土壤水分是植物生长最主要的限制性因子，是气候、生态、农业等领域研究的主要参数，对其变化规律的研究是恢复生态学研究的一个重要课题^[1]。这其中，黄土区因其独特的自然地理条件，严重的水土流失状况，使得该地区土壤水分时空变化及与植被生长的关系问题成为应用生态学领域研究的热点^[2-3]。土壤具有空间异质性特点，加之土壤中的水分受降水、蒸发、入渗等因素的影响，也造成了土壤水分的空间变异性^[4]。相关研究认为，土壤水分空间变异特性与土地利用方式和地表干扰密切相关^[5-7]。许多研究均证明了土壤水分存在水平方向的空间自相关^[8]，对于坡面来说，坡向、坡度、坡位是土壤水分水平分布的重要影响因素^[9-11]；而在垂直方向上，土壤水分在不同深度层次，因降水量、土壤质地、前期土壤含水量的不同及不同的土地利用方式而表现出不同的变化规律^[12-13]，不同土地利用方式下干湿交替层内土壤水分具有明显季节性波动变化特征，且干湿交替层深度范围有所区别^[14-15]。另外，不同层土壤水分的变异特征也差异较大，可根据变异强度将土壤水分层分为活跃层、难恢复层和稳定层^[16]。

道路边坡是一种特殊的人工重塑坡面，工程建设改变了地表的坡度、坡长，自然植被完全被破坏并被人工植被所取代，天然土壤质地、结构因路基安全需要被扰动、破坏，这势必会造成道路边坡土壤持水、透水特性的改变，进而影响了边坡土壤水分的分布^[17]。目前关于道路边坡土壤水分时空变化的研究比较缺乏，且多着眼于土壤水分与边坡病害的关系方面^[18]。本研究以青兰高速为例，进行了边坡土壤水分的连续监测，并据此分析了黄土区道路边坡土壤水分的空间分布特点，以期为公路边坡的生态修复与养护提供技术支持。

试验地选择在青兰高速公路陕西省富县张村驿路段(建成于2010年11月)，位于黄土区腹地，属典型的黄土丘陵沟壑地貌。设置连续观测样地4处，包括公路路基填方边坡和挖方边坡各2处，依次分别记为S1，S2，S3，S4样地，各样地特性见表 1。

在试验样地分上坡位(距坡顶不小于1 m)、下坡位(距坡脚不小于2 m)设置监测剖面埋设TDR水分监测探头，采用自动数据采集器终端对不同坡位、不同深度土壤含水率实施自动连续监测记录，定期进行数据下载。

在每个监测剖面分表层(0~20 cm)、中层(20~50 cm)、下层(50~100 cm)3层分别设置监测点，埋置感应探头，探头埋置深度分别控制在10~15 cm，35~40 cm和75~80 cm处，上坡位3个探头由地表向下分别记为1^#，2^#，3^#，下坡位3个探头由地表向下分别记为4^#，5^#，6^#，如图 1所示。

图 1 探头布设及数据采集系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of probe arrangement and data acquisition system

2014年7月至2015年7月对4处样地的土壤含水率进行了连续监测。监测指标为土壤体积含水率，土壤含水率数据自动采集频次设定为每2 h采集1个数据。其中，由于S3样地的5^#，6^#感应探头初始化错误，监测开始阶段数据异常，2014年8月23日更换后，数据正常。另外，由于该样地植被2015年3月8日被人为焚烧，导致此测点的感应器被烧坏，2015年5月对烧坏的感应探头进行了更换，期间数据不作为本次监测结果进行分析。

4处样地不同坡、层位全年及典型月份土壤含水率均值分别见表 2。

研究中对黄土区道路边坡表层土壤水分情况进行了普查。从普查结果来看，同样条件下，道路边坡下坡位表层土壤含水率一般高于边坡上坡位，差值普遍在1%~4%，最大差值达到8.3%。

从表 2中也可以看出，填方边坡阴坡(S1样地)和挖方边坡阳坡(S3样地)也符合这一规律：S1样地下坡位表层土壤含水率年均值比上坡位高4.2%，各典型月份含水率均值也分别高2.3%~11%，特别是雨季(8月)，上坡位与下坡位的含水率均值差达到11%；S3样地下坡位表层土壤含水率年均值比上坡位略低(0.4%)，其中2014年7月至2015年3月设备被人为损坏前的9个月份内，下坡位月均值均高于上坡位，差值在0.9%~2.3%之间。

