礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響研究進(jìn)展與展望

蘇智冉，郭加偉，張錦豪，牛晨宇，曾麒潔，張志華

礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響研究進(jìn)展與展望

蘇智冉，郭加偉，張錦豪，牛晨宇，曾麒潔，張志華*

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，鄭州 450002）

【目的】綜述礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響，總結(jié)石質(zhì)土壤水文過(guò)程研究存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，展望未來(lái)研究方向。【方法】本文主要介紹了礫石結(jié)構(gòu)（礫石覆蓋度、礫石量、粒徑等）對(duì)土壤入滲、徑流、壤中流、優(yōu)先流和水分蒸發(fā)等土壤水文過(guò)程的影響，并分析了目前用于模擬和定量表征礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響的數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展?！窘Y(jié)果】礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有研究方法不能滿足對(duì)礫石與土壤水文過(guò)程之間錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的研究，土壤礫石結(jié)構(gòu)的定量化、異質(zhì)性及土壤水文參數(shù)的定量表達(dá)還未被納入數(shù)學(xué)模型參數(shù)，缺乏多要素、多尺度的礫石水文過(guò)程模擬，沒(méi)有準(zhǔn)確可靠的尺度轉(zhuǎn)換理論和方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同尺度上礫石和水文信息的轉(zhuǎn)換?！窘Y(jié)論】如何將新技術(shù)引入到研究中，更新研究方法、明確影響機(jī)理、豐富研究?jī)?nèi)涵、提高數(shù)據(jù)精度，是該研究要解決的關(guān)鍵問(wèn)題；深層土壤中的礫石特征及其對(duì)壤中流和優(yōu)先流的影響研究、不同尺度上礫石和水文信息的轉(zhuǎn)換以及多尺度數(shù)學(xué)模型的建立是未來(lái)研究的重要方向。

礫石；入滲；地表徑流；壤中流；優(yōu)先流；蒸發(fā)

0 引言

土壤水文過(guò)程是指水分進(jìn)出土體以及在土壤內(nèi)的再分布過(guò)程[1]，是陸地水循環(huán)過(guò)程中的重要組成部分[2]，對(duì)科學(xué)管理水資源、保障區(qū)域水安全、實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義[3]。土壤水文過(guò)程受多種因素影響，如礫石、植被、地形、氣候、土壤質(zhì)地、土壤體積質(zhì)量和孔隙度等[4-6]。礫石是由巖石風(fēng)化而來(lái)的、直徑大于2 mm的礦物質(zhì)顆粒，廣泛分布于國(guó)內(nèi)外的土壤中，與細(xì)土相互作用構(gòu)成土壤的骨架結(jié)構(gòu)；其密度比細(xì)土大，透水性能較差，分布于土壤中，會(huì)使土壤的理化性質(zhì)和水力特性發(fā)生改變[7]，顯著影響土壤的水文過(guò)程[8]。礫石主要通過(guò)影響地表侵蝕情況、改變地表粗糙程度和土壤的孔隙結(jié)構(gòu)[9]，使水分的流動(dòng)路徑和流動(dòng)速率發(fā)生改變，從而對(duì)土壤的入滲性能、徑流、壤中流、優(yōu)先流和土壤蒸發(fā)造成重要影響[10]，且隨著礫石大小、礫石量、礫石位置以及礫石覆蓋度的改變，其產(chǎn)生的影響更加復(fù)雜多變[11]。

礫石在土壤水文過(guò)程中發(fā)揮的重要作用已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的認(rèn)可，然而對(duì)于二者之間的關(guān)系研究并未得出統(tǒng)一結(jié)論。Jomaa等[12]、Poesen等[13]研究認(rèn)為，礫石的存在增強(qiáng)了土壤水分的入滲能力，減少了坡面徑流，減弱了土壤侵蝕，對(duì)土壤的保水持水能力有積極作用；Hlavá?iková等[14]、朱元駿等[15]研究顯示，礫石可降低土壤飽和導(dǎo)水率，抑制土壤入滲，從而促進(jìn)徑流的產(chǎn)生，增加坡面侵蝕；王小燕等[16]、王慧芳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，礫石量、粒徑與土壤入滲之間的關(guān)系并非單一的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，而是存在一個(gè)閾值。由于礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響隨地形、氣候、土壤結(jié)構(gòu)、礫石分布特征及物理化學(xué)過(guò)程等因素的改變而不斷變化[18]，導(dǎo)致目前仍然很難定量準(zhǔn)確地描述二者之間的關(guān)系[19]。

