5从土壤水动力学到生态水文学的发展与展望_杨大文

1 土壤水及其空间异质性
1.1 土壤水的描述 土壤是由固态土颗粒、水和空气组成的多孔介质。土壤多孔介质是由矿物质和 有机质构成其固相骨架，水（或水溶液）和空气充填其中孔隙的三相体，土壤水包括气、液、固三种 形态。与土壤水分相关的土壤物理性质和基本参数有：（1）孔隙率（n）：单位体积土壤中孔隙的体 积，通常根据饱和土壤烘干前后的质量之差估算；（2）干密度（ρb）：单位体积土壤中土壤颗粒的质 量，通常采用烘干后的土壤质量与体积之比估算；（3）体积含水率（θ）：单位体积含水土壤中水的体 积与总体积之比，单位通常为 cm3/cm3；（4）饱和含水率（θs）：土壤所有孔隙都被水分充满时的体积含 水率，即孔隙率；（5）田间持水率（θfc）：从土壤饱和开始到自由排水可以忽略时，对应的土壤体积含 水率［1］，相应的土壤基质势约为-1/3 bar［2］；（6）残余含水率（θr）：当吸力达到一定程度时土壤含水率
含水率的函数，由土壤水分特征曲线确定）组成［4］。
土壤水分特征曲线是反映土壤基质势（或土壤吸力）与土壤体积含水率关系的曲线，可由压力膜
仪等室内实验获取，描述土壤水分特征曲线的模型主要有 BC 模型［5］和 vG 模型［6］，其表达式分别为：
ψ (Θ) = -| ψae | ⋅ Θ-b
（1）
ψ
(Θ)
=
壤-植被相互作用中，土壤水动力学过程是核心，但是研究范畴和内容已经大大突破了传统土壤水动
力学，正逐步形成以土壤水运动为核心，基于水循环原理研究土壤水的新兴学科方向——土壤水文
学（soil hydrology）。土壤水文过程可以用土壤水平衡方程来描述［18］：
dθ dt
= P - ET - L - R - Q
在，导致土壤中出现比土壤基质孔隙大得多的大孔隙，在入渗过程中水流会优先通过大孔隙通道快
速下渗，这种大孔隙中的非平衡流即为大孔隙流［13］。由于土壤中优先通道的存在，水分和污染物以
优先流形式快速下渗、到达地下含水层，远快于土壤基质中的水流和污染物迁移。
近年来优先流已成为水文、土壤、地质、环境等领域研究的热点问题。染色示踪技术是观测土
— 392 —
1/s，一般为植物根系吸水；SH为热量源汇项，J（/ m2·s），常温下一般忽略不计。 植被冠层模型描述了太阳辐射在冠层、土壤之间的分配以及潜热和显热之间的分配。由于 SPAC
模型需要区分土壤蒸发和植被蒸腾，通常采用双源蒸散发模型，包括分层双源模型［28-29］和混合双源模
型 。 ［30-31］
SPAC 模型中对根系吸水的描述通常采用的是宏观根系吸水模型。式（3）或式（5）中的根系吸水速
收稿日期：2015-11-30 基金项目：国家自然科学基金项目（91225302） 作者简介：杨大文（1966-），男，四川成都人，教授，主要从事水文水资源研究。E-mail：yangdw@tsinghua.edu.cn
— 390 —
不因吸力增加明显变化，该吸力下的土壤含水率即为残余含水率［3］；（7）凋萎含水率（θw）：土壤水分
资源、生态和环境评价与管理提供科学依据。
关键词：土壤水动力学；土壤-植物-大气连续体；水分-能量-物质循环；生态水文学
中图分类号：TV21
文献标识码：A
doi: 10.13243/j.cnki.slxb.20151288
土壤是地球表层系统的重要组成部分，是陆地植被生长的重要环境，也是陆地水文循环的重要 通道和水分储存的主要场所。对陆地水文循环而言，土壤对降雨下渗、陆地蒸散发、径流等过程起 着重要的调节作用。对陆地生态（包括农作物和自然植被）过程而言，土壤水分是植被耗水的主要来 源，植被生长所需的营养物质主要来源于土壤，同时土壤呼吸也是陆地生态系统碳收支的重要组 成。因此，土壤-植被-大气系统中的水分-能量-物质耦合循环成为水文水资源研究中的核心科学问 题。本文通过梳理近 30 余年来土壤水动力学、土壤-植物-大气连续体（Soil Plant Atmosphere Continu⁃ um，SPAC）理论和流域生态水文学的发展过程，展望土壤水、农田水利和生态水文的未来发展趋 势，以此缅怀雷志栋院士对我国土壤水动力学和水文水资源研究的杰出贡献。
