“土壤水库”在黄土高原生态环境发生、演变中具有无可替代的活力，维护“土壤水库”是当前黄土高原综合治理的关键和共同的攻关目标(朱显谟，2000)。土壤水库中储存的水分是植物直接的水分来源，能使间歇性的不均匀降水变为向植被的连续均匀供水，并对植被的生理需水进行调节。土壤水库还可以通过反复的充水、失水将丰水季节(年)储存在深层土壤中的水分调配到枯水季节(年)供植被利用。黄土丘陵沟壑区地处半干旱地区，水资源不足且分配不均，加之地下水一般埋深达50~200 m，植物很难利用，因此土壤水分是黄土高原十分宝贵的资源，对于该区农业发展和植被建设具有重要的意义。水分是黄土高原生态环境恢复重建的重要制约因素，近几十年来许多学者致力于土壤水分方面的研究，并取得了丰富的成果(杨文治等，1992；2000；李玉山，1983a; 李洪建等，2003；陈洪松等，2005；李军等，2008)，但对黄土高原土壤水库水分补充和散失过程及其特征的研究报导相对较少。本文基于野外试验实测资料，建立了土壤属性数据库、植被生长特征数据库和气象数据库，驱动土壤-植被-大气传输模型(SVAT-models)—CoupModel对陕北黄土丘陵区燕沟流域农地、刺槐林地、荒草地逐日土壤水库储水量、降水入渗量、土壤水分蒸发量、植被蒸腾量、深层渗漏量等进行了模拟，旨在揭示不同植被覆盖条件下土壤水库充失水过程及其特征，分析不同类型植被生长和土壤水库动态变化的互动规律，为黄土丘陵区农田管理、退耕还林(草)、生态环境建设提供理论指导。

1 试验地概况

试验地选在陕北延安市南部的燕沟流域。流域总面积46.9 km²，位于36°28′—36°32′ N，109°20′—109°35′ E，属黄土高原丘陵沟壑区，地形主要以黄土梁状丘陵为主，沟壑密度4.8 km·km^-2，土壤侵蚀模数6 000~9 000 t·km^-2a^-1，为强度水土流失类型区(徐勇，2001；王拴全等，2005)。流域属于暖温带半干旱季风气候，年平均气温9.8 ℃，无霜期约170天。多年平均降水量为536.6 mm(1961—2001年)，其中6—9月降水量占全年降水量的70%以上。成土母质为黄土，土壤以黄绵土为主，占90%以上。流域内零星残存的天然次生林覆盖率不足10%，现有人工林主要为刺槐(Robinia pseudoacacia)、山杨(Populus davidiana)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)，经济林主要为苹果(Malus pumila)(卜耀军等，2005)。

2 研究方法 2.1 标准地调查

试验选择同一坡向的刺槐林、荒草地和农地3种地类作为研究对象。每种地类布设2块标准地(林地为20 m×20 m，其他地类为10 m×10 m)，调查试验地基本情况见表 1。刺槐林为1979—1980年栽植，密度1 025株·hm^-2，林分平均树高11.9 m，平均胸径14.0 cm；荒草地为天然生长的旱生草灌群落；农地试验当年种植马铃薯(Solanum tuberosum)，常规大田管理，密度为25 400株·hm^-2，前茬为糜子(Panicum miliaceum)。试验从2006年6月1日开始至2007年5月31日结束。

2.2 观测项目及观测方法 2.2.1 气象要素

在刺槐林旁的荒草地(试验地)上安装1台美国Davis仪器设备公司生产的便携式小气候站(Vantage Pro Weather Station)，每小时连续观测记录气温、相对湿度、风速、降水、太阳辐射，风速观测高度为2 m，其他要素观测高度为1.5 m。小气候站在出厂前已经和标准气象站观测数据进行了校正。小气候站降水量观测高度为1.5 m，气象站常规观测高度规定为70 cm，需要用标准雨量筒观测值来校正小气候站的降水量观测值，故同时在荒草地上安装1台标准雨量筒观测降水。由于小气候站不能观测降雪量，试验地降雪量采用标准雨量筒观测的降雪量值。

