃分徑流中各成分最常見的方法是氫氧同位素方法，氫氧同位素技術(shù)的應用為水循環(huán)研究提供了新的手段。氫氧同位素(D和18O)以不同的比率存在于自然水體中，其組成大小是區(qū)別不同水體的理想指標。在水循環(huán)中，水通過蒸發(fā)、凝聚、降落、滲透和徑流形成水循環(huán)，水體中氫氧同位素組成在徑流的形成、運移、混合等過程能敏感地響應環(huán)境條件變化且會發(fā)生不同程度相態(tài)變化，從而引起各個階段同位素分餾作用，繼而能夠反映自然水體在相態(tài)變化以及徑流與地表物質(zhì)接觸過程中的氫氧同位素分餾[83]，通過氫氧同位素可以將徑流分割為坡面徑流、壤中流、地下徑流、棲息飽和徑流等類型[84]。目前環(huán)境同位素方法可以準確估算徑流貢獻來源和比例，具體方法是在研究區(qū)域內(nèi)的一次降雨事件前后，以固定的時間間隔在一個坡地的不同坡位或是在流域內(nèi)的不同位置采集土壤水、壤中流、地表徑流和大氣降水，通過比較分析不同水體間的氫氧同位素特征，探討壤中流在坡地或者流域內(nèi)的運移方式和路徑[85-87]。所以，氫氧同位素在壤中流的研究中可作為一種良好的天然示蹤劑 。

利用氫氧同位素方法對壤中流的研究取得了許多進展。其中對壤中流的產(chǎn)流來源進行研究時發(fā)現(xiàn)，來源可分為新水和舊水，新水即一次降雨徑流事件中補充的水分，而舊水則為降雨前儲存在土壤中或者地表的水分。新水和舊水對于徑流的補充方式各有不同，例如降雨落到地表后，徑流接收到降雨補充的水分開始形成，而當雨水入滲到土壤中以后，降雨前儲存在土壤中的水分(即舊水)會被驅(qū)替出來，融入到本次降雨徑流過程中所產(chǎn)生的壤中流中，形成壤中流，進而產(chǎn)生新舊水混合的結(jié)果[88]。謝小立等[89]運用氫氧同位素方法對紅壤坡地的壤中流發(fā)生機制進行了研究，結(jié)果表明淺層和深層土壤壤中流來源不同，且水分來源主要為原有的土壤水分。有研究基于氫氧同位素分割徑流確定新水和舊水對壤中流的貢獻，特別是利用模型確定新水和舊水對壤中流的具體貢獻比例[90-92]。同時，在一場降雨徑流過程中新水和舊水對徑流各有一定的貢獻，通常隨著徑流過程的不同，新舊水對于徑流的貢獻也是一個動態(tài)的過程[93]。

氫氧同位素方法在壤中流及徑流組分分割研究中也存在許多產(chǎn)生誤差的因素，主要來源于：(1)同位素測量技術(shù)本身存在的誤差；(2)雨水在降落過程中受到二次蒸發(fā)以及當?shù)貧夂虻纫蛩氐挠绊?，造成降水中氫氧同位素值發(fā)生變化；(3)18O同位素比率的高程效應；(4)壤中流運移過程中，礦物質(zhì)可能會溶解于壤中流；(5)氫氧同位素隨著時間和空間的變化會發(fā)生一定的改變，進而產(chǎn)生誤差[94]。另外，氫氧同位素法很難確定各個壤中流來源貢獻的具體起止時間，同時無法精確計算產(chǎn)流量的大小，這些都是氫氧同位素方法研究中有待于解決的問題。已經(jīng)有結(jié)合水化學示蹤劑法和氫氧同位素法的研究，對所獲得的信息進行多角度分析，將壤中流的運移路徑和水分來源進行識別和分割，進而達到更準確地認識壤中流的形成、滯留時間和運移路徑的目的[95-96]。

