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user: 3. 黄土高原土壤水分时空变异性 土壤水分时空差异性是多重尺度上各种环境因子共同作用的结果，这些不同尺度上的因子对土壤水分时空异质性的影响表现出显著的时空变化规律，土壤水分的空间异质性是立地尺度(坡度)、坡面尺度(坡位与相对高度)和流域尺度(土地利用与降雨)等多重尺度上的环境因子共同作用的结果 [ 12 ] 。浅层土壤水分 Table 1 Soil water properties on the Loess Platea 性质 紧沙带 沙壤带 轻壤带 中壤Ⅰ带 中壤Ⅱ带 重壤带 砂粒%(>0.05) 65~80 40~60 20~25 10~15 5~10 3~8 粉粒%(0.05~0.001) 10~25 20~50 60~70 65~75 65~75 65~75 粘粒%(<0.001) 4~6 5~10 10~15 15~18 18~25 20~28 容重/g·cm −3 1.45 1.35 1.25 1.30 1.30 1.35 田间持水量/% 11~14 16~18 18~20 20~22 20~22 20~24 田持吸力/bar 0.1 0.2 0.3 0.5 0.6 0.6 蔫焉系数/% 2.5~3.0 3.0~4.0 4.0~5.0 5.0~7.0 7.0~8.0 8.0~13.0 有效水/% 8~11 13~14 14~16 14~16 13~15 12~16 <1 bar有效水的百分比/% >65 60~65 50~60 10~15 8~10 <8 非饱和导水率K(θ)/cm·day −1 3.2 × 10 −4 e 77.5θ 3.4 × 10 −10 e 83θ \ 1.5 × 10 −9 e 71.3θ \ 2.7 × 10 −8 e 47.3θ 水分特征曲线 9.6 × 10 −5 θ −3.5 1.95 × 10 −3 θ −2.83 7.79 × 10 −4 θ −3.68 1.29 × 10 −3 θ −3.5 4.88 × 10 −4 θ −4.12 6.19 × 10 −4 θ −4.36 表1. 黄土高原土壤水分性质 [ 8 ] 注：θ是体积含水量(cm −3 ·cm −3 )。 空间变异及其分布格局主要受地形、降水和土地利用方式及其结构等因素的影响。佘冬立等研究发现，在湿润和中等湿润时段，土地利用是影响土壤水分(表层除外)变异的主要因素，干旱时段土壤水分的变异格局主要受土壤性质的影响 [ 13 ] 。坡向、坡度、坡位是坡面尺度土壤水分分布的重要影响因素，微地形对土壤含水量具有显著影响，阳坡各微地形土壤水分顺序为塌陷 > 切沟底 > 缓台 > 浅沟底 > 原状坡 > 陡坎 [ 14 ] 。黄奕龙等研究各地类在不同降水年份土壤含水量的季节变化和垂直变化均差异显著，偏涝年各地类土壤含水量季节变化呈凹型曲线(10%~17%)，先减小后增大，最后趋于稳定，正常降水年各地类土壤含水量随季节变化呈W型曲线(8%~20%)，总体呈下降趋势 [ 15 ] 。黄土高原土壤水分具有显著的区域分异和微域分异特征，其土壤水分的空间分布决定着该区植被类型及其生长状况的空间布局 [ 16 ] 。 3.1. 土壤水分季节变化 由于黄土高原地区土壤含水量主要靠降水补偿，所以受降水影响，土壤水分也发生着相应的季节变化。董大学等在渭北旱塬的测定表明，裸地土壤水分的季节性动态可分为四个阶段：春季干湿交替阶段、雨季蓄墒阶段、雨后水分上移蒸发阶段、冬季缓慢蒸发阶段 [ 17 ] 。而一般年份作物在生长期土壤水分动态可分为3个时段：春末夏初土壤水分消耗期、夏末秋初土壤水分蓄积期和秋末冬初土壤水分消耗期 [ 18 ] 。黄土高原沟壑区林地土壤水分年内季节动态可划分为生长初期土壤水分相对稳定期、生长中期土壤水分强烈消耗期、生长中期土壤水分恢复补偿期以及生长末期土壤水分缓慢蒸发期这4个阶段 [ 19 ] 。李开元等将土壤水分的季节变化分为春季缓慢蒸发、夏季蓄水增墒、秋季强烈蒸发损耗、冬季相对稳定四个阶段 [ 11 ] ，表明黄土高原土壤水分在年内经历了低—高—低的季节变化。