壤中流形成机制及其生态水文效应研究进展*

赵宇寒,曹建生,朱春雨,阳 辉

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049)

水是生命之源、生产之要、生态之基,事关人类生存、经济发展和社会进步。受气候变化、人口增长等因素的影响,全球水资源短缺、水环境污染、水生态损害等问题日趋严峻,本质是流域水循环在自然与人类双重驱动下演变失衡。水循环指的各种形式的水体在陆地、海洋和大气间不断运动、转化的过程,使水资源不断更新,维持着全球水的动态平衡。壤中流是径流的重要组分,同时也是河湖水的重要补给来源,在水源涵养、养分运移等方面发挥着重要作用。

壤中流是在土壤中沿不同透水性土壤层界面流动的水流。壤中流产生条件为: 1)包气带中存在相对不透水层; 2)上层土壤含水量达到田间持水量。受土壤质地影响,壤中流的运移形式主要有两种: 一是在介质较为均一的土壤中,遵循达西定律的基质流; 二是在含有大孔隙的土壤中,不遵循达西定律的优先流,根据形成方式优势流分为大孔隙流、漏斗流、指流、管流等不同类型。

作为径流的重要组成部分,也是变化环境下关系水循环和生态环境演变的重要环节,壤中流目前是水文学与土壤学研究领域的热点和难点。壤中流的产流过程受到大气降水、土壤性质、地形条件、植被等多种因素的交互影响,较为复杂。同时壤中流参与溶质的运移过程,对土壤环境变化、植被生长恢复起到重要作用,影响土壤生产力与环境可持续发展。另外壤中流对水体环境产生影响,水体环境又与人体健康存在密切联系,应该受到更多关注。本文概述了1990年以来中国壤中流领域研究的发展态势、影响壤中流形成的因素、壤中流的生态水文效益、存在的主要问题,并探讨了对未来壤中流研究的方向。

1 国内壤中流研究发展态势

20世纪60年代后国内学者对壤中流的研究陆续增多,90年代后迅速发展,逐渐成为水文学和土壤学领域研究的热点问题之一。在Web of Science(WOS)中通过关键词“subsurface flow”或“interflow”以及限制地区“China”或“PRC”,在中国知网(CNKI)通过关键词“壤中流”,统计搜索1990年以来中国关于壤中流研究发表的论文数量以及被引频次。结果表明在WOS中自1990年中国对于壤中流的研究迅速增加,论文发表数从1991年的2篇增加到2020年的368篇,论文被引频次也呈现指数型增长(图1a)。

在CNKI全部数据库中通过“主题=壤中流”或“题名=壤中流”检索1990—2020年发表的壤中流研究相关中文论文。结果表明1990—2004年年发文量均在20篇以内,2005年起国内关于壤中流的研究进入快速发展阶段,2013年发文量达到峰值63篇,近5年进入稳定发展时期(图1b)。

图1 1990—2020年Web of Science （a）和中国知网（b）检索的中国壤中流论文发表数量及被引频次变化趋势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

从检索1990—2020年壤中流领域得到的论文分析来看,主要主题分布在紫色土、湿地、氮素、坡耕地、洪水预报、水文模型等方面(图2),研究领域涉及农业资源与环境、水利工程、环境、林学、生态等,研究内容主要集中在壤中流产流、壤中流与养分流失、壤中流影响因素等方面。

图2 1990—2020年中国知网（A）和Web of Science （B）壤中流研究的主要主题分布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响因素

以往研究表明影响壤中流形成的因素极为复杂,包括土壤因素(土壤初始含水量、土壤质地结构、土壤类型等)、水流补给条件(坡度、覆盖条件、径流等)、降雨因素(包括雨强、历时等)。

2.1 土壤因素

土壤是一个极其复杂的体系,土壤的质地结构状况、水分、母质等直接影响土壤的通气状况,从而影响土壤水分运行规律。

土壤初始含水量影响土壤入渗能力。杨聪等在华北石质山地通过人工模拟降雨试验监测并分析了土壤含水量与壤中流的关系,结果表明前期土壤含水量小则更容易产生壤中流,这可能是由于风化带有较多裂隙,降雨开始后土壤的入渗速率比较大,雨水可在土壤层和风化带中迅速渗出,形成壤中流和风化带出流。曾辰等对此持有相同的观点,认为水分的入渗速率与土壤含水量呈反比。吴发启等也表示初始含水率越大,在相同时间内,非稳定入渗阶段的入渗速率迅速降低; 随着土壤初始含水量增加,坡地壤中流产流开始的时间明显提前,稳定入渗率迅速降低。土壤前期含水量越小,壤中流移动更明显。

