全 文 ：第 wt卷 第 u期
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林 业 科 学
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林地土壤水分运动研究述评
王 力 邵明安 王全九
k中国科学院 水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 ztutssl
摘 要 } 介绍国内外林地土壤水分入渗模型 !林地土壤水分运动方程 !森林流域壤中流模型及其验证和应用 o并
对这些模型做对比分析 o指出各自的优点和不足 o阐述深入研究林地土壤水分运动的重要意义 ∀同时 o说明今后该
领域的研究应结合退耕还林工程中的实际科学问题 o针对森林土壤水分研究中的薄弱环节 o探索变雨强 !变容重和
大面积流域的林地土壤水分动力学规律 o从而使森林土壤水分的研究走向成熟和系统化的阶段 o为森林流域水资
源的合理利用和水分循环的计算提供科学依据 ∀
关键词 } 林地土壤水分 ~入渗模型 ~林地土壤水分运动 ~壤中流
中图分类号 }≥ztw 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsu p stwz p sz
收稿日期 }ussv p s{ p sy ∀
基金项目 }国家重点基础研究发展规划项目/退化生态系统重建模型与模拟 kŠusssst{ysxl0 !中国科学院/百人计划0项目/黄土坡面人工
林草系统中水分 !养分运移动力学模拟0 !国家自然科学基金重点资助项目 / 干旱半干旱地区森林与水资源的相互影响及合理调控机理
kvsuvsu|sl0和国家自然科学基金项目/黄土高原人工林草地水分生产力模拟研究kwsvztszzl0 ∀
Ρεϖιεω ον Σοιλ Ωατερ Μοϖεµεντ ιν Φορεστλανδ
• ¤±ª¬ ≥«¤² ¬±ª. ¤± • ¤±ª ±∏¤±­¬∏
k Στατε ΚεψΛαβορατορψοφ Σοιλ Εροσιον ανδ ∆ρψλανδ Φαρµινγ ον τηε Λοεσσ Πλατεαυ o Ινστιτυτε οφ Σοιλανδ
Ωατερ Χονσερϖατιον o Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ ανδ Ωατερ Ρεσουρχεσ οφ Μινιστρψ Ψανγλινγ ztutssl
Αβστραχτ } Œ±·«¬¶³¤³¨µo¬±©¬¯·µ¤·¬²± °²§¨¯o©²µ°∏¯¤²©¶²¬¯ º¤·¨µ°²√¨ °¨ ±·¤±§¬±·¨µ©¯²º ¬± ©²µ¨¶·¯¤±§ º¨ µ¨ ¬±·µ²§∏¦¨§¤±§
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Κεψ ωορδσ} ¶²¬¯ º¤·¨µ¬±©²µ¨¶·¯¤±§~¬±©¬¯·µ¤·¬²± °²§¨¯~¶²¬¯ º¤·¨µ°²√¨ °¨ ±·¬±©²µ¨¶·¯¤±§~¬±·¨µ©¯²º
森林土壤水分运动包括水分的入渗 !再分布 !深层渗漏形成壤中流等 ∀任何一场降雨 o至少有一部分甚
至全部分水分将沿着土壤孔隙入渗到土壤内部形成土壤水 ∀土壤水分是森林植被赖以生存的主要条件 o同
时也是造林工程建设中应该考虑的重要因素之一 ∀森林对环境的影响首先是通过水分循环来实现的 o作为
能量流动和养分传输的主要载体 o森林土壤水分是生态系统研究的基本组成部分 ∀因此森林土壤水分在流
域水文学研究及应用领域中占有十分重要的地位 o是水分循环中的一个重要环节 o对整个流域径流产生以及
洪水预报 !流域水文循环的计算都具有相当重要的作用 ∀森林土壤水分与人类生存有着密切的关系 o深入系
统研究林地土壤水分运动规律具有极其深远的意义k雷志栋等 ot|||l ∀
土壤水分在土壤中重新分配 o并损耗于蒸发散和渗流 ∀由于非线性和滞后现象 o即使在均一的 !非湿胀
的土壤中 o水分运动过程也非常复杂 ~在森林生态系统内 o情况更是如此 ∀但是如果作一些合理的简化和抽
象 o土壤水分的运动也可以用数学模型来描述 o并借助于计算机对这些方程求解 o用来近似描述水分运动过
程 ∀至今 o国内外的专家学者已根据不同假设提出了许多有关土壤水分运动模型k≥¯ ²¤± ετ αλqot|{w ~刘延
玺 ot||w ~„µ±²¯§ ετ αλqot||{ ~≥º¤µ·½¨ ±§µ∏¥¨µousss ~∞¦®«¤µ§·ετ αλqoussul ∀但是 o目前该研究大多集中在农田
和水利方面 o有关林地土壤水分运动的研究相对很少 o且远没有农田土壤水分运动研究成熟 ∀土壤是森林生
态系统水分的主要蓄库 o系统中的水文过程大多是通过土壤作为媒介发生的 o林地土壤水分对植物 p大气 !