的空间变异性，野外观测和取样的代表性问题被提出来，许多空间统计方法和模型被应用于分析土
壤水的空间异质性问题。正态分布通常用于分析土壤参数的取样误差和确定合理的土壤取样数目，
克里格（Kriging）方法通常用于分析土壤参数的空间异质性和进行空间插值。由于土壤性质的空间异
质性，有学者提出了区域土壤有效参数的概念，用于构建空间平均的水文守恒方程［7］。
运移规律［10］。
2.2 土壤中的非达西流 不符合达西定律的多孔介质水流统称为非达西流，产生非达西流的可能
机制包括黏粒-水相互作用导致的非牛顿流体效应、粗颗粒介质中较大水力梯度导致的惯性力作用 等［11］。在非饱和土壤水流中，非达西流主要表现为不同形式的优先流，包括微观尺度下的大孔隙流
和土体尺度下的不稳定流等 。 ［12］ 由于植物根系、动物孔洞、干湿交替及冻融交替等产生的裂隙存
水利
2016 年 3 月
SHUILI
文章编号：0559-9350（2016）03-0390-08
学报
XUEBAO
第 47 卷 第 3 期
从土壤水动力学到生态水文学的发展与展望
杨大文，丛振涛，尚松浩，倪广恒
（清华大学 水利水电工程系，北京 100084）
摘要：在 20 世纪 80 年代，土壤水动力学成为我国水文水资源领域的一个新兴研究方向。在此后的 30 多年中，土
∂z
)ù
ú û
+
∂KW ( z，t
∂z
)
-
SW
( z，t
)
（3）
式中：ψ (z，t )为土壤基质势；θ (z，t )为土壤体积含水率；t 为时间；z 为自地表向下深度的负数；
KW (z，t )为土壤导水率；SW (z，t )为水分源汇项，一般为植物根系吸水。
在 Richards 方程基础上，进一步发展了土壤水热耦合方程用于探讨土壤水流与热量传输的相互作 用［8］；发展了土壤水流与溶质运移耦合模型［9］，用于研究土壤中的水分、盐分、营养物、污染物等的
2 从土壤水动力学到土壤水文学的发展
2.1 土壤水分运动基本方程 达西定律描述了土壤中水流速度与水力梯度成正比的规律，基于这
一定律和土壤水势的概念、质量守恒原理可以推导出描述土壤水分运动的基本方程——Richards 方
程［4］如下：
∂θ
( z，t
∂t
)
=
∂ ∂z
éêKW ë
( z，t
) ∂ψ
( z，t
（4）
式中：θ 为土壤水分；P 为降水；ET 为实际蒸散发；L 为深层渗漏；R 为地表径流；Q 为侧向壤中流。
该方程可用于描述从“点”到流域等不同空间尺度的土壤水文过程。Eagleson［19］以水量平衡为基础
建立了土壤水模型，对降水过程进行了概化，并提出了蒸发随土壤水变化的模型。Rodriguez-Iturbe
无法被根系吸收时对应的体积含水率，与土壤和植被类型有关。
1.2 土壤水分特征曲线 土壤水势一般包括重力势、压力势、基质势、溶质势、温度势等，一般情
况下，溶质势与温度势可以忽略。对于非饱和土壤水分运动而言，压力势为零，因此土壤水势由重
力势（由相对高度表达，地表为 0 平面，坐标轴向上，重力势为对应的纵坐标）和基质势（为土壤体积
壤水动力学得到了巨大发展，并对我国农田水利、水文水资源等领域的科学与技术起到了巨大的推动作用。以土
壤水动力学为基础，逐步认识了非饱和土壤中水分与热量、溶质等耦合运移机理与规律，在 20 世纪 90 年代发展
了土壤-作物-大气之间的水热交换和传输理论（即土壤-植物-大气连续体理论，简称 SPAC 理论）。以 SPAC 理论
之外，还与大气上边界条件和植被根系分布及植被生长密切相关，以及与基岩裂隙分布和地下水含
水层性质密切相关。
3 SPAC 理论及其发展
3.1 土壤-植物-大气连续体 Philip［22］首先提出土壤-植物-大气连续体（SPAC）的概念，水分经由土
壤到达植物根表皮—进入根系后—通过植物茎，到达叶片，再由叶片气孔扩散到空气层，最后参与
合模型。
2.3 土壤水文学的形成 土壤水经土壤表面蒸发和植物气孔腾发作用进入大气，是大气水分的主要
来源之一，土壤水对气候有直接影响。土壤含水量决定水势梯度，影响下渗和非饱和带水分运动速
