马耘秀，夏 露，范 毅，高艳艳
（1.山西农业大学 资源环境学院，农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801；
2.山西汾河流域管理有限公司，太原 030012）
▪水土资源与环境▪
不同土地利用和地形条件对黄土丘陵区土壤水分的影响
马耘秀1，夏 露1，范 毅2，高艳艳2
（1.山西农业大学 资源环境学院，农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801；
2.山西汾河流域管理有限公司，太原 030012）
【目的】分析不同土地利用和地形条件对黄土丘陵区土壤水分的影响。【方法】采用土钻法于2020 年7—9月对山西省宁武县黄土丘陵区不同下垫面条件0～200 cm 土层的土壤含水率进行测定，分析了土壤含水率时空变异性，并探讨了土地利用（人工林地、自然草地和耕地）、坡位（上坡位、下坡位和沟床）和坡向（阴坡和阳坡）对土壤含水率变化的影响。【结果】①时间上，土壤含水率变化受降水控制；
在垂直空间上，上坡位和下坡位的样地随着土层深度的增加，其土壤含水率呈先递减后稳定或先递减后递增的规律，土壤含水率垂直变化分层大致按照速变层-活跃层-次活跃层-相对稳定层的顺序自上而下分布，而位于沟床位置的样地，其垂直变化规律复杂多变；
②不同土地利用类型的土壤含水率变异性较大，在上坡位，不同土地利用土壤含水率相对大小为自然草地＞耕地＞人工林地，而在沟床位置，土壤含水率相对大小为人工林地＞耕地＞自然草地；
③在地形条件中，坡位对土壤含水率影响显著，自上坡位到下坡位到沟床土壤含水率大致呈递增趋势；
阴坡的土壤水分条件均优于阳坡。【结论】在研究区未来的生态恢复过程中，适宜在土壤水分条件较好的下坡位、沟床以及阴坡位置种植耗水量较大的人工林地，而在上坡位和阳坡适宜发展自然生态恢复模式。
土壤水分；
土地利用；
坡位；
坡向；
黄土区
【研究意义】黄土高原气候干旱，植被覆盖率较低，水土流失严重，是我国典型的生态脆弱区[1]。近年来，国家在该区域开展了大规模的生态建设，取得了较好的生态恢复效果，但由于未能充分考虑土壤水分对植被的承载能力，出现了“小老树”、“土壤干化”等问题。土壤水分是植被生长发育的重要水分来源[2]，是影响区域植物生长的突出限制因子[3]，在区域生态恢复建设中发挥着不可替代的作用[4]。土壤水分受降水[5-7]、土壤性质[8]、地形条件[9-11]、土地利用方式[11-16]等因素影响，呈复杂的动态变化特征，其中，土地利用和地形条件是2 个重要的下垫面因子[17]。因此，充分认识不同土地利用和地形条件下的土壤水分响应规律是科学利用土地资源的前提[13]，对区域生态建设与水土资源高效利用具有重要的意义。
【研究进展】近年来，相关学者对土壤水分变化规律及其驱动因子开展了大量研究。研究表明，人工林地建设会造成土壤干化[14,18-19]，而自然恢复的草地和农田对土壤水分的影响在不同地区存在差异；
张北赢等[13]、杜康等[15]、王国梁等[16]、傅伯杰等[20]研究发现，农田土壤含水率明显高于其他土地利用类型，草地次之；
但张敏等[1]研究认为，林地和草地在涵养土壤水分方面优于农田。关于地形条件对土壤水分变化的影响研究主要集中在坡位、坡度、坡向等方面，例如靖亭亭等[21]研究表明，坡位、坡度、坡向是影响土壤水分空间变异的主控因子；
邱德勋等[10]研究发现，坡度和坡向是0～200 cm 土壤水分变异的重要影响因素；
而孙占薇等[22]研究表明，坡向是100～200 cm 土壤水分的重要影响因素。
【切入点】虽然以往研究普遍认为土壤水分变异性是由前述几种因子共同作用的结果，但有关黄土高原地区土壤水分变异性的驱动机制尚不明确，有待进一步研究。【拟解决的关键问题】因此，本研究对山西省宁武县黄土丘陵区3 种典型土地利用类型（林地、草地和耕地）、3 种坡位（上坡位、下坡位和沟床）以及2 种坡向（阳坡和阴坡）的土壤进行采样，分析不同土地利用和地形条件下土壤含水率的时间变化规律和空间分布特征，探讨土壤水分变异性的主要驱动机制，为因地制宜、合理利用该区水土资源，促进当地生态环境的可持续发展提供参考。
1.1 研究区概况
山西省宁武县地处晋西北黄土高原东部边缘，区域内山峦叠嶂，山区面积占总面积的90%以上，平均海拔2 000 m（图1）。宁武县属温带大陆性气候，属高山严寒区和寒冷干燥区，年平均降水量为470～770 mm，降水主要集中在6—9 月，占年降水量的65%。年平均气温为2～6 ℃，年平均日照时间为2 835 h，无霜期为90～120 d。宁武县土壤分为棕壤、褐土、栗钙土、山地草甸土和草甸土5 个土壤类型，其中褐土是主要土壤类型；
植被主要有云杉、华北落叶松、油松、桦木、杨树、柳树等乔木和沙棘、柠条、黄刺玫、毛榛等灌木以及节节草、蒿草、狗尾草、白草等草本植物，农作物以土豆、莜麦、豌豆、玉米、谷子为主。宁武境内有汾河、洪河、恢河3 条河流，其中汾河是黄河的一级支流，也是宁武第一大河，流域面积为1 373.6 km2，占全县总面积的75%。宁武县不同土地利用类型中耕地、林地、草地占比较大，耕地占宁武县总面积的25.35%，林地占40.56%，草地占29.68%。
