作者：田坤
出版社：清华大学出版社
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降雨-径流条件下土壤溶质迁移机制及其模拟试读：
前言
土壤溶质迁移是环境科学、水文学、水力学、土壤侵蚀、土壤学、生态学和水土保持等学科的一个交叉领域。它包含了土壤溶质的迁移和转化、土壤特性、水文条件以及土壤侵蚀等系列机理研究，其迁移过程十分复杂，受到降雨径流、土壤特性、地形地貌、植被、地表水文条件和气候等多种因素的影响。而现有的溶质迁移临界条件的研究工作大多只是针对细沟侵蚀这一特例现象，难以解释复杂的溶质迁移临界现象。其研究的焦点——混合层深度被广泛应用在溶质迁移模型和非点源污染模型中（如SWAT，AnnAGNPs等）。研究坡面土壤中的溶质迁移临界条件及其机理，对于探讨土壤质量、保护与改善流域水质、减少面源污染、提高农业生产力均具有重要的理论价值和生产意义。
本书在总结前人工作的基础上，采用室内模拟地表径流和降雨的试验方法，选择溴为示踪剂，研究土壤溶质的迁移过程机理，揭示了伯努利效应在土壤溶质的迁移过程中不可忽略的作用，对引起土壤溶质迁移流失的4种迁移途径（对流、扩散、土壤侵蚀和伯努利效应）进行了量化研究。同时，土壤溶质的迁移过程中，临界现象与涨落区很多影响因子及其相互作用有关，通过对坡面溶质迁移临界现象的研究，研究土壤溶质迁移临界现象，分析坡面溶质迁移过程的临界降雨径流因子、临界土壤因子和临界地形因子，研究不同影响因素组合下溶质迁移过程发生的临界现象及其机制，阐明降雨-径流交互作用机制的变化过程，雨滴溅蚀和地表漫流剥蚀的水动力作用机制及其交互作用机制；揭示溶质迁移的多过程耦合动力学机制及其耦合特征；用降雨-径流（雨强、径流流量）、土壤特性（土壤表面粗糙度和土壤表面水分供给情况）和地形（坡度）这几个重要的参数定量描述空间不同位置坡面溶质迁移过程。深入认识坡面溶质迁移临界现象及其机制，为推动土壤溶质迁移预报的发展规律提供科学依据，为面源污染的准确预报提供数据支持。最后，提出了径流条件和降雨-径流条件下混合层深度模型，为非点源污染模型的校正提供理论依据。
本书共分10章。第1章对本书的意义和前人的工作进行了概述，由刘海燕负责编写（北京信息职业技术学院计算机工程系）。第2章简要介绍了土壤溶质迁移过程的试验方法、试验目的和试验内容，由田坤负责编写。第3章通过理论分析研究了土壤溶质的迁移过程和临界现象影响因子，由田坤负责编写。第4章通过预试验对土壤溶质迁移过程的分析扩散系数、土壤饱和导水系数和土壤侵蚀进行研究和分析，由田坤负责编写。第5章定量研究了地表径流条件下土壤溶质的迁移过程，由田坤负责编写。第6章定量研究降雨-径流条件下土壤溶质的迁移过程，由田坤负责编写。第7章定量研究了土壤溶质迁移过程中的临界降雨-径流因子，由田坤和田鹏（西北农林科技大学资源环境学院）共同编写。第8章定量研究了土壤溶质迁移过程中的临界土壤因子，由田坤和田鹏共同编写。第9章定量研究了土壤溶质迁移过程中的临界地形因子，由田坤和田鹏共同编写。第10章定量模拟了土壤溶质迁移过程的混合层深度，由田坤负责编写。
本书是笔者在博士论文和博士后出站报告的基础上扩充而成的，首先要感谢笔者的博士导师张广军教授和Prof. Dr. Huang Chihua、博士后导师王光谦院士和傅旭东教授，四位老师对笔者在博士和博士后阶段的学习和研究工作等进行了悉心指导和不倦教诲，在此表示衷心感谢。
本书得到了国家自然科学基金青年科学基金“降雨-径流条件下坡面水沙迁移临界现象及机理研究”（51109115）、973课题“山区小流域暴雨洪水演进过程与山洪灾害形成机理”（2011CB409901）和青海大学-清华大学三江源研究院的资助，在此表示衷心感谢。作者2014年8月第1章 绪论1.1 土壤溶质迁移过程的研究背景和意义
水土资源是人类生存和发展的重要物质基础，是进行农业生产的基础条件。在人类发展的历史长河中，文明的盛衰常常与支持文明的水土资源条件密切相关。人口的增加、经济的发展导致人类对于自然资源的需求增加，但资源的过度开发利用往往违背了自然规律，加剧了自然资源的破坏、生态环境的恶化，使可供开发利用的资源日益减少。1992年联合国在巴西召开的世界环境与发展大会上，将水土流失列入《21世纪议程》。有关专家指出：“水土流失为21世纪头号环境问题。”
为满足人口对粮食需求的不断增长，农用化肥、农药被广泛使用，这些物质被施用在土壤表面，又通过各种方式流入径流或者进入深层土壤，因此，研究土壤中农用化肥、农药的迁移、转化对防止环境污染和实现农业持续发展有着重要的意义。同时，土壤溶质迁移是一个物理、化学、生物相互作用并互相联系的复杂连续的过程，它是许多因素综合、共同作用的结果。1.1.1 非点源污染的特点及其危害
农业非点源污染是河流、水库、湖泊等地表水系水质恶化的重要原因之一。虽然农用化肥、农药为农作物生长提供了所需的营养元素，对提高农作物的产量、改善农产品的品质有重要作用，从而使农业生产走上高投入、高产出的道路。但是，由于世界各国使用的化肥量大大超过了农作物的实际利用量，造成了农田土壤中氮素养分大量盈余，农田氮流失所带来的环境污染问题也越来越突出，其中农田氮流失引起的农业非点源污染问题正逐渐引起广泛关注。在20世纪60年代，美国作家Rachel在《寂静的春天》一书中就谈到杀虫剂DDT通过各种途径进入水体，在生物链中产生累积，从而导致鸟类死亡，形成了一个没有鸟鸣的春天的可怕景象，像DDT这种“给所有生物带来危害”的杀虫剂，“它们不应该叫杀虫剂，而应称为杀生剂”。现在，据Pereira等和Wauchope的研究，美国密西西比河每年携带的各种除草剂包括：160t莠去津（atrazine），71t西玛津（simazine），56t甲氧毒草安（metolachlor）和18t草不绿（alachlor），并最终进入墨西哥湾，在单场雨水中农药浓度可达1％～2％。1992年，美国环境保护机构对50个州的饮水井进行了长达5年的广泛调查，发现10.4％的城市饮水井中含有各种农药，农村则为4.2％。中国关于这方面的研究较少，但农业径流中的农药问题也已引起了科学家们的重视。