4存在的問題及展望

壤中流與人類生存有著密切的關(guān)系，國內(nèi)外針對壤中流開展了較多研究，目前對壤中流產(chǎn)匯流機理的研究方法已取得了許多重要的研究成果，表現(xiàn)在壤中流的概念及其特征、產(chǎn)生機理、實踐應用等諸多方面，加深理解地球關(guān)鍵帶(Critical Zone)中水文過程、土壤侵蝕過程及溶質(zhì)運移過程的相互作用，更好地解釋了地球關(guān)鍵帶的溶質(zhì)運移過程及路徑，也推動了分布式水文模型及水資源管理等方面的發(fā)展。

但壤中流研究在以下幾方面還有所欠缺并亟待加強：(1)徑流組成成分的研究仍顯籠統(tǒng)，徑流成分組分劃分研究有待于深入，坡面尺度—流域尺度上降水—產(chǎn)流的物理機制尚不明確；(2)地球關(guān)鍵帶中包含著錯綜復雜的地理關(guān)鍵要素(植被、土壤、大氣)且具有高度變異性，而當前的水文循環(huán)研究偏重地表和土體淺層，對地表—土體—地下水等多元素交互作用以及植被對水文循環(huán)的影響方面仍需開展深入研究；(3)目前水文循環(huán)的研究主要依賴于現(xiàn)有的水文模型，忽略了基于水文實驗的水分過程機理在模型中的應用。

同時，關(guān)鍵帶研究涉及地表、土體(飽和帶和非飽和帶)、基巖等多個層次，且不同層次間的水土、溶質(zhì)運移過程錯綜復雜，目前對關(guān)鍵帶多元過程的全要素(如坡面地表和地下水流的速度、波速、物種運移時間等)在時空層面的有效監(jiān)測和檢測手段亟待加強[97]。由于非飽和帶土層物理性質(zhì)及其構(gòu)造的復雜性、人類生產(chǎn)活動和自然因素的綜合作用，目前對壤中流的運移路徑、水分滯留時間(Transit Time，TT)和運移方式的認識尚顯不足。McGuire等[96]研究表明非飽和帶水分運移時間反映了水流路徑的空間變異性以及流域匯流過程的非線性特征，精確地計算水分運移時間并探索與流域下墊面特征的關(guān)系，是深入認識非飽和帶匯流機理、物種能量運移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，其中水分滯留時間分布函數(shù)(Transit Time Distribution，TTD)和平均滯留時間(Mean Transit Time，MTT)能很好地反映流域如何存儲并釋放水分的過程和流域生物地球化學過程及流域?qū)θ祟惢顒雍拖聣|面變化的敏感程度，因此，開展對MTT以及TTD的精確定量分析和計算具有重要意義。

參考文獻

[1] 芮孝芳. 水文學原理[M]. 北京：中國水利出版社,2004.145-147.

[2] Anderson M G, Mcdonnell J J. Encyclopedia of hydrological sciences[M].Chichester: John Wiley and Sons, 2005.1719-1732.

[3] Wilson G V, Cullum R F, R?mkens M J M. Ephemeral gully erosion by preferential flow through a discontinuous soil-pipe[J]. Catena,2008,73(1):98-106.

[4] Wang T, Zhu B. Nitrate loss via overland flow and interflow from a sloped farmland in the hilly area of purple soil, China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2011,90(3):309-319.

[5] 劉廷璽. 壤中流形成機理的數(shù)學描述[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧學院學報，1994，15(3):83-90.

[6] Allaire S E, Roulier S, Cessna A J. Quantifying preferential flow in soils:A review of different techniques[J]. Journal of Hydrology, 2009,378(1):179-204.

[7] Xu Z H, Xu Z M, Cao J W, et al. Present and Future Research of Preferential Flow in Soil[J]. Soils, 2012,44(6):905-916.

