土壤水分是黄土区最珍贵的自然资源之一，也是该区植被建设中最主要的限制因子。长期以来黄土区人工林草植被的土壤水分问题受到广泛关注(李玉山，1983；杨文治等，1985)，尤其是对陕北黄土高原从南到北大范围内普遍存在的“土壤干层”现象进行过大量研究(侯庆春等，1999；王力等，2004；牛俊杰等，2007)，黄土区“土壤干层”主要是由于渗入土壤中的雨水无法满足植物强烈的蒸腾耗水，致使一定深度处土层含水量长期处于过量消耗状态而形成的，是干旱少雨的气候环境与林木强大的蒸腾耗水共同作用的结果。人工林可以将深层土壤水分利用到极限，一旦形成深厚的土壤干层，深层土壤完全失去对植物生长的水分调节功能，植物主要靠当年降雨生存(王志强等，2008)。特旱年份不同植被下的土壤水分严重亏缺，尤其是人工林地土壤水分亏缺明显，林草植被建设中需要一些辅助措施来保证土壤水分供应的可持续性(徐学选等，2003)。与人工林地相比，天然林地水分亏缺不严重，土壤水分在雨季后能得到及时恢复，而人工林地的土壤水分严重影响人工林的生存和发展(王力等，2004b；2005)。可见，黄土高原土壤水分与植被的关系是指导该区植被建设与生态恢复的关键，如何协调植被与水分的关系已成为决定生态环境建设成败的重要课题。

在黄土高原土壤水分研究中，多数研究采用烘干法测定土壤水分(李玉山，1983；杨文治等，1985；侯庆春，1999；徐学选等，2003；王力等，2004a；牛俊杰等2007)，烘干法虽然是土壤水分测定中经典、精确的测定方法(邵晓梅等，2004)，能够测定不同深度的土壤含水量，但测定过程烦冗，测量周期长，无法对同一点进行连续的长期观测，无法实时监测土壤水分的动态变化。目前国内土壤水分多采用土钻取样、室内烘干的方法，也有用时域反射(time domain reflectometry, TDR)进行观测研究。但是，这些研究取样时间间隔长，有些研究甚至1个月取样一次，用这样长的取样间隔取得的观测数据并不能完全反映真实的土壤水分动态变化，尤其无法立刻反映出降雨对土壤水分动态的直接影响。因此，在土壤水分动态研究中必须对土壤水分动态变化进行实时监测。EnviroSMART多点可调土壤水分监测系统是Sentek公司推出的土壤水分测量仪器，与传统的烘干法、中子测量法、TDR测量法不同，EnviroSMART土壤水分监测系统是通过频率反射(frequency domain reflectometry, FDR)来测量土壤体积含水量的FDR土壤水分测量仪，其分辨率可达±0.008%，可以在某一个测量点上进行垂直剖面的土壤水分廓线数据的连续测量(郭卫华等，2003；李元寿等，2006；刘燕等，2007)。本研究采用EnviroSMART土壤水分监测系统对次生林地、油松(Pinus tabulaeformis)林地、刺槐(Robinia pseudoacacia)林地0~50 cm土层的土壤含水量进行实时监测，以期探讨不同植被类型的土壤水分动态变化、植被类型与土壤水分的关系，从而为黄土区植被恢复与生态环境建设提供依据。

1 研究区概况

研究区是北京林业大学所属的山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地，位于山西省吉县蔡家川流域，110°39'45″—110°47'45″ E，36°14′27″—36°18'23″ N。研究流域属晋西黄土残塬沟壑区，面积38 km²，自西向东走向，长约14 km，海拔900 ~1 513 m。年降水量575.9 mm，6—9月的降水量占全年的70%左右。年均水面蒸发量1 732.9 mm。年均气温10 ℃。土壤为褐土，黄土母质。流域中上游植被主要为白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、辽东栎(Quercus wutaishanica)、杜梨(Pyrus betulifolia)、胡颓子(Elaeagnus pungens)、华北紫丁香(Syringa oblata)、连翘(Forsythia suspensa)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、黄刺玫(Rosa xanthina)、三裂绣线菊(Spiraea trilobata)、蒙古荚NFDA4 (Viburnum mongolicum)等组成的天然次生林，中游为刺槐、油松、侧柏(Platycladus orientalis)等树种组成的人工林，下游为荒草坡和农地。