随着新农药、化肥的合成及大量使用，关于野外大田农药、化肥的迁移的研究也比较早。在1958年，Lichtinstein就报道过17种农药在田间迁移流失的情况。他发现，在0～7.6cm的土层内可找到的使用农药超过84％，在15.2～23cm之间则最多为5％，但令人惊奇的是，尽管农药种类不同，但在各个土层的农药浓度变化却基本相同。Scifres等发现在230mm的降雨条件下，毒莠定（picloram）可淋洗迁移至地表深处0.9m处，Burnsde还发现莠去津和西玛津的迁移深度远超过根作层。传统观念认为，随着作物的生长，所施用的农药会被分解和消耗，但科学研究发现，有一部分农药已经迁移到土壤深处且没有分解消失，这部分农药将会污染地下水。当然，土壤中农药在纵向的迁移是很复杂的，不仅会向土壤深处迁移，而且还会随着土壤水分的运动而迁移至地表径流，以及随水分蒸发向地表迁移。关于这方面的研究，在其论文中作了综述。
地表径流中氮、磷元素多数来自农业生产中化肥、农药造成的非点源污染，关于这个问题已有不少论述，这些研究成果描述了土壤中氮和磷迁移至地表水体的过程。绝大部分农药类土壤溶质都存在于土壤表层中，水头高度对土壤溶质的迁移起着很大作用。2004年，Zheng等的研究结果表明，在地表径流中，在饱和状态，土壤中NO-N和PO-P迁移至34地表水体中的数量显著增加，在近地表，土壤溶质氮磷在水头高度的作用下，在饱和状态和渗流地下渗水状态时会带来比排水状态时更多的土壤溶质迁移量。2004年，Zheng等的试验结果表明，由于近地面的水头高度对土壤溶质的转移影响巨大，渗流渗透水对地表水质富营养化问题起着重要的作用。渗透水是指再次出现在土壤表面的壤中水，它经常发生在区域内一个隔水土层上含有过多的土壤水分。渗流渗透水是一种发生在潮湿季节的常见现象，例如潮湿冬季后的早春，在岩石边坡的中下部返流使得浅层地面水出现在土壤表面。同时，渗流渗透水只发生在土壤饱和状态时。
有时饱和状态的渗水层有一个能导致土壤表面一层薄的水层流动的渗透压力梯度。在野外，从渗水层渗出的地表水与渗水路线和浅沟侵蚀的形成有关。源于地表水和地下水的涌出与地表特征的演变有着密切的关系，可用正向的孔隙水压力和渗透梯度作用下的饱和土层来描述渗透水。正向的孔隙水压力降低了固体接触点之间的有效压力，降低了土壤强度；渗透梯度克服重力做功，进一步降低了土壤颗粒之间的接触应力。试验结果表明，当土水势从饱和状态降到一个较小压力或者负的孔隙水压力时，雨滴将导致土壤分散性迅速降低。
土壤是由多种不同厚度的矿物质成分所组成的自然体，是我们人类生存繁衍的基础。近几十年来，国际土壤学研究最为关注的热点问题之一就是土壤中农用化肥、农药的迁移转化，这个问题同时也是生态学、水文学、农学、环境科学等多学科所热衷的研究领域。氮、磷是农作物生长的2种必需元素。然而，由于氮、磷肥料的施用缺乏科学指导，导致这2种元素在土壤中富集。在降雨或排灌过程中，通过农田地表径流、农田排水和地下渗透等途径，大量地进入地表或者地下水体，从而不断加剧水体的富营养化程度，形成更大面积的非点源污染。地表径流中的氮、磷多数来自农业非点源污染，它加速了江、河、湖等地表水体的富营养化。坡地水土流失加剧了水土资源破坏，土壤中大量的营养物质（如氮、磷、钾等）随地表径流和侵蚀泥沙流失到地表水体中。特别是在土壤表面覆盖率低、土壤溶蚀流失严重的陡坡地区，由于降雨对表层土壤的剥蚀，导致下层土壤溶质也参与径流迁移。在各大江河流域的部分地段，由于地下水位过高，直接造成土壤溶质流失至地表径流，进而影响河流水质。1.1.2 坡面土壤溶质迁移
坡面溶质的迁移机理十分复杂，它受降雨-径流、土壤特性、地形地貌、地表植被、地表水文条件和气候等诸多因素的影响，同时，坡面的不同部位具有不同的溶质迁移现象，不同的空间尺度上也表现出迥异的溶质运动规律，一直是人们研究的难点和热点之一。坡面溶质迁移过程所涉及的两个重要方面为水沙流失和养分流失，这也是世界各国重点关注的问题。严重的水沙流失不仅会破坏土地资源、淤塞江河引起洪水灾害，而且还会污染水质，破坏水资源；土壤遭受侵蚀导致表层水土流失进而携带大量农药、化肥流失，并引起地表水污染。
为了满足人口对粮食需求的不断增长，农用化肥、农药被广泛使用，这些物质被施用在土壤表面，又通过各种方式流入径流或者进入深层土壤。因此，研究土壤中农用化肥、农药的迁移、转化对于防止环境污染和实现农业的持续发展有着重要的意义。
土壤溶质，狭义上是指土壤中溶解的物质；广义上是指在不同土壤环境条件下以气体形态存在于土壤空气，或溶解在土壤水中以溶解态存在于土壤溶液，或被土壤有机质或矿物质吸附以吸附态存在于土壤固相上的物质。我们的研究对象是土壤中溶于土壤水分中的溶质，如土壤养分、农药等。土壤溶质来源于两个方面：一是来源于自然条件，即随着自然界已经普遍存在的矿物质及其风化物的迁移，伴随着降雨携带的矿物质进入土壤中，在物理、化学和生物等过程作用下形成的可溶性有机质；二是来源于人类和动物活动，即人类和动物日常生活过程中的排泄物、人类生产过程中的“三废”（废水、废气、废渣），以及人类农业生产过程中施用的化肥、农药。我们研究的主要对象侧重于土壤溶质中农药和化肥的迁移流失。随着农业的发展，各种农药（如杀虫剂、杀菌剂、除草剂、防锈剂等）被大量使用。在使用农药时，一部分农药被直接喷洒于地表，还有一部分农药被降水从作物上淋洗至地表，于是，农药就进入了土壤环境。因此，王全九等研究了农药在土壤中的吸附与解吸、迁移转化，这对了解农药在土壤中的环境行为、防止农药污染水资源有着重要意义。土壤提供给植物生长的营养元素中，氮、磷是农作物所必需的，其中绝大多数氮元素属于可溶性强物质，不仅易溶解于壤中水，也易溶解于地表水进入水体，对人体健康构成直接威胁；磷元素的吸附能力也很强，但易被固定在土壤表层。上述问题不仅表现为农民施用了过多的农药和化肥却没有达到增产增收的目的，而且大量农药、化肥随着地表径流进入河流、湖泊，导致水体污染和富营养化问题加剧。所以，土壤养分流失和农药污染的研究显得尤为重要。通过对土壤溶质的迁移过程和机理的研究，依据地形和水文条件，提出达到预期产量和质量的农药及化肥的合理施用技术与方法，是避免富营养化的根本措施之一。
我们研究的深度是指土壤表面以下一定均匀厚度的土壤中含水层的深度。地表径流过程中，径流层扰动土壤水层会使得地表以下土壤水层中溶质沿垂直方向迁移至地表径流，则将土壤水层被扰动的深度定义为混合层深度，其实质为地表径流对土壤水层扰动的深度。在竖直方向上，降雨-径流过程中土壤溶质的迁移有两个过程：一是随着地表水分的运动，土壤溶质向下迁移，进入深层土层；二是当地表径流流量大于入渗量时，土壤溶质在雨滴打击及径流冲刷作用下，垂直向上迁移进入地表径流，并随地表径流和泥沙进行迁移流失。我们的试验研究范围着重于后者，它关系到土壤养分流失、肥力减退和面源污染等问题。