宁武县地貌类型主要包括黄土丘陵区、土石山区和河谷冲积平原区，其中黄土丘陵区主要是汾河、恢河两岸的山前地带，境内沟壑纵横、坡向多变，水土流失严重，属国家级水土流失重点治理区。多年来，宁武县在国家支持下，实施工程措施和生物措施双管齐下的治理方略进行水土流失治理。目前，水土流失治理度达到了71%。
图1 采样点地理位置及样地分布Fig.1 Geographical location of the study area and spatial distribution of the sample plots
1.2 数据来源和样地布设
本研究主要考虑不同土地利用和地形条件对土壤含水率的影响，最终选择了3 种土地利用类型：人工林地、自然草地和耕地，3 种坡位条件：上坡位、下坡位和沟床，2 种坡向条件：阳坡和阴坡作为影响土壤水分的主控因子，并在宁武县石家庄镇汾河干流两岸黄土丘陵区布设了12 个典型样地（图1），各样地的基本情况见表1。不同样地的土壤体积质量和质地条件较为一致，因此可以认为不同样地土壤含水率的差异主要由土地利用和地形条件的差异所造成的。
表1 典型样地基本情况Table 1 The basic information of typical sample areas
在2020 年7—9 月，每15 天对各样地采集不同深度土层样品，用烘干法测定其土壤质量含水率（共6 次），每个样地选择3 个重复采样点，取其平均值代表该样地的土壤含水率，取样深度为10、20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm 和200 cm。
研究区内宁化堡、杜家村、新堡3 个雨量站距离布设样点最近，直线距离均在10 km 左右（图1），且分布较为均匀，因此，研究区日降水量采用这3 个站日降水量的算术平均值。
2.1 不同样地土壤含水率时间变化规律
不同样地土壤含水率随时间的变化规律见图2。各样地土壤含水率的波动与降水量的时间变化规律一致，均随降水量的增加而升高，说明降水是土壤水分的重要补给来源。不同坡位的样地土壤含水率变化幅度不同，上坡位的样地土壤含水率受降水影响较大，下坡位次之，沟床位置变化幅度最小。一方面，由于不同坡位土壤含水率的基数不同，基数大的样地（如沟床）土壤含水率相对变化幅度小，而基数小的样地（如上坡位）则相对变化幅度大；
另一方面，位于上坡位的样地土壤含水率受降水的影响较大，而下坡位和沟床位置的样地除了受到降水补给外，可能还受到其他水源的补给。
图2 不同坡位样地土壤水分时间变化规律Fig.2 Temporal variation of soil moisture of plots in different slope position
2.2 不同样地土壤含水率垂直变化特征
将不同样地土壤含水率垂直变化特征进行对比，结果见图3。图3（a）显示了上坡位和下坡位9 个样地的对比结果，这些样地土壤含水率随土层深度加深呈先递减后稳定或先递减后递增的规律，拐点集中出现于80～120 cm 土层深度处，之后部分样地（1、2、4、5、8、9 号）土壤含水率趋于稳定，而另外一部分样地（3、6、7 号）随土层深度的增加土壤含水率也增加。位于沟床位置的10、11、12 号样地（图3（b）），土壤含水率垂直变化并未表现出一致的规律性：10 号样地土壤含水率随着土层深度增加先递增后递减，拐点出现在140 cm 处，而11 号样地和12号样地的土壤含水率在垂直剖面上基本稳定，原因可能是因为沟床样地容易受地下水和河道径流水分补给，其土壤含水率补给机制较为复杂，导致其土壤含水率垂直变化规律复杂多变。
图3 不同样地土壤含水率垂直变化特征Fig.3 Vertical variation characteristics of soil moisture in different plots
为进一步分析不同样地土壤含水率垂直变化特征，计算不同深度土壤含水率的变异系数（CV），并按照CV将土壤含水率垂直变化层次分为速变层（CVgt;30%）、活跃层（20%lt;CV≤30%）、次活跃层（10%lt;CV≤20%）、相对稳定层（0lt;CV≤10%）4 个分层[1]，结果见图4。除了10 号样地外，其他大部分样地土壤含水率的CV随着土层深度加深而不断减小，水分垂直变化分层均按照速变层-活跃层-次活跃层-相对稳定层的顺序自上而下分布：速变层大多在0～100 cm 土层范围内，20～40 cm 范围是活跃层，然后土壤含水率垂直变化率显著下降，进入到次活跃层和相对稳定层，土壤含水率趋于稳定。其中，耕地是最早出现次活跃层的土地利用类型，这可能是由于犁底层的存在阻碍了降水向60 cm 以下土层的补给。各自然草地在200 cm 土层深度内均没有出现土壤水分稳定层，原因在于自然草地植被截留量和蒸腾耗水量较小，能够促进降水入渗补给深层土壤水，导致其土壤水分变化仍较活跃。而位于沟床位置的人工林地（10 号样地），其土壤水分垂直变化层表现出了不一致的规律：在深度40 cm 即进入土壤水分稳定层，但在深度160 cm，其土壤水分进入活跃层，原因是沟床位置的人工林地高程最低，且距离河道最近，其深层土壤容易受到河道径流和地下水的补给，而林地植被根系较深，可以源源不断地从深层土壤中吸取水分，因此其深层土壤水反而变化显著。
