黄土高原地区干旱缺水、生态环境恶化，水土流失严重。水资源紧缺使得人们把水资源的保护和合理开发利用摆在重要议事日程(沈国舫，2000)。土壤水是植物赖以生存的基础，也是流域水循环中最活跃的成分，它影响着农业生产、植被恢复和生态环境、水资源的合理分配与高效利用，因此土壤水资源的研究备受关注(王浩等，2006; 严登华等，2007)。从18世纪到20世纪70年代，中国的森林面积不断减少而农田面积不断增加(Houghton et al., 2003)。由于人类的开荒种植、砍伐林木、建设城镇等活动，土地覆被类型发生改变，自然景观随之变化，引发了资源与环境危机。资源环境问题严重地影响着人们的生产与生活，使经济社会发展的成本加大，人们开始检讨自己的活动，关注覆被变化对水资源的影响。因此必须深入研究土地覆被变化特别是森林植被类型变化对水资源特别是土壤水资源的影响，以便促进森林资源和水资源的可持续利用、水环境状况的根本改善、防止土壤和环境退化和保障经济社会的可持续发展。

早在20世纪60年代，在世界面临资源环境问题的背景下，联合国教科文组织和世界气象组织等国际机构就组织实施了一系列重大国际科学计划，如1964年联合国教科文组织批准实施的国际水文十年、国际地圈-生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文因素计划(IHDP)，于1995年联合推出了土地利用/覆盖变化(LUCC)研究计划，使之成为全球变化研究的前沿和热点。人们开始关注土地利用与覆被变化的环境效应，特别是覆被变化的水文影响研究。Maidment (1992)研究了消除植被对蒸散、地表径流和地下水的影响，Bormann等(1999)研究了农业活动对集水区水文行为的影响，Xu等(2002)研究了采伐和造林后地表水和土壤物理性质的变化，Maitre等(2002)探讨了外来树种与水资源的问题，Zavaleta(2000)研究了外来物种数量和面积的增加对有效土壤水资源的影响。

国内研究主要放在土地利用与土地覆被变化速率和格局的社会经济和自然因素上。近年来，在探讨土地利用与覆被变化的驱动力、研究土地利用与覆被变化对土壤侵蚀和土壤团粒结构及土壤特性影响、论述LUCC环境效应的同时，人们开始研究覆被变化对土壤水分(王云强等，2006)、对土壤干燥度的影响(李正国等，2006)。阿拉木萨等(2005)研究了不同密度和树龄的小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)人工林对沙地土壤水分及蒸散量的影响、章国威等(2008)研究了不同土地利用对潜在蒸散量的影响等，但是有关覆被变化对土壤水资源影响的系统研究报道较少。本研究试图以黄土丘陵半干旱区多年撂荒地向典型植被群落———柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)人工林转变过程为例，研究土地覆被变化对土壤水资源的影响。

1 研究方法 1.1 研究区概况

试验地位于黄土丘陵半干旱区的上黄生态试验站(宁夏固原)，该站位于35° 59′－36° 02′ N，106°26′－106°30′ E。区内沟沿线以上坡度为0 ~ 25°，海拔约1 534 ~ 1 824 m。年内降水分配不均，1－4月降水稀少，降水主要集中于6－9月，降水量占年降水量的70%以上。降水量年际变化较大，变化在634.7(1984) ~ 259.9 mm (1991)。从1983－ 2001年，年均降水量415.6 mm，降水年变率为23.5%，无霜期152天。土壤为黄绵土，植被类型为森林草原向典型草原的过渡类型。试验地位于黑刺峁东坡中部，坡度为7 ~ 12°，海拔约1 650 m。试验区为多年撂荒地，主要植物种类有长芒草(Stipa bungeana)、阿尔泰狗哇花(Heteropappus attaicus)、茭蒿(Artemisia giraldii)、百里香(Thymus mongolicus)等。

1.2 观测项目与测定方法

试验地为东偏南的缓坡地带。在试验地附近，选择代表性地段，挖1个4 m深的土壤剖面，发现试验地黄绵土土壤剖面质地比较均一。在剖面中部(180 cm和200 cm处)用环刀取原状土，在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室采用离心机法测定土壤水分特征曲线。

