Soil moisture characteristics of different land use types in small watersheds of gully regions on the Loess Plateau

研究区位于山西省吉县蔡家川流域(36˚14′27″~36˚18′23″N，110˚39′45″~110˚47′45″E)，如图1所示。流域面积为34.23 km²，平均海拔为1 172 m，是典型的黄土残塬沟壑区。该区属暖温带大陆性气候，年平均降水量为575.9 mm。降水多集中在6—8月，年平均蒸发量为1 724.0 mm，年平均气温为10.0 ℃。土壤母质类型主要为碱性褐土，其中山地斜坡、梁顶、塬面有黄土覆盖，底层有一些红胶土。流域内植被类型丰富，乔木主要有刺槐Robinia pseudoacacia、油松Pinus tabuliformis、辽东栎Quercus liaotungensis、山杨Populus davidiana、侧柏Platycladus orientalis、胡枝子Lespedeza bicolor 、苹果Malus pumila等。 灌木主要以黄刺玫Rosa xanthina、 丁香Syzygium aromaticum为主。农作物有玉米Zea mays、小麦Triticum aestivum、谷子Setaria italica等。草本植物主要以铁杆蒿Artemisia gmelinii、艾蒿Artemisia vulgaris为主。

Figure 1.  Location of Caijiachuan watershed and distribution of sampling points

为了系统监测流域内的土壤水分状况，采用网格法进行小流域尺度全面的野外踏查，并在此基础上布设样点，所选监测点涵盖了小流域内典型的土地利用类型。乔木林(刺槐)、灌木林(黄刺玫)、农田(玉米)各布设5个监测点，草地(铁杆蒿)布设3个监测点，果园 (苹果)布设4个监测点。各监测点位置以及基本信息如图1和表1所示。使用便携式时域反射仪(TDR) 定位监测流域内5种土地利用类型不同深度土壤水分，监测的土层深度设置为0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~140、140~160和160~180 cm。监测时段为2023年生长季，即5—9月，每月测量2次，分别在月中以及月末进行。在使用TDR测量土壤水分之前，需要使用烘干法^[22]对TDR测量的土壤水分进行校正。使用烘干法测得实际质量含水量(土壤水分)，之后根据土壤剖面容重换算为体积含水量(土壤水分)，将其与TDR的介电常数进行拟合，得出回归方程y=1.8050x−0.3851，决定系数(R²)为0.99。其中：y为采用烘干法测定的土壤含水量乘以土壤容重，x为TDR的介电常数^[23]。

使用Excel 2021对实测数据进行统计，采用双因素方差分析法分析土层深度与土地利用类型对土壤水分的影响，数据用平均值±标准差表示，并使用最小显著差异法(LSD)对同一因素不同水平间差异进行显著性检验(P＜0.05)。以上数据处理和图形绘制均在R 4.3.2中进行。同时使用Matlab R2023a结合最优分割法，采用标准差(S)和变异系数(C_v)对不同土地利用类型不同土层深度土壤水分进行聚类。本研究中标准差用于衡量土壤水分的离散程度，反映了各土层土壤水分与平均土壤水分的偏离程度。变异系数则是标准差与平均土壤水分的比值，用于衡量不同土层土壤水分之间的相对变异性。

由图2可知：生长季流域内发生降水41次，降水量为311.1 mm，占全年降水量的78.03%，最大降水量为14.4 mm。降水以小到中雨为主。7—9月降水量为200.0 mm，占生长季降水量的64.58%。生长季内，不同土地利用类型土壤水分变化趋势不同。5—6月中旬，各土地利用类型土壤水分变化趋势一致，呈先下降后上升再下降的趋势。6月中旬至8月中旬，不同土地利用类型变化趋势不同。这一时期农田土壤水分基本保持不变，灌木林与草地土壤含水量呈下降趋势。乔木林和果园土壤水分在6月中旬至7月中旬呈下降趋势，7月中旬至8月中旬土壤水分保持不变。8月中旬至9月中旬，各土地利用类型土壤水分变化趋势一致，均呈先上升后下降的趋势。5月初至7月中旬草地土壤水分高于果园，7月中旬至9月中旬果园土壤水分高于草地。生长季初期土壤水分高于生长季末期。综合对比可知不同土地利用类型土壤水分从高到低依次为农田(21.06%)、灌木林(17.88%)、草地(15.17%)、果园(15.02%)、乔木林(13.29%)。