大气 p土壤和土壤 p植物 v个界面物质和能量的交换过程有着重要的控制作用 o直接影响到土壤水分入渗 !
林地蒸散和流域产流 ∀同时 o土壤水分动态可揭示森林生态系统的水分过程与格局以及系统水分运动的物
理本质k马履一 ot||z ~赵玉涛等 oussu¤~ussu¥l ∀土壤水分运动是一个复杂的过程 o它涉及到土壤饱和 !非饱
和带中的水 !空气 !水汽在水力梯度 !温度梯度 !浓度梯度 !渗透梯度等影响下的动态流过程 o进而影响到森林
流域的界面产流 ∀本文旨在简要介绍目前取得的林地土壤水分运动研究成果 o并就林地土壤入渗规律 !林地
土壤水分运动方程 !林地壤中流形成机理等方面的国内外研究现状作简单的比较和评价 o以便为林地土壤水
分运动的研究提供参考 o也为森林流域水分循环的计算 o为洪涝灾害的预报与预测 !水资源的合理开发和利
用提供科学依据 ∀
t 林地土壤水分入渗规律
1 .1 森林植被影响土壤入渗性能的机制
森林植被以其独特的方式对土壤入渗性能产生直接和间接的影响k郭忠升等 ot||yl ∀在各种有利因素
的作用下 o林地土壤入渗性能相对较高k•²¥¬¦«¤∏§ ετ αλqousssl ∀直接影响主要表现为森林植被及林下动物
活动可明显增加土壤中的大孔隙 o从而大大提高了土壤的入渗性能 ∀首先 o森林植物在生长发育过程中 o根
系在土体内形成 o当根系在土体内发育时 o根尖向四周的土体产生轴向压力 o在根尖后呈圆柱体扩大 ∀当根
系腐烂后 o这些大孔隙便留在土体内 o其粗度 !深度和分布取决于树木的生长状况 o显著地增加土壤的入渗性
能 ∀其次 o林地的枯枝落叶层经分解释放出养分后归还给土壤 o对土壤结构产生巨大的影响 }一方面 o枯枝落
叶层为土壤中的各种生物提供了食物 o而这些生物的活动k如白蚁 !蚯蚓等l在土体内产生了大孔隙 o从而增
加了土壤的入渗能力k≥¤µµετ αλqousst ~‹¤µ§¨± ετ αλqoussvl ~另一方面 o枯落物分解后形成腐殖质或非腐殖
质 o吸收粘粒或被吸收 o形成微团聚体 o使矿质土壤颗粒团聚成具有大量孔隙和不易被破坏的团粒结构 o从而
使土体变得疏松透水 ∀朱显谟kt|ysl研究发现林地土壤团粒含量为 wy qu h ∗ zv h o远远大于农田 ∀蒋定生
等kt|{yl研究 o黄土高原表土容重最低值和大于 s qux °°水稳性团粒含量最高值均在林区 ∀贾恒义kt||sl
研究 o黄土高原林地枯枝落叶层下毛管孔隙变化为 vt qx h ∗ wy qu h o一般低于耕作层 s qx h ∗ s qut h ∀另据
张万儒等kt||tl研究 o林地枯枝落叶层的容重可降至 s qt{ ∗ s qut ª#¦°pv o大大提高了土壤的入渗性能 ∀
间接影响主要表现在林冠和地被物对降雨的作用上 ∀一般有以下 v种效应 }首先是对降雨的拦截作用 ∀
林冠拦截降雨的实质是森林植被巨大的枝叶表面能吸附降水 o从而使大气降雨到林冠层后 o被细分成林冠雨
量 !滴下雨量 !干流量和林冠拦截量 ~地被物具有与林冠层一样的截留现象 o二者的实质是一样的 ∀郭忠升等
kt||yl研究了六盘山林区乔木林冠层截留量 o其值为 ty qu h ∗ ut q| h o林地枯枝落叶层对大气降水截留率为
x qy h ∗ tv qt h o对林内降水截留率为 z qx h ∗ us qs h ∀宜川油松k Πινυσταβυλαεφορµισl人工林为 t| q{ h o山杨
kΠοπυλυσ δαϖιδιαναl林为 tx qs h ∀据傅辉恩k郭忠升等 ot||yl在祁连山研究 o苔藓云杉k Πιχεα µονγολιχαl林为
u{ qw h ∀由于林冠和枯枝落叶层对大气降雨的拦截作用 o降低和延缓了到达林地土壤表面的降雨量和降雨
强度 o延长了降雨过程 o从而延缓了从初渗到稳渗的递减梯度 o有利于提高入渗率 o增加累积入渗量 ∀其次 o
