土壤水流运动和溶质运移形式研究现状综述,农业基础科学论文

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1、土壤水流运动和溶质运移形式研究现状综述,农业基础科学论文0引言　　　　优先流（preferentialflonature），因为各种原因，相比土壤基质孔隙中慢速运动的剩余水，以优先流形式出现的渗透水没有充分的时间达到平衡。国内外众多的研究成果表明，优先流在土壤中是广泛存在的而非特例。目前，优先流研究涉及农田生态系统、湿地生态系统、草原生态系统、森林生态系统、农林牧复合生态系统等多种生态系统[2];研究尺度从单个孔隙、单个土体块到区域水平上的集水区[3];研究的内容包括杀虫剂[4]、氮磷元素[5]、胶体[6]、非水相流体[7

2、]、营养物[8]、微生物[9]等；研究的土壤类型扩展到冻土[10]、黑土[11]、碎石土[12]等多种特殊土壤；研究的地貌类型也已扩展到山地[13]、喀斯特岩溶地貌[14]、黄土丘陵地貌[15]等多种特殊地貌。入渗水和溶质在局部优先流通道中的快速迁移和运动，增大了农业灌水和施肥的渗漏损失、缩短了污染物在土壤中的反应与降解时间、减少了土壤颗粒及有机质对污染物的吸附和截留，从而加剧了地下水受污染的风险[16-17].此外，优先流改变了降雨在地表和地下的分配，影响地表径流和地下径流过程，是泥石流、山体滑坡和崩塌及水土流失等环境地

3、质灾害的诱发因素之一[18].因此，准确地模拟和预测优先流的时空变化规律对于农业灌水和施肥的高效利用、地表水和地下水污染控制以及地质灾害防治等都有重要的意义。本文着重介绍土壤优先流研究的模型理论与观测技术，旨在为全面了解和深入研究优先流提供参考。　　　　1优先流的表现类型　　　　优先流的形成因素众多、表现形式多样，主要的和目前研究比较多的有大孔隙流（macroporeflofloentflom[21],蚯蚓孔隙深度可达1.2~1.4m[22].裂隙主要存在于粘土层中，常由冻融和干湿变化所引起[23].裂隙的存在破坏了土体的

4、完整性并导致尺度不均匀，所以水平和垂向渗透系数[24]、初始入渗率和饱和时的稳定入渗率[25]差异比较明显，都可达1~2个数量级。目前，学术界对土壤大孔隙的定义和孔径范围界定尚未统一，研究者根据其研究提出了如下几种界定土壤大孔隙的方法：1）大孔隙的空间尺寸（如，Luxmoore[26]认为孔径>1mm的为大孔隙，而Beven和Germann[27]则将孔径在0.03~3mm范围内的孔隙界定为大孔隙；张家明等[28]指出无论是定性还是定量，仅从孔隙尺寸来界定大孔隙是不充分的，还需要考虑大孔隙的三维几何形态）；2）排空大

5、孔隙内全部水量时所需要施加的压力（<5kPa）[29];3）土壤导水率的大小（1~10mm/h）[30].　　　　1.2指流　　　　在均质土壤中，由于入渗湿润锋在发展过程中不稳定，可使得原来均匀的湿润锋被撕裂成一个个柱状流动路径，从而形成优先流运动[31].这种由湿润锋不稳定性而引起的优先流被称作指流。Mabuchi[32]、Miller和Gardner[33]等为研究入渗湿润锋的不稳定性所开展的试验是指流的早期研究。但直到Hill和Parlange[34]通过试验来系统研究指流的发展、尺寸和湿润锋的迁移速度之后，指

6、流的研究才受到更多的重视。　　　　指流常产生于细质地土壤覆盖粗质地土壤的2层土壤中[35].由于相同基质吸力条件下细土层的含水率高于粗土层的含水率，因此，入渗水在2层土壤交界面的上方聚集并使得入渗湿润锋变得不稳定，从而导致指流在粗土层中形成。进一步的试验研究表明，当入渗通量小于土壤的饱和导水率时，指流也可在均质土壤中形成，而并不局限在2层土壤中[36].后来的多次试验分析表明，土壤介质的非均质性和湿润锋的不稳定性（但土壤可能均质）都可导致指流现象的形成。前者形成的指流通常与小孔隙或中孔隙相伴出现在粘土中；后者形成的指流常出

7、现在斥水性沙土中。Raats[37]最早发现土壤的斥水性可导致优先水流路径的形成，由于斥水性土壤表面张力和毛管力分布不均匀使得入渗湿润锋不稳定而引起水分和溶质呈指状或舌状流动，从而形成指状流。一些田间试验研究结果[38-39]也显示，土壤斥水性也是水流锋面不稳定的主要原因之一，大多出现在质地较粗糙的砂性土壤，并容易形成斥水土层；当土壤湿度增加或温度升高时，斥水性降低甚至消失；当湿度减小时，其斥水性较强且水力传导度较小，容易发生指流[40].所以，一般认为指流的形成主要有2个机制：重力作用和土壤的斥水特性。但对不同条件下（如

8、土质、入渗水量和土壤初始含水率等）指流的发生和发育的基本规律仍需进一步的系统研究。　　　　2优先流的影响因素　　　　优先流的形成和影响因素很多，土壤结构和质地、入渗的初始条件和边界条件以及水流运动的非稳定性（非线性）都能导致优先流的产生并影响优先流的发展。　　　　2.1土壤质地和结构　　　　土壤动物和植