2.3 土地利用类型对土壤含水率的影响
比较不同土地利用类型对土壤水的影响，选取同在上坡位且处于阴坡的1、2、3 号样地和同在沟床位置的10、11、12 号样地分别进行对比分析，结果见图5。由图5（a）可知，位于上坡位阴坡的1、2、3号样地，土壤含水率排序为：自然草地＞耕地＞人工林地。相较于自然草地和耕地，林地根系吸水强烈，植被蒸腾作用较强，导致其土壤水消耗较大[23-25]，因此1 号人工林地土壤含水率最低。然而，在沟床位置（图5（b））的10、11、12 号样地，其土壤含水率大小排序为人工林地＞耕地＞自然草地，原因是因为沟床的人工林地高程最低，离河道最近，其土壤含水率受到了河道径流的侧向补给和地下水的上升补给，所以土壤含水率反而最高；
另外沟谷耕地平时会有灌溉补给，因此其土壤含水率高于自然草地。这说明在沟床位置，地表高程和距离河道的远近成为影响土壤含水率的重要因素，其影响程度超过了土地利用类型对土壤含水率的影响。
图4 不同样地0～200 cm 土壤含水率垂直变化层分布Fig.4 Vertical variation layer of soil moisture in 0～200 cm soil layers in different plots
图5 不同土地利用类型样地土壤含水率对比分析Fig.5 Comparative analysis of soil moisture in different land use types
2.4 地形条件对土壤含水率的影响
2.4.1 坡位对土壤含水率的影响
为了比较不同坡位对土壤含水率的影响，选取同为人工林地的1 号、6 号、10 号样地，同为自然草地的2 号、7 号、11 号样地以及同为耕地的3 号、12 号样地分别进行对比分析，结果见图6。不同坡位人工林地和耕地的土壤含水率对比结果一致：沟床位置的土壤含水率最高，下坡位的次之，而上坡位的最低。以往研究[26-28]也表明，同一坡面自坡底到坡顶土壤水分呈降低趋势，这与本文结论一致。这主要包括二方面原因：一方面是由于降水径流不断从上坡位汇集到下坡位再到沟床，导致下坡位和沟床的土壤受到了更多的降水径流水分补给；
另一方面是由于下坡位和沟床位置更容易受到地下水和河道径流的补给。然而，不同坡位的自然草地表现出了不一样的规律：在0～140 cm 深度，沟床位置的自然草地土壤含水率最大，上坡位的次之，而下坡位的最小。这可能是因为下坡位土壤水分条件优于上坡位，植被生长更加茂密，而本研究的采样时间在7～9 月，正值植被生长旺盛期，下坡位茂盛的植被根系在0～140 cm 深度大量吸收土壤水分以支持植被生长，造成土壤水分消耗较大，从而使得下坡位土壤含水率反而小于上坡位。
图6 不同坡位不同土地利用类型土壤含水率对比分析Fig.6 Comparative analysis of soil moisture in different slope positions with different land use types
2.4.2 坡向对土壤含水率的影响
选取其他条件相同但坡向不同的4 组样地进行比较分析，结果见表2。无论是人工林地还是自然草地，阴坡的土壤含水率均值都大于阳坡的土壤含水率平均值。大量研究[10-11,18,25]表明，坡向通过影响坡面的光照、辐射等条件，使得阴坡的土壤含水率明显高于阳坡。
2.5 土壤含水率影响因素分析
根据前文对土壤含水率垂直变化规律的分析，按土层深度把土壤分为表层（0～60 cm）、中层（60～120 cm）和深层（120～200 cm）土壤，应用方差分析进一步探讨土地利用和地形条件对不同土层土壤含水率的影响程度，结果见表3。土地利用类型对表层和中层土壤含水率的影响不显著，但对深层土壤含水率有极显著影响；
坡位对中层和深层土壤含水率有极显著影响，但对表层土壤含水率影响不显著；
坡向对表层和中层土壤含水率有极显著影响，但对深层土壤含水率影响不显著。对于表层土壤，坡向的F 统计值最大，并且通过了P=0.01 的显著性检验，说明对表层土壤含水率影响最大的因素是坡向条件；
在中层土壤中，坡向的F 统计值最大，坡位的次之，且二者均通过了P=0.01 的显著性检验，说明对于中层土壤，影响其土壤含水率的主要控制因素是坡向和坡位条件；
在深层土壤中，坡位的F 统计值最大，土地利用类型的次之，且二者均通过了P=0.01 的显著性检验，说明坡位和土地利用类型是影响深层土壤含水率的主控因素。总体来看，地形条件对0～200 cm 土层的土壤含水率具有主导作用，而土地利用类型只对深层土壤含水率有显著影响。
表2 不同坡向土地利用类型土壤含水率Table 2 Soil moisture content of different slope land use types
表3 土地利用和地形条件对土壤水分影响的方差分析结果Table 3 Results of variance analysis of effects of land use and topographic conditions on soil moisture
