坡地径流与溶质输出研究进展

谢颂华，涂安国，莫明浩，张 杰

1. 江西农业大学园林与艺术学院，江西 南昌 330045；2. 江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029

坡地径流与溶质输出研究进展

谢颂华1,2，涂安国2，莫明浩2，张 杰2

1. 江西农业大学园林与艺术学院，江西 南昌 330045；2. 江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029

坡耕地是我国水土流失的重要策源地，也是农业面源污染重要污染源。坡地径流和溶质输出是水土流失及其面源污染的一个重要过程，也是坡地农业生态系统水和物质循环的一个重要过程。坡地水文过程和溶质迁移转化不仅是土壤学近期的重点研究内容，也是需解决的资源环境问题之一。文章从坡地降雨水文过程的地表径流、壤中流和地下径流的输出研究，壤中流模拟研究以及坡地降雨条件下土壤溶质运移模拟等3个方面总结了国内外坡地径流与溶质输出的相关研究结论。同时指出：（1）红壤坡地地表径流、壤中流和地下径流的输出特征及规律还有待进一步研究。（2）对于土壤溶质运移模拟研究，现有成果主要是研究径流和溶质在土壤中的垂向运移，而对其输出过程却很少研究，尤其是坡面径流和土壤溶质分层输出的耦合关系还没有深入的研究。（3）土壤溶质运移理论的研究亟需从封闭的室内土柱试验扩展到野外大田观测，以获取足够的数据资料来确切地描述溶质运移过程，使理论研究与生产实际问题联系得更紧密。（4）同位素方法应用、野外长期定位试验和模拟模型是未来坡地径流与溶质输出研究需加强的几个方面。

坡地径流；溶质；输出

水利部、中国科学院和中国工程院联合完成的“中国水土流失防治与生态安全科学考察”结果表明：我国大中型水库富营养化问题突出，水土流失作为面源污染物传输的载体，是造成江河、水库水质恶化的重要原因之一，水土流失传输的面源污染对我国各流域水环境安全已造成了巨大压力。坡耕地是我国水土流水的重点区域，也是农业面源污染的重点污染源。坡地径流和溶质输出是水土流失及其面源污染的一个重要过程，也是水土流失与其养分流失过程的耦合机制之一。坡地土壤水文和溶质迁移过程是当前土壤学和环境学研究的热点问题。本文从降雨水文过程的地表径流、壤中流和地下径流的输出研究，壤中流模拟研究以及坡地降雨条件下土壤溶质运移模拟等3个方面总结国内外坡地径流与溶质输出的相关研究进展，提出了目前该领域亟待研究解决的问题，以期为坡地农业种植结构及面源污染的防治研究提供方向。

1 坡地降雨水文过程研究

坡地降雨的水文过程包括地表径流、壤中流和地下径流，主要受降水、气温、地形、地质、土壤、植被和人类活动等影响。地表径流的形成是坡面供水与下渗的矛盾产物，反映了下垫面、土壤、气候和其它一些综合水文特征。壤中流是水分在土壤内的运动，包括土壤水分的垂直下渗和水平侧流；地下径流指渗入地下成为地下水，并以泉水或渗透水的形式泄入河道的那部分降水，国际上一般将壤中流与地下径流统称为基流。

1.1 地表径流输出及其调控

地表径流产流是一个具有时空变化的动态概念，包括产流面积在不同时刻的空间发展及产流强度随降雨过程和土壤入渗的时程变化。Dunne（1978）对坡面径流现象、坡面流速等作了系统论述，描述了坡地径流形成过程和各种现象，为坡地水文研究奠定了基础；Freeze（1978）系统提出了坡地水文数学模型，该模型主要包括坡面漫流和壤中流两个部分，推动了山地水文研究的进展。1980年其利用随机模拟方法研究了坡面降雨入渗和径流过程，为坡面产流研究寻求了另一途径。Philip(1991)构建了降雨入渗模型。20世纪60年代后期Woolhiser 和Ligget 将运动波模型引入坡面水流研究，促进了坡地产流研究的发展。近年来，运动波理论日趋完善，成为目前国际上研究坡面径流过程、流域水文过程等常用的一种方法。

20世纪60年代以来，我国水文学者曾先后提出了湿润地区以蓄满产流为主，干旱地区以超渗产流为主的理论，可用于界面产流及不同自然条件的统一产流研究（赵人俊，1984）。降雨是产生径流的必要条件，一般来说，年降雨量多的地方，年平均径流量就大，但是次降雨量因为其受到雨强、土壤、植被和人为等因素的制约，与径流的相关关系不一定非常明显。坡度对产流的影响也是多方面的，目前学术界对于坡度与径流的影响存在不同的说法，有研究表明径流随着坡度的增加而增加，也有研究发现径流随着坡度的增加而减小，或者与坡度的关系不明显。当前，坡地地表产流理论虽然有了很大的发展，但坡地降雨-入渗-产流过程的研究还处于初始阶段，对入渗和产流的过程及机理还缺乏深入的认识。