总之，黄土高原土壤水分的时间变化特征，在年际尺度上表现为干旱年份土地利用类型和坡向对土壤水分的影响较大；而在湿润年份，影响程度减弱 [ 15 ] 。 3.2. 土壤剖面水分变化 在同一地理位置，土壤水分的分布受坡度、坡向、坡位、植被类型、植被密度和生物量等影响，表现出一定的空间变异特性 [ 20 ] 。据李玉山研究表明，黄土高原土层一般为50~100 m，地下水埋藏较深，无上行补给的可能，因此降水成为该地区土壤水分的唯一来源，在干旱和生物利用的共同作用下，降水入渗一般不超过3 m，基本与植物根系的活动范围一致，但在林地和多年生草地，黄土高原土壤某一深度常常形成低湿层，甚至出现“土壤干层”，土壤含水量接近凋萎系数，对林草的生产力造成极大危害，由此可看出黄土高原水分循环是比较单纯的降水入渗和上行蒸发过程，同时黄土高原由于降水、蒸发和植物利用的共同作用，土壤水分在剖面上的分布也表现出了一定的层次性 [ 9 ] 。王孟本等将土壤剖面分为活跃层、次活跃层、相对稳定层三个层次 [ 21 ] ；董大学等则分为活跃层(0~80 cm)、相对稳定层(80~200 cm)两个层次 [ 17 ] 。近年来，傅伯杰等研究了中部黄土区丘陵坡地的土壤水分空间分布状况，建立了坡地土壤水分空间分布的数学模型，认为坡地土壤水分主要受坡度和坡位的影响 [ 22 ] 。穆兴民探讨了黄土区旱地的土壤水资源，提出了黄土区土壤水资源的地带性与非地带性概念 [ 23 ] ，但也有学者认为“地带”的概念多与气候、地理等稳定的自然区系概念相联系，对于黄土高原土壤水分地带的概念还有待进一步的研究证实。 黄土高原土壤水及其有效水的区域分布有着相似的规律，即北低南高，具有镶嵌结构，尤其是延安以南地区，受局部小地形、小气候的影响明显，土壤水分含量较高，表现出土壤水区域空间分布与下垫面区域状况相一致的规律，土壤质量含水量低于5.5%以北的地区，由于已接近当地土壤凋萎湿度，开始进入典型的草原地带 [ 16 ] 。黄土高原地下水位深达60 m以下，不参与局部SPAC水循环，所以，黄土区土壤水的垂向分布仅表现为降水或径流在土体内的入渗、再分布后所形成的土壤剖面水分分布曲线，这种水分剖面分布结构，容易造成土壤深层储水被植物过度利用而难以得到补偿的后果 [ 9 ] 。 黄土高原天然草地土壤水分在垂直方向上有着相似的分布特征，大体在距地表70 cm以上的土层，由于受水热条件变化影响强烈，其土壤含水量随降水情况呈现出较大的波动性；而在70 cm以下土层，土壤含水量基本上呈现逐渐递增的趋势，因此从距地表70 cm土层处可将黄土高原天然草地土壤水分在垂直方向上的分布划分为2个层次：70 cm以上的速变层及70 cm以下的积累层。关于黄土区土壤剖面水分分布特征的研究，韩仕峰(裸地)、刘增文等(人工油松林地)、李凯荣等(人工刺槐林地)、吴学栋等(沙打旺人工草地)、王孟本等(人工柠条林地)均进行过相关研究，都是从水分活动特征的角度去分析，一般将黄土高原垂直剖面按水分利用情况分为速变层、活跃层、次活跃层、相对稳定层4个层次 [ 8 ] [ 21 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] 。 3.3. 区域土壤水分空间变异 由于黄土高原土壤水分主要靠降水补偿，因此该地区土壤水分的水平变化与其降水量的区域变化基本一致，由东南向西北逐渐减少，依次分布着森林、森林草原、典型草原和荒漠草原4个植被带，尽管土壤含水量在水平方向上存在着明显的区域变化，但在具体的某一区域内部由于环境小气候的影响而在垂直方向上表现出有规律的变化，一般而言，在沟谷和坡脚处的水分条件要优于沟坡、坡顶和梁峁，阴坡条件好于阳坡 [ 27 ] 。总之，在黄土高原地区，由于所处地理位置过渡性、气候变化剧烈性、地形复杂性等，表现出独特的水分生态条件，由此所造成的植物生产力水平也千差万别，根据土壤水分条件来进行植被建设是黄土高原生态环境得以改善和持续发展的必由之路 [ 7 ] 。