林冠和地被物显著地降低了雨滴打击力 ∀森林植被通过对降雨的拦截和缓冲作用可降低天然降雨的势能和
动能 o避免雨滴直接溅击地表 o有利于保护表土层原有的结构 o使土壤入渗过程顺利进行 o提高土壤入渗量 ∀
余新晓kt|{{l研究认为 o森林植被减弱降雨势能为马尾松k Πινυσ µασσονιαναl 杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl
林 灌木林 ∀第三 o森林植物根系对土壤颗粒的机械缠绕和网结作用 o也可起到防止土体内团聚体遇水分
散 o下移填塞土壤大孔隙 ∀朱显谟kt|ysl研究结果表明 o森林群落内的苔藓植物固结土体的能力很大 o非但
不在静水中破碎 o同时也能抵抗一般细股流的冲击作用 ∀
1 .2 入渗模型
关于林地土壤水分入渗模型很多 o较常见的有以下几种 }
考斯加柯夫公式 φ€ αχτp tΠu o其中 }φ !α !τ分别为入渗率 !入渗系数和时间 ∀
菲利普k°«¬¯¬³l公式 φ€ ktΠulστp tΠu n Αo其中 }σ!Α分别为吸水率和稳渗率 o其他同上 ∀菲利普公式是
在水分运动基本方程式的基础上 o经过简化推导出来的 o因此它有一定的物理基础 ∀
霍顿k‹²µ·²±l公式 φ€ φs n kφχ p φοl ε p κτ o其中 }φ为 τ时刻的入渗率 oφχ 为稳定入渗率 oφο 为初始入渗
率 ∀霍顿公式过去认为属于纯经验模型 o后来有人证明它有一定的物理依据 o它在描述流域入渗规律有一定
的局限性 o但作为对单点降雨入渗的模型 o在实际应用中是很有效的 ∀
{wt 林 业 科 学 wt卷
≥°¬·«p °¤µ¯¤±ª¨ 模型 该模型是对不同质地的土壤进行大量降雨入渗数值模拟计算而提出的稳定降雨
入渗模型
φ € ι kτ  τπl
φ € φs n Βkτ p ταlp ν kτ  τπl
式中 }ι为降雨强度 oφο 为稳渗率 oτα 为临界时间常数 oτπ 为产流历时 oΒ !ν分别为常数和指数 ∀
以上 w种入渗模型 o考斯加柯夫公式是最简单的入渗模型 ~菲利普公式多了一个常数项 o可认为是对它
的改进式 ~而 ≥°¬·«p °¤µ¯¤±ª¨ 模型则是菲利普公式的改进通用式 o尤其是对降雨入渗 o该模型能很好地模拟
实际的降雨过程 o但由于其参数较多 o应用也相对复杂k吴长文等 ot||x¤~t||x¥l ∀陈丽华等kt||xl运用考斯
加柯夫公式拟合了晋西黄土区不同地类≈包括灌木林地 !油松林地 !刺槐k Ροβινια πσευδοχαχιαl林地和荒草地 
和不同地貌k包括阴坡 !阳坡 !坡底和坡顶l的土壤入渗经验方程 o发现不同地貌部位之间土壤入渗性能无明
显差异 o而不同地类之间差异显著 o灌木林地土壤入渗性能最好 o前 vs °¬±累计入渗量达 vsy °° o而油松林
地和刺槐林地分别为 tvy °°和 |x °° o说明灌木改良土壤 !提高入渗能力的作用强于油松和刺槐 ∀吴长文
等kt||x¤~t||x¥l采用双环入渗法模拟了 |种林地的入渗曲线 o发现霍顿公式比菲利普公式拟合效果更好 o
主要因为菲利普公式中 τ值的指数为一固定常数 o难以适应各种土壤在不同土壤前期含水量条件下的入渗
曲线变化 o尤其是曲线较平缓时k即土壤前期含水量较高时l o入渗过程的拟合效果较差 ∀
u 林地土壤水分运动方程研究
关于林地土壤水分运动方程的研究 o目前多是引用农田和水利领域中比较成熟的理论和模型 o通过对相
关参数进行具体修正 o提出在特定林地条件下的水分运动模型 o进行模拟研究 ∀
2 .1 一维土壤水分运动方程
由达西定律和能量守恒原理推导的土壤水分运动方程反映了土壤水分运动的基本规律 o其方程为
9 Ηkζ oτl
9 τ €
9
9 ζ ∆kΗl
9 Ηkζ oτl
9 ζ ?