由此可知，礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響并無(wú)統(tǒng)一結(jié)論，是土壤水文研究中的重要挑戰(zhàn)。本文從礫石量、粒徑、覆蓋度3個(gè)方面評(píng)述礫石對(duì)水分入滲、地表徑流、壤中流、優(yōu)先流和土壤水分蒸發(fā)等水文過(guò)程的影響，分析目前用于模擬和定量表征礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響的數(shù)學(xué)模型，確定存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，并就相關(guān)研究趨勢(shì)、需求和前景進(jìn)行探討，以期為國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究進(jìn)展

土壤水文過(guò)程包括水分入滲、地表徑流、壤中流、優(yōu)先流和土壤蒸發(fā)，這5個(gè)水文過(guò)程之間相互聯(lián)系、相互影響，在不同環(huán)境條件下形成不同規(guī)模的水循環(huán)。礫石通過(guò)改變地表粗糙程度、土壤結(jié)構(gòu)等影響土壤水文過(guò)程。覆蓋于表層的礫石，改變了地表的粗糙程度，影響土壤的入滲性能，促進(jìn)或抑制徑流的產(chǎn)生，也可作為地表覆蓋物，減小水分蒸發(fā)面積，抑制水分蒸發(fā)過(guò)程；分布于內(nèi)部的礫石與土壤結(jié)合不緊密，從而形成孔隙，影響水分入滲性能，孔隙之間相互連通形成大孔隙，促進(jìn)優(yōu)先流和壤中流的產(chǎn)生。由于土壤水文過(guò)程之間是相互聯(lián)系、相互影響的，所以礫石可通過(guò)影響某一水文過(guò)程，間接改變其他水文過(guò)程[20]。

1.1 礫石對(duì)水分入滲的影響

水分入滲是指降水或者灌溉時(shí)，地表水沿巖土空隙滲入土壤的過(guò)程[21]。土壤的滲透能力是土壤水分調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)之一[22]，決定了水分再分配，對(duì)壤中流、優(yōu)先流和地表徑流的形成具有重要意義。礫石量、粒徑主要通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)影響土壤水分入滲過(guò)程；礫石覆蓋度則通過(guò)影響地表粗糙程度改變土壤入滲過(guò)程。

礫石量主要通過(guò)改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響水分下滲路徑，是水分入滲的重要影響因素之一。礫石量與土壤入滲過(guò)程之間的關(guān)系通常表現(xiàn)為以下3種情況：第一，礫石大小一定的情況下，礫石量與入滲成反比。呂剛等[11]研究發(fā)現(xiàn)，遼西低山丘陵區(qū)坡地礫石大小一定時(shí)，隨著礫石量的增加，累積入滲量減小。第二，礫石量與入滲成正比。Bouwer等[23]研究發(fā)現(xiàn)，“砂-礫”混合介質(zhì)水分?jǐn)U散率較砂土高，即礫石存在增加了土壤的入滲能力。第三，礫石量對(duì)土壤入滲能力不是一味地增加或減小，而是存在一個(gè)閾值[24]。李燕等[25]研究發(fā)現(xiàn)，紫色土的平均入滲率隨碎石量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。王小燕等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)[石量在20%～30%時(shí)，土壤入滲能力隨礫石量的增加而增加，礫石量大于30%時(shí)，土壤的入滲能力被削弱。礫石對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響是各種因素綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果。礫石量較小時(shí)，礫石的存在使土壤中的非毛管孔隙的比例和大孔隙數(shù)量增多，極易形成聯(lián)通的大孔隙，顯著促進(jìn)水分入滲[10]，礫石量越小，土壤與礫石之間結(jié)構(gòu)越緊密，土壤的入滲能力被削弱，此時(shí)的礫石量與入滲能力正相關(guān)[17]；隨著礫石量的進(jìn)一步增大，礫石的不透水性使水分下滲的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小，土壤水分下滲路徑延長(zhǎng)，不利于水分下滲，礫石量與入滲能力負(fù)相關(guān)[16]。