混合层深度研究不仅是目前环境科学、水文学、水力学、土壤化学、土壤学、生态学和水土保持等学科的一个重要交叉点，而且包含了土壤溶质的迁移和转化、土壤特性、径流地形条件以及土壤侵蚀等系列机理研究，因而被广泛应用于溶质迁移模型和非点源污染模型中，如SWAT、AnnAGNPs等。在降雨过程中，土壤在雨滴打击、径流冲刷并携带溶质流失等作用下，形成一定的土壤混合层，该土层被称为降雨-径流土壤化学物质混合层。并假设混合层以下的土壤溶质不发生迁移，混合层中的土壤溶质按比例、以不同模式分配到该混合层的渗出水、入渗水、径流水和土壤水中。混合层深度是一个重要的参变量，在模拟土壤溶质随径流迁移的过程中，它决定了土壤溶质参与径流迁移的量和范围；在衡量土壤养分有效性时，混合层深度反映了土壤溶质流失的潜在风险；在估算和预测非点源污染负荷时，它从机理上反映了污染物从土壤进入到江河湖的迁移量。所以，以降雨-径流过程土壤溶质迁移机制为主线，以量化地表径流过程中的44种迁移途径为目标，开展对混合层深度的研究，具有重要的理论意义和应用价值。1.2 土壤溶质迁移过程的研究进展1.2.1 土壤溶质迁移的研究
土壤溶质迁移流失过程应该是一个降雨-径流-溶质流失的过程，实质上也就是降雨-径流过程导致对流、扩散、土壤侵蚀和伯努利效应相互作用的过程。我们希望通过室内模拟试验，深入了解土壤溶质迁移机理及其过程，量化每一个途径导致溶质迁移的贡献率，揭示其内在机理。国内外学者已进行了大量的试验研究与理论分析，并提出大量的降雨-径流溶质迁移模拟模型，但均未量化各种迁移途径。
1. 经验动力学模型
1974年，Kuo和Lotse根据试验研究结果发现了一个简单的幂函数形式的动力学方程，该方程可以模拟土壤中磷随着时间变化的分解、吸附、转化过程；1974年Bauley等提出养分传输的概念模型；1975年，Bruce等提出土壤养分传输模型；1975年，Frere等提出农业土壤溶质迁移模型（agricultural chemical transport model，ACTMO），1980年又建立了改进型溶质-径流-侵蚀-农业管理模型（chemicals，runoff，and erosion from agricultural management systems，CREAMS）；1979年Barrow、1980年Chien和Clayton等利用幂函数为框架对模型进行修正，取得了较好的模拟效果。Sharpley等通过室内一定水土比振荡试验模拟，研究磷的分解、吸附、转化过程。总结前人的研究结果，Ahuja认为与室内振荡试验过程相似，在降雨-径流-表层土壤溶质相互作用的过程中模拟了土壤养分在径流中的扩散和传输；1984年，Haith等提出康奈尔养分模拟模型（cornell nutrient simulation，CNS）；1988年，Wallach等也在总结前人研究成果的基础上，提出了土壤溶液养分向地表径流传输扩散的模型。这些模型均能很好地反映土壤养分水蚀流失，但由于这些模型仅考虑了土壤表层某一薄层养分与降雨和径流的相互作用，并没有涉及土壤、作物等其他因子的影响，因而在理论上有不足之处，数学基础也不够严密。Ahuja等进行了室内人工模拟降雨试验，其结果表明土壤溶质浓度与降雨强度、坡长、坡度及土壤表面植被情况有着密切关系。1994年，Steenhuis等得出一个简单的预测土壤渗流出的溶质浓度的方程。2004年，Vadas等通过对地表土壤施加粪肥（牛粪、家禽粪和猪粪）来研究地表径流磷分解、吸附与迁移，并在模型基础上建立了适合各类粪肥径流磷迁移模型。
2. 质量传递模型
1975年，美国农业部农业研究组织根据流域侵蚀和养分流失特征，建立了ACTMO模型。1977年，Donigian模拟径流传递过程，建立了非点源污染模型（non-point pollution system，NPS）。在NPS模型的基础上，Donigian对其进行修正，建立了适合农业土壤养分径流流失的模型（agricultural run off management，ARM），该模型不仅能从侵蚀角度模拟降雨侵蚀过程，而且能模拟养分在径流作用下迁移、扩散、释放的过程。Young等于1985年和1987年以流域为研究单元建立模型（agricultural non-point pollution，AGNPS），该模型主要用于研究和预测次降雨过程中径流流量、侵蚀传递的泥沙、径流液中有效N和P的浓度、泥沙中N和P的含量。此外，还有1971年和1979年的NONPT模型、1980年的PRM模型、1980年的SPNM模型、1981年的SWMM模型、1982年的ASWM模型、1986年的CPM模型、1989年的PLIERS模型、1998年的EUROSEM模型等，这些模型从土壤侵蚀、土壤养分流失、土壤水分平衡等方面系统地研究了坡面或流域单元内养分的流失过程及机理。
3. 对流、扩散和水动力扩散模型
在绝大部分土壤溶质迁移规律中，土壤溶质的基本迁移机制有3种：对流、扩散和水动力扩散。将土壤溶质迁移的3种机理与连续流方程相结合，可形成土壤溶质迁移的对流扩散方程（convection-diffusion equation，CDE）。
4. 坡地溶质迁移复杂过程模型
1989年，Wallach等的研究结果表明，坡地土壤溶质的迁移过程主要有两个过程：第一个是通过扩散作用使得土壤溶质迁移到地表径流，即动力扩散过程；第二个是土壤溶质溶解于地表径流并流出土壤进入地表水，即溶解迁出过程。这两个过程并不是独立存在的，而是相互制约的，所以可将二者统一为一个系统的土壤溶质的迁移过程，只不过是侧重点在动力扩散过程。研究结果证明了当降雨强度不大时，坡度和坡长的大小都会影响土壤溶质迁移至径流的过程。2009年，王全九等的试验结果表明，表面上是坡度影响土壤溶质迁移，实质上是通过坡面径流流量和流速来实现的，径流流量起着主导地位，并可用幂函数来描述田间坡面土壤溶质的迁移过程。
5. 黄土坡面土壤侵蚀中溶质随径流迁移的水动力模型
郭太龙和王全九通过对比分析坡面水流的水动力参数与径流溶质迁移量之间的关系，研究了不同地表状况下黄土坡面土壤溶质随径流迁移的水动力学特性，以求深入了解和认识坡面土壤侵蚀中溶质随径流迁移的本质机理。他们认为，通常情况下坡面水流的水深都很小，仅为几毫米或更小，则可近似认为水力半径等于平均水深，故可写为2式中，n为通常糙率系数；为水流的平均剪切力，N/m；γ为水的3容重，N/m；J为坡面水流的能坡，由于坡面的坡度较小，可近似认0为J≈sinθ，θ为坡面角度；h为水头高度，m。0
6. 土壤溶质均衡模型