Figure 2.  Response of soil moisture to rainfall under different land use types in the study area during the growing season (May to September) in 2023

由表2可知：不同土地利用类型、土壤深度以及两者的交互作用对土壤水分影响显著(P＜0.05)。由图3可知：灌木林和农田土壤水分高于其他3种土地利用类型，整体上农田土壤水分(21.06%)高于灌木林(17.88%)，但不同深度土层内，表现出不同的规律。0~20 cm土层灌木林土壤水分高于农田，且在0~10 cm土层深度范围内，灌木林土壤水分显著高于农田(P＜0.05)，而在120~180 cm土层农田土壤水分显著高于灌木林(P＜0.05)。草地和果园土壤水分差异在各个土层均不显著。0~10 cm土层，乔木林土壤水分显著低于草地和果园(P＜0.05)，其他深度范围内三者土壤水分差异不显著。

Figure 3.  Soil moisture vertical changes across different land use types

依据标准差和变异系数，采用有序分类中的最优分割法，将各土地利用类型0~180 cm土层土壤水分垂直变化划分为强变异层、中等变异层、弱变异层(图4)。除农田外，其他4种土地利用类型随着土层深度的增加土壤水分垂直层次分别是强变异层、中等变异层、弱变异层。草地和乔木林的强变异层(0~10 cm土层)、中等变异层(10~100 cm土层)和弱变异层(100~180 cm土层)均一致。灌木林强变异层为0~120 cm土层，中等变异层为120~140 cm土层，弱变异层为140~180 cm土层。灌木林强变异层的深度范围大于其他4种植被类型。果园强变异层为0~10 cm土层，中等变异层为10~80 cm土层，弱变异层为80~180 cm土层。农田土壤水分划分层次有别于其他土地利用类型，强变异层出现在深层(100~180 cm土层)，表层是中等变异层(0~20 cm土层)，弱变异层为20~100 cm土层。

Figure 4.  Vertical stratification of soil moisture by land use types

研究区农业为雨养农业，土壤水分动态变化受降水入渗、地表蒸发和植物蒸腾的影响^[24]。土壤水分是制约该地区植被恢复与重建的重要因素。虽然降水集中生长季，但是由于蒸散量大于降水对土壤水分的补给，使得生长季前期土壤水分高于生长季末期。这与黄靖涵等^[25]在晋西黄土区对人工林土壤水分动态的研究结果一致。6月中旬至8月中旬，降水呈增多趋势，除农田外，其他土地利用类型土壤含水量呈下降趋势。这是由于生长季内，植被生长消耗大量水分，气温升高导致蒸散量增加，降水对土壤水分的补给小于植物蒸腾活动的需要，使得土壤含水量呈下降趋势。农田土壤水分随着降水的增加基本保持不变，则可能是由于降水对土壤水分的补给仅仅能够满足植物生长所需。综合整个生长季，研究区不同土地利用类型土壤水分变化趋势与降水变化趋势一致。

