趙宇寒,曹建生,朱春雨,陽 輝

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室石家莊 050022; 2.中國科學院大學 北京 100049)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基,事關人類生存、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步。受氣候變化、人口增長等因素的影響,全球水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)損害等問題日趨嚴峻,本質是流域水循環(huán)在自然與人類雙重驅動下演變失衡。水循環(huán)指的各種形式的水體在陸地、海洋和大氣間不斷運動、轉化的過程,使水資源不斷更新,維持著全球水的動態(tài)平衡。壤中流是徑流的重要組分,同時也是河湖水的重要補給來源,在水源涵養(yǎng)、養(yǎng)分運移等方面發(fā)揮著重要作用。

壤中流是在土壤中沿不同透水性土壤層界面流動的水流。壤中流產(chǎn)生條件為: 1)包氣帶中存在相對不透水層; 2)上層土壤含水量達到田間持水量。受土壤質地影響,壤中流的運移形式主要有兩種: 一是在介質較為均一的土壤中,遵循達西定律的基質流; 二是在含有大孔隙的土壤中,不遵循達西定律的優(yōu)先流,根據(jù)形成方式優(yōu)勢流分為大孔隙流、漏斗流、指流、管流等不同類型。

作為徑流的重要組成部分,也是變化環(huán)境下關系水循環(huán)和生態(tài)環(huán)境演變的重要環(huán)節(jié),壤中流目前是水文學與土壤學研究領域的熱點和難點。壤中流的產(chǎn)流過程受到大氣降水、土壤性質、地形條件、植被等多種因素的交互影響,較為復雜。同時壤中流參與溶質的運移過程,對土壤環(huán)境變化、植被生長恢復起到重要作用,影響土壤生產(chǎn)力與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。另外壤中流對水體環(huán)境產(chǎn)生影響,水體環(huán)境又與人體健康存在密切聯(lián)系,應該受到更多關注。本文概述了1990年以來中國壤中流領域研究的發(fā)展態(tài)勢、影響壤中流形成的因素、壤中流的生態(tài)水文效益、存在的主要問題,并探討了對未來壤中流研究的方向。

1 國內(nèi)壤中流研究發(fā)展態(tài)勢

20世紀60年代后國內(nèi)學者對壤中流的研究陸續(xù)增多,90年代后迅速發(fā)展,逐漸成為水文學和土壤學領域研究的熱點問題之一。在Web of Science(WOS)中通過關鍵詞“subsurface flow”或“interflow”以及限制地區(qū)“China”或“PRC”,在中國知網(wǎng)(CNKI)通過關鍵詞“壤中流”,統(tǒng)計搜索1990年以來中國關于壤中流研究發(fā)表的論文數(shù)量以及被引頻次。結果表明在WOS中自1990年中國對于壤中流的研究迅速增加,論文發(fā)表數(shù)從1991年的2篇增加到2020年的368篇,論文被引頻次也呈現(xiàn)指數(shù)型增長(圖1a)。

在CNKI全部數(shù)據(jù)庫中通過“主題=壤中流”或“題名=壤中流”檢索1990—2020年發(fā)表的壤中流研究相關中文論文。結果表明1990—2004年年發(fā)文量均在20篇以內(nèi),2005年起國內(nèi)關于壤中流的研究進入快速發(fā)展階段,2013年發(fā)文量達到峰值63篇,近5年進入穩(wěn)定發(fā)展時期(圖1b)。

圖1 1990—2020年Web of Science （a）和中國知網(wǎng)（b）檢索的中國壤中流論文發(fā)表數(shù)量及被引頻次變化趨勢Fig.1 Trends in the number and citation of the published papers about researches of subsurface flow of China in Web of Science (a)and CNKI (b) from 1990 to 2020

從檢索1990—2020年壤中流領域得到的論文分析來看,主要主題分布在紫色土、濕地、氮素、坡耕地、洪水預報、水文模型等方面(圖2),研究領域涉及農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、水利工程、環(huán)境、林學、生態(tài)等,研究內(nèi)容主要集中在壤中流產(chǎn)流、壤中流與養(yǎng)分流失、壤中流影響因素等方面。

圖2 1990—2020年中國知網(wǎng)（A）和Web of Science （B）壤中流研究的主要主題分布Fig.2 Distribution of main themes of published papers on subsurface flow researches in CNKI (A) and Web of Science (B) from 1990 to 2020