地表径流调控是通过改变下垫面状况，阻止雨滴直接打击裸露的地面，分散地表径流，最终目的是削弱水土流失动力；另外，通过提高土体稳定性来抵抗径流对地表土壤的搬用和输移能力，减少土壤侵蚀量，利用地表径流分散和聚集相结合的手段达到控制水土流失和水土资源保护的双重目标。自E.Wollny（1877）首先对水土流失进行观察到现在，研究人员都在寻找一种最有效、容易操作、成本低、生产第一线的农民容易接受的水土保持方法，而植草覆盖和枯落物、秸秆覆盖成本低，建植容易，效果好，为收入较低的广大农民和农场主广泛接受。国内外现有关于坡面草被措施对坡面径流的影响研究、对侵蚀产沙量的影响研究开展的比较广泛，并取得了很多研究成果，大多集中在草被对产沙量、坡面流速、侵蚀产沙量及其相关关系方面，近年来，也出现了对坡面生物措施对坡面侵蚀过程影响的研究及对坡面水力学参数的影响的研究（李勉等，2007）。黄炎和（2007）采用径流小区法研究不同生草方式（带状覆盖与敷盖、全园覆盖、带状覆盖）对土壤侵蚀的影响，结果表明无论采用何种方式进行果园生草处理，与净耕区比较，都能有效降低地表径流量和土壤流失量。杨洁等（2012）根据江西水土保持生态科技园2001─2008年不同植物措施处理的柑橘林地径流小区的降雨产流产沙的定位观测，结果表明有草被覆盖的柑橘林小区的产流产沙量明显小于柑橘清耕小区。王玲玲等（2009）为研究坡面生物措施减蚀作用，利用试验土槽和放水冲刷方法，研究得出与裸坡相比，30%和70%覆盖度坡面水流平均流速降低25%和47%，草被具有显著的减沙效应，但随着流量的加大，草被对坡面流的阻滞作用呈下降趋势。李勉等（2005；2007）的研究表明草被覆盖对坡面流有明显的阻延作用，坡面—沟坡系统坡面流各段面平均曼宁糙率系数和平均阻力系数随流量的增大在有草被覆盖断面两系数呈减小趋势，在无草被覆盖断面呈增大趋势。

1.2 壤中流输出研究

在1936─1944年间许多水文学者通过在试验场的观测，指出壤中流参与暴雨径流形成的重要性。Hewlett等人1963年曾由试验发现非饱和流也能成壤中流或地下径流，甚至断言陡峻流域土层中的非饱流在过程分析中不能忽视(吴伟等，2006)。20世纪70年代，Dunne等大量的观测与试验基础上证实，非均质包气带具备产生壤中流的条件（Stephenson和Meadows，1986），但当时并未得到重视。自Kirkby（1978）对壤中流的现场观测、产生机理、模拟作了系统总结之后，国外学者在壤中流的观测方法、预测、以及壤中流与地表流关系上进行了研究，并取得了一定进展。国内壤中流的研究基于紫色土的较多，如刘刚才(2002)对常规耕作制度下紫色土坡地壤中流进行了研究，发现壤中流在大雨、暴雨或土壤饱和后才发生，雨停后的壤中流历时与降雨强度无关。贾海燕等(2006)通过人工降雨试验发现在紫色土地区壤中流是硝态氮流失的主要途径。徐佩等(2006)利用人工模拟降雨方法对紫色土坡耕地的壤中流特征进行研究，分析了耕作方式、土层厚度、坡度、雨强对壤中流的影响，研究了暴雨条件下、小雨条件下壤中流与地表流的对比，发现壤中流的产生滞后于地表流，产流过程表现出缓慢变化的单峰过程。丁文峰(2008)采用人工模拟降雨法进行了紫色土坡面壤中流与侵蚀产沙的试验研究，发现在降雨强度较小的条件下，各径流小区壤中流占总降雨量的比例随坡度的增大而增大。徐勤学等（2010）的紫色土坡地野外人工模拟降雨试验表明：未扰动荒坡地壤中流径流系数是裸露坡耕地的3～15倍，平均流量是坡耕地的7～33倍，植被覆盖的减少和降雨对疏松地表的压实导致壤中流明显减少。对于红壤地区壤中流的研究也在尝试，如王峰等（2007）对红壤坡地上层、下层在自然降雨条件下壤中流产流过程进行了研究，结果表明：壤中流对降雨及地表径流的响应均为上层快于下层，随着土层加深，壤中流输出滞后时间延长。尹忠东等（2006）在江西水土保持生态科技园的初步研究发现，与裸地相比，百喜草覆盖、死地被物敷盖显著增加壤中流量，壤中流量与雨量、雨强、降雨历时、初渗雨量呈正相关关系。刘士余等（2007）通过土壤水分渗漏装置试验研究了百喜草及其枯落物在红壤坡地对土壤水分动态和水量平衡的影响。结果表明：地表径流的比例较小，绝大部分降雨要通过土壤进行再分配。刘廷玺(1994)在饱和与非饱和入渗理论基础上分析了壤中流形成机制，提出了壤中流形成的6个条件。

