人工林對(duì)黃土高原小流域上下游不同坡面土壤水分的影響

黃艷麗，李占斌 ，蘇 輝，柏蘭峰，孫寶洋，劉晨光

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作 454000；3.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；5.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

土壤水分通常是指非飽和帶中的水分[1]，是土壤質(zhì)量的重要標(biāo)志，更是黃土高原植物生命活動(dòng)的直接水源[2]。土壤水的存貯、補(bǔ)給、消耗、更新和平衡，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境都有重要意義，對(duì)干旱和半干旱地區(qū)的水資源平衡影響巨大[3]。作為退化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵因子[4]，土壤水分對(duì)黃土高原生態(tài)恢復(fù)與重建影響巨大。

1999年，隨著“山川秀美”工程的實(shí)施，退耕還林（草）在改善黃土高原生態(tài)環(huán)境、減少水土流失[5]的同時(shí)，引起土壤水分嚴(yán)重虧缺[6-7]并形成干層[8-9]。當(dāng)前，黃土高原在立地[10]、坡面[11]、小流域[12]、區(qū)域[13-15]尺度上均開(kāi)展了土壤水分研究。立地層面土壤水分受土地利用、地形地貌影響[16-17]，但土地利用對(duì)深層土壤含水量（Soil water content，SWC）影響更顯著[18-19]。坡面土壤水分分布受地形[20]與土地利用[21]的綜合影響，從坡頂?shù)狡孪孪葴p小后增大[22]，陰坡＞山脊＞陽(yáng)坡，40～200 cm土層垂向分布先減小后增大；變異程度坡上＞坡中＞坡下，陽(yáng)坡＞陰坡，垂向變化與 SWC明顯正相關(guān)[23]。小流域土壤水分受坡向、坡位、土地利用類型影響顯著[24]，但各因素影響具有時(shí)空變異性[11,25]。賈小旭等[26]認(rèn)為黃土高原土壤蓄水量從南向北遞減，隨深度增加SWC空間變異性增強(qiáng)、時(shí)間變異性減小，干燥度、黏粒、歸一化植被指數(shù)和坡度是土壤水分的重要影響因素。王亞飛等[27]指出植被恢復(fù)方式是土壤水分變化的主要影響因素，生長(zhǎng)年限的影響相對(duì)較弱，多種植被恢復(fù)方式的土壤儲(chǔ)水量大小順序?yàn)闂壐兀净牟莸兀拘訕?shù)地＞苜蓿地。土壤水分研究范疇與深度的拓展，增強(qiáng)了對(duì)黃土高原土壤水分分布、變化、影響因素及變化環(huán)境下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，但已有研究主要集中于不同植被[28]、立地、小流域與區(qū)域土壤水分狀態(tài)[29]、儲(chǔ)量[30]的監(jiān)測(cè)、模擬及其分布格局、變化過(guò)程的探索，缺乏對(duì)不同生態(tài)治理方式影響下流域尺度特別是小流域尺度土壤水分的系統(tǒng)對(duì)比研究。而不同生態(tài)治理小流域土壤水分的靜態(tài)分布與動(dòng)態(tài)過(guò)程的對(duì)比研究既是黃土高原以小流域?yàn)榛締卧纳鷳B(tài)建設(shè)規(guī)劃、布局的基礎(chǔ)[31]，又是科學(xué)認(rèn)識(shí)土壤水文變化的關(guān)鍵，而自然恢復(fù)與人工林治理分別作為產(chǎn)生土壤水分正負(fù)效應(yīng)的2種典型治理方式尤其缺乏小流域尺度上的對(duì)比分析。因此，本研究以甘肅省慶陽(yáng)市人工刺槐小流域楊家溝及其相鄰自然恢復(fù)小流域董莊溝為研究對(duì)象，在小流域尺度上以固定時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)照監(jiān)測(cè)兩流域不同區(qū)段、坡向、坡位、深度的土壤水分，對(duì)比研究?jī)烧叩目臻g分異與時(shí)間變化，并分析各因素對(duì)流域土壤水分空間與時(shí)間變化的作用，為小流域生態(tài)建設(shè)規(guī)劃、布局與土壤水資源調(diào)控、預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