2 壤中流形成的主要影響因素

以往研究表明影響壤中流形成的因素極為復雜,包括土壤因素(土壤初始含水量、土壤質地結構、土壤類型等)、水流補給條件(坡度、覆蓋條件、徑流等)、降雨因素(包括雨強、歷時等)。

2.1 土壤因素

土壤是一個極其復雜的體系,土壤的質地結構狀況、水分、母質等直接影響土壤的通氣狀況,從而影響土壤水分運行規(guī)律。

土壤初始含水量影響土壤入滲能力。楊聰?shù)仍谌A北石質山地通過人工模擬降雨試驗監(jiān)測并分析了土壤含水量與壤中流的關系,結果表明前期土壤含水量小則更容易產(chǎn)生壤中流,這可能是由于風化帶有較多裂隙,降雨開始后土壤的入滲速率比較大,雨水可在土壤層和風化帶中迅速滲出,形成壤中流和風化帶出流。曾辰等對此持有相同的觀點,認為水分的入滲速率與土壤含水量呈反比。吳發(fā)啟等也表示初始含水率越大,在相同時間內(nèi),非穩(wěn)定入滲階段的入滲速率迅速降低; 隨著土壤初始含水量增加,坡地壤中流產(chǎn)流開始的時間明顯提前,穩(wěn)定入滲率迅速降低。土壤前期含水量越小,壤中流移動更明顯。

土壤質地結構也是壤中流形成的重要因素。紫色土疏松易崩解,存在一定土壤孔隙,壤中流在紫色土地區(qū)普遍存在且占總徑流量一定比例。一般情況下,排除容重等因素的影響,黏粒含量越高、質地越細的土壤飽和導水率越小。飽和導水率越小,水分下滲越慢,越容易在土層滯留形成側向壤中流。黃土高原土層深厚、質地均勻,一般難以形成壤中流,但在溝谷邊坡或溝道地區(qū),土體存在垂直切面和明顯的分層結構,再加上下層不透水層的作用,較容易形成壤中流。在太行山片麻巖坡地“上覆土壤,下伏巖石”的巖土二元結構下,在土壤-風化巖石的交界面處或風化巖體的裂隙容易形成壤中流。趙思遠等通過染色示蹤技術研究華北土石山區(qū)坡面優(yōu)先流影響因素,發(fā)現(xiàn)土壤質地是引起優(yōu)先流分布差異的主要原因。而在喀斯特地區(qū)上層土壤疏松,入滲能力強,表層巖溶帶為相對隔水層,壤中流是坡面徑流的重要組分。在裂隙和溶溝發(fā)育、巖體破碎裸露出地表且交錯分布埋藏的區(qū)域,坡地徑流與壤中流存在復雜的交互過程。

不同母質發(fā)育下的土壤壤中流產(chǎn)流特征也存在差異。徐銘澤等研究了花崗巖、第四紀紅黏土、紅砂巖3種母質發(fā)育的紅壤坡面產(chǎn)流特征,發(fā)現(xiàn)花崗巖紅壤的壤中流量最小,第四紀紅壤的流量最大,花崗巖紅壤的壤中流量僅為第四紀紅壤的53%～67%,峰值為后者的42%～52%,且停雨后的壤中流消退過程可以用指數(shù)函數(shù)方程進行預測,決定系數(shù)在0.82以上,具有較好的預測性。

土壤中動物活動以及人類活動影響土壤孔隙從而影響壤中流。動植物的洞穴使土壤形成較大孔隙,顯著影響水分運移過程,可促成壤中流的發(fā)展。蜥蜴洞穴處的土壤穩(wěn)定性和入滲率較高; 蚯蚓通過挖掘垂直或連續(xù)的洞穴,加速了土壤中水分的轉移。相互連通的螞蟻洞穴也是土壤重要大孔隙類型,可以顯著增加土壤入滲,促進土壤水分運移。人類活動中的土壤耕作會破壞土壤團聚體穩(wěn)定性,使土壤生物大孔隙(動植物洞穴孔隙)的連通性受到破壞,從而影響水分運移至深層土壤。