1.3 地下径流输出研究

吕玉娟（2013）采用基流分割方法，发现紫色土坡地地下径流对降雨的响应具有明显的延迟效应，不同降雨事件中产生的地下径流量所占的降雨比例也不同，大雨事件径流量约占降雨量的53.6%，而小降雨事件径流量仅占1.6%。除与降雨量有关外，土壤初始含水量也是影响地下径流系数的重要因素。目前对于地下径流的研究在森林水文领域小流域尺度研究得较多，在微尺度坡面上研究较少。崔向慧(2006)对江西大岗山常绿阔叶林区集水区的研究发现其平均年径流输出总量为854.3 mm，径流系数为48.2%，其中地下径流为853.1 mm，地表径流仅为1.2 mm。而王彦辉(1993)对该地区毛竹林水文学过程进行了分析，结果显示该小流域年径流系数为54.8%，其中地表径流仅占0.8%，壤中流占15.0%，地下径流占39.0%。邓湘雯(2007)根据17年的水文观测数据研究了湖南会同生态站不同年龄阶段杉木人工林的径流特征，结果表明集水区径流输出以地下径流为主，地表径流只占总径流量的2.3%～7.9%。目前，很多有关坡面地下径流的研究，通常是相对于坡地地表径流而言，把壤中流和地下径流不加区别一起作为地下径流进行分析研究。

2 壤中流模拟研究

壤中流是土壤水在土壤内部的流动而形成的，因此土壤水分运动与转化机理是研究壤中流过程的基础。尽管国内外对坡地土壤水分运动与转化在观测试验和数学模拟上进行了大量研究，并取得了很多成果。但是，以往研究主要侧重于室内人工降雨条件下初始含水量均一的均质、各向同性坡地的表层土壤水分运动。野外虽也进行了这方面的研究，但对降雨期间坡面水分的入渗规律以及入渗后的再分布过程分析不够，而且大部分研究没有将降雨入渗与坡面产流以及土壤水分的动态变化过程结合起来，没有综合考虑土壤性质的空间变异性、滞后作用、植被截留以及根系吸水等的影响。鉴于此，Philip(1966)提出了SPAC系统理论，即把坡面土壤（soil）—植物(plant)—大气(atmosphere)作为一个物理上的连续体(continuum)，以大气水、地表水、植物水和土壤水相互转化过程和机制为基础，研究坡面土壤—植被—大气界面水分运动和转化规律，并进行尺度转换。

为了有效控制与预测坡地壤中流产流过程，揭示其内在机制，国内外学者已进行了大量的试验研究与理论分析，并提出和建立了壤中流产流模拟模型。到目前为止，壤中流模型根据其主要原理可分为Richards模型、动力波模型和贮水—泄流模型3大类（李金忠，1999）。Sloan&Moore（1984）在预测森林陡坡壤中流过程时对这三种模型进行了比较，其结果表明Richards模型尽管在求解土壤含水量时精度稍高，但由于其求解过程与结果非常复杂，以至难以对暴雨的洪水产生进行快速预报与预测，无法推广应用于较大流域的水文反应。同时，Richard模型其求解的结果主要是得到水头值或含水量的值，不能直接求出渗流区域边界上的侧向流入量与水力坡度，要想求得坡面出口断面处壤中流泄流量问题，必须进行进一步的计算。动力波模型仅适应λ＜0.175的情况，其应用有较大的局限性(Beven，1982）。贮水—泄流模型求解过程简单，其求解的结果可直接得到坡面出口断面处壤中流泄流量，可对暴雨洪水进行快速的预报与预测，便于推广应用于整个流域的水文反应与水文计算。Sloan在提出该模型时假设饱和导水率Ks与有效孔隙度ω都是不随深度变化的常数，然而Beven（1982）认为饱和导水率随深度指数递减，因此该模型在饱和导水率和有效孔隙度假设上还有待改进，并对该模型进行修改。Robinson（1996）应用Beven修正的模型在森林流域坡地壤中流模拟中进行了应用，结果显示修正后模型精度较高。