2.2.2 土壤物理特性

取各地类土壤剖面不同层次原状土样(100 cm以上分别在0~5，5~10，10~20，20~40，40~60，60~80，80~100 cm土层取样，100~600 cm以下视土质变化分层取样，土壤物理性质测定取样层次均相同)，2次重复，在实验室用恒定水头法测定饱和导水率、英国马尔文公司生产的MS 2000型激光粒度仪测定机械组成，日本日立公司生产的高速恒温离心机法测定土壤水分特征曲线。每块标准地的上、下部各选1点，打竖洞埋设630 cm长铝质中子管(地表外露30 cm高)，用CNC-503D型中子仪测定土壤含水量(本文土壤含水量全部用体积分数来表示)，分别在每月上、中、下旬测定3次，100 cm剖面以上测定层厚10 cm，100~600 cm剖面测定层厚20 cm。打竖洞的同时观测各标准地土质随深度的变化情况，并记录。

2.2.3 植被生长特征

试验期间，每月测定1~2次植被冠层平均高、叶面积指数。用英国Delta-T Devices公司生产的Hemi-View(Delta-T 2000) 型冠层影像分析系统测定刺槐林叶面积指数。刺槐林下灌木、草本和农地马铃薯，用叶面积仪(ST-YMJ)测量标准株或样方内植物叶子的面积，计算叶面积指数。用土钻打竖洞埋设中子管时，每10 cm深用土钻采样，用ϕ=0.5 mm的筛子将各层土样过筛，并拣出所有根系，测定刺槐林地、荒草地植被的根系深度。农地采用挖根法测量作物根系深度。

2.2.4 截留量

在刺槐林下随机均匀地安置10个(每块标准地5个)简易雨量桶，用于收集林内降水。简易雨量桶用铁皮制作，内径20 cm、高30 cm。在2块标准地中按径级共选择20株刺槐(其中8，10，12，14，16，18，20，22径级分别选择2，2，2，4，4，2，2，2株)。将聚乙烯或胶皮管从直径处剖开，在树干上(树皮被修整光滑)螺旋形围绕2~3圈，用万能胶和玻璃泥密封，下部接入塑料桶收集茎干流。

2.3 CoupModel模型描述

瑞典皇家技术研究所Per-Erik Jansson等在20世纪80—90年代开发了CoupModel(coupled heat and mass transfer model for soil-plant-atmosphere system)模型。这是一个沿用已久并经数次修正的一维土壤-植被-大气传输模型(SVAT-models)(Christiansen et al., 2000)，由SOIL(Jansson，1998)和SOILN(Eckersten et al., 1998)2个模型集成而来，主要用来模拟土壤-植被-大气系统水、热过程和碳氮的生物过程，已在很多国家得到应用(我国使用还不多)。模型的核心是2个耦合的水热流偏微分方程，遵循质量守恒定律，假定流动是由水势梯度(Darcy’s law)和温度梯度(Fourier’s law)产生的，用有限差分法求解方程(Jansson et al., 1999；2001)。模型运行需要气象数据、植被特征、土壤属性3个主要的数据库驱动，模型的详细描述见参考文献(Jansson et al., 2004)。

3 模型校正

模拟从2006年6月1日开始至2007年5月31日结束，模拟结点是土层厚度的中点，模拟深度为600 cm，分为31层。模拟时间步长为日，输出逐日土壤水库储水量、降水入渗量、土壤水分蒸发量、植被蒸腾量、深层渗漏量等。研究明确考虑植被对土壤-植被-大气系统中水能传输的影响，因此农地、荒草地采用明确单大叶模式，刺槐林地采用明确多叶模式。CoupModel模型包含较多参数，模型的开发者根据研究成果给模型的参数均设置了合理的范围，同时给出较为理想的默认值。模拟过程中需要根据模拟结果调整部分参数值使模拟结果达到一定的精度。基于野外测定、相关参考文献以及模型调试过程中对参数校正，本文调整了部分对模拟结果较为敏感的参数(表 2)，其他参数均采用模型的默认值。将小气候站和标准雨量筒观测的降雨量值并进行回归统计分析，得回归方程y＝1.081 5x(R²=0.995，n=127)，本文取降雨量校正因子(PrecA0Corr)为1.08(表 2)。用实测茎干流量和透流量，订算出刺槐林冠对降雨的截留量，农地、荒草地、林下植被冠层低矮、茎干细弱，至今没有较为理想的方法观测其实际截留量。Murai等(1975)用试验的方法测得林下植被冠部覆盖面的吸附水量为0.15~0.56 mm，本文根据试验地植被生长情况，选取农地、荒草地、刺槐林下植被冠层截留容量为0.5 mm，刺槐林地总截留容量为2.3 mm(表 2)。根系吸水补偿度(flexibility degree)、叶气孔半开时的水汽压差(CondVPD)、表征地表阻抗与最上层土壤水势关系的经验系数(PsiRs-1p)等参数在模型设置范围内适当调整，视模型敏感程度和模拟结果精度来校正确定。叶面积指数(LAI)、最大根深(lowest root depth)、冠层高度(canopy height)、土壤有机质层厚(organic layer thick)、小气候站海拔(alt met station)、试验地海拔(alt sim position)、试验地纬度(latitude)、试验地坡向(slope E-W和slope N-S)等都由实测而来。