礫石粒徑改變了土壤大孔隙量和水分入滲路徑，與土壤入滲之間可能存在正相關(guān)，也可能存在負(fù)相關(guān)。黨宏宇[26]對(duì)喀斯特山區(qū)含土石混合介質(zhì)隔層的土壤水分入滲狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，小礫石會(huì)形成更多水分運(yùn)動(dòng)通道，增加水分入滲，大礫石會(huì)阻礙水分向下運(yùn)動(dòng)的通道，抑制土壤入滲過(guò)程。當(dāng)?shù)[石粒徑較小時(shí)，土壤中具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，聯(lián)通的孔隙對(duì)水分具有疏導(dǎo)作用，促進(jìn)土壤入滲[27]；隨著礫石粒徑的增大，土壤中形成的孔道半徑越大，造成不連續(xù)的大孔隙產(chǎn)生的可能性增加，不利于土壤水分入滲，當(dāng)大徑級(jí)礫石大量存在時(shí)，受礫石量、礫石空間分布、礫石間的相互作用等影響，過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u減少并且水分入滲路徑更加彎曲復(fù)雜，從而延緩?fù)寥廊霛B[26, 28]。然而，隨著礫石量的增加，大孔隙及土壤水通道數(shù)量增加，促進(jìn)了土壤水分的快速運(yùn)移，形成優(yōu)先流，增加入滲。因此，礫石粒徑與土壤入滲之間的關(guān)系尚不明確。

礫石覆蓋改變了土壤表面的粗糙度與表土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響復(fù)雜多變。Poesen等[29]通過(guò)人工降雨的方式模擬野外礫石覆蓋條件下礫石覆蓋對(duì)雨后水分入滲過(guò)程的影響，研究發(fā)現(xiàn)，表層礫石覆蓋對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響主要取決于礫石在土壤表面的存在形態(tài)。若礫石鑲嵌于土壤中形成表層結(jié)皮[30]，便會(huì)封堵水分入滲通道[31]，降低表面水分入滲的比例，同時(shí)降低地表粗糙度，增加地表徑流，減少水分入滲；若礫石平鋪于土壤表層，可使土壤表面粗糙多孔，增加了降水入滲比例，同時(shí)又減少了雨滴滴濺，對(duì)土壤表面提供額外的保護(hù)，增加水分入滲。

1.2 礫石對(duì)地表徑流的影響

在降水過(guò)程中，當(dāng)降水強(qiáng)度大于土壤的入滲能力時(shí)，超出下滲能力的降水在地表流動(dòng)，形成地表徑流。地表徑流的產(chǎn)生一般都會(huì)伴隨著水土流失和溶質(zhì)遷移，極易引發(fā)坡面土壤侵蝕和養(yǎng)分流失[32]，造成生態(tài)環(huán)境破壞。覆蓋于土壤表層的礫石對(duì)水分具有分流作用，直接影響地表徑流量和徑流流速；土壤內(nèi)部礫石則改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，間接影響地表徑流的產(chǎn)生。

礫石量會(huì)改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，影響土壤的入滲性能，進(jìn)而影響地表徑流量和徑流速率。Chow等[33]在模擬降雨的條件下研究了礫石量對(duì)地表徑流的影響，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)[石量從7%增加到25%時(shí)，地表徑流隨礫石量的增加而減小。吳冰[34]在礫石對(duì)坡面徑流及入滲影響的研究中發(fā)現(xiàn)，含礫石土壤的坡面徑流量和流速大于土壤不含礫石的坡面。鄭騰輝等[35]發(fā)現(xiàn)連續(xù)模擬降雨條件下，當(dāng)?shù)[石量從0增加到30%時(shí)，徑流量增加，礫石量與地表徑流量正相關(guān)；當(dāng)?shù)[石量從30%增加到70%時(shí)，徑流量減小，礫石量與地表徑流量負(fù)相關(guān)。礫石量較低時(shí)，土體結(jié)構(gòu)較為緊密，水分入滲能力降低，水分更多地以地表徑流的方式流走；礫石量較高時(shí)，礫石和周圍土壤基質(zhì)的裂縫會(huì)增加，土體中連通的大孔隙結(jié)構(gòu)開(kāi)始逐步形成，水分能夠快速向下移動(dòng)，形成優(yōu)先流和壤中流，導(dǎo)致地表徑流流速大幅降低。

礫石覆蓋度通過(guò)改變地表的粗糙程度和土壤孔隙結(jié)構(gòu)，影響地表徑流的產(chǎn)生和發(fā)展。若礫石嵌入土壤表面，隨著礫石覆蓋度的增加，礫石與土壤基質(zhì)相互作用形成的結(jié)皮面積顯著增加，從而導(dǎo)致入滲性能降低，地表徑流量顯著增加[36]，此時(shí)的礫石覆蓋度與地表徑流正相關(guān)[37]。Poesen等[29]、Valentin[38]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)[石嵌入土壤表面時(shí)，地表徑流量和徑流速率顯著大于平鋪土壤表面。當(dāng)?shù)[石平鋪于土壤表層時(shí)，隨著礫石覆蓋度的增加，水分會(huì)更快速、更深的入滲到土壤剖面，顯著增大入滲[39]，減少地表徑流的產(chǎn)生[12]。Zavala等[40]研究表明，徑流速率隨礫石覆蓋度的增加而降低。