楊家溝、董莊溝是甘肅省慶陽(yáng)市南小河溝流域（107°30′～107°37′E，35°41′～35°44′N）的 2 條分支流域，處蒲河下游、董志原西側(cè)，屬黃土高塬溝壑區(qū)典型（圖1），是黃河水利委員會(huì) 20世紀(jì)設(shè)立的水土綜合治理試驗(yàn)流域。多年平均氣溫 9.3℃，最高氣溫39.6℃，最低氣溫-22.6℃，最大日溫差23.7℃，年溫差62.2 ℃，無(wú)霜期155 d。多年平均降雨量556.5 mm，最大降水量805.2 mm，最小降水量319.8 mm。兩流域面積分別為0.87、1.15 km2, 溝長(zhǎng)1500、1600 m，溝道比降10.67%、8.93%，溝道走向由北向南，谷坡一般是40～60°的陡坡和大于60°的懸崖、立壁；溝床一般是黃土或黑壚土；塬面、山坡為黃土，干容重1.4g/cm3，為粉砂壤土。作為兩條相鄰支溝，楊家溝與董莊溝土地利用、地形地貌、土壤條件極為相似，土壤侵蝕也同樣嚴(yán)重。20世紀(jì)50年代楊家溝開(kāi)始通過(guò)人工載植刺槐進(jìn)行生態(tài)治理，而董莊溝一直作為楊家溝的對(duì)比流域?qū)嵤┓庥?、自然恢?fù)，歷經(jīng)60a治理，兩流域分別發(fā)育形成了穩(wěn)定的人工林草（刺槐、山杏、沙棘、馬牙草、冰草、艾蒿）與天然荒草地植被群落（馬牙草、冰草、艾蒿），常被用作生態(tài)效用研究的對(duì)比小流域。

圖1 研究流域位置圖Figure.1 Location map of study area

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣點(diǎn)選擇原則與方法

在楊家溝的上游（沿流域走向距溝頭200～300 m）、下游（距溝口200～300 m）分別選擇一組半陰坡（東坡，45～135o）與半陽(yáng)坡（西坡，225～315o）作為典型坡面（4條），坡面各自然條件保持一致：海拔1150～1250 m、坡度 35～40o、坡長(zhǎng) 25～30 m間，植被包括 50齡刺槐（60%～75%）、灌叢（30%～50%）與草被（80%～95%）。為保證兩流域SWC的可比性，根據(jù)楊家溝各典型坡面的區(qū)位、坡向、坡度、坡長(zhǎng)、海拔等特點(diǎn)在董莊溝一一選擇、確定對(duì)照坡面（4條），坡面天然草被蓋度在70%～80%間。然后在兩流域各典型坡面的中央條帶上順坡向下每隔8～10 m依次確定坡肩、坡腰、坡腳的采樣點(diǎn)。楊家溝各樣點(diǎn)都與刺槐與灌木植株保持3 m以上距離以減小冠層截留對(duì)土壤水分的影響。

1.2.2 采樣方法

為對(duì)比研究?jī)闪饔蛲寥浪?，選擇林木蒸騰耗水需求最旺盛的 8月份汛期作為采樣時(shí)期。在楊家溝與董莊溝的對(duì)照坡面的對(duì)照坡位、每 4 d同時(shí)采土樣一次，從2016年8月2日至8月30日共采樣8次。用4 cm土鉆在0～120 cm土深內(nèi)分9層取樣（0～60 cm土深每10 cm、60～120 cm土深每20 cm作為一層），每層取3個(gè)重復(fù)樣品。每次取樣后盡量恢復(fù)樣點(diǎn)原貌并做標(biāo)記，下次取樣應(yīng)錯(cuò)開(kāi)之前歷次取樣點(diǎn)。

1.2.3 樣品測(cè)試方法

采樣后立即測(cè)試土壤樣品濕質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室、放入烘箱中持續(xù)105℃高溫烘烤12h至恒質(zhì)量，測(cè)干質(zhì)量并計(jì)算土壤樣品的質(zhì)量含水量，取 3個(gè)重復(fù)樣品平均值作為測(cè)試值。