在土壤溶质均衡模型中，考虑土壤中溶质的输入与输出等量关系和土壤溶质的变化关系，描述土壤溶质的状况，并得出运动用水量平衡方程。根据质量守恒原理，水分输入与输出之差等于所研究土体水分储量的变化。可用式（1-2）来描述一定时段内的土壤水量平衡ΔD＝P+I+U－ETR－P （1-2）fd式中，ΔD为所研究土体内土壤水储量的变化，mm；P为计算时间段内的降雨量，mm；I为计算时段内的有效灌水量，mm；U为计算时f间段内的深层水上升补给量，mm；ET为计算时间内作物蒸散量，mm；R为计算时间内土壤地表径流流量，mm；P为计算时间内土壤d深层排水量或者渗透量，mm。
7. 两区模型
在现实土壤中不仅存在着大小不同的孔隙，而且土壤溶质和壤中流在一部分孔隙中运动迅速，在另一部分孔隙中于试验时间内基本不动。为此，对对流扩散方程进行了修正，提出了可动水体与不可动水体的概念，同时认为溶质在迁移的过程中，可动水体与不可动水体之间还存在着物质交换。Coats和Smith首先提出了稳态条件下包括可动水体与不可动水体的两区模型。随后，van Genuchten等用两区模型研究了溶质在土柱中的运动。Chen和Wagenet提出了里管流模型。Gerke和van Genuchten提出了优先流双孔隙体系的两区模型。1.2.2 坡面水沙迁移的研究
坡面水沙迁移包括土壤侵蚀流失和地表水汇流两个方面，均是世界范围的环境问题。严重的水土流失不仅会破坏土地资源，淤塞江河引起洪水灾害，而且还会污染水质，破坏水资源。降雨引发的山洪、泥石流、滑坡等水体汇流灾害成为雨季仅次于大洪水的自然灾害。特别是在暴雨或大暴雨的条件下，土壤极易遭受侵蚀，表层水土流失严重，特殊地区会出现滑坡和泥石流等剧烈的水土流失现象。目前，国内外的研究学者们从多方面去研究水土流失问题，尤其是土壤侵蚀形成的物理基础和坡面产流的形成机理，现就国内外在水土迁移方面的研究做简单介绍。
1. 水土流失模型的研究及应用
随着研究学者对土壤侵蚀认识的积累，建立了许多事件、概念、机理性等模型。土壤侵蚀模型的研究史中，Meyer等开发研制的USLE模型是土壤侵蚀研究史上的一个里程碑。1978年，Wischmeier和Smith提出了著名的通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）；1997年，Renard等进一步得到经验土壤侵蚀预报模型（revised universal soil loss equation，RUSLE）。2004年，江忠善和郑粉莉在通用土壤流失方程的基础上，针对黄土高原坡陡和浅沟侵蚀严重的特点，提出了包括浅沟在内的土壤侵蚀预报模型的基本结构形式，为研究浅沟侵蚀及其预报提供了重要的思路。为了进一步改进土壤侵蚀的预报和控制方法，新的土壤侵蚀预报物理模型被开发出来，如CREAMS模型的侵蚀和沉积子模型；SEDD模型和AnnGNPS模型都是事件模型，用于模拟农业流域中的径流、泥沙和营养输移；WEPP模型是由美国农业部协同其他一些机构进行研制和开发的，是基于侵蚀发生过程的土壤流失量预报模型。刘宝元等、史婉丽等对WEPP模型的应用范围和条件进行了评价；雷廷武等对WEPP模型中细沟侵蚀模型的正确性进行了分析和验证；缪驰远等把RUSLE和WEPP模型运用于四川遂宁径流小区，但模拟结果不理想。Beasley等研究的ANSWERS模型认为径流和侵蚀过程互为影响，但没有列出细沟侵蚀，且忽略了沟道侵蚀。1998年，Morgan等研究的EUROSEM模型是一个预报地块和小流域水蚀的事件动态模型，能模拟坡面细沟和细沟间的泥沙传输、侵蚀与沉积过程，能提供径流、泥沙、暴雨水文过程图和暴雨泥沙过程图。1981年Smith和1990年Woolhiser等研究的KINEROS模型，认为泥沙输移是在由沟道、河、湖、库等元素组成的网络共同作用下完成的，雨滴溅蚀与降雨量的平方成正比，径流侵蚀可根据泥沙传输能力的盈余计算得到，坡面侵蚀不分细沟和细沟间侵蚀，沟蚀不考虑雨滴溅蚀。1988年，Lopes和Lane研究的WESP是一个事件模型，土壤侵蚀与土壤表面的平均剪切力呈正比关系，当水流剪切力大于临界剪切力时，就会发生沟道侵蚀，基于WESP模型的次降雨泥沙预报并不理想，但总泥沙量预报与结果吻合较好，土壤的最初含水量影响径流和泥沙。
2. 雨滴溅蚀、细沟侵蚀、地表薄层漫流剥蚀的土壤侵蚀机理研究
随着土壤侵蚀模型研究的发展，土壤侵蚀过程的机理研究被进一步细化，主要研究方向分为雨滴溅蚀、细沟侵蚀和地表薄层漫流剥蚀。
雨滴击溅是降雨侵蚀的首要环节。降雨不但通过击溅作用于地表土壤而做功，导致土粒分散、溅起和输移，而且通过打击坡面径流，影响坡面径流运动。Hudson通过纱网覆盖的方法研究了雨滴击溅对坡面土壤侵蚀的影响，得出在雨滴击溅的作用下，通过给裸地坡面2覆盖沙网在一年内可以使每英亩（4047m）土地的水土流失减少96.69％。吴普特等通过改变雨滴降落高度的方法研究雨滴击溅作用对坡面薄层水流输沙的影响，得出雨滴的侵蚀量一般占总侵蚀量的70％以上，坡面所产生的泥沙绝大部分由雨滴击溅所致。Zhang等和Gabet等研究了雨滴击溅对坡面输沙的影响，发现坡面薄层水流与溅蚀关系明显，对侵蚀产沙有较大制约作用。李光录等采用2种坡度、2种雨强和1～6mm不等的6组不同径流深度研究有无雨滴打击土壤表面时薄层水流对土壤流失量的影响，得出雨滴击溅作用对薄层水流的扰动系数随水流深度的增大呈线性减小趋势，结果表明雨滴击溅作用是薄层水流泥沙剥蚀的主要动力。Tognacca等和Gregoretti的研究表明，在径流作用下，导致沟道中松散物质起动的主要因素是径流剥蚀作用导致的外力，而不是由于物质内部的原因引起。雨滴打击能够使坡面薄层水流由层流变为紊流或扰动层流，从而增加其侵蚀能力。雨滴击溅试验结果显示，随薄层水流深度的增加，泥沙剥蚀量减小。王光谦和李铁键指出，雨滴击溅与径流侵蚀冲刷是坡面薄层水流侵蚀不可分割的两个方面。王光谦和胡春宏指出，坡面土壤侵蚀的过程是一个连续的、发展的变化过程，侵蚀方式和侵蚀形态会随着时间的变化而发生变化，因此对坡面径流流态的研究要考虑其时空变化规律。韩浩指出，在降雨条件下坡面径流泥沙起动研究中考虑雨滴侵蚀力的作用是合理的。2009年，Wei等通过建立60～180mm/h区间内5组不同降雨强度来模拟土壤侵蚀，建立了水土流失预测模型。
3. 利用人工降雨模拟土壤侵蚀的试验研究