据试验地土壤水分实测结果，试验期间各地类200 cm以下土壤含水量变化相对缓慢，因此本文选取10，50和200 cm深度土壤水分的实测值和模拟值进行对比分析(图 1)。模拟结果显示，10，50和200 cm土壤水分的实测值和模拟值直线回归的决定系数均在0.8以上，实测值和模拟值平均误差-1.01%~0.64%，均方根误差0.01%~2.16%，模拟值与实测值具有较高的一致性，说明模拟结果准确可靠。

4 结果与分析 4.1 土壤水库库容曲线

土壤水库的蓄水量和植物对土壤水的利用量直接决定于土壤对水分的蓄持作用，也即土壤基质吸力的大小，土壤水库蓄水量与土壤基质吸力的关系直接影响土壤水库的供耗水性能，类似于地面水库的水位库容曲线(孟秦倩等，2008)。根据实测土壤水分特征曲线，计算出3种地类不同土壤基质吸力对应的0~600 cm土层平均蓄水量(图 2)。

图 2显示：随着土壤基质吸力增大，农地、刺槐林地和荒草地0~600 cm土层平均蓄水量逐渐降低，二者呈幂函数关系，回归决定系数均达到0.96以上。在同一土壤基质吸力下，0~600 cm土层平均蓄水量刺槐林地＞荒草地＞农地，但由于农地、刺槐林地和荒草地土壤质地均为砂壤土(100 cm以下剖面夹有个别粘壤土层)，0~600 cm土层平均蓄水量随土壤基质吸力的变化差异并不显著。

4.2 土壤水库充水特征 4.2.1 土壤水库的充水动态

黄土丘陵区地下水位较深，一般没有灌溉，土壤水库中的水分主要来自于大气降水。大气降水到达植被冠层后被截留一部分，再以茎干流和穿透降水的形式到达土壤表面；到达地表的水量再分配为地表径流和土壤渗入量，渗入土壤中的降水即为土壤水库的充水量。试验期间，农地、刺槐林地和荒草地的逐日充水量模拟结果见图 3。3种地类的充水量变化趋势一致，均与降水量大小密切相关，6—10月降水量较大且相对集中，土壤水库的充水量较大；11月—次年5月降水量较小，土壤水库的充水量也明显较小。1年中，农地、刺槐林地和荒草地6—10月充水量分别占年总充水量的73.6%，70.9%，73.5%，地类间差异不大。

农地、刺槐林地和荒草地的模拟总充水量分别为437，361和429 mm。尽管农地的地表径流量大于荒草地和刺槐林地，但由于农地作物生育期较短、冠层叶面积指数较小，冠层对降水的截留量也较小，因此农地土壤水库的充水量比刺槐林地多76 mm，比荒草地多8 mm。试验期间农地、荒草地的充水量分别占同期降水量463 mm的94.3%和92.6%，地表径流量和冠层截留量仅占大气降水的较小部分；而刺槐林地充水量占降水量的77.9%，地表径流量和冠层截留量亦占到大气降水的22.1%。

4.2.2 土壤水库充满程度

土壤水库的充满程度取决于其水分来源，即降水量及其分配和水分收支平衡状况(李玉山，1983b)。土壤水库充满程度愈高，对作物供水的调节作用愈强；反之，土壤水库充满程度愈低，土壤水库的水分亏缺度愈大，植被旱时其抗旱能力愈弱。以田间持水量(体积分数23.9%(杨文治等，2000))以下0~600 cm土层土壤水库库容量(1 435 mm)为基准(卫三平等，2007)，用土壤水库的逐日蓄水量计算3种地类土壤水库的逐日水分充满程度(图 4)。