土壤含水率受降水、土壤性质和土地利用方式等因素影响，呈复杂的动态变化[25-26]。研究表明，在上坡位，自然草地土壤含水率最高，耕地次之，人工林地的土壤含水率最低。这与邱德勋等[10]、施政乐等[12]研究结果一致，主要是因为林地根系活跃层较深，根系吸水能力较强，从而导致林地土壤含水率较低甚至出现土壤干化的情况[29]。但张北赢等[13]、杜康等[15]、傅伯杰等[20]研究发现，黄土区不同土地利用类型土壤含水率总体水平由高到低依次是农地gt;草地gt;林地；
张敏等[1]研究认为，不同土地利用类型土壤含水率表现为苜蓿草地＞柠条林地＞玉米农地。这些研究与本文结论不一致，原因是土壤含水率除了受到土地利用方式因素影响外，还受到地形条件、土壤性质等其他因素的制约，土地利用类型对土壤含水率的影响可能会被其他驱动因素掩盖。本研究还发现在沟床位置，不同土地利用类型土壤含水率大小排序为人工林地＞耕地＞自然草地。沟床位置的人工林地土壤水分受到了河道径流的侧向补给和地下水的上升补给，而沟床耕地平时会有灌溉补给，因此其土壤含水率高于自然草地。这说明在沟床位置，高程和距离河道的远近成为影响土壤含水率的重要因素，其影响程度超过了土地利用类型对土壤含水率的影响。方差分析结果表明，土地利用类型是影响120～200 cm 深度土壤含水率的重要因素，通过改变土地利用方式可以显著影响120 cm 以下土层深度的水分状况。
地形条件对土壤水分的影响主要包括坡位和坡向。本研究表明，林地和耕地不同坡位土壤含水率排序均为沟床＞下坡位＞上坡位，同一坡面自坡底到坡顶土壤水分呈降低趋势，这与前人[27,28]的研究结果一致。这主要由于下坡位和沟床的土壤更容易受到降水径流的汇集补给以及地下水和河道径流的补给。但研究区自然草地不同坡位的土壤含水率出现了上坡位大于下坡位的情况，原因可能是受到了草地生长耗水的影响，其影响机制需进一步研究。关于坡向对土壤水分的影响，本研究表明阴坡较阳坡具有更好的土壤水分条件，这与前人的研究结果[10-11,18,25]非常一致。方差分析结果表明，坡位是影响60～200 cm 深度土壤含水率的重要因素，原因是不同坡位接受地下水上升补给和河道侧向补给的条件不同，地表高程越低，越容易受到地下径流和河道径流的补给，而随着坡位升高，地表高程越高，越难以接受二者的补给；
坡向是影响土壤表层0～60 cm 土壤含水率的重要因素，一般来说，阳坡的土壤受到的太阳辐射更强烈，表层的土壤水分更容易散失，导致阴坡的土壤表层含水率比阳坡高[29]。
此外，土壤水分垂直变化规律研究结果表明，上坡位和下坡位土壤水分垂直变化分层均按照速变层-活跃层-次活跃层-相对稳定层的顺序自上而下分布，而沟床位置土壤水分受径流或地下水补给，其垂直变化并未按照上述规律分布，而是出现了次活跃层-相对稳定层-活跃层、活跃层-速变层-次活跃层等不同组合。可见，河道径流和地下水对沟床的土壤水分补给有着重要影响，未来的研究可进一步分析河道径流和地下水对土壤水分的补给过程及机制。
因此，在研究区未来的植被恢复过程中，应以自然恢复模式为主，人工林地只适宜在土壤水分条件较好的位置进行种植；
同时，还需要兼顾考虑地形条件的影响，上坡位及阳坡位置不适宜种植耗水量较大的植被类型。
1）各样地土壤含水率与降水量的时间变化规律大体一致；
位于上坡位和下坡位的样地，随着土层深度加深，土壤含水率先递减后稳定或先递减后递增；
而位于沟床位置的样地，其土壤水分垂直变化规律复杂多变。
2）不同土地利用类型的土壤含水率有所差异。在上坡位，土壤含水率排序为：自然草地gt;耕地gt;人工林地，自然草地具有更好的土壤水分条件。但在沟床位置的排序为：人工林地gt;耕地gt;自然草地，土地利用对土壤水分的影响被地形条件的影响所掩盖。
3）地形条件对土壤含水率的影响显著。从坡位上来看，同一坡面自坡底到坡顶土壤水分大致呈降低趋势；
从坡向上来看，阴坡较阳坡具有更好的土壤水分条件。
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The Combined Effects of Land Usage and Topography on Soil Moisture Change in a Loess Area
MA Yunxiu1, XIA Lu1, FAN Yi2, GAO Yanyan2
(1. National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. Shanxi Fenhe Valley Management Co. Ltd., Taiyuan 030012, China)