我国学者李金中（1998）通过野外选取原状土样在实验室内的测定结果表明，森林流域内饱和导水率和有效孔隙度都随深度对数递减，其指数递减模型在森林流域内不尽合理，而饱和导水率和有效孔隙度随深度对数递减对壤中流过程的影响有待深入研究。随后李金中等（1999）针对Sloan和Robinson贮水泄流模型假设的不足，对模型进行了修正，提出具物理意义的壤中流模型，并利用修正后的模型对人工模拟降雨条件下长白山林地下壤中流的产流过程进行了模拟。结果表明，改进模型在森林流域精度有所提高。针对以往模型都简化了坡面流与壤中流的相互影响，郑侃等（2008）采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程和Richards方程构建了以有限差分法求解的坡面流与壤中流耦合模型，并模拟了不同坡度和不同雨强下的坡面产汇流室内实验，结果显示模型的模拟精度较高。李力等（2008）用系统模型的思想，对半干旱半湿润地区的壤中流计算模式进行了改进，但该模型在预测森林壤中流径流历时方面，精度仍然不佳，出流过程线的上升段与下降段都较实测值偏陡。

综上得出，近年来国内外专家已对壤中流进行了一系列实验和模拟，但对这些研究都侧重于静态方面的研究，对壤中流长时期持续产流过程观测与研究不够，尤其是自然降雨和坡面条件下的壤中流持续产流过程的研究很少涉及。现有壤中流模型还不成熟，较为复杂，影响因子较多，多应用于室内模拟，对野外条件下模拟的有效性仍有待研究和验证。同时，国内现有壤中流研究成果主要是针对紫色土和森林坡面，而对红壤坡面壤中流形成条件与机制试验研究还有待深入。

3 坡地土壤溶质运移模拟研究

国际上对溶质在土壤中运移的模型研究始于20世纪60年代。1952年，Lapidus和Amundson首次将一个类似于对流-扩散方程的模拟模型应用于溶质运移问题的研究，但未对模型的推导及物理意义做任何解释。Nielson首次系统地论述了CDE（对流-弥散）方程的科学性和合理性（忤彦卿，2007）。之后，各国学者根据不同土壤环境及研究目的需要，建立了许多描述溶质运移的模型，这些模型概括起来大致可分为确定性模型和随机模型。其中：确定性模型是土壤溶质运移理论研究的经典方程和基本方程，包括对流-弥散传输模型、动水-不动水体模型（二区模型）。二区模型由Coats和Van等人发展，即认为土壤多孔介质孔隙中的水分可以分成二部分，一部分是不运动的，另一部分是运动的。由于实际土壤的非均质性，二区模型的模拟结果不理想，特别无法描述具有双锋的化学物质穿透曲线。为了使对流弥散方程可以描述具有双锋的化学物质穿透曲线，Skopp（1981）提出了二流区模型（王全九，2007）。有研究结果表明，与两区模型相比，两流区模型可以更好地描述优先流情况下的溶质穿透曲线（马东豪，王全九，2004）。随机模型是针对土壤水力特性参数的空间变异性及确定性模型中存在的缺点和不足而逐渐发展起来的，它包括机理性随机模型和完全随机模型。完全随机模型其中Jury教授（1982）提出的随机传递函数模型（也称为“黑箱模型”）最具代表性，是目前模拟大田土壤溶质运移规律的有效模型；任理（2000）等运用随机传递函数模型研究了稳定流条件下饱和均质土壤的盐分迁移和非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解。函数传递模型仅可预测出口断面土壤溶质迁移数量或者浓度变化过程，而无法预测研究土体内溶质的浓度分布，为了改进上述模型，Jury和Roth提出确定土壤溶质浓度分布方法，任理等（2000）利用这一方法研究了硝态氮浓度分布。简化模型是对土壤溶质运移的过程进行了假设和简化，使计算简捷，主要有田间持水量模型和CDE简化模型。Rivlin等（1995；1997）通过地表径流质量守恒定律和径流溶质质量守恒方程，简化各种复杂因素，建立了模拟坡面溶质随地表径流迁移模型。Walton等（2000）在小坡度田间试验小区进行人工降雨模拟试验，通过假定降雨产流后坡地为不透水坡面，联立径流溶质质量平衡方程和地表径流运动波方程，建立坡地径流溶质迁移模拟模型。

