第1章 绪论
1.1 研究背景
土壤斥水性 (soil water repellency，SWR)是指水分长时间停留在土壤表面，不能迅速入渗的现象 (Debano，1981)。斥水性土壤在世界各国普遍存在 (Dekker et al.， 2001)，存在于不同质地土壤、不同气候和不同土地利用方式下 (Wang et al.，2021； Saiz-Jimenez，1988)。我国的新疆、陕西、湖南、云南、山东、安徽和内蒙古等省 (自治区 )也存在斥水性土壤，涉及的土壤类型广泛 (吴珺华等， 2019；孙棋棋等， 2014)。因为 SWR对土壤水分运移过程具有较大的影响，对农田水分循环、水分高效利用和作物产量具有直接或间接的作用，所以 SWR及其环境效应已受到国际研究领域的广泛关注。对 SWR的研究不仅涉及土壤学，而且与水文学、生态学、地学、微生物学和环境学密切相关，属于多学科交叉领域，深入研究 SWR及其对农业生产的影响对于农业生产提质增效具有重要意义 (唐德秀， 2018)。
SWR对土壤及环境有直接或潜在的负面影响 (Doerr et al.，2000)，主要体现在：①降低土壤的导水率和入渗率。通常亲水性土壤中初始土壤水分入渗率很高，但随着土壤水分饱和，入渗率逐渐降低。干燥斥水性土壤中水分入渗过程与亲水性土壤相反，初始入渗率很低，甚至根本无法入渗，表层易于积水，导致产生地表和坡面径流，当降水充分时，可能发生超渗坡面径流；但随着入渗时间延长，土壤表面会被水逐渐润湿，湿润后的斥水性土壤入渗率逐渐增大。②延缓水流向下运动，湿润土壤不均匀，湿润锋不稳定和不规则 (柴红阳等， 2018；Ritsema et al.， 1997)。③土壤表面径流促进大小细沟的形成，加速土壤侵蚀过程，使土壤质量退化。④加剧区域生态环境恶化，给农、林、牧生产造成重大影响，对农业生产和环境的可持续发展产生危害，加大对地下水的污染 (Wahl et al.，2003)。在山区， SWR除了给水分入渗带来困难，伴随强降水剧烈冲刷山体、坡地，加强地表径流和侵蚀作用之外 (Dekker et al.，1994)，在灌溉或降水过程中，水分容易从土体间的大孔隙、植物根孔和生物活动造成的孔隙或不同土壤种类的层状土中产生优先流现象，使土壤内部水分分布不均匀，植物得不到可以有效利用的水分，造成农作物减产 (Lowe et al.，2017；Xiong，2014；Blackwell，2000)。
1968年，美国加州大学滨河分校召开了第一次 SWR的国际性学术会议之后，有关 SWR的成果及其报道逐渐增多。从*初发现斥水性土壤，到 SWR不同评价指标的提出，相关研究不断深入，且近几十年来其研究成果有明显增加的趋势(Leelamanie et al.，2019；陈俊英等， 2017；宋红阳等， 2013)。在全球水资源短缺、极端自然灾害频发的大背景下， SWR的研究在国际上日益受到重视。我国*早关于 SWR的报道出现在 1994年(杨邦杰等，1994)，随后相继开展了相关研究 (周立峰等，2019；王秋玲等， 2017；李毅等，2012a)，并获得了大量的研究成果。
相关研究表明， SWR不仅成因复杂，而且影响因素多样，包括外部环境因素，如森林火灾 (Doerr et al.，2000)、植被种类等，还有土壤自身理化性质，如有机质含量、土壤质地和矿物质组成等，多种因素交织在一起导致土壤显现出斥水性，并且 SWR还具有一定的变异性。一般情况，在干燥或者干湿交替明显的气候条件下土壤较易产生斥水性。 Jaramillo等(2000)对不同气候条件下 SWR的表现强弱进行比较，结果表明， SWR在干燥的气候下会加剧；土壤干湿交替越明显，斥水性表现越强烈。土壤所处区域季节性气候差异越大越容易产生斥水性，并且 SWR的强弱随季节变化有较大的波动 (Crockford et al.，2010)。Buczko等(2005)对欧洲赤松及山毛榉林地间土壤进行斥水性研究，结果表明 SWR在季节上存在一定程度的空间变异性，同时夏季的 SWR高于秋季，单一树种覆盖的 SWR低于混合树种覆盖。郭丽俊等 (2011)通过对新疆盐碱土的研究表明，不同尺度下的 SWR和土壤理化性质均存在一定差异。