表層覆蓋礫石的粒徑影響了地表攔截徑流的能力，從而促進(jìn)或抑制地表徑流的形成。Guo等[41]通過(guò)對(duì)黃土丘陵區(qū)礫石覆蓋土壤的溶質(zhì)運(yùn)移研究發(fā)現(xiàn)，礫石覆蓋度和粒徑對(duì)地表徑流有顯著影響，地表徑流隨覆蓋礫石粒徑的增加而增加。礫石粒徑對(duì)地表徑流的影響可以解釋為較大粒徑的礫石與彌散度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，更易形成地表徑流；小礫石則對(duì)水動(dòng)力彌散作用很小，土壤對(duì)水流的阻力較大，從而增加了土壤入滲[42]，不利于地表徑流的形成。因此，在保護(hù)土壤減小地表徑流方面，小礫石比大礫石更重要。

1.3 礫石對(duì)壤中流的影響

壤中流是在土壤中沿不同透水性土壤層界面流動(dòng)的水流[43]，對(duì)流域徑流形成、土壤養(yǎng)分流失和土壤侵蝕等具有重要影響[44]。

礫石量通過(guò)改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，影響壤中流的產(chǎn)生和發(fā)展。土壤孔隙結(jié)構(gòu)越松散，越易形成大量壤中流，礫石的存在使土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散多孔[45]，更有利于壤中流的形成。王蕙等[46]研究表明，礫石量顯著影響嵌套礫石紅壤坡面的壤中流初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流速率和徑流過(guò)程。汪濤等[47]研究發(fā)現(xiàn)，紫色土地區(qū)礫石量較多且土壤質(zhì)地疏松多孔，使得水分更加容易向更深層次土壤入滲[48]，進(jìn)而在土壤相對(duì)不透水層以上形成壤中流，礫石的不透水性又使得土壤的入滲量減小，水分更多地以地表徑流的方式流失[49]，水分運(yùn)移至土壤深層的時(shí)間延長(zhǎng)，不利于壤中流的形成。

礫石覆蓋通過(guò)改變地表徑流量和土壤的入滲性能，影響壤中流的產(chǎn)生。王小燕等[50]通過(guò)對(duì)礫石覆蓋紫色土坡耕地水文過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，礫石覆蓋可增加壤中流，促進(jìn)壤中流的發(fā)生。隨著礫石覆蓋度的增加，壤中流產(chǎn)流時(shí)間減小，壤中流徑流速率及徑流系數(shù)提高。礫石覆蓋可以保護(hù)表土免受雨滴滴濺，減小地表徑流[51, 55]、增加入滲量[12]，致使土壤水更多地向下移動(dòng)，土壤含水率增加，在相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)鋒能移動(dòng)到更深土層，極大地縮短了壤中流的產(chǎn)生時(shí)間，提高了壤中流徑流速率。但徐勤學(xué)等[52]在紫色土坡地的研究顯示，壤中流產(chǎn)流量與地表結(jié)皮存在一定的相關(guān)性。礫石鑲嵌于土壤中形成結(jié)皮，增加地表徑流、減小入滲，并使深層土壤漸趨干化[53]，從而抑制了壤中流的發(fā)生。

1.4 礫石對(duì)土壤優(yōu)先流的影響

優(yōu)先流是指水流及溶質(zhì)沿著孔隙、裂隙等原生或次生通道等導(dǎo)水能力強(qiáng)的滲透路徑，繞過(guò)土壤基質(zhì)，以不同于達(dá)西定律的形式，快速到達(dá)土體深部和地下水的一種非平衡流現(xiàn)象[54-56]，也被稱為優(yōu)勢(shì)流、大孔隙流。該水文過(guò)程產(chǎn)生的原因是由于土壤中不同的孔隙互相連通形成了大的孔隙系統(tǒng)和裂隙網(wǎng)絡(luò)，水分和溶質(zhì)沿著孔隙和裂縫的優(yōu)勢(shì)通道自上而下快速入滲[57]。優(yōu)先流是廣泛存在于土壤中的水和溶質(zhì)運(yùn)移形式，對(duì)土壤養(yǎng)分運(yùn)輸和環(huán)境污染有很大影響[58]。石質(zhì)土壤擁有良好的土壤通透性和較高的飽和滲透系數(shù)，極易產(chǎn)生優(yōu)先流[59]。