沿山坡选择立地条件比较均匀的多年撂荒地。撂荒地植被稀疏，主要植物种类有长芒草、阿尔泰狗哇花、茭蒿、百里香等，高度20 ~ 50 cm，盖度为40% ~ 60%，平均为53%，平均生物量为75 g·m^-2。在撂荒地建立20 m × 5 m的标准径流观测场。在径流场中心地带安置2个相距1 m的4 m长的中子水分仪铝合金套管。安置前取土样、测定土壤水分。采用CNC503A(DR)型智能中子水分仪测定剖面土壤水分。测定前对中子仪进行了标定，标定方程为: y = 55.76x + 1.89，其中y为容积含水量，x为中子仪读数。测定时，每20 cm记录1次，中子计数时间为16 s，测定深度为0 ~ 400 cm。柠条锦鸡儿为固原的乡土树种和主要造林树种。按照造林树种排序，柠条锦鸡儿林的造林面积最大。2002年6月24日在径流场进行翻土、平整土地和撒播柠条锦鸡儿种子，建立播量为2.0，1.5，1.0，0.5 kg和对照(撂荒地)试验小区。2002年9月中旬采用样线法调查不同播量柠条锦鸡儿幼林小区密度，在每个小区中部沿小区每隔1 m布设一个样方，每个小区调查9个样方，样方面积为1 m × 1 m。每年4月中下旬－10月，在每个小区内选择40株柠条锦鸡儿，调查不同播量小区柠条锦鸡儿林的基径和高生长。

对土壤水分进行定期和不定期测量。定期测定每年从柠条锦鸡儿开始发芽展叶的4月中旬开始(第1年为播种时)，到落叶(10－11月)结束，每隔15天测定1次。不定期测量根据天气预报进行降水前、后的土壤水分观测。每次降雨后，测量径流桶内水位高度和泥沙含量，计算地表径流量和土壤流失量。

1.3 试验数据处理

试验数据采用Excel软件进行统计处理和数理分析。覆被变化对土壤水分的影响程度用3个指标衡量:一是土壤水分影响深度，根据相同立地条件覆被变化前后2种覆被类型剖面土壤水分垂直变化曲线确定，地表距2条曲线交点的距离即为覆被变化的土壤水分影响深度; 二是土壤含水量差值，即相同期间2种覆被类型土壤含水量之最大差即极差; 三是土壤储水量差值，即2种覆被类型剖面土壤储水量之差。

2 结果与分析 2.1 土壤水分特征曲线

基于对土壤容积含水量和水吸力资料的分析，建立了土壤容积含水量(θ，%)与水吸力(Ψ，10⁵ Pa)的关系为:

(1)

由于黄土高原田间持水时的基质吸力变化在1 × 10⁴ ~ 6 × 10⁴ Pa (杨文治等，2000)，相应的田间持水量实测值为35.73% ~ 16.47%。基质吸力为1 × 10⁵ Pa时的毛管断裂湿度为14.1%。通过对实测值与拟合值的分析发现:在低吸力范围(Ψ＜2 × 10⁵ Pa)，实测值与拟合值相差较大; 在高吸力范围(Ψ≥2 × 10⁵ Pa)，土壤水分的测定值与拟合值非常接近。据此趋势类推，当基质吸力为15 × 10⁵ Pa时，柠条锦鸡儿林地土壤水分的萎蔫系数约为8.6%。

2.2 撂荒地土壤水分

在半干旱地区，一般利用雨季来临前播种柠条锦鸡儿以提高发芽率和成活率。2002年6月8日和22日，研究区分别出现46.4 mm和49.5 mm的大降水，土壤墒情较好。24日翻地并平整土地，随即进行播种，并对同期播种幼林和多年撂荒地剖面土壤水分状况进行定位观测。2002年降水量(384.8 mm)略低于多年平均值，属于偏旱年; 2003年降水量为623.3 mm，接近于1984年(634.7 mm)的丰水年; 2004年降水量为328.3 mm，比较干旱; 2005年为379 mm，低于多年平均值，但是与2002年相当。2002－2005年的降水量及其季节分布不完全一致，但是基本上遵循相同的规律: 1－3月和11－12月降水量稀少，4－5月和10月降水量较多，6－9月为主要降水季节。剖面土壤水分受降水和气温等因素影响而发生变化。用标准差和极差表示时，撂荒地剖面土壤水分变化程度随深度的增加而减弱(图 1)，标准差(SD，%)随深度(z，cm)的变化可以用对数方程进行描述(R² = 0.899 9) :