1.3研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)。通過(guò)SPSS18.0的單因素方差分析與獨(dú)立樣本 T檢驗(yàn)進(jìn)行土壤含水量的差異性檢驗(yàn)，選擇最小顯著性檢驗(yàn)方法（LSD法）進(jìn)行多重比較，借助球形檢驗(yàn)與多變量方差模型分析小流域各空間因素對(duì) SWC空間與時(shí)間變化的影響。使用Origin9.0制圖。

1.3.2 相關(guān)指標(biāo)與計(jì)算公式

1）剖面含水率

式中，θin是樣點(diǎn)i第n次采樣的剖面含水量，%；m是土壤采樣劃分的層次；θinj是樣點(diǎn)i第n次采樣第j層樣品的SWC，hj是土壤采樣第 j層的土層深度，cm；H是土壤采樣總深度，cm。

2）變異系數(shù)

式中，CV是SWC的變異系數(shù)，%；SD是SWC的標(biāo)準(zhǔn)偏差；MN是SWC平均值，%。

3）土壤水分流域變差系數(shù)

為了定量分析楊家溝與董莊溝對(duì)照樣點(diǎn)間的土壤水分差，構(gòu)造了土壤水分流域變差系數(shù)指標(biāo)。土壤水分流域變差系數(shù)是兩流域各區(qū)位、坡向、坡位、土層的SWC之差與其平均值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，既能定量反映兩對(duì)照土壤樣品的土壤水分差異，通過(guò)其平均值標(biāo)準(zhǔn)化又能適當(dāng)規(guī)避土壤濕度高低對(duì)土壤水分變化的影響。為保持指標(biāo)一致性，始終以董莊溝SWC作為參照。計(jì)算公式如下：

其中，DRSM是楊家溝（Y）相對(duì)于董莊溝（D）的土壤水分流域變差系數(shù)，θY、θD分別是楊家溝與董莊溝某一土地類型的SWC。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊家溝土壤水分特征

楊家溝2016年8月各樣次剖面SWC依次為13.29%、11.93%、10.71%、10.49%、10.52%、10.26%、13.41%與11.46%（圖2a）。隨氣候變化，整個(gè)監(jiān)測(cè)期可以分為4個(gè)階段：第一階段（8月2—10日），前期降雨影響下相對(duì)較高SWC的快速下降；第二階段（8月10—22日），持續(xù)干旱影響下相對(duì)較低SWC的震蕩穩(wěn)定；第三階段（8月22—26日），8月23、24日累計(jì)超過(guò)60 mm降雨影響下土壤水分快速補(bǔ)充；第四階段（8月26—30日），相對(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)下SWC快速下降。

圖2 土壤水分及其空間變異系數(shù)的時(shí)間變化Fig.2 Mean value and coefficient of spatial variation(CVS) of SWC in Y and D

楊家溝SWC空間變異性中等；空間變異程度上游＞下游，東坡＜西坡，各坡位變異程度基本相當(dāng)，坡腰稍高于坡肩與坡腳；剖面內(nèi)，變異系數(shù)在25.15%～30.62%之間上下浮動(dòng)，50～60 cm土層最大。時(shí)間變異系數(shù)上游＜下游，東坡＜西坡，坡肩＜坡腳＜坡腰，除東坡與坡肩屬弱變異外均為中等變異，坡腰與西坡SWC時(shí)間穩(wěn)定性最差；各土層時(shí)間變異系數(shù)隨土深增加不斷下降（表1）。

楊家溝剖面SWC除8月22、26日上游稍高于下游外，其余下游＞上游，上、下游間差異不顯著。變化過(guò)程中，第一、四階段SWC下游遠(yuǎn)高于上游；第二階段，兩者相對(duì)平衡；第三階段，上游＞下游?？傮w上，入滲雨水在土壤中的再分配會(huì)擴(kuò)大上游與下游SWC差距，而干旱與降雨補(bǔ)充都會(huì)減小差距。除8月26日外剖面SWC東坡＞西坡，降雨補(bǔ)給后（8月2、26日）兩坡向SWC最接近，持續(xù)干旱、蒸發(fā)影響下（8月10、22日）差距最大。不同坡位SWC相比，坡腳＞坡腰＞坡肩，分別是流域均值的1.25、0.91與0.84倍，除8月30日外其余各樣次坡下顯著高于其他坡位，坡面土壤水分分布不均。剖面內(nèi)，SWC由土表向下至土深100 cm不斷下降，100～120 cm土層轉(zhuǎn)而上升（表1）。