该项试验研究在20世纪30年代初始于美国，苏联较其晚16年，中国晚20年。最早进行的模拟降雨试验是从降雨量方面进行模拟的。1932年，美国Duley和Hays开展的侵蚀试验小区面积为1.5m×0.85m。Zingg于1940年在2.44m×1.22m的试验小区上利用人工降雨研究坡度对土壤侵蚀量的影响。20世纪40年代，Laws和Parsons研究了雨滴的大小、滴谱、雨滴终速以及它们与降雨强度的关系，为人工模拟降雨提供了重要的依据。Woodburn于1948年在人工降雨的条件下进行了雨滴溅蚀量与降雨持续时间的定量研究。他把试验土样盛在一个小容器内，让其受雨滴击溅一定时间，称出降雨前后试验土样的干重，用两者之差作为土壤溅蚀量。1945年，Ellison利用人工模拟降雨进行了降雨强度和雨滴下降速度对土壤溅蚀量的试验，并观测了雨滴在不同大小和速度下溅散泥沙颗粒的距离。1969年，Meyer和Wischemeier在试验室通过人工降雨，用玻璃球作为无黏性床沙质进行了径流冲刷的模拟试验，从而认识到坡面流期间，土壤表面细沟的出现受坡度、流量和降雨的影响；侵蚀强度随坡度和流量的增大而增大；降雨的作用是使表面平坦，从而使细沟化的粗糙表面变得光滑。1975年，Foster等在室内用人工模拟降雨研究了坡面径流在凹形坡地上的输沙过程。1981年，李鲁明等利用模拟降雨在一个4.572m×1.524m×1.219m的可自由调节坡度的水槽内通过填充中值粒径为0.35mm的土粒的方法，进行了地表径流引起的土壤侵蚀试验。1.2.3 坡面溶质迁移过程临界因子研究
为了有针对性地研究溶质迁移规律，从解释坡面溶质迁移临界现象的角度来探讨临界因子对溶质迁移的影响较为简便直接。临界现象是指临界点附近发生的现象，坡面水沙迁移临界现象是指水沙迁移量随着影响因子数值的增加而突然下降或突然上升的现象。专家、学者们观察到的水沙临界现象有很多，如降雨强度不变时，随着地表径流流量的增加，溶质迁移量先增加再突然骤降再增加；溶质迁移量随着地表坡度的增加，先增加再降低，等等。归纳起来，造成溶质迁移临界现象发生的主要影响因子为临界降雨-径流因子、临界土壤因子和临界地形因子。
1. 临界降雨-径流因子
降雨和径流是土壤侵蚀的动力来源，降雨对坡面的作用主要体现在雨滴的打击，径流则是直接冲刷坡面并搬运泥沙。坡面土壤侵蚀的过程是一个连续的、发展的变化过程，侵蚀方式和侵蚀形态会随着时间的变化而发生变化，因此对坡面径流流态的研究要考虑其时空变化规律。坡面水蚀的主要侵蚀动力来自降雨及其产生的地表径流，径流流量的大小与降雨强度及降雨量紧密相关。李光录等指出，降雨对土壤侵蚀的影响主要体现在降雨强度、降雨量等方面。Foster等认为存在着发生细沟侵蚀的临界流量。Savat等的试验表明，当坡面径流佛罗德数（Fr）为2～3时，细沟发生的概率很大。Rauws等基于试验数据，认为3～3.5cm/s的剪切流速是细沟发生的临界值。蔡强国和王平贵通过回归分析发现，细沟发生的临界水流动力与土壤抗剪强度呈线性增加关系。1992年，陆兆熊和Merz的试验结果表明，坡面细沟侵蚀的临界剪切地表径流流速为7～8cm/s。张科利等研究了细沟侵蚀发生临界水流的条件，认为Fr＞1是细沟发生的临界水动力条件，为细沟发生的判断提供了基础，但研究中未涉及降雨因素对细沟侵蚀的影响。雷阿林提出用雷诺数、佛罗德数和过水断面单位能量为判断不同侵蚀方式出现的水动力学指标，并运用试验方法确定出细沟侵蚀的动力临界条件。
降雨和径流在坡面水沙迁移过程中的作用不可忽视，现有对临界降雨-径流因子的研究多侧重于细沟侵蚀，对漫流和基流过程中水沙迁移过程的研究很少；同时，临界降雨条件和临界径流条件之间的关系如何转换，转化机理是什么，又应分别采用怎样的指标来表征两者的临界状态等方面的研究也都很少。2010年和2011年，李君兰等对水沙迁移临界条件的研究成果大多是针对细沟侵蚀这一特例现象进行的，尚缺乏对水沙迁移过程中地表漫流剥蚀和细沟侵蚀同时存在条件下土壤流失量及地表径流流量的临界现象的研究。
2. 临界土壤因子
临界土壤因子包括土壤抗剪切力、土壤特性、土壤初始含水量、土壤表面水分供给情况、地表覆盖类型、温度等。其中土壤特性还包括土壤颗粒密度、容重、孔隙率、土壤含水量、饱和度、渗透系数、土壤水分压力等。土壤对降雨-径流击打冲刷的抵抗作用主要分为抗蚀性和抗冲性两种性能。土壤的临界抗剪切力是定量分析坡面水土流失过程的一个重要指标。Gilley等应用WEPP模型把坡面侵蚀分为细沟侵蚀与细沟间侵蚀，其中，细沟侵蚀模块的细沟侵蚀率是研究人员广泛采用的基础理论公式，由细沟侵蚀率、径流剪切力、土壤抗剪切力的关系式得到土壤的临界抗剪切力。雷廷武等通过测定疏松土壤上细沟发生的条件，计算得到临界剪切力与坡度呈线性增加关系。唐泽军等进行了REE（rare earth element）示踪土壤侵蚀过程和降雨模拟试验，一系列的试验数据计算表明，试验土壤临界剪应力为1～2Pa，平均值为1.31Pa。
在地表水文条件对土壤侵蚀影响的研究中，近些年国内外专家已对土壤侵蚀进行了一系列的试验和模拟，但这些研究多是集中在自由排水条件下，对土壤水分饱和条件下和土壤渗流条件下的研究涉足很少。自由排水条件下的土壤侵蚀与土壤渗流条件下的土壤侵蚀有着本质的区别。Huang等和Zheng等的研究中考虑到渗透水对土壤侵蚀的影响，得出在土壤渗流条件下，土壤流失量要比在排水条件下高出3～6倍，却没有结合雨强和径流流量进行进一步研究。
现有成果多集中于研究土壤临界抗剪切力，这为定量研究土壤因子的影响效果奠定了基础。 资料中对土壤临界抗剪切力和土壤表面水分供给情况的研究很多，但对土壤初始含水量和土壤特性对溶质迁移过程的影响研究得较少。同时，关于土壤表面凸凹状态对坡面土壤溶质迁移的影响，现有研究成果很多，但对坡面凸凹不平的复杂地表面情况下的研究很少。
3. 临界地形因子
地形是影响坡面细沟侵蚀的重要因素之一，坡面位置的不同、地形的差异、坡面坡度的大小、坡长的长短都对水土流失过程产生影响。尽管坡度对细沟侵蚀水流流速的影响一直是具有争议性的问题，但坡度对土壤侵蚀流失量的研究结果较一致。Savat等在总结大量有关细沟侵蚀研究的文献后，提出欧洲壤土农地上细沟侵蚀发生的临界坡度为2°～3°，砂壤土细沟侵蚀发生的临界坡度为6°～12°。唐克丽等的研究结果表明，凸凹形坡与凹形坡上的土壤流失量均高于直形坡的原因是凸凹形坡与凹形坡易发生浅沟侵蚀，而直形坡一般尚未形成浅沟侵蚀。在其他条件相同的情况下，凸凹形地块的侵蚀量较凹形坡地块的侵蚀量增加了一倍，其中浅沟侵蚀量为总侵蚀量的86.7％。陈永宗发现，在5°～30°的坡面上，浅沟条数随坡度的增大而增多，在30°～45°的坡面上，随坡度的增大而减小。刘宝元等的野外调查得出，浅沟顶端到分水岭的距离以及集流槽的间距与坡度呈线性相关。郑粉莉等发现细沟侵蚀发生的临界坡长与坡度呈非线性关系。张科利指出浅沟发生的临界坡度是18°，认为浅沟发生的临界坡长、间距以及临界汇水面积都随坡度呈二次方变化。靳长兴认为水流对坡面侵蚀力的大小与水流所具有的能量成正比，且在流量一定的条件下，当坡度在24°～29°时，水流所具有的能量达到最大，故临界坡度理论上在24°～29°之间。Zhang等的研究结果认为，坡度是坡面土壤侵蚀过程中影响最大的因素，它是在土壤侵蚀研究过程中的重要因素。从一个完整坡面来看，坡形可概括为直形坡、凸形坡、凹形坡、凸凹形坡和台阶形坡。杨具瑞等根据细沟泥沙动力学建立泥沙起动公式，分析计算得到细沟侵蚀发生的临界坡度公式。邵学军等研究发现15°是一个发生细沟侵蚀的特征坡度，并采用经过率定、验证的水动力学模型，用数值计算的方法来给出各种坡面流细沟侵蚀的临界条件。
