土壤入渗研究进展及方向评述

吕振豫，刘姗姗，秦天玲，邢子强

(1. 清华大学水利水电工程系, 北京 100084；2 中国水利水电科学研究院, 北京 100038；3. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038)

作为联系地表水、地下水和生物地球循环的纽带，物质传输和运移的载体，土壤水与大气水、地表水、地下水和植被存在着紧密联系，是水资源中最重要，也是最复杂的部分[1,2](图1)。土壤入渗是地面水转化为可被植被吸收利用水分的唯一途径，决定着土壤水有效蓄存程度，也决定着地表径流和土壤侵蚀的程度，影响作物根区水分分布和水分有效利用情况，最终影响作物生长状况与产量[3-7]。

基于土壤入渗过程的重要性，18世纪中叶，西方国家开展了一系列研究并取得了显著成果。1856年，法国工程师达西(H. Darcy)提出饱和水流运动规律[8]。1907年，白金汉(E. Buchingham)引入“毛管势”的概念[9]。国内关于土壤入渗研究始于20世纪50年代，以应用为目的开展了系列研究[10,11]。真正开始用定量的、连续的能量观点，研究土壤入渗过程要追溯到20世纪70-80年代。这一时期，雷志栋等[12]撰写编著了《土壤水动力学》；张蔚榛等[13]编著了《地下水与土壤水动力学》。土壤入渗研究早期，处于定性描述或用各种经验方法处理生产实践中遇到的新问题。随着物理学、数学、信息科学、计算科学以及高新技术的广泛应用，土壤入渗研究逐渐从单学科向学科交叉、从均质走向非均质、从点的研究走向面的研究、从理论推导或经验公式走向模型应用[14-16]。然而，全球变化不断影响人口、粮食、资源和环境，给土壤入渗研究提出了新的挑战，要求其从传统思路中拓展开来。基于此，本研究从土壤入渗基本理论、测定方法、模拟方程和影响因素分析等几个方面综述其进展，并探讨未来发展方向。

图1 土壤水循环Fig.1 Soil water cycle

1 土壤入渗基本理论

土壤入渗理论发展至今，已有100余年的历史。先后经历了从宏观到微观，从饱和一维垂直入渗到非饱和多维入渗，从形态学定性研究到能量学定量研究，从学科分支到独立学科等几个阶段。土壤入渗理论研究，起步于19世纪50年代末，最初只是针对饱和土壤垂直一维入渗过程，代表性的是达西定律。1877年，BrigsL.J提出毛管假说，指出表面张力是土壤保持水分的主要原因，使土壤入渗研究由宏观走向微观[17]。1907年，Buckingham提出毛管势理论，开辟了能量学观点研究土壤入渗过程的新途径。1920年，Gardner推导出土壤水势与含水量的关系，作为土壤水分特征曲线的雏形，使土壤入渗过程与能量观点联系更加紧密[18]。1931年，Richards根据毛管理论，将数学物理方法引入非饱和土壤水运动中，标志着土壤入渗研究从饱和一维向非饱和多维转变[19]。此后，能态研究，以及在此基础上用数学物理方法定量化土壤入渗过程取得极大进展，形成了土壤水动力学这一独立学科。1952年，Klute建立毛管势与土壤含水量的关系，扩展了土壤含水量在入渗研究中的作用[20]。1957年，Philip揭示了土壤水运动水热耦合特征，应用热力学函数表达土壤水分的形式得到推广[21]。1966年，土壤-植物-大气连续体(SPAC)概念的提出，从水循环过程和互反馈关系上量化水分传输过程，将土壤入渗研究推向新阶段[22]。我国土壤入渗理论研究起步较晚，20世纪50-60年代，以苏联A.A.Pone为代表的形态学研究观点和方法支配着我国土壤入渗研究。1988年，雷志栋等研究了考虑土壤蒸发、植被蒸腾等外部条件的土壤入渗过程的解析和半解析解，分析了通过特征参数标定，利用空间插值方法，解决土壤水动态变化空间异质性的方法；1996年，张蔚榛等总结分析了土壤水和地下水的相互关系，出版了《地下水与土壤水动力学》。1997年，第一次全国土壤物理学术讨论会，能量学研究土壤入渗过程得到推广。此后，SPAC系统水热通量的测定和估算方法研究深入开展。

