Soil moisture characteristics under level bench and vegetation in loess area of western Shanxi Province

研究区域位于山西省吉县的蔡家川流域，地理坐标为36°14′27″~36°18′23″N，110°39′45″~110°47′45″E，属于典型的黄土残塬沟壑区，土壤类型为褐土，黄土母质。该流域属暖温带大陆性气候，降雨主要集中在6—9月，年平均降雨量为579.0 mm，年潜在蒸发量为1 723.9 mm。蔡家川流域内人工林以刺槐林、油松Pinus tabuliformis林、侧柏林为主，林下植被以菊科Compositae、禾本科Gramineae、蔷薇科Rosaceae植物为主，代表性植物有黄刺玫Rosa xanthina、土庄绣线菊Spiraea pubescens、茅莓Rubus parvifolius、铁杆蒿Artemisia gmelinii、蒌蒿Artemisia selengensis、虉草Phalaris arundinacea、紫丁香Syringa oblata、薹草Carex tristachya等。

以研究区内林分密度和林龄基本一致的典型人工植被刺槐林地和侧柏林地作为土壤水分观测样地，采用配对试验设计，分别设置自然坡面刺槐林地、自然坡面侧柏林地、水平阶刺槐林地、水平阶侧柏林地，开展土壤水分定位监测，分别于各样地内设置3个面积为20 m×20 m的样方开展每木检尺，测定各样地的立地条件和林分基本信息，包括海拔、坡度、坡向以及林下主要植被的胸径、树高、冠幅和土壤容重，各样地基本情况见表1。

于各样地内布设电容式频域反射(frequency domain refletrometry，FDR)土壤水分传感器，分不同土壤深度(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~140、140~160、160~180 cm)，在生长季(2019年5月1日—9月31日)进行土壤水分定位监测，5 min测定1次。为了对FDR测定值进行数据标定，在每个样地中央挖掘土壤剖面2 m，每层10 cm，用铝盒取土，用烘干法测定土壤含水量。

有序样本最优分割法是属于系统聚类中的方法，能够在不打乱样本原有顺序的基础上进行聚类分析。本研究在得到数据分析结果后绘制碎石图，拟合误差函数及分类数关系曲线，从而确定最优分类数，同时以标准差(S)和变异系数(C_v)为指标，对土壤水分含量进行聚类，确定土壤水分的垂直变化层次^[21−22]。

采用Excel 2019和SPSS 23.0对实测数据进行统计分析，使用Origin 2019进行数据可视化处理。采用SPSS 23.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，相关数据用平均值±标准差表示，同因素不同水平间差异显著性采用最小显著差异法(LSD)进行检验(P＜0.05)。

2019年研究区共发生降雨85次，总降雨量为390.1 mm。如图1所示：2019年生长季内共发生54次降雨事件，总降雨量为304.0 mm，占全年总降雨量77.9%。其中，最小降雨量为0.2 mm，最大降雨量为77.8 mm，最大降雨强度为9.6 mm·h⁻¹，最长的降雨历时达55.58 h。在54次降雨事件中，降雨量大于20 mm的有2次，分别发生在6月4日和9月9日，占生长季总降雨量的45.90%；降雨量在5~20 mm的降雨事件有12次，占生长季总降雨量的38.90%；降雨量小于5 mm的事件有40次，占生长季降雨量的15.20%。可见研究期间降雨以小到中雨为主，集中在6—9月。

Figure 1.  Rainfall distribution during the growing season (from May to September) in the study area in 2019

以自然坡面刺槐林地生长季土壤水分变化为例(图2A)：5月降雨量较少，所以土壤含水量无显著变化；6月随着降雨量的增加，0~60 cm土层变化剧烈；7、8月，随着降雨量的减少，土壤水分变化较小；9月随着降雨量的增加，0~60 cm土层土壤含水量波动明显。

Figure 2.  Dynamic changes of soil moisture with time before and after level benches

由表2可见：各月份水平阶整地前后土壤水分差异显著(P＜0.05)。5月，水平阶刺槐林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地，水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P＜0.05)；6月，水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P＜0.05)，但水平阶和自然坡面刺槐林地之间差异不显著；7月，水平阶刺槐林地土壤含水量与自然坡面刺槐林地差异不显著，水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P＜0.05)。8—9月，水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P＜0.05)，但水平阶和自然坡面刺槐林地土壤含水量之间差异不显著。综合对比水平阶整地前后土壤含水量，从大到小排序为水平阶侧柏林地、自然坡面侧柏林地、水平阶刺槐林地、自然坡面刺槐林地。土壤含水量时间变化与降雨量大小关系密切，随降雨量的增加而增加。