2.2 地形因素

多數(shù)研究表明坡度越大坡面徑流形成越快,但壤中流產(chǎn)流越少。降水在坡面停留的時間短,不利于降水入滲到坡面中。例如,Rubin研究發(fā)現(xiàn)在入滲率較大的坡面上,入滲速率隨著坡度的增加而減小,不利于壤中流的形成。同時,也有研究認為存在一個臨界坡度使得壤中流產(chǎn)流量隨坡度增大先增加后減少,而產(chǎn)流時間、產(chǎn)流滯后時間隨坡度的增加先減小后增大。例如,常寶發(fā)現(xiàn)在一定條件下,淺層壤中流整體呈現(xiàn)先隨坡度的增加逐漸產(chǎn)生,到臨界坡度后,隨坡度的增加逐漸無壤中流產(chǎn)生。陳曉安等設置4個坡度研究了紅壤坡耕地壤中流的產(chǎn)流特征,得到隨著坡度增大(從5°到20°)壤中流產(chǎn)流時間先減小后增大,臨界坡度為10°。越來越多學者通過試驗證實坡度影響壤中流產(chǎn)流存在一個臨界坡度。

2.3 植被條件

植被通過改變土壤的孔隙性,引起匯流界面的變化。徐佩等在紫色坡耕地試驗中發(fā)現(xiàn),農(nóng)地和順坡壟作的壤中流產(chǎn)生機率遠高于平直裸地,作物提高了地表植被覆蓋度,延長了降水在地表的停留時間,增大入滲率,使得壤中流發(fā)生機率增大。吳澤等通過試驗發(fā)現(xiàn)在一定降水條件下,巖溶槽谷坡地壤中流表現(xiàn)為竹林地＞果園地＞耕地＞林地,這可能是由于竹林根系較淺,可以有效地增加土壤入滲,從而使得竹林地壤中流產(chǎn)流量大于果園、林地和耕地。Duan等發(fā)現(xiàn)與裸地相比,草地覆蓋和凋落物覆蓋產(chǎn)生較低的地表徑流和較高的壤中流,地表徑流量占降水量的比例很小,這與Li等、Fullen研究結果一致。良好的植被可以起到減少地表徑流、增加壤中流和地下徑流、防止水土流失、涵養(yǎng)水源、改善河流水文狀況及減輕洪澇災害的作用。壤中流的大小差異主要與土壤層厚度、植被覆蓋率的差異等有關。

2.4 降雨因素

降雨是影響壤中流的重要因素之一。有研究認為在降雨較多的南方地區(qū),壤中流占徑流量的比例很大,而在較為干旱的地區(qū),如黃土高原,則不容易產(chǎn)生壤中流。但降雨因素是一個較復雜的因素,它包括雨強、歷時、降雨模式等。在降雨強度方面,多數(shù)學者認為壤中流流量隨雨強的增大而減小,還有部分學者認為壤中流與降雨強度無顯著關系。對于壤中流的產(chǎn)流時間與雨強的關系,Deng等在研究中國東南部侵蝕裸露風化花崗巖邊坡徑流時發(fā)現(xiàn),壤中流的出現(xiàn)時間與降雨強度呈負相關關系,雨強越大,壤中流出現(xiàn)時間反而后延。不同的雨型或降雨模式對壤中流的產(chǎn)生影響不同。當降雨量相同時,短歷時高強度的降雨模式不如長歷時低強度的降雨模式對壤中流的影響明顯。Duan等設計了4種降雨模式并通過試驗得到在草地上低強度和長持續(xù)時間的降雨模式下會產(chǎn)生更多壤中流。降雨特性影響著壤中流的發(fā)生。

綜上所述,壤中流的產(chǎn)流是多種因素相互作用的結果,任一因素的改變都會對壤中流的各方面造成影響,目前國內(nèi)外的學者對于影響壤中流的因素的研究還局限在單因素或兩個因素交互作用上,對于多因素協(xié)同作用的研究還比較少。

3 壤中流生態(tài)水文效應

建設生態(tài)文明,是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計。良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基礎。生態(tài)建設與水文水資源有著非常密切的關系,生態(tài)水文學是一個新興的學科,是一門研究地球表面水的物理變化過程、運動規(guī)律及水域環(huán)境和人類社會之間相互關系的學科。壤中流作為水分在土壤中參與水循環(huán)的一個內(nèi)部環(huán)節(jié),對徑流產(chǎn)生、水文預報等具有重要作用,不僅影響著降雨-入滲-徑流的關系,還對植被恢復、生長產(chǎn)生重要影響。同時徑流是土壤養(yǎng)分流失的主要載體,壤中流作為徑流的重要組成部分,對養(yǎng)分在坡地上的運移也產(chǎn)生重要影響。