率，从而影响流域中的径流路径、产流机制和土壤侵蚀过程。土壤水分影响微生物活动，从而影响
地球化学过程［17］。土壤水分控制着植被的空间分布与生长过程，同时也受到植被的调节。在气候-土
大气的湍流交换，形成一个统一的、动态的相互反馈连续系统［23］。
自 20 世纪 90 年代开始，清华大学雷志栋教授的研究小组围绕 SPAC 水热运移开展了系统深入
的研究工作，先后完成博士论文《田间腾发条件下水热迁移数值模拟的研究》［24］、《越冬期土壤冻结
融化过程中水热迁移规律及其应用研究》［25］、《干旱区绿洲潜水-土壤-植物-大气系统水热传输模拟
为基础，农田作物模型得到了快速发展，成为本世纪研究气候变化对农业水资源和粮食生产影响的主要工具。与
此同时，从农田到区域的水转化机理与规律、不同尺度的农业用水效率、以及水资源开发利用的生态和环境影响
等基础科学问题和生产实践问题逐渐被重视，从而形成了新的交叉学科——生态水文学。生态水文学以水分-能
量-物质耦合循环的动力学过程为基础，注重区域气候-植被/作物-水文相互作用的基础科学问题，旨在为区域水
壤优先流的一种重要手段［14］，有学者提出了能够同时描述土壤基质水流和优先流的模型，主要包括
考虑土壤水力特性空间异质性的传统单域模型、双（多）孔隙模型、双（多）渗透性模型等［15-16］。目前，
考虑优先流的土壤水流模型还难以描述结构复杂的实际土壤入渗过程。土壤优先流研究的重点是深
— 391 —
入揭示土壤基质-水流优先通道的特性及相互作用，建立适合于自然条件的土壤基质水流-优先流耦
-
1 α
æçΘ-
1 m
è
-
1
ö 1÷ ø
n
（2）
式中：Θ
=
θ θs
- θr 百度文库 θr
；ψae 、b 为
BC
模型参数；α
、n、m为
vG
模型参数，通常取m
=
1
-
1 n
。
1.3 土壤水的空间变异性 野外实测的土壤水分物理参数及土壤水分状态变量值表现出明显的差异
性，这种土壤特性在空间分布上的非均一性，称为土壤特性的空间变异性或异质性［4］。由于土壤性质
研究》［26］、《干旱区自然植被耗水模型研究》［27］、《冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热迁移的
耦合研究》［28］，发展形成了模拟 SPAC 水热运移的 Thu-SPAC 方法与模型。
3.2 土壤-植物-大气连续体中的水热耦合过程 SPAC 模型中主要包括土壤水热耦合方程、植被冠
层模型、根系吸水模型等。以土壤含水率θ与土壤温度 T 为变量的土壤水热耦合方程为（坐标轴向
下）［4］：
ìíïï∂∂θt
ïïC î
H
=
∂ ∂z
æ è
DW
∂θ ∂z
∂T ∂t
=
∂ ∂z
æ è
KH
ö ø
+
∂T ∂z
∂ ∂z
æ è
DW H
ö ø
-
S
H
∂T ∂z
ö ø
-
∂KW ∂z
- SW
（5）
式中：θ为土壤含水率，cm3/cm3；T 为土壤温度，℃；t 为时间，s；z 为自地表向下的深度，m；DW为 土壤水扩散系数，m2/s；DWH 为温度梯度对水流的扩散系数，m2（/ s · ℃），一般可忽略；KW 为土壤导 水率，m/s；CH 为土壤体积热容量，J（/ m2 · ℃）；KH 为土壤热传导率，J（/ s · ℃）；SW 为水分源汇项，
等 在 ［20］ Eagleson 模型的基础上，基于降雨 Poisson 分布和水量平衡，提出了土壤水含水率的概率密度
函数，建立了随机土壤水模型。Muneepeerakul 等［21］考虑地下水位的变动，建立了适用于湿地环境的
随机土壤水模型。
土壤水文学研究的核心内容是以土壤为介质的水循环过程，其中必然包括土壤的结构和性质，
及其与水文过程的相互作用。定量描述不同尺度的土壤水文通量，如蒸散发、壤中流和深层渗漏，
以及土壤水状态变量是土壤水文学研究的首要问题，也是构建土壤水文模型的关键环节。土壤水文
学除了关注水分通量外，还关注土壤中的物质通量，如盐分、溶质及其他生原物质伴随土壤水分运
动，以及与地表和地下水体之间的交换。土壤水文通量除了受到土壤水分状态和土壤物理性质影响