土壤優(yōu)先流主要發(fā)生在半徑大于1.5 mm的大孔隙中[60]，礫石的存在破壞了土壤中小孔隙的連續(xù)性，形成了較多的大孔隙。劉中[61]利用染色示蹤法對(duì)紫色土不同礫石量下的土壤優(yōu)先流特征研究發(fā)現(xiàn)，礫石量會(huì)影響優(yōu)先流的發(fā)生和發(fā)展，當(dāng)?shù)[石量低于10%時(shí)，優(yōu)先流染色路徑比值小于15%，而當(dāng)?shù)[石量大于20%時(shí)，優(yōu)先流染色路徑比值高于60%。當(dāng)?shù)[石量較低時(shí)，土壤孔隙短小且結(jié)構(gòu)發(fā)育不成熟，不利于優(yōu)先流的產(chǎn)生。隨著礫石量的增加，礫石與礫石之間的接觸也隨之增加，土壤大孔隙的平均半徑和體積增大，尤其是土壤內(nèi)部半徑大于1.4 mm的大孔隙密度顯著增大，土壤大孔隙結(jié)構(gòu)開(kāi)始逐漸成形，而小孔隙密度的變化不顯著；隨著礫石量的進(jìn)一步增加，土壤內(nèi)部形成大量連續(xù)的優(yōu)先流通道，土壤水分的流動(dòng)區(qū)域增加，從而形成大量的優(yōu)先流現(xiàn)象[62]。

覆蓋于土壤表層的礫石通過(guò)截留降雨和增加表土孔隙度的方式，提高土壤導(dǎo)水率，增加入滲量，進(jìn)而加快優(yōu)先流的產(chǎn)生[63]。Li等[64]對(duì)入滲量和優(yōu)先流的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入滲量超過(guò)40 mm時(shí)，通過(guò)大孔隙向深層輸送的溶質(zhì)量將增加，水分入滲可以促進(jìn)優(yōu)先流路徑的發(fā)展。然而，張立恒等[53]、李昌龍等[65]研究發(fā)現(xiàn)，礫石與表層土壤形成的結(jié)皮會(huì)阻斷水分下滲路徑，減小入滲量，抑制優(yōu)先流的產(chǎn)生和發(fā)展。

1.5 礫石對(duì)土壤水分蒸發(fā)過(guò)程的影響

土壤蒸發(fā)是土壤孔隙中的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)返回大氣的過(guò)程。土壤蒸發(fā)可以反映土壤的保水能力，是陸地水循環(huán)的重要組成部分[66-68]。礫石會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，顯著影響土壤水分蒸發(fā)過(guò)程。

礫石量通過(guò)改變土壤內(nèi)部孔隙的大小和數(shù)量，進(jìn)而影響土壤蒸發(fā)過(guò)程。朱元駿等[69]研究發(fā)現(xiàn)，土壤蒸發(fā)量隨土壤里的鈣結(jié)石量的增加而減少；劉大有等[70]研究發(fā)現(xiàn)，累積蒸發(fā)量隨礫石量增大而增大。當(dāng)土壤含水率較小時(shí)，隨著礫石量的增加，土壤中孔隙數(shù)量和體積隨之增加，水分蒸發(fā)路徑增長(zhǎng)[17]，土壤內(nèi)部有更多的空間來(lái)容納毛細(xì)管作用上升來(lái)的水分，使得土壤蒸發(fā)面積和蒸發(fā)速率減小，抑制土壤水分蒸發(fā)。當(dāng)土壤含水率較高時(shí)，土粒之間結(jié)合更加緊密，而礫石難以與土壤緊密結(jié)合，因此極易形成連通的大孔隙，促進(jìn)水分連續(xù)性上升，在一定程度上有利于蒸發(fā)[70]。

