黏土涂层对压实黄土渗流影响的耦合效应：一种三相识别方法

《Journal of Hydro-environment Research》：Coupling effects of clay coating on seepage suffusion in compacted loess: a three-phase identification approach

深层土壤水力及溶质传输参数反演与地下水补给潜力评估：基于黄土高原>3000份10米以下土壤样本的统计分析，发现土壤质地（北部粗质砂土）主导溶质运移动力学（Cl?/NO??扩散系数0.07-0.33 m2/yr），Darcy定律与示踪剂法估算的补给速率（0-69.9 mm/yr）显示空间异质性显著大于土地利用类型差异，提出植被根系影响和有机质分解的耦合调控机制。

　　土壤水文和溶质传输参数对于描述地下水流过程至关重要，但这些参数在深层土壤（超过5米）中的准确识别在区域尺度研究中仍然面临挑战。为了弥补这一不足，研究者们提出利用现有的土壤指标进行参数的反演估算，这种方法能够辅助潜在地下水补给（即从根系区底部向含水层的向下水流）的预测。本文通过在黄土高原地区采集超过3000个土壤样本，来自39个超过10米深度的土壤剖面，样本覆盖了不同的气候、植被和土壤条件。研究旨在确定该区域土壤的质地、有机碳含量以及溶质含量（包括氯离子、硝酸盐和氚），并利用多种土壤传输函数和修改后的突破曲线方法计算水文和溶质传输参数。最终，这些参数被用于估算潜在地下水补给率，并探讨土壤参数化过程中的不确定性。

土壤水文和溶质传输参数的识别与估算在区域尺度上具有重要意义。在传统方法中，诸如张力计、压力膜、离心机和突破曲线等技术需要采集未扰动的土壤样本，这不仅耗时费力，而且在深层土壤中操作难度较大。因此，这些方法在实际应用中受到限制，特别是在那些深层土壤条件复杂、样本获取困难的地区。相比之下，间接估算方法提供了一种更可行的替代方案，例如利用土壤传输函数（PTFs）和参数反演技术，这些方法能够基于土壤的基本指标（如质地）进行估算，从而减少对复杂实验设备的依赖。此外，通过溶质的分布情况（如氯离子和硝酸盐的抛物线型分布）来反演传输参数，也是一种有效手段，这种方法能够提供对溶质迁移过程的洞察，并在某些特定条件下（如干旱地区）具有更高的敏感性。

黄土高原地区因其深厚的黄土沉积层，成为研究深层土壤参数的理想场所。该地区具有显著的气候和地理多样性，其降水模式主要集中在夏季（6月至9月），年均降水量从150毫米到800毫米不等。此外，黄土高原经历了大规模的土地利用变化，如“退耕还林还草”项目将农田转变为深根系的森林和果园。这些变化对深层土壤的水文和溶质传输过程产生了深远影响，包括根系生物量、冠层覆盖、人工施肥和枯枝落叶分解等因素的改变。特别是在果园等土地利用类型中，深层土壤的干燥化和化肥的积累表明植被与土壤水分、养分动态之间存在复杂的相互作用。然而，目前对于这些深层土壤剖面（超过5米）的水文和溶质传输参数仍然缺乏系统的研究，导致对深层土壤环境和地下水补给机制的理解存在显著的知识空白。

为了填补这一空白，本文利用了一个前所未有的大型土壤样本数据集，对黄土高原地区深层土壤的水文和溶质传输参数进行了区域尺度的估算。研究结果表明，土壤性质和水文参数的变化主要受到地理位置的影响，而不是土地利用类型。例如，在北部地区，土壤质地更粗（沙土占比为42.0±8.3%），其饱和水力导度（38.2±27.4厘米/天）显著高于南部地区。此外，氯离子和硝酸盐的抛物线型分布特征表明，溶质传输参数在北部地区表现出更高的扩散系数（0.07–0.33平方米/年）和迁移速度（0.07–0.20米/年）。这些参数的差异反映了土壤质地对溶质迁移过程的主导作用，尤其是在深层土壤中，这种作用更为显著。

通过使用达西定律和氚、氯离子、硝酸盐峰值方法，研究者们估算出潜在地下水补给率的范围为0–69.9毫米/年。值得注意的是，北部地区的潜在补给率显著高于南部地区（17.8±16.3毫米/年），同时在浅根系植物覆盖区域（22.4±14.4毫米/年）也表现出较高的补给率。这种差异主要归因于北部地区更粗的土壤质地，使得水分和溶质能够更迅速地向下渗透，而浅根系植物的蒸腾作用相对有限，减少了水分的消耗，从而提高了地下水补给的可能性。相比之下，南部地区土壤质地较细，水分渗透速度较慢，同时由于植被覆盖更密集，蒸腾作用较强，导致地下水补给率相对较低。

研究还探讨了基于水文参数和溶质参数的方法在估算潜在地下水补给率时所面临的不确定性。基于水文参数的方法（如达西定律）受到简化假设和参数估算误差的影响，这些误差可能源于土壤质地、结构和水分状态的复杂变化。而基于溶质的方法（如使用氚、氯离子和硝酸盐作为示踪剂）则受到时间尺度、植物吸收和生物地球化学循环的影响。例如，示踪剂的分布可能受到植物根系活动、土壤微生物作用以及环境条件变化的干扰，从而影响其对地下水补给过程的准确反映。此外，不同示踪剂的适用性也可能因研究区域的水文条件而有所不同，例如在低水流量的环境中，氚可能比氯离子或硝酸盐更具优势，因为它能够更灵敏地捕捉到微弱的地下水流动。