2.2 董莊溝溝土壤水分特征

董莊溝各樣次剖面SWC依次為15.18%、14.99%、13.59%、13.42%、13.32%、12.67%、15.86%與15.90%（圖2a）；4個(gè)階段總體上經(jīng)歷了下降（8月2-22日）與上升（8月22-30日）2個(gè)過(guò)程，但2個(gè)過(guò)程中速度變化一致，都是先疾（降、升）后緩（降、升）。

SWC上游＞下游，除降雨產(chǎn)流后的8月26、30日各樣次上、下游間差異顯著。不同坡向SWC相比，東坡＞西坡，除8月10、26日外各樣次兩坡向差異顯著（P＜0.05）。各坡位SWC相比坡腳＞坡腰＞坡肩，分別是流域均值的1.18、1.01、0.81倍，但差異不顯著。（P＜0.05）。SWC沿剖面向下先短暫下降（0～20 cm）后不斷上升（20～120 cm）（表 2）。

SWC空間變異系數(shù)除東坡＜20%外，其余各坡面均在20%～40%間變化，上游＜下游，東坡＜西坡，坡肩＜坡腳＜坡腰，沿剖面向下先增大（0～60 cm）再減小（60～120 cm）。下游、坡肩、40 cm以下土層SWC時(shí)間變異系數(shù)大于 10%，屬中等變異，而流域上游、東（西）坡、坡腰（腳）與40 cm以上土層均屬弱變異，土壤水分空間格局較穩(wěn)定。

表1 楊家溝土壤含水量的平均值與變異系數(shù)Table 1 Mean value and coefficient of variation(CV) of SWC in Yangjiagou %

2.3 土壤水分的對(duì)比分析

楊家溝剖面 SWC小于董莊溝，相當(dāng)于后者的72.04%～87.56%，除 8月 2日外兩流域均差異顯著（P＜0.05,圖 2a）。楊家溝 8月 2日 SWC相當(dāng)于董莊溝的87.56%，與之最接近； 8月3、6日依次0.8、5.1 mm的降雨未能改變兩流域SWC下降的趨勢(shì)，8月6日SWC分別下降1.36%與0.19%，前者減少量是后者的7.16倍，下降到后者的79.58%，兩者差距進(jìn)一步擴(kuò)大；第二階段楊家溝SWC在董莊溝的78.15～80.94%間浮動(dòng)。第三階段降雨使楊家溝、董莊溝SWC較前次分別增加了3.15%與3.18%，前者迅速提高到后者的84.58%；但在后續(xù)降雨再分配與29日0.8 mm降雨的影響下，前者8月30日SWC較前次下降了1.96%，而后者不降反有微量上升，這使前者進(jìn)一步下降到后者的72.04%，差距達(dá)到最大。

除8月10日外，SWC空間變異系數(shù)楊家溝＜董莊溝；兩者變化趨勢(shì)基本一致，但干旱影響下董莊溝空間變異性增大趨勢(shì)明顯（圖2b）。

兩流域SWC時(shí)間變異系數(shù)分別為10.99%與8.76%，楊家溝土壤水分空間分布格局的時(shí)間穩(wěn)定性稍弱于董莊溝。

在地形等微域分異影響下，流域不同土地類型的SWC差異顯著[32]；在植被作用與微域因素的交互影響下人工林與自然恢復(fù)小流域的SWC差距在不同區(qū)段、坡向、坡位與土層上應(yīng)該有不同表現(xiàn)。

表2 董莊溝土壤含水量的平均值與變異系數(shù)Table 2 Mean value and coefficient of variation(CV) of SWC in D %