[8] Beven K, Germann P. Macropores and water flow in soils revisited[J]. Water Resources Research, 2013,49(6):3071-3092.

[9] Zhu L, Liu D, Zhu C. Multifractal Analysis of the Heterogeneous Soil Water Flow in Root Zone[J]. Journal of Convergence Information Technology, 2013,8(3):1-10.

[10] Gerke K M, Sidle R C, Mallants D. Preferential flow mechanisms identified from staining experiments in forested hillslopes[J]. Hydrological Processes, 2015,29(21):4562-4578.

[11] Sheng F, Liu H, Zhang R, et al. Determining the active region model parameter from dye staining experiments for characterizing the preferential flow heterogeneity in unsaturated soils[J]. Environmental Earth Sciences, 2012,65(7):1977-1985.

[12] Anaya A A, Padilla I, Macchiavelli R,et al. Estimating preferential flow in karstic aquifers using statistical mixed models[J]. Ground Water, 2014,52(4):584-596.

[13] 盛豐，王康，張仁鐸，等. 土壤非均勻水流運動與溶質(zhì)運移的兩區(qū)-兩階段模型[J]. 水利學報，2015，46(4):433-451.

[14] Uchida T, Tromp-van M I, McDonnell J J. The role of lateral pipe flow in hillslope runoff response:an intercomparison of non-linear hillslope response[J]. Journal of Hydrology,2005,311(1):117-133.

[15] Boulet A K, Prats S A, Malvar M C, et al. Surface and subsurface flow in eucalyptus plantations in north-central Portugal[J]. Journal of Hydrology & Hydromechanics, 2015,63(3):197-204.

[16] 謝頌華，莫明浩，涂安國，等. 自然降雨條件下紅壤坡面徑流垂向分層輸出特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，19 (19):132-138.

[17] Hopp L, Mc Donnell J J, Condon P. Lateral subsurface flow in a soil cover over waste Rock in a humid temperate environment[J]. Vadose Zone Journal,2011,10(1): 332-344.

[18] Van S N, Schnabel S, Jetten V G.The influence of preferential flow on hillslope hydrology in a semi-arid watershed (in the Spanish Dehesas)[J]. Hydrological Processes,2008,22(18):3844-3855.

[19] Burns D A, McDonnell J J, Hooper R P, et al.Quantifying contributions to storm runoff through end-member mixing analysis and hydrologic measurements at the Panola Mountain Research Watershed (Georgia,USA)[J]. Hydrological Processes, 2001,15(10):1903-1924.

[20] Shen C, Jin G, Xin P, et al. Effects of salinity variations on subsurface flow in salt marshes[J]. Egu General Assembly, 2013,15(1):6751.

[21] Hubbard R K, Sheridan J M.Water and nitrate-nitrogen losses from a small, upland, coastal plain watershed[J]. Journal of Environmental Quality,1983,12(2):291-295.

[22] Jia H, Lei A, Lei J, et al. Effects of hydrological processes on nitrogen loss in purple soil[J]. Agricultural Water Management, 2007,89(1-2):89-97.

[23] 鄭海金,胡建民,黃鵬飛,等. 紅壤坡耕地地表徑流與壤中流氮磷流失比較[J]. 水土保持學報,2014,28(6):41-45.

[24] Simard R R, Beauchemin S, Haygarth P M. Potential for preferential pathways of phosphorus transport[J]. Journal of Environmental Quality, 2000,29(1):97-105.

[25] Heathwaite A L, Dils R M.Characterising phosphorus loss in surface and subsurface hydrological pathways[J]. Science of the Total Environment, 2000,251-252(1):523-538.

[26] David W, Robert S. Fit-for-purpose phosphorus management: do riparian buffers qualify in catchments with sandy soils[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2014,186(5):2867-2884.

[27] 陳玲,宋林旭,崔玉潔,等. 模擬降雨條件下黃棕壤坡耕地磷素流失規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2013,32(1):49-55.