2 土壤入渗过程的测定方法

早期，对土壤入渗过程的描述主要基于室内和田间试验，观察记录土壤水动态变化，包括注水法(双环实验)、水文法(水量平衡)、人工降雨法和基于时域反射技术的土壤水动态监测[23，24]。

注水法通常采用同心环入渗装置，定水头入渗，记录某一时段的入渗量，计算土壤入渗率的变化。包括：双(单)环入渗法、渗透仪测量法和专业入渗仪测量法等[25-28]。水文法主要利用径流实验场&小区中实测的降雨-径流过程资料，通过水文分析方法推求入渗方程。这一方法只用于计算径流实验场&小区土壤平均入渗率，无法获得土壤水动态变化过程[29]。随着时域反射技术的推广，相关学者开始采用时域反射仪(TDR)测定径流实验场&小区土壤水的动态变化。TDR监测土壤水分的基本原理是利用探针测定高频阶梯状脉冲在土壤中的传播时间，进而获得土壤含水量的动态变化[30,31]。人工降雨法通过降雨装置模拟天然降雨，设定降雨强度，通过室内土柱入渗或野外小区观测实验，监测土壤入渗动态过程，利用水量平衡法推算土壤入渗量[32]。

室内和田间试验局限于单点测量，无法反映大尺度土壤水分变化的时空异质性。20世纪90年代后，遥感技术的不断推广，利用“3S”技术进行土壤水分研究取得重大进展。通过测量土壤表面反射或发射的电磁能量，建立遥感获取信息与土壤水分之间的关系，反演地表土壤水分变化。然而，目前遥感反演局限于土壤表层，且空间分辨率低[33]。

3 土壤入渗模拟方程

然而，上述理论、半经验和经验性入渗公式往往仅能描述入渗速率随时间的变化规律，且多属单点入渗。伴随着人类活动不断的改变天然土壤的物理、化学性质，一些学者开始尝试建立描述人类活动影响下土壤水分入渗过程的理论方程[39]。截止到目前，相关基本方程虽取得极大进展，但仍局限在土体单元单一入渗过程。20世纪80年代后，SPAC(Soil-Plant-Atmo-sphere Continuum)将土壤-植物-大气作为一个连续体，用统一的能量指标----水势将不同介质之间的相互联系作为整体中的内部联系，使土壤水和作物及生态环境协调统一。基于SPAC系统建立植被覆盖影响下的土壤入渗模型，成为相关领域的发展方向。

表1 土壤入渗模拟方程Tab.1 Soil water infiltration equation

4 土壤入渗影响因素

根据非饱和土壤达西渗流公式，土壤入渗量主要与土壤水力传导度和土壤水势梯度有关。另外，土壤入渗本质是水分在土体里流动而不断深入的过程，入渗速率主要受土壤孔隙的影响[40]。

截止到目前，土壤入渗的影响因素包括两大类，一类是土壤自身理化性质，包括土壤质地、结构、容重和有机质等；另一类则是外部因素，包括：初始含水量、降雨强度、植被覆盖、微地貌结构以及人为干扰等。土壤质地是土壤固相物质各粒级土粒的配合比例，通过改变土粒表面能，影响土壤孔隙尺度和分布，对土壤水分运动的驱动力和水力传导度产生影响，进而影响土壤入渗能力。Ma等[41]基于Kostiakov、Philip和Green-Ampt方程分析了土壤质地与土壤渗透性的关系。结果表明，砂质土壤的入渗率和累积入渗量高于壤土。土壤结构是指土壤颗粒的排列和组合，通过孔隙结构影响土壤水力传导度和水势梯度，进而影响土壤的入渗能力[42]。容重通过改变土壤饱和导水率影响土壤入渗过程。随土壤容重的增加，土壤团粒结构丧失，孔隙减小，土壤紧密坚实，入渗能力降低。李卓等[39]通过人为改变土壤颗粒级配，利用土柱积水入渗实验模拟分析了容重对土壤入渗能力的影响。结果表明，土壤入渗能力随容重增大而递减，实验所用3种典型土壤稳定入渗率与容重呈对数负相关。土壤有机质通过对土壤孔隙尺寸和分布的影响，改变土壤水力传导度，影响土壤水入渗能力。有机质含量往往与土壤团粒结构成正相关，一方面，团粒结构多的土壤，毛管孔隙多，可储存大量水分；另一方面，土壤孔隙稳定性随有机质含量的升高而增大，过水面积增加，入渗能力提高[43]。