9 ΚkΗl
9 ζ ktl
式中 }Η为土壤容积含水量k¦°v#¦°pvl ~∆kΗl为土壤水分扩散率k¦°v#¦°pvl ~ΚkΗl为非饱和土壤导水率k¦°
#°¬±ptl ~ζ为土壤水分入渗深度k¦°l ~9 ΚkΗlΠ9 ζ为由土壤水的重力势引起的水分变化 o水流方向与所取坐
标方向一致为 n o否则为 p ~τ为时间坐标 ∀
周择福等kt||w ~t||zl利用该模型模拟了北京九龙山不同林地土壤水分运动状况 o模型中的土壤扩散率
∆kΗl通过实测法确定 o非饱和导水率 ΚkΗl采用测土壤水分特征曲线求比水容量 ΧkΗl的方法确定 o并对模
拟结果进行了检验 ∀结果表明 }土壤累积入渗量的计算值除 x °¬±的以外 o其他各时段的入渗量与实测值比
较接近 ∀土壤入渗率的计算值与实测值随时间的变化趋势很一致 o实测值在 ws °¬±以内时 o都比计算值高 o
主要由于土壤中的大孔隙和土壤侧渗所引起 o故使水分在开始时入渗较快 ∀模拟结果与实测结果很一致 o特
别是入渗量非常接近 o说明模拟结果正确可靠 ∀同时发现 o坡向对土壤的入渗影响很大 ∀阴坡中 o裸地和灌
木的初渗率都比油松的快 o达到稳定的时间也长 o但是灌木和油松的累积入渗量都比裸地的高 ∀到 {s °¬±
时 o灌木的累积入渗量最大 o油松次之 o裸地最少 ∀阳坡中 o灌木和侧柏k Πλατψχλαδυσ οριενταλισl的初渗率较裸
地的快 o但达到稳渗的时间也长 o裸地很快就达到稳定 o并且稳渗率明显高于灌木林和侧柏 ∀因此 o在开始
时 o裸地的累积入渗量高 o入渗经过 ys °¬±以后 o侧柏的累积入渗量最大 o灌木次之 o裸地最少 ∀
贺康宁kt||ul以该模型为基础 o以土壤水分的下渗过程为主要核心 o在点入渗的基础上研究了模拟降雨
条件下林地土壤剖面水分变化 !林地土壤入渗 !径流和水分再分布过程 ∀并基于达西定律 o把水分进入土壤
的过程概括为 v种基本形式k或 v种简化模式l ∀
地表湿润模型 即地表保持湿润或极薄水层 o适于蓄满产流过程 o它的定解条件k上边界条件l为 }
Η€ Ηs ζ € s oτ  s kul
式中 }Ηs 为接近或等于饱和含水率 ∀
一般降雨模型 即降雨强度已知 o但未超过土壤入渗能力 o不形成积水或地表径流 o它的定解条件k上边
界条件l为 }
|wt 第 u期 王 力等 }林地土壤水分运动研究述评
Ρkτl € p ∆kΗl9 Η9 ζ p ΚkΗl ζ € s oτ  s kvl
式中 }Ρkτl为供水强度k即净降雨强度l ∀
积水或产流模型 即降雨强度超过土壤入渗能力 o形成了地表积水或同时产生了地表径流 o它的定解条
件k上边界条件l为 }
Ρkτl € p ∆kΗl9 Η9 ζ p ΚkΗl ζ € s oτΑ  τ  s kwl
Η€ Ηs ζ € s oτ  τΑ kxl
式中 }τΑ为净降雨强度超过土壤入渗强度的起始时间 ∀
此外 o上述 v种简化模型的初始条件和下边界条件k定解条件l均为 }
Η€ ΗΑkζl ζ∴s oτ € s kyl
Η€ ΗΑ ζ ψs oτ  s kzl
式中 }ΗΑ为初始的土壤体积含水率 ∀
其中参数非饱和导水率 ΚkΗl和扩散率 ∆kΗl采用 ≤Š„法确定 o其基本原理是通过野外实测渗后的土壤
水分再分布试验 o得出土壤水分再分布过程中土壤体积含水率和土壤水势随再分布历时的关系 o然后经过适
当的简化 o确定 ΚkΗl和 ∆kΗl ∀土壤水分再分布试验采用双环入渗器和多层张力计 o记录和测定不同时刻
的土壤体积含水量和土壤张力系列 o以最终计算所需的各种参数 ∀该模型在以蓄满产流为主的南方土石山
区和以超渗产流为主的黄土区林地进行验证 o效果较好 ∀