2 研究方法 2.1 土壤水分监测

在研究流域内选择代表性的次生林地、人工刺槐林地、人工油松林地作为研究对象(观测地的基本情况见表 1)，在这3种林地中埋设EnviroSMART土壤水分定位监测系统，该系统由埋入土壤中的PVC管、安装在PVC管中的滑轨、安装在滑轨上的测定探头、数据采集器、电瓶几部分组成。观测深度为0~150 cm土层。在110 cm土层范围内每10 cm布设1个探头，在130和150 cm深处各布设1个探头，每种林地的土壤剖面上共计布设13个探头。于2008年5月12日至10月12日间以每30 min监测1次的频度，监测次生林地、人工刺槐林地、人工油松林地的土壤水分。监测的土壤水分实时数据保存在CR200数据采集器中，用电脑从CR200中下载观测数据后，进行处理数据。

2.2 数据处理

利用EnviroSMART监测各层的体积含水量θ_i，设土层厚度为D_i，则各层的土壤蓄水量W_i为：

150 cm土层的总蓄水量W为：

式中：Z_i为第i个探头在土壤中所处的深度，cm；θ_i代表第i个探头的观测值，%。计算出各地类的蓄水量后，利用方差分析研究次生林地与刺槐人工林地、油松人工林地的土壤蓄水量。

3 结果与分析 3.1 生长季的土壤蓄水量

生长季(5月12日—10月12日)次生林地、刺槐人工林地、油松人工林地的蓄水量见表 2。从表 2可以看出，0~150 cm土层中次生林地的平均体积含水量最高，达23.09%，蓄水量可达346.3 mm，刺槐人工林地最低，仅有16.49%，蓄水量只有247.35 mm，油松人工林地的水分状况与次生林地接近，平均含水量为22.28%，蓄水量为334.12 mm。方差分析结果(表 3、4)表明：次生林地与油松人工林地、刺槐人工林地0~150 cm土层蓄水量差异显著。

对次生林地和刺槐人工林地不同深度土层的蓄水量(表 5)进行分析可见：次生林地0~150 cm土层的蓄水量为346.3 mm，刺槐人工林地只有247.35 mm，刺槐人工林比次生林多消耗98.95 mm的土壤水分。次生林地和刺槐人工林地0~60 cm土层的平均蓄水量分别为95.02和92.16 mm，次生林比刺槐人工林多消耗2.86 mm；次生林地和刺槐人工林地0~80 cm土层中的平均蓄水量分别为126.45和135.83 mm，即在0~80 cm土层中刺槐人工林比次生林多消耗9.38 mm的土壤水分。因此可以认为，0~150 cm土层中刺槐人工林较次生林多消耗的98.95 mm土壤水分主要是消耗深层(80 cm以下)土壤水分引起的，即刺槐人工林与次生林相比消耗更多的深层土壤水分。

3.2 生长季土壤水分的垂直变化

图 1为次生林地、油松人工林地、刺槐人工林地生长季5—10月0~150 cm土层中各层的平均含水量随深度的变化图。从图 1可见，因获降水的补给，次生林地除20 cm处的平均含水量较高外，总体趋势为随深度的增加土壤含水量增加，深层130~150 cm处的平均含水量最高，而表层0~10 cm处的含水量最低。油松人工林地的含水量随深度的增加总体上呈递减趋势，这是由于油松林地在造林时采用水平条大穴整地，这些整地措施拦蓄的地表径流增加了上层土壤的含水量，而油松根系却消耗了深层的土壤水分，整地工程拦蓄的雨水并不能完全渗入深层所致。刺槐人工林地表层0~10 cm土层的含水量最低，在0~150 cm的剖面上总体趋势是含水量随深度的增加而增加，但变化幅度较次生林地和油松人工林地小。刺槐人工林地和次生林地0~80 cm土层内的平均含水量相差不大，在80~150 cm土层内次生林地的含水量明显高于刺槐人工林地。