现有资料多侧重于研究细沟侵蚀过程中的临界坡度，且临界坡度随土壤特性的不同略有不同，而对于漫流剥蚀过程的临界坡度的研究几乎没有，同时，坡面空间位置的变化对水沙迁移量影响的研究也较少。
4. “混合层深度”研究
1）“混合层深度”的概念
径流是土壤养分迁移的主要动力，土壤是相互作用的界面和溶质迁移的“母体”。在通常地表径流或降雨条件下，地表土壤浅薄土层的扰动和土壤溶质的迁移有着密切的关系。1967年，Huff和Kruger采用放射性悬浮物质模拟土壤溶质的迁移，提出了“有效土壤质量”的概念，首次把径流过程中携带的土壤质量作为研究内容。1973年，Crawford和Donigian进一步完善了这一概念，并首次提出混合层概念。1975年，Frere等在建立ACTMO模型时，通过假设地表径流中土壤溶质浓度同表层土壤中溶质浓度相等，得出混合层深度约为10mm。1977年Donigian等开发的CREAMS模型中，假设存在一个低于土壤表面的混合区，雨水、土壤溶液水和渗入水混合瞬间不会发生任何化学过程并直接转移到混合区的下部，其混合过程被假定为彻底且均匀完整。1977年，Donigian等描述了土壤溶质随径流迁移的过程，假设降雨过程中雨水与混合层土壤和土壤溶液完全混合，其混合模拟结果表明，混合层中的溶解态化学物质以不同模式存在于混合层的入渗水、径流水和土壤水中。在他们的早期模型中，在土壤表面假设存在一个有效的混合深度0.3cm。1985年，Spencer等在加利福尼亚的帝国山谷的几个大的领域，用相同方法检验在地面灌溉径流水域内土壤表面的农药浓度，数据也表明，在沟灌径流水中，农药浓度与地表上层1cm土壤的农药浓度有关。另外，1981年和1983年Ahuja等提出混合层深度为常数，不随时间的变化而变化，混合层中的溶质被按比例分配到各个土壤水分中，包括混合层（包含土壤表面积水层在内）、低于该混合层的入渗层和径流层。混合层的概念基于雨滴动能能加速土壤表面水层的混合和扰动。在一场降雨中，只有土壤表层一定深度以上的溶质才能参与径流损失，该深度被称为有效混合深度（effective depth of interaction，EDI）。1997年Zhang（张勋昌）等提出，在降雨过程中，土壤在雨滴打击及径流冲刷等共同作用下，形成一定深度的混合层，见图1-1。图1-1 完全混合模型概念示意图
混合层内溶质参与径流迁移，而此层以下溶质不参与径流迁移。传统的混合区理论假设土壤表面的地表水下存在一个层，该层内的地表水、土壤溶质和入渗水能够瞬间并且完全混合，该层的土壤溶质没有向下面的土壤层发生迁移。混合层深度或有效的降雨-土相互作用深度是一个很关键的参数，可通过该参数确定土壤溶质流失至地表径流的总量。1989年和1998年，Wallach等提出在土壤表面存在一个完全混合的土层，其有效深度内浓度均匀，被称为“有效迁移深度”，见图1-2。王全九等提出了等效径流迁移深度（effective depth of transfer，EDT）的概念，他把土壤有效混合深度分成两部分：一部分称为等效入渗深度；另一部分称为等效径流迁移深度，此深度内的溶质只参与径流迁移，不参与随入渗水的迁移。2004年，Gao等研究了雨滴和土壤表面之间的相互作用控制交换层的溶质迁移过程，土壤中溶质从该层离开土壤进入地表径流，假设交换层内溶质充分混合，可以用一个浓度来表示整个层的浓度，见图1-3，土壤溶质迁移概念模型示意图。图1-2 有效迁移深度示意图图1-3 土壤溶质迁移概念模型示意图
2）“混合层深度”的量化研究结果及应用
试验研究的结果显示，混合层深度可能小于10mm，一般为2～10mm。1975年，Ponce等在研究总溶解盐的过程中，发现径流中浓度与土壤0～2.5mm浓度相近，与0～30mm深处的土层相关性较差。通过模型校正，1977年，Donigian发现混合区的深度范围为0～3.2mm。1978年Sharpley等、1979年Leonard等采用经验值与数理统计相结合的方法，确定土层中0～10mm中的除莠剂参与径流。1980年，该深度被Knisel编写的美国农业部化学沉积物转移模型收编于农业部管理系统。1981年，Ahuja等应用磷32和溴作为示踪剂，发现了混合层平均有效作用深度为2～3mm。Snyder和Woolhiser的研究中，用水槽与沙及示踪染料作为试验材料，结果表明在渗透条件下有效混合层深度大多小于10mm。在基于完全的和均匀混合的概念基础上，1999年Zhang（张勋昌）等的研究表明，在土壤水、渗透和径流发生彻底混合时，混合深度为3～4mm，小于经常被使用在文献和模型中的10mm。同时，他们进一步研究混合层深度，用石膏作为示踪剂，量化土壤溶质的转移过程，通过土壤溶质从下面进入混合区，在零渗透或排水不良的条件，运用这一方法可用于预测化学浓度。土壤溶质从土壤溶液转移到地表径流，可以形容为两种速率的过程：一种为快速过程，只限于混合层范围内（＜2～3mm），该层内土壤溶质呈指数递减，即在一个较短的时间内，由于雨滴的扰动，溶质的快递迁移过程使得土壤中的化学物质迅速溶解在土壤表层的混合区中；另一种为缓慢过程，在一个较长的时间内，分子扩散过程和流体力学扩散过程占主导地位，土壤溶质被模拟转移到底层土壤混合层。
另外一些研究学者的试验结果表明，混合层深度要大于10mm。Wang等在对土壤中钾元素迁移过程的研究表明，土壤有效作用深-3度随着雨滴动能的增大而增加，当雨滴动能达到0.459×10J时，土壤有效作用深度为14.5mm。张兴昌等、邵明安和张兴昌、张亚丽等在对土壤氮素作用深度的研究中，发现径流与土壤中硝态氮的EDI明显大于铵态氮的EDI，两者之差为7～15cm，同时还发现EDI沿坡面分布存在差异，坡面中下部较深，坡上部较浅。