2 .2 根系吸水方程
在植物生长的土壤带 o根系吸水使土壤水分减少 ∀土壤根系带水分连续方程式为 }
9 Η
9 τ €
9
9 ζ Κ
9 η
9 τ p t p Σkζ oτl k{l
式中 }Η为剖面上点的体积含水量 ~η为土壤负压k¦°l ~ζ为剖面距离座标 o取向下为正 ~τ为时间座标 ~ΚkΗl
为土壤导水率k¦°#°¬±ptl ~Σ为植物根系吸水率 o指单位时间体积土壤根系的吸水量 o它随土壤深度和时间
而变化 ∀
朱永华等kussul利用该模型研究了干旱荒漠区天然胡杨k Ποπυλυσ ευπηρατιχαl林地的土壤水分运动参数 o
提出用数理推导并结合大气观测资料确定根区导水率 ΚkΗl o用试验测定办法确定比水容量 ΧkΗl o再由 Κ
kΗl和 ΧkΗl确定水分扩散率 ∆kΗl的方法 ∀其中水分扩散率 ∆kΗl的确定采用先求土壤水分特征曲线的方
法 ∀该方法把影响根区土壤导水特性的因素如大气因子k大气密度 !大气比湿l !植被因子k覆盖率 !蒸腾速
率l !土壤因子k土壤含水量 !地下水等l考虑进来 o很好地利用了气象资料 o减少了导水系数的实测过程 o为导
水系数的确定提供了一种新的途径 ~但能否应用于其他植物尚需验证 ∀
v 林地壤中流研究现状
壤中流是指水分在土壤内的流动 o包括水分在土壤内的垂直下渗和水平侧流kƒ¯ |ª¨¯ot||vl ∀壤中流的
作用首先是在流域面上建立土壤水分的分布 ~其次是壤中流的侧向流直接形成流域的洪水过程和枯季流量 ∀
它与地表径流 !地下径流一起构成流域的径流过程 o在某些情况下 o壤中流甚至可以形成洪峰 ~壤中流通过改
变土壤内的水分含量 o从而影响到地表径流和地下径流的形成与变化k裴铁 等 ot||{ ~ƒ¯ |ª¨¯ ετ αλqot|||l ∀
对于壤中流产生的主要机制 o许多学者k刘延玺 ot||w ~裴铁 等 ot||{ ~李金中等 ot|||l已有研究 o并利用不
同的假设发表了许多关于壤中流产生的机制模型 o根据其原理可以分为以下 v类模型 ∀
3 .1 Ριχηαρδσ模型
该模型由 •¬¦«¤µ§¶提出 o是从微观的角度进行分析 o根据土壤水运动的连续性原理k又称均衡原理l和达
西定律相结合得出的 ∀其基本方程形式为 }
∃k Κ¶Κµ ∃ηl € ΧkΗl 9 79 τ p Θ k|l
sxt 林 业 科 学 wt卷
式中 } ∃为哈密顿算子 o既是微分符号 o同时又是矢量 ~Κ¶为饱和导水率 ~Κµ为相对导水率k € ΚkΗlΠΚ¶lks 
Κµ [ tl ~η为总水头k € 7 n ζl ~7 为压力水头 ~ζ为重力水头 ~ΧkΗl为比水容量k € 9 ΗΠ9 7 l ~Η为体积含水
量 ~τ为时间 ~ΚkΗl为含水量为 Η时的非饱和导水率 ~Θ为任意流出流入源项 ∀
根据求解过程对 •¬¦«¤µ§¶方程进行简化的程度 o可将其分为一维 !二维和三维 •¬¦«¤µ§¶模型 ∀由于三维
模型过于复杂 o主要介绍一维和二维模型 ∀
v qt qt 一维 •¬¦«¤µ§¶模型 该模型是考虑式k|l的一维形式对其求解来模拟壤中流的过程 o其基本形式为 }
ΧkΗl 9 79 τ €
9
9 ζ Κk 7 l
9 7
9 ζ p Κk 7 l n Θ ktsl
式中 }7 为土壤水分的基质势 ~ΧkΗl为比水容量k € 9 ΗΠ9 7 l ~Η为体积含水量 ~ΚkΗl !Κk 7 l为非饱和导水
率 o分别为 Η和 7 和函数 ~ζ为位于土壤表面以下的深度 ∀方程ktsl隐含了土壤为各向同性 o坐标原点位于
地表 o向下为正 ∀
v qt qu 二维 •¬¦«¤µ§¶模型 该模型是考虑式k|l的二维形式对其求解来模拟壤中流的过程 ∀模型的基本形
