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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。
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 ［1］ 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 ［2］ 和Wauchope ［3］ 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 ［4］ 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 ［5］ 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 ［6］ 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 ［7］ 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 ［7］ 。
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 ［8 ～ 29］ ，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 ［30 ～ 35］ 。2004年，Zheng等 ［34］ 的研究结果表明，在地表径流中，在饱和状态，土壤中NO 3 -N和PO 4 -P迁移至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 ［25］ 。2004年，Zheng等 ［34］ 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 ［37］ ，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 ［8 ， 38 ～ 41］ 。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。
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 ［42 ～ 45］ 。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 ［46］ 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 ［40 ～ 41 ， 47 ～ 49］ ；磷元素的吸附能力也很强，但易被固定在土壤表层 ［50 ～ 56］ 。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。