综述：结构化农业土壤中的优先流与养分运移：实验证据与建模方法的系统综述

《Hydrology》：Preferential Flow and Nutrient Transport in Structured Agricultural Soils: A Systematic Review of Experimental Evidence and Modelling Approaches

　　

理解结构化土壤中的水分动态和养分运移仍然是水文学中的关键挑战，尤其是受优先流路径的影响。本系统文献综述基于PRISMA工作流程，通过标题、摘要和全文筛选了770篇论文，综合了47项研究的证据。本综述仅聚焦于符合条件的研究，这些研究调查了结构化土壤中的水流、溶质运移或建模方法，而排除了没有实验或建模成分的研究。本综述纳入了39项研究，其中分别有25项和28项研究采用了现场、实验室和建模方法，以分析优先流和养分运移。现场实验最常用的方法是土壤物理测量（42%），而HYDRUS（28%）是建模方法中使用的主要工具。尽管基于物理的建模取得了进展，但由于模型概念化、参数化以及空间和时间土壤异质性表示方面的局限性，准确表示优先流仍然具有挑战性。双域公式和反演建模等建模策略改善了表示，但引入了额外的复杂性和不确定性。该综述强调了实验证据与模型表示之间的关键差距，强调了在水文建模中改进土壤结构动力学和非平衡运移过程整合的必要性。

1. 引言

结构化农业土壤因生物活动、土壤颗粒自然团聚、干燥开裂或免耕实践而存在大孔隙和裂缝，形成高度异质性。优先流（Preferential Flow, PF）受不同尺度土壤孔隙结构控制，是水和污染物快速绕过土壤基质进入地下水或地表水的重要路径。养分损失，尤其是氮（N）和磷（P），是水质退化的主要驱动因素，农业活动通过施肥和粪肥施用成为主要来源。地表径流和侵蚀可迁移养分，但越来越多的证据表明地下路径（如淋溶、侧流和暗管排水）在集约化农业景观中主导养分输出。结构化黏土土壤为测试当前水文模型在捕捉优先流和养分运移方面的局限性提供了关键环境。尽管已有多种模型（如HYDRUS）被应用，但准确表示优先流仍面临挑战。

2. 材料与方法

2.1 检索策略与关键词

本综述围绕研究问题“在结构化农业土壤中，优先流和养分运移如何在实验和建模研究中体现，准确模拟这些过程仍存在哪些挑战？”展开。使用PICO框架确定关键词，结合布尔逻辑，在Scopus、ScienceDirect、SpringerLink和Web of Science四个数据库进行检索。关键词涉及土壤类型（如Vertosols、黏土等）、水力特性和管理措施（如入渗、优先流等）以及水分再分配和溶质运移（如氮移动性、磷运移等）。

2.2 PRISMA流程

遵循PRISMA框架，流程包括范围界定、规划、识别、筛选、资格评估和解释。初始检索共获得853篇文献，去除重复后770篇进入Covidence平台，再次去除重复后757篇进行筛选。根据标题和摘要排除不相关文献后，209篇进入全文评估，最终纳入47项研究。

2.3 纳入与排除标准

纳入标准包括研究结构化农业土壤中的水流、养分运移或建模方法，尤其关注黏土和膨胀-收缩系统。排除仅报告养分淋失结果而未涉及运输机制、土壤物理性质或建模方法的研究。

2.4 数据提取

使用Covidence的Extraction Model 2提取叙述性数据，包含研究特征（年份、期刊、标题、作者、国家、研究目标）和实验（现场测量、实验室测量、建模）三部分。

2.5 质量评估

采用定制评估框架，包括15个问题分7个子类别，由两名评审员独立评估，使用Cohen's Kappa系数衡量一致性（κ=0.49）。质量评估结果不用于排除，但用于支持解释。

2.6 综合方法（主题和表格）

采用主题综合、表格化和描述性统计相结合。主题从研究内容归纳，包括优先流过程、裂缝/大孔隙成像、溴化物示踪、模型局限性等。同时建立证据表并计算频率分布。

3. 结果

3.1 研究趋势概述

47项研究按现场、实验室和建模三类分组。时间分布显示1989-2025年，1989-2005年发表稀疏，2012年达到峰值（n=6），2020-2024年再次增加。这反映了对优先流研究的兴趣增长以及技术进步。

3.2 实验研究中优先流的表示

现场方法中，土壤物理测量占42%，化学/养分分析占28%，示踪剂研究占28%，水文测量占23%，土壤水监测占21%。常用技术包括渗漏计（n=10）、入渗仪（n=5）、溴化物示踪（n=10）等。这些方法表明优先流通常需要多方法结合才能表征。

3.3 水流与溶质运移的建模方法

28项研究（60%）使用建模方法。HYDR