式为 }
ΧkΗl 9 79 τ €
9
9 ξ Κk 7 l
9 7
9 ξ p ¶¬±Α n
9
9 ζ Κk 7 l
9 7
9 ζ p ¦²¶Α n Θ kttl
式中 }Α为坡倾角 ~ξ为平行于坡面方向的距离 ~其它参数同前 ∀同样 o方程kttl也隐含了土壤的各向同性 o
且坐标原点位于地表 oξ轴以沿坡下方向为正 o轴以垂直坡面表面向下为正 ∀
3 .2 动力波模型
由 …¨ √¨ ±kt|{ul提出 o并作了以下假设 }不透水或准不透水边界上饱和区域内流线平行于底板k或基岩l o
且水力梯度等于基岩坡度 ∀其形式如下 }
θ € Κ¶Η±Α
ΧkΗl 9 Η9 τ € p Κ¶¶¬±Α
9 Η
9 ξ n ι
ktul
式中 }θ为单宽泄流量 ~Ηξ 为不透水边界上饱和区域的厚度 ~ι为单位面积内从非饱和区域向饱和区域的输
水速度 ~ΧkΗl为比水容量k € 9 ΗΠ9 ηl ∀该模型以后又被扩展成包括非饱和区域的饱和 p 非饱和流模型
k‹∏µ¯¨ ¼ ετ αλqot|{x ~≥°¬·« ετ αλqot|{vl o并且模型中的 Κ¶已作为随深度变化的物理量 o采用 …¨ √¨ ±经验公
式 }
Κ¶ € Κs εp φζ ktvl
式中 }Κs 为土壤表面饱和导水率 ~φ为常数 ∀
3 .3 贮水泄流模型
由 ≥¯ ²¤±等kt|{wl提出 o其基本原理是从宏观方面进行研究 o利用整个山坡的水量平衡k如质量连续性方
程l原理对壤中流进行研究 o并假设这一理想山坡有一不透水边界或底板 o斜坡倾角 Αo坡长 Λo土壤厚度 ∆ o
模型的基本形式为 }
ςu p ςt
τu p τt € ιΛ p
θu n θt
u ktwl
式中 }ς为单位宽度的饱和区域内可排放水的体积 ~τ为时间 ~θ为坡面中单宽排水率 ~ι为单位面积内从非
饱和区域向饱和区域的输水速率 ~下标 t !u分别为时段的开始和结束 ∀ ≥·¤ª±¬·¬kt||ul将这一模型推广应用
于流域范围 o对整个流域的水文反应进行了模拟研究 ∀另外 o根据对饱和土壤水水面及水力坡度的不同假
设 o该模型又可以分为动力贮水泄流模型和 …²∏¶¶¬±¨ ¶´ 贮水泄流模型 ∀
≥¯ ²¤±等kt|{wl通过一维 •¬¦«¤µ§¶模型 !二维 •¬¦«¤µ§¶模型 !动力波模型 !动力贮水泄流模型以及
…²∏¶¶¬±¦¶´ 贮水泄流模型对森林土壤陡坡壤中流过程进行了预测 o并将预测结果与野外实测结果进行了比
较 o结果表明 }复杂模型k如 •¬¦«¤µ§¶模型l未必是最好的模型 o相比之下 o简单模型k如动力贮水泄流模型l充
分模拟了森林流域坡地壤中流暴雨径流的反应 o其预测结果的精度与复杂模型的一样甚至更好 ∀因为复杂
模型与简单模型所包含的假设一样受到局限 o而且复杂模型在求解过程中的线性化也将对计算结果造成误
txt 第 u期 王 力等 }林地土壤水分运动研究述评
差 ∀另外 o从费用的角度考虑 o简单模型应用更为节约 ∀同时 o动力贮水泄流模型由于求解过程简单 !预测精
度高 o有可能被联结成更加完美的流域模型 ∀ •²¥¬±¶²±等kt||yl在森林流域坡地壤中流模拟中利用 …¨ √¨ ±
kt|{ul提出的饱和导水率的指数递减模型对贮水泄流模型进行了修改 o取得了较好的结果 ∀李金中等
kt|||l在长白山二道河森林流域内对阔叶红松林作了试验 o提出了新的改进贮水泄流模型 o使森林流域壤中
流的预报与预测更为精确和合理 ∀王为东等kussul研究了贡嘎山峨嵋冷杉kΑβιεσφαβριl林原生扰动土壤中流