本文的研究结果为黄土高原地区深层土壤水文模型的参数化提供了重要的技术支持和基础数据。通过区域尺度上的大量土壤样本数据，研究者们不仅能够更准确地估算水文和溶质传输参数，还能够探讨这些参数在不同地理和土地利用条件下的变化规律。这种研究方法有助于提高地下水补给估算的精度，从而为可持续的地下水管理和深层土壤环境调控提供科学依据。此外，研究还揭示了土壤质地、气候条件和植被覆盖等因素对深层水文过程的深远影响，为未来相关研究提供了新的视角和方向。

在黄土高原这样的干旱和半干旱地区，深层土壤的水文过程对地下水补给具有决定性作用。由于该地区降水稀少且季节性明显，地下水补给主要依赖于降水在土壤中的渗透和储存过程。然而，深层土壤的渗透能力受到多种因素的影响，包括土壤颗粒的大小、孔隙结构、有机质含量以及土壤的物理化学性质。因此，准确估算这些参数对于理解深层水文过程至关重要。此外，土地利用变化对深层土壤水文过程的影响也不容忽视。例如，农业活动可能导致土壤结构的破坏和水分的过度消耗，而植树造林等措施则可能改善土壤的持水能力和地下水补给潜力。

为了提高对深层土壤水文过程的理解，本文采用了多种方法进行参数估算。首先，通过土壤质地、有机碳含量和溶质含量的测定，研究者们能够获取土壤的基本物理和化学特性。这些特性是估算水文和溶质传输参数的基础，因为它们直接影响土壤的渗透能力和溶质的迁移速度。其次，研究者们利用土壤传输函数和修改后的突破曲线方法，将这些基本指标转化为具体的水文和溶质传输参数。这种方法不仅减少了对实验设备的依赖，还能够提高参数估算的效率和准确性。最后，研究者们结合达西定律和示踪剂峰值方法，对潜在地下水补给率进行了估算，并分析了不同方法之间的差异和不确定性。

在黄土高原的区域尺度研究中，土壤质地是影响水文和溶质传输过程的关键因素。北部地区的土壤颗粒更粗，这使得水分和溶质能够更迅速地向下渗透，从而提高了地下水补给的可能性。而南部地区的土壤颗粒较细，渗透能力较低，导致地下水补给率相对较低。此外，土地利用类型也对地下水补给过程产生影响，特别是在浅根系植物覆盖区域，由于蒸腾作用的限制，地下水补给率较高。然而，这种影响可能不如地理位置的影响显著，因为土壤质地和气候条件对深层水文过程的影响更为根本。

研究结果还表明，土壤参数的不确定性在不同方法中表现出不同的特征。基于水文参数的方法（如达西定律）由于简化了复杂的土壤结构和水文过程，可能导致一定的误差。而基于溶质的方法（如使用示踪剂）则受到时间尺度、植物吸收和生物地球化学循环的干扰，使得估算结果可能受到环境变化的影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些不确定性因素，并结合多种方法进行验证和校正，以提高地下水补给估算的准确性。

本文的研究不仅为黄土高原地区的地下水管理和土壤环境调控提供了科学依据，也为全球类似深厚 vadose 区域的水文研究提供了借鉴。黄土高原的土壤特性与许多干旱和半干旱地区的土壤相似，因此，本文的方法和结果可能适用于其他类似的地理环境。此外，研究还强调了土地利用变化对深层水文过程的重要性，特别是在农业和林业活动频繁的地区，这些变化可能对地下水补给产生深远影响。因此，未来的研究需要进一步探讨土地利用变化对深层土壤水文过程的具体影响机制，并结合遥感技术和地理信息系统（GIS）进行更精确的空间分析。

在实际应用中，准确的水文和溶质传输参数对于地下水补给模型的构建和优化至关重要。这些参数不仅影响模型的预测精度，还可能对水资源管理政策的制定产生重要影响。例如，在地下水补给率较高的区域，可以采取更加积极的水资源保护措施，而在补给率较低的区域，则需要加强水资源的利用效率和节水技术的应用。此外，研究还揭示了土壤质地和植被覆盖对地下水补给的双重作用，这为农业和林业实践提供了新的思路，即通过改善土壤结构和植被类型，可以有效提高地下水补给潜力，从而实现可持续的水资源管理。

总的来说，本文的研究为深层土壤水文参数的估算提供了一种新的方法，并揭示了这些参数在不同地理和土地利用条件下的变化规律。研究结果表明，土壤质地是影响水文和溶质传输过程的关键因素，而地理位置和气候条件对深层土壤水文过程的影响更为显著。此外，研究还强调了土地利用变化对深层水文过程的重要性，并为未来的研究提供了新的方向和思路。通过这些研究成果，可以更有效地理解和管理深层土壤环境，从而为全球干旱和半干旱地区的地下水补给预测和水资源管理提供科学支持。