土壤质地结构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,壤中流在紫色土地区普遍存在且占总径流量一定比例。一般情况下,排除容重等因素的影响,黏粒含量越高、质地越细的土壤饱和导水率越小。饱和导水率越小,水分下渗越慢,越容易在土层滞留形成侧向壤中流。黄土高原土层深厚、质地均匀,一般难以形成壤中流,但在沟谷边坡或沟道地区,土体存在垂直切面和明显的分层结构,再加上下层不透水层的作用,较容易形成壤中流。在太行山片麻岩坡地“上覆土壤,下伏岩石”的岩土二元结构下,在土壤-风化岩石的交界面处或风化岩体的裂隙容易形成壤中流。赵思远等通过染色示踪技术研究华北土石山区坡面优先流影响因素,发现土壤质地是引起优先流分布差异的主要原因。而在喀斯特地区上层土壤疏松,入渗能力强,表层岩溶带为相对隔水层,壤中流是坡面径流的重要组分。在裂隙和溶沟发育、岩体破碎裸露出地表且交错分布埋藏的区域,坡地径流与壤中流存在复杂的交互过程。

不同母质发育下的土壤壤中流产流特征也存在差异。徐铭泽等研究了花岗岩、第四纪红黏土、红砂岩3种母质发育的红壤坡面产流特征,发现花岗岩红壤的壤中流量最小,第四纪红壤的流量最大,花岗岩红壤的壤中流量仅为第四纪红壤的53%～67%,峰值为后者的42%～52%,且停雨后的壤中流消退过程可以用指数函数方程进行预测,决定系数在0.82以上,具有较好的预测性。

土壤中动物活动以及人类活动影响土壤孔隙从而影响壤中流。动植物的洞穴使土壤形成较大孔隙,显著影响水分运移过程,可促成壤中流的发展。蜥蜴洞穴处的土壤稳定性和入渗率较高; 蚯蚓通过挖掘垂直或连续的洞穴,加速了土壤中水分的转移。相互连通的蚂蚁洞穴也是土壤重要大孔隙类型,可以显著增加土壤入渗,促进土壤水分运移。人类活动中的土壤耕作会破坏土壤团聚体稳定性,使土壤生物大孔隙(动植物洞穴孔隙)的连通性受到破坏,从而影响水分运移至深层土壤。

2.2 地形因素

多数研究表明坡度越大坡面径流形成越快,但壤中流产流越少。降水在坡面停留的时间短,不利于降水入渗到坡面中。例如,Rubin研究发现在入渗率较大的坡面上,入渗速率随着坡度的增加而减小,不利于壤中流的形成。同时,也有研究认为存在一个临界坡度使得壤中流产流量随坡度增大先增加后减少,而产流时间、产流滞后时间随坡度的增加先减小后增大。例如,常宝发现在一定条件下,浅层壤中流整体呈现先随坡度的增加逐渐产生,到临界坡度后,随坡度的增加逐渐无壤中流产生。陈晓安等设置4个坡度研究了红壤坡耕地壤中流的产流特征,得到随着坡度增大(从5°到20°)壤中流产流时间先减小后增大,临界坡度为10°。越来越多学者通过试验证实坡度影响壤中流产流存在一个临界坡度。

2.3 植被条件

植被通过改变土壤的孔隙性,引起汇流界面的变化。徐佩等在紫色坡耕地试验中发现,农地和顺坡垄作的壤中流产生机率远高于平直裸地,作物提高了地表植被覆盖度,延长了降水在地表的停留时间,增大入渗率,使得壤中流发生机率增大。吴泽等通过试验发现在一定降水条件下,岩溶槽谷坡地壤中流表现为竹林地＞果园地＞耕地＞林地,这可能是由于竹林根系较浅,可以有效地增加土壤入渗,从而使得竹林地壤中流产流量大于果园、林地和耕地。Duan等发现与裸地相比,草地覆盖和凋落物覆盖产生较低的地表径流和较高的壤中流,地表径流量占降水量的比例很小,这与Li等、Fullen研究结果一致。良好的植被可以起到减少地表径流、增加壤中流和地下径流、防止水土流失、涵养水源、改善河流水文状况及减轻洪涝灾害的作用。壤中流的大小差异主要与土壤层厚度、植被覆盖率的差异等有关。