除降水外，植被自身属性也是影响土壤水分分布的重要因素。植被地上部分如冠层的截留、蒸腾作用，以及地下部分如根系构型、根系分布深度都会影响土壤水分时空分布。降水从大气进入土壤过程中，首先受到植被冠层的截留，乔木冠层主要截留小降水事件产生的降水^[26]。刺槐是黄土高原典型造林树种，相较于其他植被类型冠幅较大。本研究区监测时段内降水以小到中雨为主，使得刺槐对降水的截留效应较强。植被蒸腾是土壤水文循环的关键过程。相较于侧柏和油松，刺槐的蒸腾作用较强^[27]。在这些因素共同作用下，乔木林土壤水分低于灌木林和草地。另一方面，根系对土壤水分空间格局的形成起着至关重要的作用。根系通过改变土壤结构和水力传导特性，影响壤中流的速度和分布，根系形成的空隙可以成为壤中流的通道。此外，植被主要通过细根摄取与运输水分，且在生长发育过程中优先利用根系附近的土壤水分。相关研究表明：刺槐林深层土壤中水平根系发达，＞2.0 m土层土壤耗水速率最大，且最大耗水深度可达23.2 m土层，冠幅2~3倍范围内是细根主要分布区^[28−29]。前期人们对残塬沟壑区人工林土壤水分的垂直监测结果表明：刺槐人工林土壤水分变异程度最大，侧柏人工林土壤水分较为稳定，且不同土层存在差异^[25]。本研究中，相较于其他3种植被类型，刺槐与苹果根系分布深，需水量大，土壤含水量较低。但是苹果相较于刺槐，冠幅小、根系分布浅，需水量小，所以苹果土壤水分高于刺槐土壤。研究表明：农田土壤水分显著高于其他土地利用类型，随着土层深度的增加土壤水分呈上升趋势。一方面，农田中的主要农作物玉米是1年生作物，相较于其他植被类型，根系分布较浅，耗水量较小，使得农田土壤含水量较高。另一方面，农田主要分布于修筑了淤地坝的沟道。相关研究发现：淤地坝通过减少地表径流增加蒸发及入渗实现水资源再分配，能够提高两岸沟坡土壤水分^[30]，并且能够补给深层土壤水分^[31]。这也使得农田土壤水分随着土层深度增加呈上升趋势。邱德勋等^[32]研究了黄土丘陵沟壑区0~1 000 cm土层土壤水分垂直变异及影响因素，发现撂荒草地土壤水分高于灌木林地。本研究草地土壤含水量低于灌木土壤，可能是由于本研究区域灌木下植被覆盖物较多，蒸发量较小引起的。这与李航等^[33]的研究结果一致。

不同土地利用类型土壤水分的垂直变化表现出明显的层次性，在一定程度上能够反映植被根系分布与土壤水分稳定程度^[34]。相关研究将刺槐0~120 cm土层土壤水分按照深度划分为速变层和相对稳定层2个层次^[19]，其中速变层土壤水分变化剧烈，受降水影响明显。一些学者将侧柏0~180 cm土层土壤水分按照深度划分为活跃层、次活跃层以及相对稳定层3个层次)^[23]。还有一些学者将人工林0~500 cm土层土壤水分垂直层次划分为交换层、利用层、调节层和稳定层4个层次^[25]。以上学者根据土壤深度、研究地区以及研究对象的差异性，均依据变异系数划分土壤水分垂直层次。本研究采用最优分割法，以变异系数和标准差为指标，将土壤水分划分为强变异层、中等变异层以及弱变异层。强变异层土壤水分变化剧烈，受降水影响明显。中等变异层是植被吸水性根系主要分布区，土壤水分主要受植被根系影响。乔木林、灌木林、草地、果园土壤水分变异程度随着土层深度的增加整体呈下降趋势。这与岳宏昌等^[35]对黄土丘陵沟壑区土壤水分垂直分布的研究一致。研究表明：在0~2.0 m土层，土壤质地和根系生物量控制土壤水分的时空变异^[36]。本研究中农田深层土壤水分变异程度较大，这主要由于农田多分布于沟道坝地，深层泥沙沉积过程中可能会形成较为致密的土壤层，使得上层土壤透水性强，下层土壤透水性弱，阻碍水分的垂直运动，增加水分分布的异质性，同时有利于壤中流产生^[37]，使得深层土壤水分较高。

生长季内不同土地利用类型土壤水分表现出显著的分层特征，水分垂直变化可划分为强变异层、中等变异层以及弱变异层3个层次。其中灌木林(黄刺玫)土壤水分的强变异层以及中等变异层为0~140 cm土层，变异范围大于其他土地利用类型。土壤水分动态受降水、土地利用格局以及工程措施综合影响。相较于灌草植被，乔木耗水量大，容易形成土壤干层。在开展植被恢复过程中，可优先选择灌草植被，在此基础上优化现有植被格局，以实现土壤水分的高效利用。为了更深入地揭示黄土高原残塬沟壑区土壤水分的动态变化规律，未来的研究不仅需要关注土壤水分的表层变化，还应拓展至更深层土壤水分的长期动态监测。同时，应进一步探讨根系生长与土壤水分之间的相互作用机制，从而为黄土高原地区的生态恢复提供指导。