3.1 土壤養(yǎng)分運移

壤中流、地表徑流以及泥沙侵蝕流失的養(yǎng)分是坡地土壤養(yǎng)分流失的三大主要途徑,隨著國內(nèi)外學者對壤中流研究的不斷深入,關于壤中流影響?zhàn)B分流失的研究也逐漸成為水文學和土壤學的研究熱點。在磷素方面,壤中流是磷流失的主要途徑。朱浩宇等通過試驗發(fā)現(xiàn),不同施肥處理下,全磷在壤中流的流失通量占總流失通量的7.52%～12.91%。常龍飛等認為壤中流中磷的遷移傳輸量的變化主要取決于壤中流在遷移傳輸過程中與土壤間相互作用的時間、新舊壤中流中化學平衡程度以及壤中流與土壤膠體間的平衡程度。還有學者發(fā)現(xiàn)添加生物炭或土壤中存在大孔隙都會增加土壤中磷的流失。而在氮素方面,壤中流中總氮的流失遠大于總磷,且氮流失的形態(tài)以硝態(tài)氮為主。杜祥運等通過研究發(fā)現(xiàn)在草本或草本與灌木組合的植被條件下,氮流失主要以壤中流流失為主。鄭海金等通過試驗發(fā)現(xiàn),不同形態(tài)氮徑流輸出以105 cm壤中流為主,占徑流輸出總通量的71%以上。Deng等也持有相同的觀點,認為壤中流的氮素損失主要以硝態(tài)氮的形式出現(xiàn),大部分流失是由壤中流引起的,壤中流是徑流養(yǎng)分流失的優(yōu)先途徑。Jia等研究了紫色土地區(qū)不同水文機制下的氮損失問題,發(fā)現(xiàn)壤中流中硝態(tài)氮濃度是地表徑流的20多倍。目前,壤中流驅動下氮素和磷素的遷移研究已趨于成熟,而對壤中流驅動下有機碳等其他營養(yǎng)元素的遷移研究尚處在探索階段,還需要引起更多關注。

3.2 水土保持

土壤中水分過多時會影響土壤的通氣性以及土壤溫度。壤中流可以改變土壤內(nèi)的水分含量、水質,從而影響著土壤環(huán)境。壤中流一方面將土體中的細顆粒物帶走; 另一方面下滲的水可以軟化母巖,加快成土速度,增加黏粒,促進土壤團聚體發(fā)育,提高土壤抗沖和抗崩解性能,對從源頭維持土壤質量具有一定意義。養(yǎng)分是土壤肥力的物質基礎,部分營養(yǎng)物質如氮、磷等在土壤中隨壤中流運動再分布,會對土壤肥力產(chǎn)生影響。同時壤中流通過影響植被恢復也影響著土壤質量。毛管水是植物所需水分的主要來源,壤中流的產(chǎn)生表示土壤擁有充足的毛管水。在干旱半干旱地區(qū)蒸發(fā)、蒸騰作用強烈,植物對水分的需求更大,對壤中流的損耗也越大。壤中流對植被的恢復產(chǎn)生重要影響,而植被重建與恢復是改善生態(tài)環(huán)境保持水土的重要措施,植被恢復是保護水土的有效辦法。Yuan等研究表明,土壤有效持水量、綜合土壤肥力指數(shù)隨著恢復年限的增加而增加,恢復年限對恢復林地的水源涵養(yǎng)功能和土壤肥力質量有著積極影響。

3.3 徑流調(diào)節(jié)