混合层深度或有效作用深度是非点源污染模型中一个非常重要的参数，因为它可以决定有效的土壤溶质萃取量。混合层概念已被广泛接受，并用来预测化学损失地表径流。在大多数模型中，它的深度都被假设为10mm，如在年非点源污染模型（the annualized agricultural non-point source pollutions，AnnAGNPS）、流域非点源模型和土壤水文评价工具模型（soil and water assessment tool，SWAT）中，有效渗透深度或混合层深度都假定为10mm。
3）以“混合层深度”为研究对象的模型的发展现状（1）混合模型
Ahuja等用磷作为示踪剂，研究了降雨、径流、土壤之间的相互作用过程，研究结果表明，表层土壤溶质最有可能迁移至地表径流流失，随着深度的增加，迁移至地表径流的可能性呈指数衰减趋势。在简单的完全混合模型中，Emmerich等用模拟土壤表面土壤溶质的转换和迁移过程中的整体式模型和分散式模型对比，预测了土壤溶质浓度迁移过程的浓度变化。以上为充分混合模型的研究，但近几年，学者们又将混合模型进一步完善。2006年，王辉利用混合模型反推有效迁移深度，发现土壤溶质不同，其等效迁移深度也不同，硝态氮大于钾元素大于磷元素，其研究结果还发现，等效迁移深度与地表径流中的溶质浓度呈显著正相关；同时还引入土壤侵蚀影响因子，建立了地表径流过程中土壤溶质迁移模型。（2）确定混合层深度模型
王全九等认为，虽然大部分国外学者认为指数函数能够很好地模拟土壤溶质浓度的变化过程，但这种描述对于水土流失地区却不适用，特别是我国特有的黄土坡，并不一定完全适用，该模拟中没有考虑到水土流失加重了土壤溶质的流失。王全九等根据黄土坡的特有地质，研究土壤溶质随地表径流迁移，提出了等效对流质量传递模拟模型。试验结果表明，有效迁移层中的土壤溶质随径流迁移的概率是相等的，有效迁移层中土壤溶质的浓度分布是均匀的，从而提出土壤溶质存在于土壤溶液中。最后，王全九通过试验资料采用指数函数和幂函数，通过率定模型中的参数，对模型进行了初步验证，结果表明，在室内模拟条件下，实测结果与模拟结果比较接近。（3）对流扩散模型
1983年，Ahuja和Lehmen利用NaBr作为示踪剂，采用室内人工模拟降雨，研究了土壤溶质迁移至地表径流的流失过程。Ahuja等对比研究了常态分子扩散和被降雨加速扩散系数，模拟了降雨加速分子的扩散过程。Zhang（张勋昌）等通过采用对3种不同的土壤进行人工降雨模拟试验，用石膏作示踪剂放置在土层下5mm深处。试验结果证明了传统的对流扩散方程的正确性，同时也证明了只有在混合层中的土壤溶质迁移的可能性，研究结果认为，有效混合层厚度（mixing zone depth，MZD）小于4mm。（4）有效传递深度概念模型
1989年，Wallach等提出了有效传递深度（EDT）的概念。王全九等提出了土壤中化学物质在降雨-径流过程中流失，它受各种物理、化学、生物过程的控制，同时受土壤颗粒大小、质地、降雨过程、土壤孔隙比、土壤地表植被覆盖及其空间变异性的影响，这些因素的共同作用使土壤溶质的迁移过程变得十分复杂。在实际应用中，主要关心地表径流中化学物质的浓度变化及其流失量，并不需要对溶质迁移过程中复杂的物理化学过程研究过细。所以，将土壤溶质径流迁移的过程作为一个随机迁移过程，便于预测土壤溶质随地表径流迁移的过程。（5）二层解析模型
童菊秀和杨金忠用矢量合成方法，根据土壤表面径流中化学物质流失的流动特征和物理规律，建立了二层解析模型，描述了从降雨开始到径流过程中，土壤中溶质进入地表径流并流失的过程。他们充分考虑了土壤中溶质的入渗和扩散作用，利用非完全混合参数得到表面流失和入渗的合成。基于溶质质量守恒和水量平衡，将土壤混合层和积水径流混合层作为研究对象。1.3 土壤溶质迁移过程研究的不足之处
地表径流条件下，土壤溶质迁移是一个复杂的物理、化学及生物过程，它不仅受地表水文条件、径流流速、地表坡度、土壤质地、降雨强度等因素影响，同时还涉及很多方面。近半个世纪以来，许多国内外研究者都对土壤溶质的迁移过程进行了系统且深入的研究，但是研究的范围和尺度还存在着一些局限。（1）现有资料中关于土壤溶质迁移到地表径流的研究大多是概念性的认识，对每个迁移过程进行细化的研究却很少；绝大部分的研究结果都表明土壤溶质在扩散-对流作用下引起迁移，但几乎没有量化研究对流作用和扩散作用对土壤溶质迁移的贡献率。（2）尽管伯努利效应已经在流体力学中有着广泛的研究，并在土壤水动力学研究领域也有所涉及，但伯努利效应在土壤溶质迁移方面的研究很少，绝大部分都局限于对流扩散方程的研究。（3）近些年国内外专家对土壤溶质迁移的模拟多集中在自由排水条件下及土壤水分饱和条件下的模拟，土壤渗流条件下的研究涉足很少。自由排水条件下的土壤溶质迁移与土壤渗流条件下的土壤溶质迁移有着本质的区别。Huang和Zheng的研究中，考虑到渗流渗透水对土壤溶质转移的影响，得出在土壤渗流的状况下，沉积物的转移量要比在排水状况下高出3～6倍，却没有对土壤溶质迁移量进行进一步的研究，更没有对混合层的深度进行进一步的研究。（4）现有的资料中，研究的前提条件几乎都在降雨初始条件下，即均采用室内人工模拟或室外人工模拟降雨的方法，很少研究降雨与径流共同作用引起土壤溶质的迁移量，对径流导致土壤溶质流失的单独研究更少。现有溶质迁移模型较为复杂，影响因子较多，不便于计算土壤溶质迁移量。（5）土壤溶质的迁移过程因外部和内部影响因子不同，主要迁移机制有所不同，在不同的坡面位置上也具有不同的调整过程及不同的演化规律。土壤迁移临界现象也随降雨-径流、土壤特性、地形等因素的变化而变化。有3种临界因子即可组合为7种影响表现形式，现有的研究成果针对单一临界因子对水沙迁移量的影响很多；研究2种临界因子相互作用的较少，综合考虑3种临界因子共同作用的更少。（6）目前，有人从模型的角度去研究混合层深度，但在现有的非点源污染模型中，混合层深度几乎均被设置为1cm，没有考虑任何地形和水文条件，而事实上，混合层深度同土壤溶质迁移有着密切的关系，不能准确地描述和预测土壤溶质的迁移量。现有对于混合层深度的研究，大部分小于1cm，也有部分大于1cm，但是均没有考虑到各种水文条件的影响。