[28] Holland J F, Martin J F, Granata T, et al. Effects of wetland depth and flow rate on residence time distribution characteristics[J]. Ecological Engineering, 2004,23(3):189-203.

[29] Al-Baldawi I A W, Abdullah S R S, Hasan H A, et al. Optimized conditions for phytoremediation of diesel by Scirpus grossus in horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSFCWs) using response surface methodology[J]. Journal of Environmental Management, 2014,140(1):152-159.

[30] Foladori P, Bruni L,Tamburini S. Bacteria viability and decay in water and soil of vertical subsurface flow constructed wetlands[J]. Ecological Engineering, 2015,82(1):49-56.

[31] Yu G, Tan M, Chong Y, et al. Spatial Variation of Phosphorous Retention Capacity in Subsurface Flow Constructed Wetlands:Effect of Wetland Type and Inflow Loading[J]. Plos One, 2015,10(7):1-15.

[32] Zidan A R A, El-Gamal M M, Rashed A A, et al. Wastewater treatment in horizontal subsurface flow constructed wetlands using different media (setup stage)[J]. Water Science, 2015,50(1):26-35.

[33] Li W C, Dai F C, Wei Y Q, et al. Implication of subsurface flow on rainfall-induced landslide: a case study[J]. Landslides, 2015,15(1):1-15.

[34] 尉繼廷. 淺談壤中流截水溝的設計[J]. 山西水利，2000，4(1):33.

[35] 徐佩，王玉寬，傅斌，等. 紫色土坡耕地壤中產(chǎn)流特征及分析[J]. 水土保持通報，2006，26(6):14-18.

[36] 汪濤,朱波,羅專溪,等. 紫色土坡耕地徑流特征試驗研究[J]. 水土保持學報，2008，22(6):30-34.

[37] 謝頌華,涂安國,莫明浩,等. 自然降雨事件下紅壤坡地壤中流產(chǎn)流過程特征分析[J]. 水科學進展,2015,26(4):526-534.

[38] Fu C, Chen J, Zeng S. Observation and Analysis of Rainfall-Runoff Characteristics in a Coastal Granite Catchment in Southern China[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2015,17(1):138-149.

[39] 姜海燕,趙雨森,陳祥偉,等. 森林植被對水文過程的影響研究綜述[A]. 提高全民科學素質(zhì)、建設創(chuàng)新型國家[C]. 中國科協(xié)年會論文集,2006.66-70.

[40] Peterson E W, Davis R K, Brahana J V, et al. Movement of nitrate through regolith covered karst terrane,northwest Arkansas[J]. Journal of Hydrology, 2002,256(1):35-47.

[41] 徐勤學,王天巍,李朝霞,等. 紫色土坡地壤中流特征[J]. 水科學進展，2010，21(2):229-234.

[42] 楊聰,于靜潔,劉昌明,等. 華北山區(qū)坡地產(chǎn)流規(guī)律試驗研究[J]. 地理學報,2005,60(6):1021-1028.

[43] 曹建生,劉昌明,張萬軍,等. 太行山區(qū)坡地水文地質(zhì)特性與滲流集蓄技術(shù)研究[J]. 水科學進展,2005,16(2):216-221.

[44] 盧修元,魏新平,王君勤. 土壤容重對溶質(zhì)遷移過程的影響[J]. 水土保持通報，2013，33(2):26-29.

[45] 張英虎,牛健植,朱蔚利,等. 森林生態(tài)系統(tǒng)林木根系對優(yōu)先流的影響[J]. 生態(tài)學報，2015(6):147-156.

[46] 耿潔. 雙坡度條件下不同母質(zhì)土壤壤中流發(fā)育及氮素淋失特征[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學,2013.

[47] Zeng C, Wang Q, Fan J. Effect of initial water content on vertical line-source infiltration characteristics of soil[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010,26(1):24-30.