土壤初始含水量决定入渗早期土水势的大小，初始含水量越高，初始入渗率和累计入渗量越小[44]。降雨对入渗的影响包括直接影响和间接影响。直接影响表现为雨型、降雨强度变化等对开始积水时间、开始积水前入渗过程、积水持续时间、积水后入渗过程等的影响；间接影响则表现为降雨产生的地表结皮等阻碍土壤入渗[45]。植被覆盖和耕作方式通过改变天然土体的物理性质，影响土壤入渗。耕作方式通过改变微团聚体与大团聚体之间的转化和再分布，影响土壤结构的稳定性，进而影响土壤入渗能力[46]。免耕、休耕等保护性耕作措施减少了对土壤的机械扰动，改善表层土壤结构，提高表层土壤团聚体的稳定性，使土壤入渗性能提高，蓄保水能力增强。深松可有效打破犁底层，加深耕作层深度，使耕作层内土壤疏松，通透性良好，增强土壤入渗能力。候贤清等[47]于宁南旱区研究了免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松和连年翻耕三种耕作模式对土壤入渗性能的影响，结果表明，通过改变土层水稳性团聚体稳定率，不同轮作模式可显著增强土壤入渗性能，免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松处理降雨入渗率较连年翻耕分别提高35.2%和15.3%。人为干扰如生物炭的施加，可以有效减低土壤容重，增大土壤孔隙度，改变土壤团聚性，影响土壤入渗过程[48]。另外，极端气候造成的土壤冻结等也是影响土壤入渗性能的重要因素[49,50]。

5 研究展望

作为土壤水资源补给的重要途径，降水、植物水、地表水、土壤水和地下水等“五水”转化的重要环节，土壤入渗过程近年来成为相关学者的研究重点，并被广泛应用于土壤水资源评价、水文模型构建等相关领域中。结合国内外研究进展，土壤入渗研究亟需加强以下两个方面的研究：①气候变化和人类活动对土壤入渗过程影响的机理识别；②“点”和“流域”尺度转换技术。

5.1 加强气候变化和人类活动对土壤入渗过程影响的机理识别

目前，传统土壤入渗研究主要基于单点入渗过程监测，且多关注均质土壤入渗过程的研究，未能充分考虑环境变化的影响，量化分析土壤入渗的时空变异规律。部分研究虽然考虑非均质土壤入渗问题，及人类活动如秸秆还田等耕作措施对土壤入渗过程的影响，但多基于实验观测，分析影响大小，对影响机理过程的描述尚需完善。以增温为主要特征的全球变化加快了能量流动和水循环速率[51]，使蒸发量增大，影响土壤水再分布过程，导致单次降雨(灌溉)土壤累积入渗量减少；水资源时空分布不均匀性加剧，使土壤入渗空间变异性增强[52]。高强度人类活动诱发的下垫面条件剧烈变化，改变了土壤水热特性和自然景观分布格局[53]；耕作管理如秸秆还田改变表层土壤的孔隙结构，减缓地表结皮，可有效增加入渗水量；深松/深翻增加土壤有效深度和地表糙率，提升土壤层调蓄空间；垄沟建设改变微地貌特征，增加地表洼蓄量，延长入渗时间；填埋材料改变天然土壤的理化性质，影响入渗过程。以基本理论为支撑，以室内&野外实验观测为手段，系统识别气候变化和人类活动对土壤入渗的影响机理，建立不同变化环境下土壤入渗理论方程是相关领域的研究重点。

5.2 “点”和“流域”尺度转换技术

土壤入渗过程本身是土壤水分运移的微观描述，相关研究也多聚焦于单点入渗过程的数学解析和模型模拟。随着水循环理论的不断发展，将流域作为研究水问题的基本单元，相关学者开始关注大尺度土壤入渗过程的研究[54]。理论知识的不断完善，以地理信息技术为支撑的研究手段快速发展，大尺度土壤入渗研究已取得了一系列成果。然而，将点尺度土壤入渗实验成果应用于大尺度研究，必须考虑流域土壤和气象因素异质性导致的入渗能力空间异质性和尺度转换问题。相关机理和方法的研究仍是尚未解决且亟需突破的难题。为满足宏观研究的需求，基于点尺度、长序列土壤水分变化动态监测成果，结合遥感反演，利用大数据技术，构建大尺度土壤水分动态监测平台，有助于识别点及流域尺度土壤入渗问题的特征及相应的尺度效应和尺度问题。