土壤斥水性(Soil Water Ｒepellency，SWＲ)是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，在世界各地都有广泛分布。火灾后的森林土壤易产生斥水性，斥水性的存在改变了土壤水分的三维分布和动力学特性导致土壤水分的不均匀分布; SWＲ 不仅直接影响土壤的润湿能力，而且对其他生态水文过程产生重要影响，包括抑制水分入渗 、促进地表径流和侵蚀 、通过影响优先流 加速化肥流失、诱发泥石流等自然灾害。
SWＲ 对土壤水分入渗及产汇流水文过程有着显著影响，目前国内外水文模型在土壤水分入渗模块仍采用传统水分入渗模型或者线性化处理 ，Ｒye 和 Smettem认为只有将 SWＲ 作为纳入模型，才能对水文过程做出正确评估，斥水性土壤水分入渗过程研究成为水文模型亟待解决的问题。
Doerr 等研究表明 SWＲ 可导致土壤入渗率下降 10%～40%，Keizer 等认为这种降低入渗率的效应实际上是通过减小土壤基质势梯度来实现的，当接触角相同时，基质吸力随着液桥体积的增大呈现出逐渐减小的变化趋势，当液桥体积增加到一定程度时，基质吸力小于 0 时土体颗粒开始产生斥水作用; Debano 对斥水性与亲水性土壤的入渗试验表明，斥水土壤的水平入渗比亲水土壤慢 25 倍; Ｒye 和 Smettem ［7］ 研究表
明入渗水流很大一部分以优先流的形式沿着指状路径推进。
由于斥水性的不稳定性，水分入渗过程较为复杂。目前对于斥水性水分入渗过程的认识仍局限于斥水性会降低土壤入渗率，而事实上随着水分入渗的持续，入渗率并非单调减小。Doerr 等研究表明斥水性土壤在整个降雨过程中，入渗率在经历 “先降低后增加”，再降到最低值并保持稳定; 巨娟丽等观测到强斥水性砂土累积入渗量出现 “翘尾”现象; Filipovic＇ 等 采用 HYDＲUS (2D/3D)软件对干旱条件下斥水性土壤水力性能数值反演，发现斥水性土壤累积入渗量为非光滑、阶梯状增长趋势，入渗率则为先减小后增大的变化趋势。以往研究大多忽略入渗率增大现象，将水分入渗概化为单调减小的变化过程，仍采用传统 Green-Ampt、Philip、Kostiakov、Horton 等入渗模型对入渗过程进行模拟，传统模型不能真实地反映斥水性入渗率先增大后减小这一变化过程，模型物理意义不明确、拟合精度较差 。为此，本文以斥水性土壤为研究对象，开展斥水性土壤水分入渗机理研究，并采用 Kostiakov 分段函数、Fourier 级数、一阶 Gaussian 函数以及 Gaussian 分段函数 4 种数学模型对斥水性土壤水分入渗率进行拟合，以期为斥水性土壤水分入渗及水文过程机理研究提供新的数学方法和理论。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
试验土样分为两种: 妫水河流域平原区未受人类活动干扰的表层以下 1 m 的亲水性土壤和山区表层腐殖质含量较高的斥水性土壤，见图 1。试验土样经风干、碾压后过 2 mm 筛，亲水性土壤按照 1. 35 g/cm 3 容重、斥水性土壤按照 0. 9 g/cm 3 容重均匀装入 3 个直径 15 cm，高 100 cm 的圆柱形有机玻璃土柱，试验分两次，每次 3 个土柱，总计 6 组试验。为了减少土壤空气阻力对水分入渗过程的影响，土柱一侧每间隔 5 cm 开有直径 1 cm 的小孔用于排气。亲水性土壤初始含水率分别为 θ =4%、8%和 12%; 斥水性土壤初始含水率分别为 θ =4. 7%、6. 2%和 9. 5%。土壤有机质含量(OC)采用重铬酸钾-硫酸氧化法测量; pH 值采用 MIK-pH6. 0测量; 土壤干容重(SBD)采用环刀原地取土，然后烘箱加热测量; 饱和水力传导度 K s 采用 TST-55 型渗透仪测量; 土壤斥水时间采用滴水穿透法(Water Drip Penetration Time，WDPT)测量。试验土壤颗粒组成及理化。
1. 2 测量设备
测量设备为自主研发的非饱和土壤水分入渗测量系统，该系统由马氏瓶、有机玻璃土柱、升降机、MEACON 轮辐式重力传感器、计数器、数据采集-传输系统(ＲX9600 无纸记录仪)、MIK-BSQD 信号放大器以及电脑等设备组成。无纸记录可根据试验需求设定不同采样时间步长(1 s、2 s、5 s、10 s、20 s、30 s)，该测试系统能够根据设定的入渗时间自动开启和关闭马氏瓶进气阀门，进而实现入渗过程的自动控制，具有试验数据的自动记录、传输、实时查看、时间分辨率高、测量精度高的特点。供水装置采用高 50 cm、直径10 cm 的圆柱形马氏瓶，控制入渗水头 1 cm。
1. 3 水分入渗模型
对于亲水性土壤，常用水分入渗模型有 Holton、Philip 和 Kostiakov 入渗模型，Kostiakov 为概念性模型，Philip 和 Kostiakov 模型没有明确的物理基础，Holton 模型则具有明确的物理意义。
2 结果与分析
累积入渗量、入渗率与时间关系。
亲水性、斥水性土壤累积入渗量与时间关系，入渗率与时间关系，无论是亲水性土壤还是斥水性土壤，均表现出土壤初始含水率越大，相同入渗时间累积入渗量也越大; 2 种土壤整体上均呈现土壤初始含水率越大，相同入渗时间累积入渗量也越大。
3 结 论
(1) 斥水性土壤水分入渗一段时间累积入渗量出现拐点，忽略开始快速入渗阶段，入渗率整体呈单峰曲线，峰值后稳定时的入渗率大于峰值前稳定时的入渗率。
(2) Kostiakov 分段函数模型能够对水分从开始入渗至出现拐点时刻的入渗率进行描述，但难以反映拐点前入渗率的增大过程; Fourier 级数模型整体能反映入渗率先增大后减小的变化趋势，但是存在多个波峰，不能反映入渗率在拐点前单增和拐点后单减变化过程; 一阶 Gaussian 函数模型也能够体现入渗率呈先增大后减小的变化规律，但不能体现拐点后大于拐点前入渗率的试验现象; Gaussian 分段函数模型不仅能够反映入渗率在拐点前的单调增以及拐点后的单调减过程，同时也能够体现入渗率在拐点后大于拐点前的试验现象。
(3) 对于斥水性土壤水分入渗过程，高斯函数参数 k + ω 表征拐点处入渗率，ω 表征拐点后稳定时的入渗率，φ 表征拐点出现的时间，而参数 δ 近似为单峰曲线宽度的 1/3，Gaussian 具有一定的物理意义，Gaussian 分段函数具有较好的模拟精度。