2.3.1 各區(qū)段土壤水分對(duì)比

楊家溝與董莊溝不同區(qū)段SWC相比，上游差異顯著，下游差異不顯著（P＞0.05）。上游土壤水分流域變差系數(shù)在23.02%～44.75%間變化，8月26日最小，8月10日最大，均值33.98%；下游在-7.79%～26.60%之間，均值僅有9.80%，是上游的28.84%，8月2日楊家溝下游SWC高于董莊溝，8月30日兩者下游SWC相差最多（表3）。由不同區(qū)段SWC流域變差系數(shù)的時(shí)間變化可知，楊家溝下游SWC部分時(shí)間會(huì)接近甚至超過(guò)董莊溝，相較上游，下游土壤水分虧缺不明顯。SWC的空間變異性相比，上游與下游均是楊家溝＜董莊溝，但下游差異明顯；時(shí)間變異性均是上游較弱，但各區(qū)段前者高于后者。

董莊溝剖面SWC上游＞下游，主要表現(xiàn)在20 cm以下土層，且上游坡面坡腳相比坡腰與坡肩SWC與下游坡面同坡位的差距更大。這是由于天然草被消耗土壤水分相對(duì)較少，使流域深層SWC處于較高水平，汛期暴雨影響下流域較快產(chǎn)流，溝道徑流常在上游低洼處形成短期滯水，后期不斷回饋坡面特別是坡腳深層土壤水分而保持上游土壤水分的較高水平，而下游相對(duì)開(kāi)闊的溝道環(huán)境不僅增加了土壤水分的蒸散發(fā)消耗，也加快了溝道水的排泄，造成董莊溝SWC上游＞下游。而楊家溝由于林木的高耗水作用使土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)，暴雨產(chǎn)流幾率大大減少，下游的土壤淺層（0～40 cm）含水量稍高于上游，且淺層SWC的下游優(yōu)勢(shì)在降雨補(bǔ)給后的干旱初期尤其明顯，可能在于下游相對(duì)上游良好的植被條件產(chǎn)生的更強(qiáng)的蒸發(fā)調(diào)節(jié)作用更多地減少了淺層土壤水分的蒸發(fā)消耗。

2.3.2 各坡向土壤水分對(duì)比

同一坡向SWC楊家溝＜董莊溝，除8月10日外兩流域東坡SWC差異顯著，而西坡各樣次差異均不顯著（P＜0.05）。東坡土壤水分流域變差系數(shù)平均值28.62%，西坡僅有14.83%（表3），這種東、西坡向間土壤水分流域變差系數(shù)的高低懸殊的主要原因：1）人工林對(duì)不同坡向土壤蒸發(fā)的調(diào)節(jié)能力不同，2）土壤水分差異誘發(fā)的陰陽(yáng)坡生境梯度上人工林群落密度、組成及根系呈現(xiàn)坡向性分布差異。由于林木過(guò)度耗水楊家溝SWC低于董莊溝，但林木豐富的冠層、枯落物等明顯削弱了土面蒸發(fā)，尤其是削弱了輻射時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)的半陽(yáng)坡（西坡）的土面蒸發(fā)，即植被對(duì)半陽(yáng)坡的土壤蒸發(fā)調(diào)節(jié)量相對(duì)更大，這種差異性蒸發(fā)調(diào)節(jié)使原由植被耗水差異造成的流域間土壤水分差在東、西坡向間獲得了不同程度的削弱，一定程度上導(dǎo)致兩流域東坡土壤水分差異顯著而西坡不顯著（P＜0.05）。同時(shí)，陽(yáng)坡植物較強(qiáng)的抗逆性引起植被密度、組成等一系列自適應(yīng)調(diào)整，降低了土壤水分消耗，這種變化的誘因是土壤水分[33]，也就是說(shuō)與東坡相比，楊家溝西坡更加匱乏的土壤水分誘發(fā)的植被抗逆反應(yīng)降低了流域西坡的土壤水分消耗，也在一定程度上削弱了與董莊溝西坡的SWC差。兩流域SWC空間變異系數(shù)相比，東坡前者＞后者，西坡相反，后者不同坡向SWC空間變異性差距較大；時(shí)間變異系數(shù)楊家溝西坡最高，楊家溝東坡與董莊溝東、西坡相近，均屬于弱變異。