在斥水性土壤中，当水分和溶质通过土壤孔隙介质时，会沿着土壤中的某些特定路径运移，形成优先流 (Hendrickx et al.，2001)。一般把优先流分为四类，分别是裂隙流、大孔隙流、指流和侧向流 (Allaire et al.，2009)。其中，指流引起了众多水文、地质和环境科学方面研究者的高度关注，同时针对这一现象也开展了很多相关研究 (王亦尘， 2017；.im.nek et al.，2003)。当指流发展时，水分会以类似“手指”的形状突破土壤界面，从而进入土体内部发生局部不稳定入渗现象，而不是均匀入渗到土体内部 (Rezanezhad et al.，2006)。指流现象会影响土壤的入渗过程及土壤中的水分分布，如会加速水分和溶质的迁移，使其快速通过土壤的非饱和区域，增加地下水污染的风险 (Bond et al.，1964；Jamison，1945)。
综上所述，形成 SWR的因素较多、较复杂，不仅与土壤本身的属性有关，也和其所处的环境条件有着密切联系。虽然目前已有的研究从不同方面揭示了土壤斥水的机理，但土壤成分及所在气候条件不同导致结果千差万别，甚至在某些观点上大相径庭，因此并没有从本质上揭示土壤斥水的机理，为进一步研究斥水性土壤中的水分运移规律造成了障碍。此外，由于成本高，土壤斥水性对作物生长和产量影响方面的研究成果不多，在更深层次上结合未来气候情景进行斥水性影响下土壤和作物响应的研究成果也非常有限，不利于深入理解与斥水性土壤相关的问题。
1.2 研究现状
1.2.1 土壤斥水性的成因和表征指标
国外对 SWR的研究可追溯至 1917年，之后逐渐增多，在近年来有明显增加趋势。受到缺水和极端自然灾害频发的影响，国际上对于土壤斥水性的研究日益增多(Müller et al.，2011)。1968年召开的第一次国际性土壤斥水性研讨会上 SWR问题引起普遍关注； 20世纪 80年代，研究不仅关注于斥水性本身，而且在如何描述斥水性土壤的水分运移方面取得了突破 (Sawada et al.，1989)。Ritsema等(1995)对德国北部一块斥水性农田的土壤斥水性随季节变化的关系进行研究，结果表明，接近 90%的表层土壤在干燥季节里表现出明显斥水性，仅有 30%的较深层土壤在湿润季节表现出斥水性。 Mckissock等(2000)研究发现土壤矿物中的高岭土和钠基蒙脱石能有效减少 SWR，而伊利石和钙基蒙脱石则有增加 SWR的效果。 Bachmann等(2001)在研究中发现，土壤斥水性的存在使得土壤水分的蒸发较亲水性土壤减少。Burch等(2010)发现澳大利亚尤加利林地土壤在旱季时的入渗率仅为 0.75～1.9mm/h，而雨季时为 7.9～14.0mm/h。Carrick等(2011)通过对比吸湿性、斥水性和封闭气体的动态作用，发现斥水性增强将导致入渗率降低，土壤表层容易形成非稳定流，从而导致径流增加。 Vogelmann等(2013)认为不同土壤质地斥水性土壤的临界含水量有所不同。 Chau等(2014)提出四种关于斥水性土壤水分特征曲线的模型。Filipovic等(2018)预测气候变化将导致更严重的干旱，从而加剧 SWR，影响包气带土壤水力特性。