变异系数是衡量观测值变异程度的统计量，是标准差与平均数的比值，能够反映单位均值的离散程度，变异系数越大，说明观测数据的离散性越大，即土壤水分含量的变化越剧烈，反之则越小。各林地0~150 cm土层含水量的变异系数见表 6。从表 6可以看出，各林地土壤含水量的变异系数由表层到深层逐渐递减，0~10 cm土层的变异系数最大。刺槐人工林地各层土壤水分的变异系数明显大于次生林地与油松人工林地，油松人工林地与次生林地的变异系数相近。

据研究0~60 cm土层中含水量的变化主要是由降水入渗、土壤蒸发、林木根系吸水造成的，因此，0~60 cm土层含水量变化可以反映降水入渗、蒸发、蒸散对土壤水分的综合影响。从表 6可见，刺槐林地0~60 cm土层中含水量的最大值变化在35.47%~26.13%之间，最小值变化在5.51%~14.73%之间，极差值变化在23.79%~10.94%之间。油松人工林地0~60 cm土层中含水量的最大值变化在40.78%~28.10%之间，最小值变化在14.76%~20.07%之间，极差值变化在26.02%~9.8%之间。次生林地0~60 cm土层中含水量的最大值变化在33.51%~20.78%之间，最小值变化在7.22%~15.12%之间，极差值变化在18.39%~6.67%之间。可见，在雨水入渗、蒸发、蒸散的共同作用下刺槐人工林地和油松人工林地0~60 cm土层含水量的变化明显大于次生林地。

3.3 生长季土壤水分动态

图 2是5—10月0~150 cm土层总蓄水量的动态变化。从图 2可见，油松人工林地、刺槐人工林地、次生林地从5—8月0~150 cm土层的总蓄水量逐渐减少，是土壤水分的消耗期，8月的蓄水量最低，此后土壤蓄水量逐渐恢复，到10月上旬基本可以恢复到6月土层蓄水量的水平。该结果与Conard等(1997)的研究结果一致。刺槐人工林地和次生林地土壤蓄水量的动态变化趋势十分相似，而油松林人工林地5—8月土壤蓄水量的减少幅度显著低于刺槐人工林地与次生林地，这主要是水平条整地拦蓄地表径流增加了林地土壤蓄水量的缘故。

各林地5—10月0~150 cm土层中各层蓄水量的动态变化(表 7)可以看出，各层月平均含水量的最低值出现的时间并不一致。如油松人工林地和次生林地表层0~10 cm处的含水量7月最低，而刺槐人工林地5月的含水量最低，这主要是由于油松人工林地和次生林地内地表草本植物稀少，而刺槐人工林地内地表草本植物较为丰富，这些根系较浅的草本植物大都在5月展叶开花，同时刺槐也在此时展叶开花，从而消耗了表层土壤水分，导致刺槐人工林地5月表层的含水量最低。另外，在各林地植物吸水根系的分布与植物生理活动节律的共同影响下，各层最低含水量出现的时间也各不相同，但土层越深最低含水量出现的时间越晚。从整个土层剖面看，90 cm以下的土层蓄水量从5—10月基本处于递减状态，即深层的土壤水分在生长季处于消耗状态。

3.4 生长季的耗水量

研究区的黄土层深厚，地下水埋藏很深，无法通过毛细管作用对土壤水分进行补充，同时黄土中无壤中流。因此，无降雨条件下土层内含水量的变化主要是由于土壤蒸发和植物蒸散耗水引起的。如以0~150 cm土层为研究对象，该土层的水量平衡方程为：

式中：P为降水量，R为径流量，ΔW为土壤蓄水量的变化量。

无降水时，降水量P=0，径流量R=0，土壤蓄水量逐渐减少，蓄水量的变化量小于0，蒸发散量E=|ΔW|。有降水时，渗入土壤中的雨水使土壤蓄水量增加，土壤蓄水量的变化量大于0，但空气湿度接近饱和状态，蒸发散量可以认为近似等于0，降水后蒸发散量E=|ΔW|。因此，生长季林地的耗水量等于一定深度土层内土壤含水量的变化量。