徑流由地表徑流、壤中流和地下徑流組成。陸地水文調(diào)節(jié)和平衡受到地表水與地下水相互作用的影響,壤中流可以通過影響地表徑流對降雨事件的響應,進而影響區(qū)域地表水與地下水的管理。在降雨形成徑流的過程中,壤中流的集流過程緩慢,有時可持續(xù)數(shù)天、幾周甚至更長時間。無論從徑流的組成或是從壤中流的形成機制來看,壤中流通過對水分的運移,對降雨進行再分配從而起到調(diào)節(jié)徑流的作用。在紫色土地區(qū)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),壤中流發(fā)育活躍,年均累積量是地表徑流的4.9倍。在紅壤坡地,徑流也是以壤中流為主。但有的學者則通過試驗得到,在紅壤坡地降雨過后,地表徑流占總流量的95.86%,不過仍然存在壤中流,這可能是由于降雨特性造成的。在干旱半干旱地區(qū),壤中流有時可以起到與水庫相似的作用,一場降水過后,部分地表徑流轉化為壤中流,不僅可以減少水土流失,還可以存蓄水分,緩解區(qū)域水資源短缺問題。

3.4 水文預報

壤中流通過改變土壤內(nèi)水分含量,影響地表徑流和地下徑流的形成與變化,并對流域徑流產(chǎn)生預測及流域水文循環(huán)計算、洪水預報具有相當重要作用。超滲產(chǎn)流特征是水文預報的難點,而其中壤中流的計算又是關鍵,直接關系到預報精度。國內(nèi)學者為了提高壤中流計算的準確性進行了大量研究,提出一系列水文計算模型。近年隨著計算機技術、遙感衛(wèi)星技術、數(shù)學分支等科學技術發(fā)展,模糊數(shù)學法、分布式水文模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色系統(tǒng)理論等水文預報方法為水文預報拓展了新的研究途徑。

但是在實際應用中,無論是哪一類水文模型都只是對水文過程的近似描述,理論上都無法還原“真實的”自然水文過程。在實時洪水預報中不可避免地存在模型輸入、模型結構及參數(shù)的不確定性。國內(nèi)學者在預報不確定性分析方面已經(jīng)取得一些成果,不過仍然需要進一步研究以降低不確定性,提高預報精度。

4 總結與展望

專家學者對壤中流進行了廣泛的研究。首先,在壤中流的影響因子方面,學者們通過研究發(fā)現(xiàn)影響壤中流的因素較為復雜,包括地形因素、土壤因素、降雨因素、下墊面因素等,但國內(nèi)外學者對其研究主要局限在一個因素或兩個因素,各因子之間的耦合、交互、協(xié)同作用研究很少,并且研究多集中在紅壤和紫色土地區(qū),而西南喀斯特地區(qū)、黃土高原地區(qū)以及北方土石山區(qū)相對較少,尤其是在華北土石山區(qū),降雨過后山坡風化巖體層也會產(chǎn)生出流,因此加大對這些地區(qū)壤中流的研究,探索壤中流在巖土二元介質、風化巖體層的產(chǎn)流特征,對全面認識壤中流形成機理及生態(tài)水文效應具有重要意義。其次,壤中流在運輸土壤養(yǎng)分、促進植被生長恢復、維持增強土壤質量以及水文預報方面均發(fā)揮著重要作用。對于土壤養(yǎng)分在壤中流中的運移機理,大量試驗已經(jīng)證明壤中流是引起養(yǎng)分流失的主要因素之一。但試驗研究大多是基于人工模擬降雨,自然降雨條件下的研究較少; 而且試驗多為室內(nèi)的土柱試驗,缺少野外長期原位觀測試驗。再次,壤中流計算關系著水文預報的準確性,但現(xiàn)在壤中流模型模擬多應用于室內(nèi)模擬條件,對野外條件下模擬的有效性還需要驗證,所以需要推進壤中流模型的發(fā)展。同時,壤中流研究在以下幾方面仍需加強: 1)加強對除紫色土區(qū)、紅壤區(qū)外其他地區(qū)壤中流的研究,同時對于氣溫升高較明顯的流域,需要關注氣候變暖下的壤中流效應,改進水文模型中對氣候變暖的水文效應的描寫。2)擴大壤中流模型在干旱半干旱地區(qū)的山區(qū)或大流域地區(qū)的適用性,增長基準期,減少由基準期太短帶來的降水徑流關系誤差,推進模型驗證土石地區(qū)壤中流。3)推動室內(nèi)試驗向野外試驗擴展,加強長期野外定位試驗監(jiān)測與研究,實現(xiàn)長期、連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測,進一步增加多因素協(xié)同作用的研究。4)應用數(shù)據(jù)同化技術、GIS技術、多模型耦合技術、掃描技術等先進技術,增加對壤中流的全面認識。