(2)

由于试验地位于山峁的中上部，土层深厚，地下水埋藏较深，土壤水分主要来自于天然降水。由于2002－2005年4年的降水量相差较大，对土壤水分产生的影响不同，不同年份剖面土壤水分的变化程度不同。由于多年撂荒地植被稀疏，植物根系分布较浅，生产力低，植物对土壤水分的利用深度小。从2002－2005年生长季撂荒地剖面土壤水分平均值随深度的变化(图 2)可以看出，虽然不同年份降水量和剖面土壤水分主要变化层次不同，但撂荒地全年土壤平均含水量垂直变化的幅度较小: 2002年剖面各层土壤平均含水量的变异系数为7.7%，2003年最小，为6.5%; 2004年为9.9%; 2005年为9.1%;均小于10%，这说明不同年份剖面土壤平均含水量的垂直变化程度不太明显。不同年份剖面土壤水分垂直变化差异较小，平均含水量介于12.2% ~ 12.8%，维持在较高的水分状况。通过多年撂荒地0 ~ 400 cm剖面土壤水分测定资料的分析，即使在丰水年(2003年)，也只有在2003年11月初在0 ~ 170 cm土层的土壤水分含量大于毛管断裂湿度，绝大部分时间0 ~ 400 cm剖面土壤水分低于毛管断裂湿度(14.1%)，因此大部分时间撂荒地土壤的液态水上下运行很困难。

2.3 不同初植密度人工柠条锦鸡儿林的土壤水分效应

2002年9月8日调查了不同播种量小区柠条锦鸡儿林密度(表 1)。对1年生不同播种量小区柠条锦鸡儿林地剖面土壤水分变化进行分析。通过对播种时和生长期末剖面土壤水分调查结果的分析发现，不同初植密度柠条锦鸡儿林对土壤水分的利用和影响程度不同。播种量为2.0，1.5 kg和撂荒地小区剖面土壤水分垂直变化见图 3所示。由于2002年降水偏少，不同试验小区剖面土壤水分出现不同程度旱化; 而在2003年为丰水年，不同播种量小区剖面土壤水分储量均出现盈余，这说明在半干旱区，影响林地剖面土壤水分的主要因素为降水，其次为密度，因此仅能根据播种当年的土壤水分状况来确定柠条锦鸡儿林最大初植密度。在测定土层，高密度小区(2.0 kg)土壤储水量由469.5 mm下降到397.2 mm，下降72.3 mm(图 3a); 1.5 kg小区土壤储水量由519.2 mm下降到467.9 mm，下降51.3 mm(图 3b)，对照(撂荒地)下降53.7 mm (图 3c); 低密度的1.0 kg小区下降42.8 mm，0.5 kg小区下降22.8 mm。由于在其他条件相同时，播种量越大，密度越大，柠条锦鸡儿根系吸收的土壤水分越多，林地土壤水分旱化现象越严重，这与有关报道结果相同(阿拉木萨等，2005)。在天然状态下，多年撂荒地剖面土壤水分也出现旱化现象，这说明土壤旱化为一种自然现象。如果以相同期间撂荒地土壤储水量降低值作为正常的参照值，则只有高密度(2.0 kg)小区出现土壤旱化。这说明在树种组成、立地条件、林龄等条件相同时，优势种的种群密度越大，地表覆盖越快，森林植被生态效益愈显著。但是密度太大当年就会引发土壤旱化。因此在研究区柠条锦鸡儿林最大播种量为1.5 kg·(10 m)^-2，相应的最大初植密度为6 500株·(10 m)^-2。于是以多年撂荒地转化为密度6 500株·hm^-2的柠条锦鸡儿林地为代表说明覆被变化对土壤水资源的影响。