发生规律后指出 o壤中流流动过程有/滞后0和/拖尾0现象 o而壤中流 ³‹值变化和主要化学离子迁移输出规
律分析结果表明 o该区原生土壤系统十分脆弱 o养分易于流失 ∀但该研究没有建立数学模型对壤中流规律进
行分析 ∀
w 存在问题
目前 o对林地入渗过程的模拟尽管有多种模型 o但应用较好的主要以菲利普模型为主 o虽然对降雨入渗
已经有了较深入的研究 o并提出了不少计算入渗的公式 o但大多基于不考虑入渗的滞后作用 !土壤均质 !降雨
均一等一系列假设基础之上 o没有考虑到降雨入渗的时空变异性 o不能反映真实的产流过程 ∀因此 o今后对
降雨入渗的研究应逐渐转移到具有水平垂直空间变异性的非均质土壤入渗问题的研究 !土壤根系层土壤水
分运动的研究 !降雨过程中入渗的动态模拟以及把单点入渗模型扩展到较大区域上应用问题的研究等方面 ∀
对林地土壤水分运动方程的研究 o多为简单引用农田和水利领域较成熟的模型 o且为一维垂向运动的研究 o
对二维 !三维运动模型的研究报导很少 ~关于运动方程参数的确定 o多为在一系列假定条件下在特定区域对
某些特定植物k如胡杨 !刺槐等l进行探索 o能否扩展应用于更多的植物尚需进一步验证 ∀对森林流域壤中流
的研究 o取得了不少有价值的模型 o目前处于相对较成熟的阶段 o但这些模型仍有各自的不足之处 o如
•¬¦«¤µ§¶模型过于复杂 o难以推广应用 ~动力贮水泄流模型大部分都假设是不随深度变化的物理量k这在
•¬¦«¤µ§¶模型的研究中也是如此l o后来 •²¥¬±¶²±等采用 …¨ √¨ ±所提出的饱和导水率公式对这模型进行了改
进 o然而在森林土壤中这一公式是否符合仍有待进一步研究k裴铁 等 ot||{l ∀
x 展望
近几十年来 o林地土壤水分运动的研究已取得了一定的发展 o但还存在许多问题 o如缺少独立的研究机
构 !土壤水分能态概念的应用刚刚起步 !测试手段落后 !山地土壤水分运动的研究因难度大而很少有人涉及
等等 o总的来说林地土壤水分运动的研究不仅落后于国际水平 o也落后于国内的农田 !水利部门k马履一 o
t||zl ∀因此 o亟需加强该领域的研究 o以解决当前退耕还林工程中面临的一些亟需解决的具体科学问题 o如
北方干旱区林地土壤干化问题k王力等 ousstl !南方土石山区因壤中流而形成的滑坡和崩塌问题等 ∀随着计
算机技术及其他相关学科的发展 o林地土壤水分运动的研究在以下几个方面应该进一步改进和完善 }
tl吕殿青 qussv q变容重土壤的水分动力学研究≈博士学位论文  q杨凌 }中国科学院水利部水土保持研究所 ot p tv
tl变雨强参数的林地土壤水分运动模型 ∀到目前为止 o不管是林地水分入渗模型 o还是水分运动方程 o
或是壤中流模型 o多数研究仅适用于雨强不变的单场次降雨 o而在实际降雨过程中 o雨强往往是一个随时间
变化的函数 o因此 o应将雨强作为一个随时间变化的参数 o使以上模型不仅适用雨强不变的单场次降雨 o同时
也可应用于变雨强的连续降雨情况 ∀
ul变密度土壤的林地水分动力学 ∀随着土壤水分特征曲线的测定技术不断改进 o土壤水分运动参数的
测定取得了长足的进展 ∀但目前各方法中还存在由于力的作用或胀缩而产生的土壤体积的变化 o且尚未对
这种土壤体积的变化进行深入研究 o而忽视密度的变化与实际情况有很大的差别tl ∀实际土壤在由干变湿
或由湿变干过程中 o不仅含水量变化 o而且密度也在变化 o因此土壤水分运动参数是密度和含水量两者的函
数 o不再是两变量k土壤水势和含水量l相对应的一条曲线 o而是三变量相互关系确定的一个曲面 ∀因此 o变
密度土壤林地水分运动的研究有助于解决密度变化这一关键性问题 o在森林土壤水分运动和土壤水分特征
变异性的研究中有良好的应用前景 o从而有可能开辟林地土壤水分运动研究的新领域 ∀