2.3.3 各坡位土壤水分對(duì)比

各坡位 SWC楊家溝＜董莊溝，坡腳、坡腰、坡肩SWC流域變差系數(shù)平均值分別為 16.22%、35.23%與19.09%，坡腰明顯大于坡肩與坡腳。由各坡位SWC流域變差系數(shù)的時(shí)間變化來(lái)看，8月2日坡腳、坡腰最小，8月26日坡肩最小，降雨入滲能在一定程度上減弱人工林坡面土壤水分虧缺（表3）。

對(duì)比兩流域各坡位的空間變異系數(shù)，除8月10日坡腰、坡肩楊家溝＞董莊溝外，前者其余各樣次各坡位空間變異性均小于后者同一樣次的對(duì)照坡位。前者空間變異性坡腰＞坡肩＞坡腳，后者卻是坡腰＞坡腳＞坡肩，與胡偉等[23]結(jié)論不同，原因是文獻(xiàn)[23]研究40 m×280 m退耕裸坡地40～200 cm土層的土壤水分分布，研究坡面的特征、利用方式與剖面層次均不相同。作為林（草）坡面水分運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)站的坡腰水分運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、多變，是其SWC空間變異性各坡位最大的原因。由于坡面雨水的順坡向下匯聚，坡肩土壤水分獲得降雨入滲補(bǔ)給的時(shí)間與數(shù)量均小于坡腰與坡腳，尤其小于坡腳，因此坡肩SWC大多低于坡腰與坡腳，這種坡面SWC的不均衡分布格局在土壤水分虧缺的楊家溝尤其明顯。坡肩SWC顯著較低（P＜0.05），這造成楊家溝坡肩林木與草被呈斑塊分布、個(gè)體差異巨大，植被的空間變異引起土壤蒸散發(fā)的空間變異，并最終引起SWC空間變異性增大。而坡腳匯聚坡面雨水由此獲得更長(zhǎng)時(shí)間與更多數(shù)量的降雨補(bǔ)給，相對(duì)較高的SWC較大程度地保障了人工林的耗水需求，一般是坡面上人工林生長(zhǎng)最旺盛、植被分布最均勻的坡位，因此其土壤水分空間分布變異性弱于坡腰與坡肩，變異系數(shù)最低。而董莊溝坡肩與其坡腰、坡腳相比較低的SWC并不會(huì)局限耗水需求相對(duì)較低的天然草被地生長(zhǎng)，由此造成的SWC空間變異微乎其微；但坡腳土壤水分常與頻發(fā)的溝道徑流互饋。因此，董莊溝土壤水分空間變異系數(shù)坡腳＞坡肩。

兩流域不同的植被與土壤水文特征也決定了兩者各坡位SWC的時(shí)間變化，楊家溝坡腰時(shí)間穩(wěn)定性最差，董莊溝坡腳時(shí)間穩(wěn)定性較差。

表3 楊家溝和董莊溝的土壤水分流域變差系數(shù)的時(shí)間變化Table 3 Time variation of difference ratio of SWC (DRSM) between Y and D %

2.3.4 各土層土壤水分對(duì)比

楊家溝與董莊溝各土層SWC相比，表層（0～10 cm）前者顯著高于后者，深層（60～120 cm）后者顯著高于前者（P＜0.05），這是沿剖面向下前者 SWC呈下降趨勢(shì)、后者呈上升趨勢(shì)的必然結(jié)果（圖3），與植被措施影響下土壤淺層較深層濕潤(rùn)[15]、人工林過(guò)度消耗深層土壤水分的研究結(jié)論一致。

根據(jù)土壤水分流域變差系數(shù)的土層變化（表3），除董莊溝超滲產(chǎn)流的8月26日，20cm以上土層DRSM均是負(fù)值，即20 cm土層內(nèi)SWC楊家溝＞董莊溝；且隨干旱愈烈，DRSM呈負(fù)值的土層愈深，絕對(duì)值愈大，8月22日40 cm以上土層DRSM＜0，0～10 cm與10～20 cm土層甚至達(dá)到-48.00%與-43.60%，楊家溝40 cm 以上土層不存在土壤水分虧缺。

