土壤水流运动和溶质运移形式研究现状综述

　　

        0 引言
　　
　　优先流（preferential flow），又称优势流、非均匀流，是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。国内外对优先流有多种定义，但直到现在也没有完全统一的标准。通常认为非均匀水流或优先流有2个重要特征[1]:一是水流运动过程中，部分湿润锋能以较快的速度发展到一定深度而绕过大部分土壤基质和孔隙；二是水流非平衡特征（non-equilibrium nature），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]、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（macropore flow）和不稳定指流（也称指流或指状流，finger flow）。其它一些优先流形态 ,如 管 流（pipe flow）、沟 槽 流（channel flow）、漏 斗 流（funnel flow）、环 绕 流（bypass flow）、摆 动 流（oscillatoryflow）、短路流（short circuiting flow）、异质流（heterogeneity-driven flow）、地下强径流（subsurface storm flow）、部分置换流（partial displacement flow）、低洼再蓄满流（depression-focused recharge flow） 及 非 饱 和 重 力 流（gravity-drivenunstable flow），也因其所引起的各种水文和环境地质问题而被研究者所关注[18].
　　
　　1.1大孔隙流
　　
　　大孔隙流是指入渗水和溶质绕过土壤基质而直接通过土壤中的大孔隙通快速迁移到深层土壤甚至是地下水的非均匀水流运动现象[19].Lawes等[20]于1882年发表的论述降雨与排水的数量和成分关系的文章，就是针对于现今所说的“大孔隙流”展开的。Lawes等发现，施加到土壤表面上的水有很大一部分通过大孔隙快速迁移，而几乎不与土壤本身所含水分发生作用，随后排出的水才是经由土壤饱和孔隙排出的。这是大孔隙流的最初发现，同时也是土壤优先流的最初发现。此后，诸多的室内外试验均观测到了大孔隙流，但当时都未引起人们的重视，非饱和土壤中的水分运动一直被视为是一种相对均匀和平衡的流动。直到20世纪七八十年代发生的几次“怪异”现象，大孔隙流才逐渐引起人们的高度关注。1980年，在美国长岛东 部 约 一 千 口 饮 用 水 井 中 发 现 了 杀 虫 剂 涕 灭 威（aldicarb）。当地管理部门对这种杀虫剂如此快速的迁移到地下水位且浓度如此之高感到十分不解。但在长岛发生的污染现象并不是个例，之后又在其它地方发生了多起此类现象，对人类的生存环境造成了严重的威胁。造成这类现象的主要原因就是土壤大孔隙对入渗水和溶质的快速传导作用[20].
　　
　　田间土壤中的大孔隙结构通常由土壤裂缝和裂隙、土壤管道和虫洞等组成。蚂蚁活动产生的大孔隙直径一般在2~50 mm[21],蚯蚓孔隙深度可达1.2~1.4 m[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> 1 mm的为大孔隙，而Beven和Germann[27]则将孔径在0.03~3 mm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） 排空大孔隙内全部水量时所需要施加的压力（<5 k Pa）[29];3）土壤导水率的大小（1~10 mm/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
　　
　　土壤动物和植物根系活动、土壤自身干缩开裂等因素在土壤中形成的大孔隙是土壤优先流的重要通道[41].因此，大孔隙的开启程度、弯曲程度和连通程度等对土壤优先流的形成与发展有显着影响[42-43].土壤水在大孔隙中的运动是非线性的，具有比基质流大得多的流速[44],因此，当入渗水流携带污染物时将引起更显着的地下水污染。大孔隙结构对土壤优先流的形成和发展主要起3个方面的作用[45]:1）大孔隙对流动的土壤水流起毛细屏蔽作用，使水和溶质仅能沿大孔隙通道运动而不能进入土壤基质；2）大孔隙对基质流和优先流起分离作用，限制基质中的土壤水流是稳定的，同时允许大孔隙中形成高速的不稳定流动；3）大孔隙能为深部补给提供点源。
　　
　　土壤质地也能影响优先流的产生和发展。在砂质等粗质地土壤中，土壤斥水性影响优先流[38].由于斥水性土壤难以被水湿润，导致优先水流路径的形成，使得水和溶质经由优势通道运移通过非饱和带[37].其它一些研究表明大孔隙流通常出现在粉砂和粘质土壤中[46];非饱和重力流及指流常出现在砂质或质地较细的斥水性土壤中[47];漏斗流[48-49]通常发生在细质地土壤剖面夹杂一个或几个粗质地斜层的土壤中；在具有高度空间变异性的土壤中较容易发生各向异性流现象[50].
　　
　　2.2入渗初始条件和边界条件
　　
　　土壤初始含水率主要影响土壤水的入渗深度和优先流的非均匀程度。Flury等[51]将亮蓝染色剂应用到初始“湿润”和“干燥”土壤，发现一种情况是亮蓝在湿润土迁移更深，另一种情况是初始含水量对亮蓝的分布没有明显的影响。Merdun等[52]研究表明，当土壤初始含水率较低时，优先流的非均匀程度更高、优先运移效果较明显。DeRooij[53]和盛丰等[54]的研究则表明，土壤初始含水率对优先流的影响只有在土壤初始含水率很低情况下才比较明显。
　　
　　灌水速率或降雨强度超过土壤水入渗速率的时候，优先流就开始发生，较大的降水强度会使化学物质快速迁移[55].但边界条件对优先流的影响也有不一致的观点。例如，Ghodrati和Jury[56]为研究田间条件下优先流的发生情况在壤质砂土中分别进行了10 cm高度水头单一积水渗透和喷撒灌溉5 d 2种试验，结果发现在积水条件下染料的渗透深度比喷撒灌溉条件下要浅；而Ren等[57]的试验研究则表明，喷灌条件下溶质的移速度要大于积水条件下溶质的迁移速度。Sheng等[58]通过不同入渗水量条件下的示踪试验指出优先流的非均匀特征随着入渗水量的增加而呈现规律性的变化：当入渗水量很小时，土壤非均匀流未来得及充分发展便停止运动，流动总体上相对比较均匀；当入渗水量较高时，土壤非均匀流在横向和纵向上均充分发展，指流通道的数量也增加，流动的非均匀程度很高；当入渗水量充分增大时，由于优先流通道在横向上的扩张和联结，使得流动整体上又变得相对比较均匀。