vl大面积流域的林地土壤水分运动模型 ∀大多数关于林地土壤水分运动的研究局限于简单坡面k即理
uxt 林 业 科 学 wt卷
想坡面l o难以直接应用于整个流域 o特别是对大面积流域的应用受到局限 ∀因此 o在以后的林地土壤水分运
动模型研究中 o不论是入渗模型 o还是水分运动方程 o或是壤中流模型 o适用于大面积流域的模型研究应得到
加强 o使之能与流域地表径流和地下径流模型一起构成完整的流域径流模型 ∀
参 考 文 献
陈丽华 o余新晓 qt||x q晋西黄土地区水土保持林地土壤入渗性能的研究 q北京林业大学学报 otzktl }wu p wz
郭忠升 o吴钦孝 qt||y q森林植被对土壤入渗速率的影响 q陕西林业科技 okvl }uz p vt
贺康宁 qt||u q林地土壤水分运动的数学模型 q北京林业大学学报 otwktl }zz p {y
贾恒义 qt||s q黄土区森林土壤理化特性的初步研究 q林业科学 ouyktl }zw p z{
蒋定生 o黄国俊 qt|{y q黄土高原土壤入渗速率的研究 q土壤学报 ouvkwl }u|| p vsx
雷志栋 o胡和平 o杨诗秀 qt||| q土壤水研究进展与述评 q水科学进展 otskvl }vtt p vt{
李金中 o裴铁 o牛丽华 o等 qt||| q森林流域坡地壤中流模型与模拟研究 q林业科学 ovxkwl }u p {
刘延玺 qt||w q壤中流形成机理的数学描述 q内蒙古农牧学院学报 otxkvl }{w p |s
马履一 qt||z q国内外土壤水分研究现状 q世界林业研究 okxl }uy p vt
裴铁 o李金中 qt||{ q壤中流模型研究的现状及存在问题 q应用生态学报 o|kxl }xwv p xw{
王 力 o邵明安 o侯庆春 qusst q黄土高原土壤干层初步研究 q西北农林科技大学学报 ou|kwl }vw p v{
王为东 o单保庆 o尹澄清 qussu q贡嘎山峨冷杉林原生扰动土壤溶质运移的持续降雨模拟研究 q生态学报 ouuktul }utxx p utyu
吴长文 o王礼先 qt||x¤q林地土壤的入渗及其模拟分析 q水土保持研究 ouktl }zt p zx
吴长文 o王礼先 qt||x¥q林地土壤孔隙的贮水性能分析 q水土保持研究 ouktl }zy p z|
余新晓 qt|{{ q森林植被减弱降雨侵蚀能量的数理分析 q水土保持学报 oukvl }|s p |y
张万儒 o杨承栋 o屠星南 qt||t q山地森林土壤渗滤液化学组成用生物活力强度研究 q林业科学 ouzkvl }uyt p uyy
赵玉涛 o余新晓 o张志强 o等 qussu¤q长江上游亚高山峨眉冷杉林地被物层界面水分传输规律研究 q水土保持学报 otykvl }tt{ p tut
赵玉涛 o张志强 o余新晓 qussu¥q森林流域界面水分传输规律研究述评 q水土保持学报 otyktl }|u p |x
周择福 o洪玲霞 qt||z q不同林地土壤水分入渗和入渗模拟的研究 q林业科学 ovvktl }| p tz
周择福 o李昌哲 qt||w q北京九龙山不同植被土壤水分特征的研究 q林业科学研究 ozktl }w{ p xv
朱显谟 qt|ys q黄土地区植被因子对于水土流失的影响 q土壤学报 o{kul }tts p tut
朱永华 o仵彦卿 qussu q额济纳旗胡杨根区水分运动参数的确定 q水文 ouuktl }t p v
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vxt 第 u期 王 力等 }林地土壤水分运动研究述评