與礫石量一樣，礫石粒徑同樣顯著影響水分蒸發(fā)過(guò)程。2～5 mm粒徑礫石覆蓋的土壤蒸散量顯著低于5～20 mm和20～60 mm粒徑礫石覆蓋的土壤[71]，土壤蒸發(fā)速率隨礫石粒徑增大而升高[72]。當(dāng)?shù)[石位于土壤內(nèi)部時(shí)，小粒徑礫石與土壤之間形成大量的毛管孔隙，這些孔隙的存在使水分運(yùn)動(dòng)路徑增長(zhǎng)，顯著抑制土壤水分蒸發(fā)；隨著礫石粒徑的增加，毛管孔隙的聯(lián)通性增強(qiáng)，進(jìn)而提高了土壤蒸發(fā)量[72]。然而，亦有研究[73]表明，粒徑對(duì)土壤蒸發(fā)的影響與礫石量有關(guān)。礫石量低時(shí)，粒徑與土壤蒸發(fā)速率正相關(guān)；當(dāng)?shù)[石量大于20%時(shí)，隨著粒徑的增大土壤蒸發(fā)量減小[73]。這可能是因?yàn)殡S礫石量增大，大粒徑礫石會(huì)占據(jù)較大的土壤斷面比例，減少土壤中的過(guò)水?dāng)嗝?，降低毛管?lián)通性，阻擋土壤水分?jǐn)U散，抑制土壤蒸發(fā)。此外，較大粒徑礫石對(duì)土壤表面的遮擋作用也會(huì)降低土壤蒸發(fā)。

土壤表層覆蓋的礫石可以阻斷水分蒸發(fā)路徑，從而顯著抑制土壤水分蒸發(fā)[74]。Van等[75]研究了干燥和濕潤(rùn)條件下石質(zhì)土壤表層蒸發(fā)速率，結(jié)果顯示礫石覆蓋顯著降低了給定土壤含水率下的蒸發(fā)速率。Diaz等[76]通過(guò)土柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礫石覆蓋條件下的土壤累積蒸發(fā)量顯著低于未覆蓋土壤，且覆蓋度越大，抑制蒸發(fā)的作用越強(qiáng)。礫石覆蓋于土壤表層，使土壤的邊界條件發(fā)生改變并與表層土壤形成結(jié)皮，阻止土壤毛細(xì)管水的上升，水分可以更多地被保存在土壤中，水分蒸發(fā)過(guò)程受到抑制[65]。

1.6 礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響的數(shù)學(xué)模型

為了更好地探究礫石對(duì)土壤水文特征的影響，近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)模擬數(shù)學(xué)模型，定量表征礫石對(duì)土壤水文特征的影響。

Novák等[77]利用HYDRUS-2D模型[78]模擬單位水力梯度下石質(zhì)土壤的穩(wěn)態(tài)水流，推導(dǎo)了相對(duì)飽和導(dǎo)水率與礫石量的關(guān)系。Van等[79]開(kāi)發(fā)的土壤性質(zhì)和侵蝕模型（SPEROS）主要包括水蝕和耕作侵蝕模型。在水蝕模型中土壤剝蝕量與礫石覆蓋度負(fù)相關(guān)。由于耕作過(guò)程會(huì)使耕層土壤礫石覆蓋度增加，改變礫石空間分布[80]，所以在應(yīng)用耕作侵蝕模型時(shí)不僅將礫石作為重要參數(shù)，還模擬了不同土壤層（發(fā)生侵蝕的表層土壤層、深層土層以及基巖層等）的礫石對(duì)土壤侵蝕的影響[81]。Morgan等[82]提出的歐洲土壤侵蝕模型（EUROSEM）是一種完全動(dòng)態(tài)的侵蝕模型，與其他侵蝕模型相比，EUROSEM模型明確模擬了礫石對(duì)入滲、流速和飛濺侵蝕的影響，但是其僅能夠模擬單個(gè)農(nóng)田和小流域的泥沙運(yùn)移、侵蝕和沉積。雙重孔隙度模型（DPM）包括非平衡雙重孔隙模型（NDPM）和平衡雙重孔隙模型（EDPM），可以在土壤中富含大粒徑礫石時(shí)模擬土壤水文過(guò)程[83]，其中平衡雙重孔隙模型（EDPM）更適合模擬細(xì)土和礫石之間的流動(dòng)傳遞速率相對(duì)較高時(shí)的土壤水文過(guò)程。為了模擬半干旱地區(qū)的水文過(guò)程和植物生長(zhǎng)而開(kāi)發(fā)的Pattern模型充分考慮礫石覆蓋對(duì)土壤水文過(guò)程的影響[84]，但是Pattern模型并沒(méi)有考慮到礫石在土壤中隨土層深度的變化而變化[85]。