利用5—10月每隔30 min观测的土壤含水量计算各林地生长季土壤蓄水量变化量的累计值，即各林地的耗水量，结果见表 7。从表 7可以看出，刺槐人工林地生长季(5月12日—10月12日)的耗水量最大，为249.73 mm，油松林人工林地为248.09 mm，与刺槐人工林地很接近，而次生林地的耗水量只有129.40 mm，只有刺槐人工林地的51.82%。刺槐人工林地和油松人工林地的平均日耗水量为1.62 mm，最大的日耗水量为4.70 mm和4.77 mm，而次生林地的平均日耗水量仅为0.85 mm，最大的日耗水量为2.28 mm。可见刺槐与油松人工林地的耗水量明显大于次生林。

4 结果与讨论

通过对比油松人工林地和次生林地各层土壤含水量(表 2)得出，油松人工林地0~80 cm土层中各层的含水量均高于次生林地，而80~150 cm土层中各层的含水量均低于次生林地。这是因为油松人工林在营造时采用水平条整地，而次生林地在形成过程中无人为干预，坡面处于自然状态。油松人工林地的水平条能够有效拦截坡面径流，这些被拦截的径流有效增加了0~80 cm土层的含水量，从而使其0~80 cm土层中各层的含水量均高于次生林地。而在80~150 cm土层中油松人工林地各层含水量均低于次生林地，是由于油松人工林根系对80~150 cm土层中水分吸收量明显大于次生林，而水平条拦蓄的径流量对80~150 cm深层土壤水分供给不能弥补油松根系对深层土壤水分的消耗，从而导致油松人工林深层土壤水分量明显低于次生林。这说明次生林主要消耗浅层的土壤水分，油松人工林根系对深层土壤水分的消耗量明显大于次生林。这与王力等(2005)在黄土高原子午岭地区研究的结果一致。因此，可以认为整地措施能够显著增加浅层土壤含水量，能够在一定程度上弥补人工植被对浅层土壤水分的消耗，但对深层土壤水分的补偿作用有限。另外，次生林地主要消耗浅层的土壤水分，能够依靠天然降水的补给使次生林植被与土壤水分达成一种均衡状态。因此，在干旱少雨的黄土高原地区恢复植被时，调整人工林植被与土壤水资源的关系，形成与水土资源协调的近自然林，是目前该地区植被建设的关键。

对表 5进行分析后得出，刺槐林地除表层0~10 cm土层的蓄水量与次生林地表层蓄水量比较接近外，其余各层的蓄水量、0~150 cm土层的总蓄水量均明显低于次生林地，即刺槐人工林地的耗水量明显大于次生林地，且多消耗的98.95 mm土壤水分主要来源于80 cm以下土层的水分，这必将导致人工林地“干化层”的形成。这与牛俊杰等(2007)、王力等(2004b；2005)、王志强等(2008)、Schume等(2004)的研究结果一致。因此，在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时，应多采取封山育林的方式，依靠自然力量形成能够与当地水土资源相协调的次生林，是防止人工植被过度耗水形成“干化层”的关键。

对表 6进行分析后得出，各林地土壤含水量的变异系数由表层到深层逐渐递减，0~10 cm土层的变异系数最大。这与Li等(2004)的研究结论一致。刺槐人工林地各层土壤水分的变异系数明显大于次生林地与油松人工林地，油松人工林地与次生林地的变异系数相近。在无降雨时，刺槐根系从土壤吸取更多水分用于蒸散消耗，从而使土壤含水量处于较低水平；降雨时因刺槐林地土壤中含水量较低，导致土壤渗透强度较大和土壤中有更多的孔隙可用于储存雨水，因此，刺槐人工林地土壤含水量的变异系数远大于次生林地。油松林地因在造林时采用水平条大穴整地，1年中的降水几乎全部被拦蓄在水平条内，因此，油松林地0~150 cm土层的含水量维持在较高水平，且各层含水量的变异系数较刺槐人工林地小，但较次生林地略大。可以认为，黄土区造林整地工程不但可以拦蓄地表径流、减少水土流失，还可以减缓土壤水分的变化幅度。

研究得出刺槐人工林地和油松人工林地的平均日耗水量为1.62 mm，这与Schume等(2004)的研究结果十分接近，说明本研究中生长季林地耗水量的计算方法是可行的。