尽管这些不同类型的数学模型各具特点，但多数模型所需参数在田间获取十分困难，所以土壤溶质运移的模拟至今仍是一个颇具挑战性的科学问题。国内外学者投入大量精力，寻求土壤溶质的迁移参数的确定方法。Shao（1998）和Wang（2007）等在分别假定溶质浓度分布为二、三次多项式和四、五次多项式的基础上，提出了确定CDE方程中参数及其近似解的边界层理论模型，研究结果表明，边界层理论可应用于土壤溶质迁移的研究。刘春平（2004）等人基于土壤中溶质运移的对流-弥散方程(CDE)提出了溶质运移参数估计的图解方法。结果表明图解法具有较高的精度和较好的稳定性，特别是对于运移参数R的估值。近年来一些学者通过对二区模型的概化，发展了一些测定不动水体与可动水体的比例系数和质量交换系数的方法。Clothier等人假定在实验结束提取土样时，可动区土壤溶质浓度与示踪浓度相同，而且质量交换和动力弥散作用都很小，得到确定不动水体含量的表达式。在实验结束后立即提取土样测定土壤含水量和溶质浓度就可获得不动水体含量。Jaynes等人（1995）认为在提取土样时水动力弥散作用比较小，而且可动水体溶质浓度与示踪溶液浓度相同，提出了确定不动水体含量和质量交换系数方法。

综上得出，近些年国内外专家已对土壤溶质迁移进行了一系列实验和模拟，但是这些研究多是集中在自由排水条件下，对于土壤水分饱和条件下和土壤渗流条件下的研究涉足很少（Huang，1999；Zheng，2004）。现有的资料研究前提条件大都研究人工降雨条件下，几乎很少研究自然降雨与径流共同作用引起土壤溶质迁移量，同时单独对径流导致土壤溶质流失的研究更少。现有的模型缺乏可重复性，众多的模型除建立者自己进行试验验证外，很少能被他人直接应用到类似问题上，出现大量的重复劳动，模型的应用也受到限制。在研究方法上，侧重于土壤溶质在土柱中的运移室内试验，野外试验观测资料还显不足。

4 总结与展望

地表径流、壤中流和地下径流输出是坡地水文过程的重要组成部分。壤中流对水分在土壤中的再分配和流域径流产生过程有重要影响，对地表径流和地下径流的形成与变化具有重要作用，是区别传统Horton入渗模型的核心。尽管国内外对坡地土壤水分运动与转化进行了大量研究，但以往研究主要侧重于室内人工降雨条件下初始含水量均一的均质、各向同性坡地的表层土壤水分运动。野外虽也进行了这方面的研究，但对降雨期间坡面水分的入渗规律以及入渗后的再分布过程分析不够，而且大部分研究没有将降雨入渗与坡面产流以及土壤水分的动态变化过程结合起来，没有综合考虑土壤性质的空间变异性、滞后作用、地表结皮、植被截留以及根系吸水等的影响，尤其是地表径流、壤中流和地下径流的分配和输出过程研究还很缺乏。对于土壤溶质运移模拟研究，现有成果主要是研究径流和溶质在土壤中的垂向运移，而对其输出过程却很少研究，尤其是坡面径流和土壤溶质分层输出的耦合关系还没有深入的研究。土壤溶质运移理论的研究亟需从封闭的室内土柱试验扩展到野外大田观测，以获取足够的数据资料来确切地描述溶质运移过程，使理论研究与生产实际问题联系得更紧密。

今后，坡面水文过程和溶质输出研究应加强以下几个方面：（1）进一步提高坡面水文过程和溶质输出观测手段和方法。同位素方法为研究坡面水文过程和溶质输出提供了一种新的有效手段，它有助于从宏观上和微观上阐明坡地水文过程和溶质迁移转化机理；（2）进一步加强野外长期定位试验研究，从不同时间尺度上分析土壤水分和溶质沿坡面的迁移转化规律以及输出特征。（3）发展和提高土壤水和溶质的迁移转化模拟模型，尤其是径流和溶质输出耦合机理模型。

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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

谢颂华，涂安国，莫明浩，张杰. 坡地径流与溶质输出研究进展[J]. 生态环境学报, 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.

国家自然科学基金项目（41101266）；水利部公益性行业科研专项（201401051）；江西省水利科技重点项目（KT201310）

谢颂华(1978年生)，男，教授级高级工程师，博士研究生，主要研究方向为水土保持。E-mail:XSHZJL3111@163.com

2014-06-16