2 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

隨著礫石研究的深入和土壤水文學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其產(chǎn)生了興趣，并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但是由于開(kāi)始時(shí)間較晚，目前仍存在以下幾方面問(wèn)題：

1）礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響機(jī)理尚不明確。雖然礫石對(duì)土壤水文過(guò)程產(chǎn)生有重要影響，但是許多其他復(fù)雜的過(guò)程仍不清楚。例如，礫石風(fēng)化程度、空間異質(zhì)性和位置等因素對(duì)土壤水文過(guò)程的影響仍不明確。就礫石量與土壤水分蒸發(fā)之間的關(guān)系而言，呈2種明顯相反的結(jié)果：一方面隨著礫石量增加，土壤中孔隙的數(shù)量和體積隨之增加，土壤內(nèi)部有更多的空間來(lái)容納毛細(xì)管作用上升來(lái)的水分，使得土壤蒸發(fā)面積和蒸發(fā)速率減小，抑制土壤水分蒸發(fā)；另一方面，由于礫石表面較為光滑，難以與土壤緊密結(jié)合，極易形成連通的大孔隙，促進(jìn)水分連續(xù)性上升，在一定程度上有利于蒸發(fā)。

2）深層石質(zhì)土壤水文過(guò)程研究亟待加強(qiáng)。礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響研究偏重于土壤表層，對(duì)深層的研究不足，尤其是從地下30 cm到地下含水層區(qū)域的地下水文過(guò)程研究仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。目前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)射線掃描以及野外染色示蹤和地球物理探測(cè)是土壤水文過(guò)程研究的主要方法，多集中在從土壤表面到地下30 cm的區(qū)域內(nèi)。

3）研究方法傳統(tǒng)，缺乏新技術(shù)的應(yīng)用。一直以來(lái)，制約礫石與土壤水文過(guò)程發(fā)展的重要原因是研究的成本高、難度大、精度低，定量研究困難，傳統(tǒng)的礫石空間結(jié)構(gòu)研究方法（如挖掘法等）已經(jīng)無(wú)法滿足其未來(lái)的發(fā)展需求。

4）土壤礫石結(jié)構(gòu)的定量化、異質(zhì)性及土壤水文參數(shù)的定量表達(dá)還未被納入模型參數(shù)，現(xiàn)有模擬和定量表征礫石與土壤水文過(guò)程關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建立在點(diǎn)或者坡面等小尺度上，缺乏多要素、多尺度的礫石水文過(guò)程模擬，沒(méi)有準(zhǔn)確可靠的尺度轉(zhuǎn)換理論和方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同尺度上礫石和水文信息的轉(zhuǎn)換。如何將在小尺度上建立的模擬關(guān)系推導(dǎo)和擴(kuò)大到流域尺度甚至全球尺度是建模研究需要解決的主要問(wèn)題。

3 研究展望

礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，而這些影響對(duì)理解礫石與土壤水文過(guò)程、解決環(huán)境問(wèn)題至關(guān)重要，但目前研究成果依舊無(wú)法滿足未來(lái)發(fā)展的需求。因此，未來(lái)礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響的研究建議圍繞以下內(nèi)容開(kāi)展。

1）明確礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響機(jī)理。深入研究礫石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響機(jī)理，例如：礫石與土壤水分蒸發(fā)、入滲之間的不確定關(guān)系，礫石量、粒徑、風(fēng)化程度、空間異質(zhì)性和位置等對(duì)水分入滲、徑流、壤中流、優(yōu)先流和水分蒸發(fā)等土壤水文過(guò)程的影響規(guī)律與主控因素。此外，石質(zhì)土壤分布廣泛，應(yīng)加快石質(zhì)土壤水文過(guò)程研究，與石質(zhì)土壤的生產(chǎn)和應(yīng)用相結(jié)合，以期解決可利用土地資源日益緊缺的難題。

2）加強(qiáng)深層石質(zhì)土壤水文過(guò)程研究。石質(zhì)土壤水文過(guò)程與均質(zhì)土壤不同，極易形成壤中流和優(yōu)先流，而深層礫石的空間分布對(duì)入滲、壤中流和優(yōu)先流等水文過(guò)程有重要影響。因此，完善深層土壤礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響的研究至關(guān)重要，繼而推動(dòng)地球關(guān)鍵帶土壤水文研究，為解決地下水質(zhì)量、地下水退化、土壤重金屬污染和荒漠化等全球環(huán)境問(wèn)題提供科學(xué)理論依據(jù)。