8月26日由于流域產(chǎn)流董莊溝土壤淺層大多處于滯水狀態(tài)，造成0～20 cm土層DRSM＞0，即淺層SWC董莊溝微高于楊家溝。8月30日在土深50cm范圍內(nèi)DRSM＜0，即經(jīng)過(guò)降雨入滲補(bǔ)充后0～50 cm土層的SWC楊家溝＞董莊溝，說(shuō)明50 cm土深內(nèi)楊家溝的持水能力強(qiáng)于董莊溝。監(jiān)測(cè)期內(nèi)50～120 cm土層內(nèi)DRSM＞0，深層 SWC楊家溝始終小于董莊溝；80～100 cm 土層DRSM平均值最高，是監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)楊家溝缺水最嚴(yán)重的土層。

SWC空間變異性相比，除表層（0～10 cm）外楊家溝＜董莊溝，但兩流域均是50～60 cm土層最強(qiáng)。同樣降雨條件下（8月 23、24日）董莊溝更快產(chǎn)流，8月26日兩流域表層（0～10 cm）SWC空間變異性均最小，董莊溝（13.32%）＜楊家溝（17.52%）。

楊家溝與董莊溝各土層SWC時(shí)間變異系數(shù)的垂向變化趨勢(shì)一致，隨土深增加SWC空間分布格局時(shí)間穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)，這與賈曉旭等[26,34]土壤水分時(shí)空變異性隨土層深度下降的結(jié)論一致。0～20 cm土層后者＞前者，20～120 cm土層前者＞后者，這是由于淺層土壤水分主要受氣候、地形與植被影響，在相同的氣候與地形條件下楊家溝的林木冠層與枯落物通過(guò)截留降雨、抑制蒸發(fā)有效減弱了淺層SWC的時(shí)間變異性；而刺槐人工林相較荒草地扎根深、耗水多，提高了剖面深層SWC空間分布的時(shí)間變異性。

圖3 兩個(gè)小流域不同土層的土壤含水量隨時(shí)間變化Fig.3 Variations of SWC of D and Y with time in different soil layers

3 討論

3.1 人工林小流域土壤水分虧缺的空間異質(zhì)性

黃土高原林草建設(shè)過(guò)度消耗土壤水分、造成土壤干化是普遍的共識(shí)，但如同小流域土壤水分的空間異質(zhì)性，人工林小流域的土壤水分虧缺與干化是否也存在空間異質(zhì)性？楊家溝與董莊溝 SWC對(duì)比研究中，下游、西坡、坡腳與坡肩、0～60 cm土層的土壤水分流域變差系數(shù)相對(duì)較小，而上游、東坡、坡腰、60～120 cm土層相對(duì)較大；以土壤水分可持續(xù)利用的董莊溝為參照[28]，楊家溝下游、西坡、坡腳與坡肩、0～60 cm土層SWC虧缺相對(duì)較小，而上游、東坡、坡腰與60～120 cm土層是造成流域土壤水分虧缺的主要區(qū)域或?qū)哟?。這種流域土壤水分相對(duì)虧缺程度的空間異質(zhì)性是人工林影響下小流域土壤水分空間再分配而形成的土壤水分新格局，可以作為生態(tài)建設(shè)中植被選擇與空間配置的直接依據(jù)。可見(jiàn)，不同植被與地形因素組合產(chǎn)生不同的土壤水分條件，以解決水土矛盾為目標(biāo)的黃土高原小流域生態(tài)治理必須適地（水）適樹(shù)（草）、在遵循土壤水分分布的地帶性特征的同時(shí)研究并遵循非地帶性特征，尤其要研究并遵循林草種類與土地類型交互影響下所形成的流域土壤水分分布特征。