2.4 降雨因素

降雨是影响壤中流的重要因素之一。有研究认为在降雨较多的南方地区,壤中流占径流量的比例很大,而在较为干旱的地区,如黄土高原,则不容易产生壤中流。但降雨因素是一个较复杂的因素,它包括雨强、历时、降雨模式等。在降雨强度方面,多数学者认为壤中流流量随雨强的增大而减小,还有部分学者认为壤中流与降雨强度无显著关系。对于壤中流的产流时间与雨强的关系,Deng等在研究中国东南部侵蚀裸露风化花岗岩边坡径流时发现,壤中流的出现时间与降雨强度呈负相关关系,雨强越大,壤中流出现时间反而后延。不同的雨型或降雨模式对壤中流的产生影响不同。当降雨量相同时,短历时高强度的降雨模式不如长历时低强度的降雨模式对壤中流的影响明显。Duan等设计了4种降雨模式并通过试验得到在草地上低强度和长持续时间的降雨模式下会产生更多壤中流。降雨特性影响着壤中流的发生。

综上所述,壤中流的产流是多种因素相互作用的结果,任一因素的改变都会对壤中流的各方面造成影响,目前国内外的学者对于影响壤中流的因素的研究还局限在单因素或两个因素交互作用上,对于多因素协同作用的研究还比较少。

3 壤中流生态水文效应

建设生态文明,是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。良好的生态环境是人类社会可持续发展的基础。生态建设与水文水资源有着非常密切的关系,生态水文学是一个新兴的学科,是一门研究地球表面水的物理变化过程、运动规律及水域环境和人类社会之间相互关系的学科。壤中流作为水分在土壤中参与水循环的一个内部环节,对径流产生、水文预报等具有重要作用,不仅影响着降雨-入渗-径流的关系,还对植被恢复、生长产生重要影响。同时径流是土壤养分流失的主要载体,壤中流作为径流的重要组成部分,对养分在坡地上的运移也产生重要影响。

3.1 土壤养分运移

壤中流、地表径流以及泥沙侵蚀流失的养分是坡地土壤养分流失的三大主要途径,随着国内外学者对壤中流研究的不断深入,关于壤中流影响养分流失的研究也逐渐成为水文学和土壤学的研究热点。在磷素方面,壤中流是磷流失的主要途径。朱浩宇等通过试验发现,不同施肥处理下,全磷在壤中流的流失通量占总流失通量的7.52%～12.91%。常龙飞等认为壤中流中磷的迁移传输量的变化主要取决于壤中流在迁移传输过程中与土壤间相互作用的时间、新旧壤中流中化学平衡程度以及壤中流与土壤胶体间的平衡程度。还有学者发现添加生物炭或土壤中存在大孔隙都会增加土壤中磷的流失。而在氮素方面,壤中流中总氮的流失远大于总磷,且氮流失的形态以硝态氮为主。杜祥运等通过研究发现在草本或草本与灌木组合的植被条件下,氮流失主要以壤中流流失为主。郑海金等通过试验发现,不同形态氮径流输出以105 cm壤中流为主,占径流输出总通量的71%以上。Deng等也持有相同的观点,认为壤中流的氮素损失主要以硝态氮的形式出现,大部分流失是由壤中流引起的,壤中流是径流养分流失的优先途径。Jia等研究了紫色土地区不同水文机制下的氮损失问题,发现壤中流中硝态氮浓度是地表径流的20多倍。目前,壤中流驱动下氮素和磷素的迁移研究已趋于成熟,而对壤中流驱动下有机碳等其他营养元素的迁移研究尚处在探索阶段,还需要引起更多关注。

3.2 水土保持

土壤中水分过多时会影响土壤的通气性以及土壤温度。壤中流可以改变土壤内的水分含量、水质,从而影响着土壤环境。壤中流一方面将土体中的细颗粒物带走; 另一方面下渗的水可以软化母岩,加快成土速度,增加黏粒,促进土壤团聚体发育,提高土壤抗冲和抗崩解性能,对从源头维持土壤质量具有一定意义。养分是土壤肥力的物质基础,部分营养物质如氮、磷等在土壤中随壤中流运动再分布,会对土壤肥力产生影响。同时壤中流通过影响植被恢复也影响着土壤质量。毛管水是植物所需水分的主要来源,壤中流的产生表示土壤拥有充足的毛管水。在干旱半干旱地区蒸发、蒸腾作用强烈,植物对水分的需求更大,对壤中流的损耗也越大。壤中流对植被的恢复产生重要影响,而植被重建与恢复是改善生态环境保持水土的重要措施,植被恢复是保护水土的有效办法。Yuan等研究表明,土壤有效持水量、综合土壤肥力指数随着恢复年限的增加而增加,恢复年限对恢复林地的水源涵养功能和土壤肥力质量有着积极影响。