模拟结果表明：农地土壤水库的充满程度达72.8%~79.3%，荒草地为41.4%~47.5%，刺槐林地仅为37.1%~41.2%，平均土壤水库蓄水量分别为1 096，640，563 mm，刺槐林地和荒草地均出现土壤干燥化，刺槐林地尤为严重。农地土壤含水量较高，且充水量较大，因此土壤水库的充满程度显著高于荒草地和刺槐林地，对植被供水的调节能力也大于荒草地和刺槐林地。1年中，土壤水库蓄水总量的变化可分为充水和失水阶段，其变化和降水季节变化相一致。雨季土壤充水量达到年内最大值，土壤水库的蓄水量也达到最大。农地、刺槐林地和荒草地5月土壤水库的充满程度最低，9—10月最高；6—10月为充水阶段，11月—次年5月为失水阶段；6—10月充满程度受植被耗水和降水波动的影响而变化较为剧烈，11月—次年5月则变化相对平缓。

4.3 土壤水库失水特征 4.3.1 土壤水库的失水动态

土壤水库的充水过程只有在降水出现时才发生，即有降水才有充水，是一个不连续的过程；而土壤水库的失水则是连续进行的不间断过程。试验期间，农地、刺槐林地和荒草地土壤水库的模拟失水量具有明显的季节变化特征(图 5)，春季随着地温的升高和植被的生长土壤水库的散失量逐渐增加，7—8月达到峰值，随后不断减小，次年1月降至最低。1年中，农地、刺槐林地和荒草地5—8月的失水量分别占年总失水量的61.1%，69.6%，64.2%。受气象要素、植被生长、土壤水分等条件的影响，土壤水库失水量的变幅5—10月较大，11月—次年4月较小。

4.3.2 土壤水库的失水途径

进入土壤水库的水分主要通过土壤蒸发、植被蒸腾、深层渗漏散失，其余的水分蓄存下来对植物需水起到调节作用。试验期间，农地、刺槐林地和荒草地模拟总失水量分别为421，393和468 mm(表 3)。农地深层土壤含水量高达19%以上，水分运动较快，深层渗漏量相对较大；相反，刺槐林地和荒草地土壤含水量仅为7%~9%，深层渗漏量很小，可忽略不计。由表 3可见：农地土壤水库中水分的消耗主要为土壤蒸发，占土壤水库总失水量的66.5%，农作物蒸腾耗水占23.1%；刺槐林地的水分主要通过土壤蒸发和植被蒸腾散失，两者分别占土壤水库总失水量的50.9%和49.1%；荒草地的水分也主要通过土壤蒸发和植被蒸腾散失，但土壤蒸发量明显大于植被蒸腾量，分别占土壤水库总失水量的56.6%和43.4%。土壤水库中水分的散失量与充水量和水分的蒸散密切相关。刺槐林地土壤水库充水量显著小于农地和荒草地，而且较低的土壤含水量限制植被的蒸腾，茂密的林冠导致较低的地温，限制土壤水分的蒸发，因此刺槐林地土壤水库的失水量明显小于农地和荒草地。农地土壤水库充水量最大，土壤水分条件最好；且由于农地作物生育期短，蒸腾耗水也较少，导致土壤水库的失水量小于荒草地。2006年6月1日至2007年5月31日1周年中降水总量为463 mm，为延安多年平均值537 mm的86.9%，较为干旱。农地土壤水库的失水量比充水量少15 mm，刺槐林地和荒草地土壤水库的失水量分别比充水量多32，39 mm，农地土壤水库的蓄水量有所增加，刺槐林地和荒草地则入不敷出，水分平衡出现负补偿现象。

5 结论与讨论

1) 土壤基质吸力随土层平均蓄水量逐渐降低而增大，二者呈幂函数关系；土壤水库充水量变化趋势与降水量大小一致，充水量呈明显的季节变化特征；农地土壤水库的失水量小于充水量，对植被供水的调节能力明显大于荒草地和刺槐林地。

2) 由于气候旱化和植被过度耗水等原因，黄土区林草地出现普遍的土壤干化现象，其中尤以人工林草地严重(侯庆春等，1999；李裕元等，2001)。土壤水库的充失水特征和土壤干化的严重程度紧密相关。刺槐林地和荒草地土壤水库的失水量大于充水量，水分平衡为负补偿状态，出现较为严重的土壤干化现象(王力等，2009)。刺槐林地较小的充水量，较大的土壤蒸发量和植被蒸腾量，“充小失大”2方面的原因造成土壤干燥化；而强烈的土壤蒸发和植被蒸腾导致较大的土壤失水量是造成荒草地土壤干化的主要原因。由于土壤干化影响黄土高原的植被恢复和生态环境重建，从这一角度讲，处理好植被与土壤水分的互动关系，保护土壤水库对黄土区植被建设和退耕还林还草工程具有重要意义。