由表3可见：同一深度水平阶整地前后土壤水分变化不同，不同深度土壤含水量差异显著(P＜0.05)。在垂直方向上，水平阶整地后各土层土壤含水量明显提升，侧柏林地各土层平均土壤含水量均高于刺林槐林地。0~10 cm土层，4个样地土壤含水量无显著差异，其中水平阶侧柏林地土壤含水量最高，为16.25%；10~20和20~40 cm土层，自然坡面侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地(P＜0.05)，水平阶刺槐林地和侧柏林地土壤含水量差异不显著；40~60和60~80 cm土层，水平阶刺槐林地和侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地和侧柏林地(P＜0.05)，自然坡面侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地(P＜0.05)；80~100 cm土层，水平阶与自然坡面刺槐林地土壤含水量差异不显著，水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P＜0.05)；100~120、120~140、140~160 cm土层，土壤含水量变化同80~100 cm土层；160~180 cm土层，水平阶刺槐林地与自然坡面刺槐林地土壤含水量差异不显著，水平阶对侧柏林地土壤含水量提升显著(P＜0.05)。

变异系数的大小反映土壤含水量变化的剧烈程度，变异系数越小，土壤含水量变化越小，反之越大。在0~180 cm土层范围内，将土壤水分的垂直变化划分为3个层次：活跃层、次活跃层以及相对稳定层。水平阶整地前后、不同植被类型样地土壤水分划分层次明显不同，自然坡面刺槐林地水分活跃层为0~10 cm土层(S=0~2.99，C_v=0~19.44%)，次活跃层为10~60 cm土层(S=1.82~2.99，C_v=10.72%~19.44%)，60 cm以下土层为相对稳定层(S=0.79~1.82，C_v=5.80%~10.72%)；水平阶刺槐林地活跃层为0~20 cm土层(S=0~3.95，C_v=0~23.16%)，次活跃层为20~80 cm土层(S=1.81~3.95，C_v=11.67%~23.16%)，80 cm以下土层为相对稳定层(S=0.26~1.81，C_v=1.96%~11.67%)；自然坡面侧柏林地活跃层为0~40 cm (S=0~4.54，C_v=0~21.07%)，次活跃层为40~100 cm (S=2.03~4.54，C_v=10.75%~21.07%)，100 cm以下土层为相对稳定层(S=0.43~2.03，C_v=3.05%~10.75%)；水平阶侧柏林地活跃层为0~60 cm 土层(S=0~4.06，C_v=0~21.40%)，次活跃层为60~140 cm土层(S=0.32~4.06，C_v=1.72%~21.40%)，140 cm以下土层为相对稳定层(S=0.32~0.39，C_v=1.60%~1.72%)。从图3还可以看出：水平阶刺槐林的土壤水分活跃层与次活跃层深度范围为0~80 cm，其深度范围比自然坡面刺槐林地(0~60 cm)提升了33%，同样，水平阶侧柏林地土壤水分活跃层与次活跃层的深度范围为0~140 cm，比自然坡面侧柏林地(0~100 cm)提升了40%。侧柏林样地土壤水分的活跃层和次活跃层土层范围明显大于刺槐林样地。

Figure 3.  Vertical soil moisture level division of different sample plots

土壤水分动态变化受降雨、地形、植被等直接影响，其中降雨是制约黄土丘陵区植被恢复与重建的重要因素，也是土壤水分的重要来源之一。本研究发现：土壤含水量大小与降雨量密切相关，随降雨量的增加而增加，这与翟博超等^[23]在黄土丘陵区的研究结果一致。研究区降雨主要发生在5—9月，此阶段为植物的生长期，土壤水分动态活跃期也同期进行。研究区人工林的土壤水分特征具有明显的时间差异性，5月，由于土壤接受的降雨补给较少，土壤含水量较低，进入6月，随着降雨量的增加，土壤含水量呈明显上升趋势，7—8月，土壤得到降雨补给，但土壤含水量并没有表现出明显的增长趋势，这可能是由于从7月初开始，气温升高、太阳辐射变强，植物生理活动活跃，加之降雨对根系区水分的补充，植物进入生长旺盛阶段，同时此阶段植物蒸腾和土壤蒸发作用逐渐变强，消耗了一部分土壤水分，林地土壤水分动态表现为7—8月整体平稳，这与强方方^[24]等的研究结果一致。