[48] 吳發(fā)啟,趙西寧,佘雕. 坡耕地土壤水分入滲影響因素分析[J]. 水土保持通報，2003,23(1):16-18.

[49] Clothier B E, Green S R, Deurer M. Preferential Flow And Transport In Soil: Progress And Prognosis[J]. European Journal of Soil Science, 2008,59(1):2-13.

[50] 劉剛才,林三益,劉淑珍. 四川丘陵區(qū)常規(guī)耕作制下紫色土徑流發(fā)生特征及其表面流數(shù)值模擬[J]. 水利學報，2002，12(19):101-108.

[51] 張強,王勝,曾劍. 論干旱區(qū)非降水性陸面液態(tài)水分分量及其與土壤水分的關(guān)系[J]. 干旱區(qū)研究,2010,27(3):392-400.

[52] 張強,衛(wèi)國安,侯旭紅. 西北干旱區(qū)戈壁土壤參數(shù)的實驗室測量及與野外觀測的對比[J]. 干旱區(qū)研究,2002,20(1):44-52.

[53] 呂錫芝,康玲玲,左仲國,等. 黃土高原呂二溝流域不同植被下的坡面徑流特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報,2015,24(7):1113-1117.

[54] Zhao N, Yu F, Li C, et al. Investigation of Rainfall-Runoff Processes and Soil Moisture Dynamics in Grassland Plots under Simulated Rainfall Conditions[J]. Water, 2014,6(9):2671-2689.

[55] 王峰,沈阿林,陳洪松,等. 紅壤丘陵區(qū)坡地降雨壤中流產(chǎn)流過程試驗研究[J]. 水土保持學報，2007，21(5):15-17.

[56] 劉泉,李占斌,李鵬,等. 漢江水源區(qū)自然降雨過程下坡地壤中流對硝態(tài)氮流失的影響[J]. 水土保持學報,2012,26(5):1-5.

[57] 王玉霞,龍?zhí)煊?盧齊齊. 二次降雨條件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究[J]. 中國水土保持，2011， 5(6):33-35.

[58] 王云琦,王玉杰,朱金兆,等. 森林與坡面產(chǎn)流研究[J]. 水土保持學報,2005,18(5):59-63.

[59] 程亞南,劉建立,呂菲,等. 基于CT圖像的土壤孔隙結(jié)構(gòu)三維重建及水力學性質(zhì)預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2012,22 (22):115-122.

[60] Petrovic M A, Siebert J E, Rieke P E, et al. Soil Bulk Density in Three Dimensions by Computed Tomographic Scanning[J].Soil Science Society of America Journal, 1982,46(3):445-450.

[61] Passoni S, Borges F D S, Pires L F, et al. Software Image J to study soIl pore distribution[J]. Ciência E Agrotecnologia, 2014,38(2):122-128.

[62] 羅錫文,周學成,嚴小龍,等. 基于XCT技術(shù)的植物根系原位形態(tài)可視化研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2004,35(2):104-106.

[63] Zhou X, Cao X, Zhang C, et al. A method of 3D nondestructive detection for plant root in situ based on CBCT imaging[A]. Biomedical Engineering and Informatics (BMEI)[C]. The 7th International Conference on IEEE, 2014.110-115.

[64] Gibson J R, Lin H, Bruns M A. A comparison of fractal analytical methods on 2- and 3-dimensional computed tomographic scans of soil aggregates[J]. Geoderma, 2006,134(3):335-348.

[65] Jiang J, Xiang W, Rohn J, et al. Research on mechanical parameters of coarse-grained sliding soil based on CT scanning and numerical tests[J]. Landslides, 2015,8(1):1-12.

[66] Simpson M J, Simpson A J, Gross D, et al. H-1 and F-19 nuclear magnetic resonance microimaging of water and chemical distribution in soil columns[J]. Environmental Toxicology & Chemistry, 2007,26(7):1340-1348.