2.4 覆被变化对土壤水资源的影响

1 ~ 4年的柠条锦鸡儿林覆被变化对剖面土壤水分的影响如图 4~5和表 2所示。随着林龄的增加，柠条锦鸡儿生根、发芽并定居下来，高度和基径增大，冠层枝叶量和生物量逐渐增加，森林植被对林冠截留率、地表径流阻力和径流量、蒸发散等的影响会逐渐增强，而多年生撂荒地植被稀疏，对地表径流的影响力弱，这些变化必然会反映到土壤水资源上。由于研究区降水年际变化较大，最大年降水量(634.7 mm)与最小年降水量(259.9 mm)相差悬殊，覆被变化对土壤水资源的影响可能出现土壤储水量增加的正效应或土壤储水量下降的负效应。从图 4~5和表 2可以看出，覆被变化对土壤水分的影响程度随时间的推移而发生明显变化。2002年柠条锦鸡儿个体较小，根系吸收利用土壤水分深度较浅，覆被变化对土壤水分影响深度为210 cm。在40 cm土层，平均土壤含水量最大降低0.95%，土壤储水量下降8.3 mm; 2003年8月15日，柠条锦鸡儿的平均高24.7 cm，平均基径为3.8 mm，根系发育良好，且2003年为丰水年，土壤水分补给量较大，柠条锦鸡儿对剖面土壤水分的影响主要集中在0 ~ 230 cm土层范围内，并且对土壤水分的影响为正效应。在剖面160 cm土层，土壤含水量增加1.1%，全剖面土壤储水量由484.9 mm增加到492.8 mm，净增加7.9 mm，这是由于: 1) 2003年降水量接近于有记录的最大降水量，且降水事件多为降水量小历时较长的事件，降水量与土壤水分补给量呈线形正相关，因此降水量增加，土壤水分补给量增大，这是土壤储水量增加的主要原因; 2)随着林龄的增加，林分高度、盖度和地表粗糙度增加，地表径流的阻力加大，因此覆被变化有利于增加降水过程中土壤入渗速率和入渗量，减少地表径流量; 3)植被冠层迅速覆盖地表，有利于降低近地表风速，减弱到达地表面太阳辐射能，从而抑制表土层的蒸发。由于2年生柠条锦鸡儿个体小，蒸散量较低，降水量大，因此覆被变化对土壤水资源的影响出现剖面土壤水资源总体增加的正效应。2004年降水量较小，3年生柠条锦鸡儿林对剖面土壤水分的影响深度达到370 cm，影响程度加大; 最大土壤含水量之差出现在80 cm和100 cm土层，土壤含水量下降2.5%。剖面土壤储水量由503.3 mm下降到463.4 mm，降低39.9 mm; 2005年又出现干旱，降水量为379 mm，低于2002年的降水量，柠条锦鸡儿林对剖面土壤水分的影响深度超过测定深度(400 cm)。在剖面60 ~ 140 cm土层，土壤含水量之差大于3%。在120 cm土层土壤含水量之差达到3.9%，土壤储水量由485.8 mm下降到399.9 mm，下降85.9 mm，林地剖面土壤储水量达到较低的水平。通过以上的分析可以看出，虽然受降水量影响，2003年覆被变化对土壤水资源的影响出现正效应，但是出现这样的几率很低。大部分年份覆被变化对土壤水资源的影响表现出负效应，随着时间的推移，土壤水分和土壤储水量下降幅度加大，覆被变化对土壤水分的影响深度增加，对土壤水资源的影响逐渐增强。由于该区地下水埋藏较深，又无灌溉条件，林地土壤水分主要依靠穿过林冠的天然降水来补充。同时4年生林分地表径流较少，土壤流失量轻微，柠条锦鸡儿可以吸收利用400 cm及其以下土层的土壤水分，而且在80 ~ 200 cm土层(图 6)出现土壤含水量低于萎蔫系数(8.6%)的土层。