已有研究在对黄土丘陵区坡面整地和植被耦合下的土壤水分特征分析中发现：除降雨季节分布格局外，植被本身的属性也是影响水分变化的重要因素，土壤水分动态变化与植被冠层截流、树干茎流、根系状况等直接相关^[25]。本研究发现：自然坡面和水平阶侧柏林地土壤含水量分别显著高于自然坡面和水平阶刺槐林地，这可能由于一方面侧柏的高度较低，冠幅较小，冠层截留的效应不及刺槐显著，且可以利用的坡面径流比刺槐少；另一方面，刺槐根系发达，林分耗水量大，导致土壤含水量降低。这与李玉婷等^[26]在晋西黄土区典型人工林特征及土壤水分动态研究的结果一致。

本研究发现：水平阶整地方式对土壤含水量具有显著的提升作用，且水平阶整地方式对于侧柏样地土壤含水量的提升效果要优于刺槐样地。水平阶侧柏林地、刺槐林地不同深度的土壤含水量都要高于自然坡面侧柏林地、刺槐林地，这与前人研究结果一致^[27]，即工程措施的开展与应用通过改变地形，拦蓄降水，从而提升土壤的含水量。王悦等^[28]研究认为：相同降雨强度下，不同微地形塑造能有效增加土壤含水量，且水平阶对土壤水分的增加效果优于鱼鳞坑，这也证明水平阶整地方式对提高土壤含水量起到了积极的作用。程谅等^[29]研究指出：整地措施对坡面土壤水分的空间异质性提升明显，提升了坡面的入渗能力。本研究也发现：水平阶整地后，可以拦蓄更多的地表径流，增加土壤水分入渗量，最终提高了土壤含水量。水平阶整地对提高土壤含水量的效果侧柏林地要优于刺槐林地，一方面可能由于刺槐林凋落物积蓄量较少且易于分解，侧柏林常年凋落物层较厚，水平阶整地后侧柏林地可以存留更多凋落物，抑制了土壤水分蒸发，使得土壤含水量增加^[30]；另一方面，侧柏根系深度较浅，对深层土壤水分消耗量较小，土壤含水量较高，这与张佳楠等^[31]的研究结果一致。

土壤水分的垂直分层主要受降雨、土壤蒸发、植被作用等多种因素的影响，总体表现出上层土壤水分动态变化剧烈，下层土壤水分相对稳定的特征^[32]。不同学者对土层的划分标准不同，有依据土壤含水量的变化将人工林土壤层次划分为交换层、利用层、调节层和稳定层 ^[33]；有从蒸散耗水角度，将土壤水分变化划分为地表植物蒸散耗水层、林下灌木蒸散耗水层、刺槐蒸散耗水层^[34]；还有根据变异系数将土壤水分垂直划分为速变层和相对稳定层^[35]。本研究根据土壤含水量、标准差以及变异系数将研究样地土壤水分垂直变化划分为土壤含水量活跃层、次活跃层与相对稳定层。活跃层土壤含水量主要与降雨、土壤蒸散发、植被蒸腾有关，含水量相对较高，水分动态变化较为剧烈；次活跃层处于活跃层与相对稳定层交接地带，植被根系主要分布于此部分，为植被生长提供必要的水分保障；随着土层深度的增加，相对稳定层几乎得不到降雨和地下水的补充，受干扰比较小，所以土壤含水量减少且趋于稳定。相关报道说明，水平阶整地能有效改善土壤状况，改变垂直方向上土壤水分活跃层、次活跃层、相对稳定层的分布，促进人工林地植被生长状况^[36]。本研究结果显示：水平阶整地有效提升了侧柏林地和刺槐林地土壤活跃层与次活跃层的深度。这是因为水平阶整地通过改造下垫面土壤性质，改变了土壤水分的分布状况，一方面能够有效拦截径流和泥沙，另一方面也使得降雨得到再分配，植被能够通过拦截到的径流强化自身的水分供应^[37]，使生长季中水平阶整地对土壤水分的补充和调节效果明显。

在水平阶整地和植被类型的耦合作用下，水平阶整地措施能显著提升土壤含水量，且对侧柏林地的提升效果优于刺槐林地。黄土高原地区土壤水分可划分为活跃层、次活跃层、相对稳定层3个垂直层次，水平阶整地可以显著提升土壤水分的活跃层、次活跃层深度，且水平阶侧柏林地提升效果要优于水平阶刺槐林地。