[67] Metzner R, Eggert A, Dusschoten D V, et al. Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification[J]. Plant Methods, 2015,11(1):17.

[68] 程亞南,劉建立,張佳寶. 土壤孔隙結(jié)構(gòu)定量化研究進展[J]. 土壤通報,2012,43(4):988-994.

[69] 董峰,崔曉會. 電阻層析成像技術(shù)的發(fā)展[J]. 儀器儀表學報,2003,24(4):703-705.

[70] 李旺霞,陳彥云. 土壤水分及其測量方法的研究進展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學,2014,42(10):335-339.

[71] 李蕙君,鐘若飛. 探地雷達波振幅與土壤含水量關(guān)系的數(shù)值模擬[J]. 應用科學學報,2015,33(1):41-49.

[72] Guo L, Chen J, Lin H. Subsurface lateral preferential flow network revealed by time-lapse ground-penetrating radar in a hillslope[J]. Water Resources Research, 2014,50(12):9127-9147.

[73] Shanahan P W, Binley A, Whalley W R, et al. The Use of Electromagnetic Induction to Monitor Changes in Soil Moisture Profiles beneath Different Wheat Genotypes[J]. Soil Science Society of America Journal, 2015,79(2):459-466.

[74] 吳偉,王雄賓,武會,等. 坡面產(chǎn)流機制研究芻議[J]. 水土保持研究,2006,13(4):84-86.

[75] 裴鐵璠,李金中. 壤中流模型研究的現(xiàn)狀及存在問題[J]. 應用生態(tài)學報,1998,9(5):543-548.

[76] Sloan P G, Moore I D. Modeling subsurface stormflow on steeply sloping forested watersheds[J]. Water Resources Research,1984,20(12):1815-1822.

[77] 李金中,裴鐵. 森林流域坡地壤中流模型與模擬研究[J]. 林業(yè)科學,1999,35(4):2-8.

[78] 鄭侃,金昌杰,王安志,等. 森林流域坡面流與壤中流耦合模型的構(gòu)建與應用[J]. 應用生態(tài)學報,2008,19(5):936-941.

[79] Ehlers W D. Observations on Earthworm Channels and Infiltration on Tilled and Untilled Loess Soil[J]. Soil Science,1975,119(3):242-249.

[80] 李柳,鄭肖然,李小雁,等. 小葉錦雞兒灌叢對土壤水分下滲及優(yōu)勢流的影響[J]. 水土保持學報,2015,29(2):55-59.

[81] Kaushal S S, Groffman P M, Likens G E, et al. Increased salinization of fresh water in the northeastern United States[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005,102(38):13517-13520.

[82] Craig H. Isotopic Variations in Meteoric Waters[J]. Science,1961,133(3465):1702-1703.

[83] Lee E S, Krothe N C. A four-component mixing model for water in a karst terrain in south-central Indiana, USA.Using solute concentration and stable isotopes as tracers[J]. Chemical Geology, 2001,179(1):129-143.

[84] Boucher J L, Carey S K. Exploring runoff processes using chemical,isotopic and hydrometric data in a discontinuous permafrost catchment[J]. Hydrology Research, 2010,41(6):508-519.

[85] Carey S K, Boucher J L, Duarte C M. Inferring groundwater contributions and pathways to streamflow during snowmelt over multiple years in a discontinuous permafrost subarctic environment (Yukon,Canada)[J]. Hydrogeology Journal, 2013,21(1):67-77.

[86] Turner K W, Edwards T W D, Wolfe B B.Characterising Runoff Generation Processes in a Lake-Rich Thermokarst Landscape (Old Crow Flats,Yukon,Canada) using δ18O,δ2 H and d-excess Measurements[J]. Permafrost & Periglacial Processes, 2014,25(1):53-59.

[87] Penna D, Engel M, Mao L,et al. Integrated use of stable isotopes and electrical conductivity for the analysis of the water sources to runoff in a glacierized alpine catchment[A]. EGU General Assembly Conference Abstracts[C]. 2014.16.10605.