3）引入新技術(shù)，更新研究方法。隨著數(shù)字物理方法的引入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，這些先進(jìn)的技術(shù)為該研究提供了新思路。如CT以及數(shù)字土壤形態(tài)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤內(nèi)部礫石的空間分布、孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征，使用電阻層析成像（ERT）、探地雷達(dá)（GPR）、時(shí)域反射儀（TDR）、大地電導(dǎo)率儀（EMI）等地球物理新技術(shù)可用來(lái)探究礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響，大大提高數(shù)據(jù)精度，豐富研究?jī)?nèi)涵。利用這些新技術(shù)推動(dòng)土壤孔隙與礫石結(jié)構(gòu)數(shù)字化進(jìn)程，定量表征土壤水分動(dòng)態(tài)變化，便于深入了解石質(zhì)土壤入滲、優(yōu)先流和壤中流產(chǎn)生。

4）完善應(yīng)用于礫石與土壤水文過(guò)程關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，建立多尺度的數(shù)學(xué)模型。對(duì)礫石空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性進(jìn)行數(shù)字量化，完善數(shù)學(xué)模型中土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（如大孔隙度、彎曲度、分支密度連通度等）以及礫石空間結(jié)構(gòu)參數(shù)（如礫石風(fēng)化程度、表面積、體積密度、等效直徑等）。完善數(shù)學(xué)模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同尺度上礫石和水文信息的轉(zhuǎn)換，推動(dòng)從小尺度到流域尺度的建模研究，建立多尺度的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行流域甚至全球尺度的模擬或者量化，將輸出結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，獲得更普遍的礫石空間結(jié)構(gòu)及其對(duì)土壤水文過(guò)程影響模式。

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Influence of Rock Fragments on Subsurface Hydrological Processes:Progresses and Perspectives

SU Zhiran, GUO Jiawei, ZHANG Jinhao, NIU Chenyu, ZENG Qijie, ZHANG Zhihua*

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【Objective】Rock fragments are ubiquitous in soil, especially in arid and semi-arid regions. They have a considerable influence on various subsurface hydrological processes. Understanding the impact of rock fragments on these processes is crucial for improving water resource management, ecosystem restoration and sustainable development.【Method】This paper reviews the research over the past decades on the influence of rock fragments on subsurface hydrological processes, highlighting the challenges and limitations we currently face and proposing potential research perspectives. Specifically, we analyze the effects of characteristic parameters of rock fragments, such as their coverage, content, and size, on water infiltration, surface runoff and subsurface flow, preferential flow and soil evaporation. We also review progress in mathematical models used to simulate and quantify the effects of rock fragments on subsurface hydrological processes.【Result】Our review reveals that the mechanisms underlying the influence of rock fragments on subsurface hydrological processes remain obscure, and current methods are unable to capture the complex causal relationship between rock fragments and soil hydrological processes. Areas such as quantification of rock fragment heterogeneity and its association with soil hydrological parameters, multi-scale modelling of soil hydrological processes are still in the infant stage and require further work. 【Conclusion】We propose that developing innovative technologies and methodologies, and improving understanding of the underlying mechanisms are particularly important in future research. Specifically, future research should focus on characterizing rock fragments in deep soil and their influence on hydrological process and formation of preferential flow, methods to link gravel content to hydrological information at different scales. Improving research in these areas will advance our in-depth understanding of the impact of rock fragments on soil hydrological processes, helping develop sustainable water resource management in arid and semi-arid regions.

rock fragments; infiltration; runoff; subsurface flow; preferential flow; evaporation

1672 - 3317（2023）04 - 0100 - 09

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022220

蘇智冉, 郭加偉, 張錦豪, 等. 礫石對(duì)土壤水文過(guò)程影響研究進(jìn)展與展望[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(4): 100-107, 136.

SU Zhiran, GUO Jiawei, ZHANG Jinhao, et al.Influence of Rock Fragments on Subsurface Hydrological Processes: Progresses and Perspectives[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 100-107, 136.

2022-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41807174）；河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（18A220002）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（182102311008）

蘇智冉（1998-），男，河南洛陽(yáng)人。碩士研究生，主要從事生態(tài)水文學(xué)和水文土壤學(xué)方向研究工作。E-mail: Mr.suran@outlook.com

張志華（1984-），女，寧夏吳忠人。副教授，主要從事生態(tài)水文學(xué)和水文土壤學(xué)方向研究工作。E-mail: zhihua1221@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