所以，本书试图通过设置不同水文条件和不同初始条件，对土壤表层的混合层深度进行研究，并对引起土壤溶质迁移的途径进行量化研究，试图提出一个简单的模型来模拟土壤溶质的迁移过程，并重新认识该过程。本书通过研究坡面溶质迁移动态的临界现象，采用理论数值模拟和室内试验模拟相结合的方法，从机理角度探讨坡面溶质迁移的临界条件，分析临界降雨-径流因子、临界土壤因子和临界地形因子对坡面溶质迁移过程的影响，研究不同影响因子组合下溶质迁移过程发生的临界现象及其机理，阐明降雨-径流交互作用机制的变化过程，雨滴溅蚀、细沟侵蚀和地表漫流剥蚀的水动力作用机制及其交互耦合作用机制，揭示溶质迁移过程的耦合动力学机制及其动态耦合特征，用降雨-径流（雨强、径流流量）、土壤特性（土壤表面凸凹状态和土壤表面水分供给情况）和地形（坡度）定量地描述空间不同坡面位置坡面溶质的迁移过程，从而为坡面溶质迁移预报及坡面形态变化规律提供科学依据。第2章 土壤溶质迁移过程的试验方法2.1 土壤溶质迁移过程的室内试验方法
土壤溶质迁移过程的室内试验是通过真实地模拟坡面不同雨强-径流流量、改变土壤表面供水情况、设置不同坡度和坡面凸凹不平的复杂地表面等条件，来研究坡面溶质迁移量，从而揭示降雨-径流侵蚀的水动力学动态耦合特征、雨滴溅蚀与地表漫流剥蚀之间和地表漫流剥蚀与细沟侵蚀间交互作用机制，以及地表凸凹不同对土壤侵蚀过程的作用机制及其基流形成机理，并结合理论分析，为数值模型和理论分析提供物理图景和关键参数。2.1.1 供试材料
首先，选择NaBr作为土壤溶质迁移的示踪剂，Smith的研究结-果表明，Br的排斥及吸附性能与硝态氮的表现相同，但由于硝态氮的固化和反硝化作用，它们的生物学特征不同。可以根据这些相同和--不同特性，利用Br来研究流域中硝酸盐的迁移，而且Br相对稳定，-容易保存。国外学者已广泛利用Br作为示踪剂来研究溶质迁移规律。
供试土壤为北京市海淀区上庄地区表层土壤，粉砂壤土，有机质含量占2％，可扩展性为2％，试验用土为耕作层土壤（0～20cm）。供试土壤均已先除去砂礓、碎石块、植物根茬等杂质，过4.0mm孔筛网，经自然风干、均匀混合等处理。2.1.2 试验设施
试验土槽尺寸有3种，分别为450mm×200mm×200mm，600mm×200mm×200mm，1000mm×200mm×200mm。在土槽底部均匀分布10个排水孔，排水孔用纤维状材料填塞以保证均匀供水，10个塑料排水管与马里奥特桶（简称马氏瓶）连接（见图2-2（a））或与给水罐连接（见图2-2（b））。在土槽底部铺设一层透水布，以防止水洗砂堵塞排水口。透水布上铺设一层80mm厚的水洗砂，粒径为0.25～0.75cm，以保证试验过程中水分自由下渗。在水洗砂上面铺设一层透水布，分离砂层和土层。为保证供试土壤的均匀性，将供试土壤分层填装在透水布上。将砂层以上120mm深的试验土槽按10mm为1个土层，共分成12层，分层填装，并保证土壤容重接近天然容重。径流土槽与供水器连接，从土槽底部由下向上供给土壤水分。土槽其他三边额外增加10cm高的钢板，以避免土壤溅蚀过程中导致的土壤溶质流失（见图2-1）。DI水（去离子水）通过阀门控制水量，加入到供水槽用于模拟地表径流。供水槽的排水口与土槽的入水口相连，坡度为30°，且供水槽排水孔用纱布包裹，以保证模拟的地表径流流量均匀，并防止土槽入水口处发生土壤侵蚀。图2-1 径流盆示意图
试验要求供水系统能分别模拟渗流状态（artesian seepage condition，ASC）、土壤水分饱和状态（saturation condition，SC）和自由排水状态（free drainage condition，FDC）
，即从径流盆底部供水，为土壤近表面提供稳定的水头高度。其中，饱和状态和渗流状态的水头高度由马氏瓶提供，见图2-2（a）。饱和状态时马氏瓶的水力压力线同土壤表面持平；渗流状态时，马氏瓶的水力压力线分别高于土壤表面2cm，5cm，10cm（ψ＝2cm，5cm，10cm），迫使土壤中水流向地表。自由排水状态的水头高度由供水器提供，渗水池的水面分别低于土壤表面2cm，5cm，10cm（ψ＝-2cm，-5cm，-10cm），见图2-2（b）。排水收集槽用于收集自由排水条件下壤中下渗排水。
研究装置示意图见图2-2。图2-2 装置示意图
降雨模拟系统采用下喷式自动模拟降雨系统，降雨高度为3m，降雨强度变化范围为40～133mm/h，降雨均匀度大于80％。降雨模拟试验时，土槽坡度为5°。2.2 土壤溶质迁移过程的试验设计2.2.1 地表径流条件下土壤溶质迁移的试验设计
该试验研究在地表径流条件下，土壤质地、地表水文条件、地下水水位线、坡度、地表径流流量以及地表径流流速等因素对土壤溶质迁移过程的影响，证明了伯努利效应在土壤溶质流失中起到主要作用，同时根据试验数据得到地表径流条件下对流、扩散、土壤侵蚀和伯努利效应对土壤溶质迁移至地表径流过程中的贡献率。2.2.2 降雨-径流条件下土壤溶质迁移的试验设计
该试验研究在人工模拟降雨-径流条件下，降雨强度、地表水文条件、地表径流流量和土壤质地等因素对土壤溶质迁移的影响，定量研究了土壤溶质迁移途径的贡献，加深了对土壤溶质迁移过程的理解，同时根据试验数据得到降雨-地表径流条件下降雨、对流、扩散、土壤侵蚀和伯努利效应对土壤溶质迁移至地表径流过程中的贡献率，并根据试验数据模拟出一个简单的二维对流扩散溶质迁移模型。2.2.3 模拟不同降雨-径流条件试验设计
本试验方案设计为研究不同雨强对土壤溶质迁移的影响和研究不同雨强与不同径流之间的组合对土壤溶质迁移的影响。
试验设置在固定水头高度（即土壤水分饱和条件下），分别采用3组人工降雨强度30mm/h，60mm/h，90mm/h，同时分别加入人工模拟地表径流（额外地表径流流量相当于降雨量0，2，4，10的倍数），试验土槽采用450mm×200mm×200mm，土槽坡度为5°，每组重复3次。
其中，除了18次采样时间采取的径流样品，其余全部径流液均收集在径流收集桶中，待试验完毕静止径流收集桶24h以后，倒掉上面澄清液体，先风干沉淀于桶底部的沉淀物，再用烘箱120℃恒温烘干，称量。取相同条件下3次降雨-径流试验的平均值作为总的土壤流失量。2.2.4 模拟不同土壤特性试验设计
对比研究2种提取土壤三维地形的方法：激光扫描仪法和单反照相机法。
研究地表粗糙度对土壤溶质迁移的影响。为了消除地表水文条件的影响，地表粗糙度试验采用自由排水条件，水头高度低于土壤平面2cm，降雨强度为60mm/h，无外加径流条件下，分别模拟3种地表凸凹不同地形：①土壤表面有4个40mm×40mm×20mm近似于半球形凸包；②土壤表面有4个40mm×40mm×40mm近似于半球形凹坑；③土
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]