3.3 径流调节

径流由地表径流、壤中流和地下径流组成。陆地水文调节和平衡受到地表水与地下水相互作用的影响,壤中流可以通过影响地表径流对降雨事件的响应,进而影响区域地表水与地下水的管理。在降雨形成径流的过程中,壤中流的集流过程缓慢,有时可持续数天、几周甚至更长时间。无论从径流的组成或是从壤中流的形成机制来看,壤中流通过对水分的运移,对降雨进行再分配从而起到调节径流的作用。在紫色土地区监测发现,壤中流发育活跃,年均累积量是地表径流的4.9倍。在红壤坡地,径流也是以壤中流为主。但有的学者则通过试验得到,在红壤坡地降雨过后,地表径流占总流量的95.86%,不过仍然存在壤中流,这可能是由于降雨特性造成的。在干旱半干旱地区,壤中流有时可以起到与水库相似的作用,一场降水过后,部分地表径流转化为壤中流,不仅可以减少水土流失,还可以存蓄水分,缓解区域水资源短缺问题。

3.4 水文预报

壤中流通过改变土壤内水分含量,影响地表径流和地下径流的形成与变化,并对流域径流产生预测及流域水文循环计算、洪水预报具有相当重要作用。超渗产流特征是水文预报的难点,而其中壤中流的计算又是关键,直接关系到预报精度。国内学者为了提高壤中流计算的准确性进行了大量研究,提出一系列水文计算模型。近年随着计算机技术、遥感卫星技术、数学分支等科学技术发展,模糊数学法、分布式水文模型、人工神经网络、灰色系统理论等水文预报方法为水文预报拓展了新的研究途径。

但是在实际应用中,无论是哪一类水文模型都只是对水文过程的近似描述,理论上都无法还原“真实的”自然水文过程。在实时洪水预报中不可避免地存在模型输入、模型结构及参数的不确定性。国内学者在预报不确定性分析方面已经取得一些成果,不过仍然需要进一步研究以降低不确定性,提高预报精度。

4 总结与展望

专家学者对壤中流进行了广泛的研究。首先,在壤中流的影响因子方面,学者们通过研究发现影响壤中流的因素较为复杂,包括地形因素、土壤因素、降雨因素、下垫面因素等,但国内外学者对其研究主要局限在一个因素或两个因素,各因子之间的耦合、交互、协同作用研究很少,并且研究多集中在红壤和紫色土地区,而西南喀斯特地区、黄土高原地区以及北方土石山区相对较少,尤其是在华北土石山区,降雨过后山坡风化岩体层也会产生出流,因此加大对这些地区壤中流的研究,探索壤中流在岩土二元介质、风化岩体层的产流特征,对全面认识壤中流形成机理及生态水文效应具有重要意义。其次,壤中流在运输土壤养分、促进植被生长恢复、维持增强土壤质量以及水文预报方面均发挥着重要作用。对于土壤养分在壤中流中的运移机理,大量试验已经证明壤中流是引起养分流失的主要因素之一。但试验研究大多是基于人工模拟降雨,自然降雨条件下的研究较少; 而且试验多为室内的土柱试验,缺少野外长期原位观测试验。再次,壤中流计算关系着水文预报的准确性,但现在壤中流模型模拟多应用于室内模拟条件,对野外条件下模拟的有效性还需要验证,所以需要推进壤中流模型的发展。同时,壤中流研究在以下几方面仍需加强: 1)加强对除紫色土区、红壤区外其他地区壤中流的研究,同时对于气温升高较明显的流域,需要关注气候变暖下的壤中流效应,改进水文模型中对气候变暖的水文效应的描写。2)扩大壤中流模型在干旱半干旱地区的山区或大流域地区的适用性,增长基准期,减少由基准期太短带来的降水径流关系误差,推进模型验证土石地区壤中流。3)推动室内试验向野外试验扩展,加强长期野外定位试验监测与研究,实现长期、连续的动态监测,进一步增加多因素协同作用的研究。4)应用数据同化技术、GIS技术、多模型耦合技术、扫描技术等先进技术,增加对壤中流的全面认识。