3.2 主要因素對(duì)小流域土壤水分時(shí)空變化的影響

在分析各空間因素對(duì) SWC時(shí)空變化的影響效用前，先對(duì)8次SWC監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行球形檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果P＜0.05，說(shuō)明8次數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，測(cè)量數(shù)據(jù)不滿足球形分布假設(shè)，不能進(jìn)行單因素方差分析，因此對(duì) SWC數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量方差分析。主體內(nèi)效用分析結(jié)果表明楊家溝 SWC的各樣次差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，不同坡向、坡位SWC的時(shí)間變化趨勢(shì)是一致的，但不同區(qū)段、土層SWC的時(shí)間變化趨勢(shì)不同；主體間效用分析結(jié)果則表明坡位、土層是影響楊家溝SWC分布的重要空間因素，而坡向[35]、區(qū)段對(duì)SWC分布的影響不顯著（P＜0.05）。董莊溝各樣次SWC同樣具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但不同坡向、區(qū)段、土層SWC的時(shí)間變化趨勢(shì)不同、這3個(gè)空間層面的SWC分布格局隨時(shí)間而變化，僅不同坡位 SWC的時(shí)間變化趨勢(shì)是相同的，因此，流域總體 SWC空間分布的時(shí)間變化趨勢(shì)性不強(qiáng)；區(qū)段、坡向、坡位、土層 4個(gè)空間因素對(duì)流域 SWC分布影響均顯著（P＜0.05）。

綜上，人工林的水文調(diào)節(jié)功能弱化了地形、地貌等環(huán)境分異引起的SWC的空間變異性；而8月汛期林木旺盛的蒸騰耗水需求與頻繁的降雨補(bǔ)給使楊家溝土壤處于暴干暴濕的循環(huán)交替中，提高了SWC的時(shí)間變異性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)人工刺槐小流域楊家溝與自然恢復(fù)小流域董莊溝2016年8月不同區(qū)段、坡向、坡位、土層土壤水分的變化及其對(duì)比分析，結(jié)論如下：1）董莊溝SWC上游＞下游，東坡＞西坡，坡腳＞坡腰＞坡肩，沿剖面向下先短暫降低（0～20 cm）又持續(xù)增大（20～120 cm），不同區(qū)段、坡向間差異顯著（P＜0.05）；2）在林木過(guò)度耗水及其冠層、枯落物蒸發(fā)調(diào)節(jié)的影響下，楊家溝與董莊溝相比SWC整體下降（P＜0.05）、土壤水分格局發(fā)生變化，下游與東坡土壤較濕潤(rùn)，SWC坡腳顯著高于坡腰與坡肩（P＜0.05）、剖面垂向分布先持續(xù)下降（0～100 cm）后轉(zhuǎn)而上升（100～120 cm）；3）區(qū)段、坡向、坡位與土層對(duì)董莊溝 SWC空間變化的影響均顯著，僅坡位、土層對(duì)楊家溝 SWC空間變化影響顯著，SWC空間變異性董莊溝（29.19%）＞楊家溝（23.51%）；楊家溝不同坡向、坡位的SWC時(shí)間變化趨勢(shì)是一致的，董莊溝僅不同坡位的SWC時(shí)間變化趨勢(shì)呈一致性，SWC時(shí)間變異性楊家溝（10.99%）＞董莊溝（8.76%）；4）楊家溝下游、西坡、坡腳與坡肩、0～60 cm土層SWC虧缺相對(duì)較小，而上游、東坡、坡腰與60～120 cm土層是造成流域土壤水分虧缺的主要區(qū)域或?qū)哟?，人工林影響?SWC的相對(duì)豐缺格局可以作為小流域生態(tài)建設(shè)植被配置與布局的直接依據(jù)。

以土壤水分流域變差系數(shù)定量評(píng)價(jià)人工林相對(duì)自然恢復(fù)小流域的土壤水分虧缺程度，對(duì)認(rèn)識(shí)黃土高原小流域生態(tài)水文變化及指導(dǎo)生態(tài)治理的效果評(píng)價(jià)、規(guī)劃布局均具有重要意義。然而，本研究集中對(duì)比了楊家溝與董莊溝8月份上（下）游、東（西）坡谷坡坡面120 cm剖面內(nèi)的SWC，研究的時(shí)間與空間范圍有限，導(dǎo)致研究結(jié)果的局限性。因此，進(jìn)一步提高土壤水分監(jiān)測(cè)的時(shí)空范圍，系統(tǒng)對(duì)比不同生態(tài)治理小流域土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化是今后的研究重點(diǎn)。