[88] 顧慰祖,尚熳廷,翟劭燚,等. 天然實驗流域降雨徑流現(xiàn)象發(fā)生的悖論[J]. 水科學進展,2010,21(4):471-477.

[89] 謝小立,尹春梅,陳洪松,等. 基于環(huán)境同位素的紅壤坡地水分運移研究[J]. 水土保持通報,2012,32(3):1-6.

[90] Liu Y, Liu F, Xu Z, et al. Variations of soil water isotopes and effective contribution times of precipitation and throughfall to alpine soil water, in Wolong Nature Reserve, China[J]. Catena, 2015,126(1):201-208.

[91] Scholl M A, Shanley J B, Murphy S F, et al. Stable-isotope and solute-chemistry approaches to flow characterization in a forested tropical watershed, Luquillo Mountains, Puerto Rico[J]. Applied Geochemistry, 2015,3(8):1-14.

[92] 顧慰祖. 集水區(qū)降雨徑流晌應的環(huán)境同位素實驗研究[J]. 水科學進展，1992，3(4):246-254.

[93] Uhlenbrook S, Hoeg S. Quantifying uncertainties in tracer-based hydrograph separations: a case study for two-, three- and five- component hydrograph separations in a mountainous catchment[J]. Hydrological Processes, 2003,17(2):431-453.

[94] Pellerin B A, Wollheim W M, Feng X, et al. The application of electrical conductivity as a tracer for hydrograph separation in urban catchments[J]. Hydrological Processes, 2008,22(12):1810-1818.

[95] Yang Y G, Xiao H L, Zhao L J, et al. Hydrological processes in different landscapes on Mafengou River basin[J]. Advances in Water Science, 2011,22(5):624-630.

[96] McGuire K J, Mc Donnell J J. A review and evaluation of catchment transit time modeling[J]. Journal of Hydrology, 2006,330(3):543-563.

[97] 丁文峰,李勉. 不同坡面植被空間布局對坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的實驗[J]. 地理研究,2010,29(10):1870-1878.

Research Progress and Prospects of Subsurface Flow

XIAO Xiong1, WU Huawu1, LI Xiaoyan1,2

(1.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract:Subsurface flow is an important component of runoff, it plays a very important role in drainage basin runoff regulation, water conservation, sediment migration, and the loss of nutrient, it has been the difficulty and frontier issues in the field of hydropedology. This review paper introduced the concept, research background and significance of subsurface flow and summarized the domestic and foreign research development trend and the hot points of the subsurface flow research. What’s more, the influence factors of subsurface flow were analyzed. By discussing research statue and summarizing the advantages as well as disadvantages of runoff plot experiment method, geophysics method, model simulation method and the tracer material method, it proposed the problems in the research of subsurface flow at present, and made a prospect for the future subsurface flow research.

Key words:subsurface flow; preferential flow; surface runoff; rainfall infiltration

收稿日期：2015-11-17；改回日期：2015-12-01

基金項目：國家自然科學基金(41130640，41390462)、教育部“創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”滾動項目“土壤水文與土壤侵蝕”(IRT_15R06)共同資助

作者簡介：肖雄(1990-)，男，湖南人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)水文. E-mail：xiongshuai@mail.bnu.edu.cn 通訊作者：李小雁(1970-)，男，甘肅人，教授，研究方向為生態(tài)水文學與土壤水文學. E-mail：xyli@bnu.edu.cn

文章編號：1006-7639(2016)-03-0391-12

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0391

中圖分類號：P338

文獻標識碼：A

肖雄，吳華武，李小雁.壤中流研究進展與展望[J].干旱氣象，2016，34(3)：391-402, [XIAO Xiong, WU Huawu, LI Xiaoyan. Research Progress and Prospects of Subsurface Flow[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):391-402], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0391