土壤干层的水分移动性和对植物的有效性明显降低，土壤干层水分的下限值为萎蔫系数(杨文治等，2000)。萎蔫系数不是一个点，而是一个较小的含水范围。通过对柠条锦鸡儿林生长和剖面土壤水分变化的观测，虽然柠条锦鸡儿耐旱，适应性强，1年内能在宽幅土壤含水量范围内生长。但是当较深土层的根层土壤含水量低于或等于8.6%时，此时虽然不会立即引起柠条锦鸡儿的死亡，但是此时的土壤水分会严重抑制柠条锦鸡儿生长，甚至会出现柠条锦鸡儿变色、提前落叶现象，因此认为8.6%可能是该立地条件柠条锦鸡儿林地土壤水分的下限值。在2006年生长季末，第5年时林地土壤干层延伸到300 cm土层，这个土层深度超过丰水年土壤水分入渗的最大补给深度，即一旦林地土壤干层超过这个限度，将永远无法恢复。因此，这土层深度应该是柠条锦鸡儿利用土壤水分的下限值。为了实现森林植被和土壤水资源的可持续发展，防止植被和土壤退化，就需要考虑对第5年柠条锦鸡儿林采取适当措施，如采用平茬抑制林冠蒸发散，或研究土壤水分植被承载力，并以此为依据降低柠条锦鸡儿林密度，以达到控制林分生长和防治土壤旱化之目的。

3 结论与讨论

土壤水资源是一种可再生资源，土壤水消耗后，腾空的土壤库容(土壤孔隙)才能蓄存新一轮的降水(沈荣开，2008)。只有被植物根系吸收利用，土壤水资源才能发挥作用，产生经济效益。虽然植物特别是像柠条锦鸡儿这样的耐旱植物根系的吸收利用土壤水分能力强，但是植物种类和植被类型可以由人来控制。由于土壤水资源存量巨大，如果不被利用，虽然不会形成土壤干层，但是会造成土壤水资源的极大浪费。在气候条件较好的地区，如果合理利用土壤水资源，不仅可以防止土壤干层和土壤退化，治理水土流失，改善生态平衡，而且会生产一定量的食物、薪材(能源)和饲草，以满足人口增加的需要，特别是在人口密度较大、水土流失严重且人口生态搬迁无法实现的地区。在利用土壤水资源时，如果控制土壤水分下降程度不低于萎蔫系数，在一定库容条件时，满足一定时期内土壤水资源利用量低于补偿能力，这样不仅能满足经济社会发展对森林植被和土壤水资源的需要，而且也能防治土壤水资源利用过程中出现的土壤旱化、土壤干层或新的问题，实现可持续发展战略。

多年撂荒地剖面土壤水分随时间的变化而变化，但是土壤水分主要变化出现在较浅的土层，雨季来临时易于恢复，撂荒地剖面土壤水分垂直变化以及不同年份剖面土壤水分变化程度较小。虽然撂荒地剖面土壤含水量较高，但低于毛管断裂湿度，在研究区不易形成液态连续水柱。研究区地下水埋藏较深，含盐量较低，土壤蒸发时不易形成盐渍化。该区地带性植被为森林草原向典型草原的过渡类型，属于灌丛草原地带，原生植被转为撂荒地属于逆行演替，而柠条锦鸡儿是当地的乡土树种，撂荒地向柠条锦鸡儿林地转化遵循自然规律。除丰水年覆被变化对土壤水资源的影响出现正效应，其他年份均表现出负效应。具体表现在覆被变化对土壤水资源的影响程度随时间的推移逐渐增强，土壤含水量和储水量下降。由于该区林地土壤水分补给主要依靠穿过林冠的天然降水来补充。第4年柠条锦鸡儿林地表径流较少，土壤流失量轻微，已达到水土保持林培育目的; 第5年柠条锦鸡儿利用土壤水分已达到超过土壤水分补给深度或利用限度，林地土壤剖面出现严重的土壤干层和土壤退化现象。为了实现森林和土壤水资源的可持续发展，就需要对第5年柠条锦鸡儿林采取适当措施，如通过平茬抑制林分生长; 或以林地土壤水分承载力为标准，降低林分密度来降低蒸发散，为水资源特别是林地土壤水资源可持续利用提供科技支撑。