【Background and objective】Soil water is the main water resource for plants grown in the semi-arid loess plateau in northwestern China. Understanding its dynamics in response to environment and management changes is important to improve its use efficiency. The aim of this paper is to investigate the combined effect of land usage and topography on soil moisture.【Method】The experiment was conducted at a loess area in Ningwu county, Shanxi province. We measured soil water content in the depth of 0～200 cm under different conditions from July to September in 2020. The effect of land usage including artificial forest, natural grassland and cultivated land, on soil moisture at different locations in slopes and slope direction was analyzed and discussed.【Result】①Temporal variation in soil moisture and precipitation was consistently correlated. With the increase in soil depth, soil moisture content decreased first followed by stabilization or increase at both the up-slope and the down-slope. In contrast, the change in soil moistures along the soil profiles in the gully bed was variable and did show any identifiable trend. ②Soil moisture content varied with land usage due to the difference in water consumption between the plants, with the soil moisture in the uphill varying with land usage in the order of natural grassland gt; cultivated land gt; artificial forest. In contrast,the soil moisture content at the gully bed varied with land usage in the order of forest land gt; cultivated land gt; natural grassland due to the low elevation of the artificial forest and its closeness to a river. ③On average, soil moisture content increased from the uphill to the gully bed, and the soil moisture in the shady slopes was greater than in the sunny slopes.【Conclusion】Our results show that to maintain soil moisture at ecologically functional levels, the best solution is to plant artificial forest with high water consumption at the downhill, gully bed and the shady slope, while letting the plants to grow naturally is suitable for the uphill and sunny slopes.
soil moisture; land use; slope position; slope direction; loess area
S157.1
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022097
OSID：
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1672 - 3317（2022）09 - 0077 - 08
2022-02-25
山西省水利科学技术研究与推广项目（SZ-2020-24）
马耘秀（1979-），女。讲师，硕士，主要从事资源环境与可持续发展和土地利用研究。E-mail: myx01_01@126.com
责任编辑：韩 洋
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