我国国土面积辽阔，土壤类型丰富，气候跨度广，随着对 SWR理解的加深，国内关于 SWR的研究呈增加的趋势 (Wang et al.，2021；周立峰等， 2019；李毅等，2012b)。郭丽俊等 (2011)通过研究新疆维吾尔自治区玛纳斯县盐渍土壤的理化性质与斥水性空间格局划分，得出 SWR及其理化性质在不同空间尺度下会产生一定的差异。任鑫等 (2011)对新疆膜下滴灌棉田土壤进行研究，发现土壤剖面斥水性的变化规律与土壤的水盐含量、 pH有关系，次生盐渍土剖面斥水性的变异程度为中等，呈现中等偏弱的空间自相关性。陈世平等 (2011)对不同斥水程度的土壤进行覆膜开孔条件下的室内蒸发试验，研究了土壤在不同覆膜开孔与斥水程度条件下，土壤的水盐运移特性。商艳玲等 (2012)研究发现 SWR随再生水灌溉量和灌溉时间的增加而显著增强。邵志一等 (2016)对新疆玛纳斯河流域的土壤水分及土壤的斥水性空间变异性进行了研究。王亦尘等 (2016)研究发现土壤斥水性可能与土壤容重及其烘干处理有关，当土壤黏粒、钠离子和钾离子含量较高时，斥水性更强。 Li等(2017)通过对比高斯模型、洛伦兹模型和对数模型对所测斥水性土壤水分特征曲线的适用性，*终选择高斯模型反映土壤斥水性和土壤含水量之间的关系。周立峰等 (2019)研究了不同土壤斥水性随含水量变化的规律，发现膜下滴灌盐碱化农田表层土壤的斥水性与电导率呈正相关，与土壤 pH无显著相关性。
SWR的测定方法及相应的评价指标主要有：①滴水穿透时间 (water droplet penetration time，WDPT)法，这是*简单且*常用的 SWR测定方法(Letey，1969)。 WDPT即通过记录水滴由滴入土壤表面至完全入渗所用的时间，将 SWR划分为 5个等级，分别是亲水 (WDPT < 5s)、轻微斥水 (WDPT为 5～60s)、强度斥水 (WDPT为 60～600s)、严重斥水(WDPT为 600～3600s)和极端斥水(WDPT > 3600s)(Dekker et al.，1990)。②乙醇摩尔浓度法，即使用乙醇溶液浓度来表征斥水性的强弱。③接触角法，通过测定固、液、气三者的接触角来判断土壤斥水的严重程度。按照接触角进行 SWR等级划分，认为 0°接触角为亲水性土壤， 0°<接触角. 90°为亚临界斥水性土壤，接触角大于 90°为斥水性土壤 (Siebold et al.，2000)。
1.2.2 斥水性土壤中的水分运移规律
各种水分入渗模型已被应用于研究斥水性土壤的入渗特性。目前研究仅限于使用各种模型对斥水性土壤试验数据进行拟合，并没有明确模型的物理意义 (任长江等，2018；刘春城等， 2011)。近年来，许多学者对 Green-Ampt模型进行了修正，修正后的模型物理意义更为明确，因此得到了广泛的应用。 Deng等(2016)基于饱和导水率的一般阶幂均值和调和均值对 Green-Ampt模型进行了改进，发现改进后的模型对入渗的拟合效果较好。 Mao等(2016)基于含水量分布时空线性变化的假设，对 Green-Ampt模型进行了改进，发现新模型在拟合累积入渗量和湿润锋距离方面具有较高的精度。 Zhang等(2019)发现修正的 Green-Ampt模型对入渗过程的模拟效果优于 Mao等(2016)的研究结果。这些模型的改进基于两个重要参数的研究：饱和导水率和基质吸力 (简称“吸力” )。饱和导水率可以通过试验得到，但基质吸力难以测量。因此，模型修正的主要内容是如何准确地获得土体的基质吸力。范严伟等 (2015)建立了由进气值的倒数估算砂土的基质吸力方程，结果表明修正模型能够准确拟合砂层入渗率。温馨等 (2020)将 Philip模型与 Green-Ampt模型相结合，推导出了基质吸力计算方程，改进后的模型性能得到了提高。
与亲水性土壤中的入渗过程相比，斥水性土壤中水分运移过程明显更慢，两者的水力性质差异很大。近年来，国内外学者致力于斥水性土壤水分运移规律的研究(王秋玲等，2017)。刘春成等 (2011)对室内土柱进行积水入渗试验，研究对比了不同积水高度和斥水程度条件下的土壤入渗规律，采用 Green-Ampt模型(Green et a
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