S2样地(填方边坡阳坡)下坡位监测点布设于下层拱形骨架的上部边缘处，受其影响，下坡位表层土壤含水率年均值及各月均值均低于上坡位，年均值差值为3.1%，各月均值差值1.9%~4.9%，可见，骨架护坡对坡面径流的再分配作用对边坡土壤水分分布影响较大；S4样地(挖方边坡阴坡)坡度较陡，坡面土质相对疏松，边坡下半部分设有砌石护面墙，下坡位测量剖面紧邻护面墙内侧设置。根据监测，下坡位剖面3个测点土壤含水率年均值和各月均值均低于上坡位相应位置测量值，其中表层土壤含水率年均值相差1%，月均值差值在0.04%~2.7%之间，分析原因可能下坡位剖面测点含水率受侧向流失所致。

从表 2可以发现：

挖方边坡阳坡(S3样地)下坡位中、下层土壤含水率均值基本大于上坡位(除11月、2月中层外，另外5月和年均值不作讨论)，而挖方边坡阴坡(S4样地)因受水分横向流失影响，下坡位土壤含水率均值均小于上坡位。这表明，由于挖方边坡土壤结构基本未被扰动，土壤孔隙度和导水能力相对均一，从而使得不同土层(上、中、下层)间土壤水分具有相对一致的水平向分布特点。

而填方边坡不同层间土壤水分在水平方向上则呈现明显的无规律分布：填方边坡阴坡(S1样地)下坡位中层8月、11月、2月土壤含水率均值大于上坡位，5月和年均值小于上坡位，而下层土壤含水率均值则全部小于上坡位，与表层完全相反；填方边坡阳坡(S2样地)下坡位中层土壤含水率均值均大于上坡位，与表层完全相反，而下层则全部小于上坡位。这主要是由于填方路基土体完全是由人工填筑而成，土壤结构完全被破坏，加之填料级配的不均匀性，造成了土壤孔隙度及导水能力的空间异质特点，从而影响了土壤水分的分布和补偿。

根据连续监测结果，总体来看，道路边坡土壤水分的垂向分布主要有以下两个特点：

(1) 公路边坡表层土壤水分含量低于中层，但阴、阳坡又表现出不同的差异特征。

这种现象在阳坡表现得尤为显著：填方边坡阳坡下坡位各月份表层土壤含水率均值均低于中层，全监测期平均低9.1%，各月均值差距在4.9%~12.8%之间。上坡位除个别雨季月份(7、8月及2015年11月)外，其他各月表层含水率均值也低于中层，差值在0.3%~3.7%之间；挖方边坡阳坡上、下坡位各月表层土壤含水率均值均小于中层土壤(剔除设备损坏后的数据)，差值分别在7.4%~8.4%和5.0%~8.3%之间。

这种现象在阴坡表现不明显：尤其是在填方边坡的阴坡，上坡位全监测期土壤总水分表层低于中层，2014年7月至2015年2月，各月表层土壤含水率均值均低于中层，差值在0.1%~7.9%之间，但自2015年2月后的各月，表层含水率均高于中层。下坡位除2014年12月外，其余各月表层水分均高于中层；挖方阴坡上坡位除2015年1月、2月份表层含水率略高于中层外，其余各月表层土壤含水率均值均低于中层，差值在0.6%~9.1%之间。而下坡位则可能受侧向水分流失影响，呈现无规律的交替增减变化。

(2) 公路边坡表层土壤水分含量与下层土壤水分含量之间呈现弱相关或不相关的关系。

填方边坡阴坡上边坡表层含水率均低于下层，但下坡位则出现交替状态；挖方边坡阴坡上、下坡位表层与下层水分之间均呈现交替状态，但总体表层水分高于下层；填方边坡阳坡除上坡位个别月份下层水分含量高于表层外，总体较表层水分含量低，特别下坡位下层水分均小于表层，且差值在7.7%~13.9%之间；挖方阳坡虽然表层水分总体低于下层，但雨季的7月、8月、9月3个月份上坡位也出现表层高于下层的情况。

对各样地不同坡位不同层土壤含水率月均值间的相关关系进行拟合，见图 2，其中，2^#/1^#，3^#/1^#分别为上坡位中层、下层土壤含水率与表层土壤含水率之间的拟合关系，5^#/4^#，6^#/4^#分别为下坡位中层、下层土壤含水率与表层土壤含水率之间的拟合关系。

图 2 不同层位土壤含水率的相关性 Fig. 2 Correlations of soil moisture content in different soil layers

由图 2可见，表层与中层土壤含水率之间的相关系数明显高于表层与下层之间的相关系数，说明表层含水率与中层间具有相对较一致的变化规律。而表层含水率与下层含水率之间相关关系不明显，呈不相关或弱相关；同时，也可以看出，挖方边坡各层间相关性系数明显高于填方边坡。基于此，可以得出以下几点结论：

(1) 公路边坡表层土壤和中层土壤之间在水分上存在较好的水力互补关系。即降雨或有地表径流、融雪等水分补给时，边坡表层在补充土壤水分的同时，也能向下传输为中层土壤进行水分补偿。反之，边坡表层土壤因干旱或蒸发失水时，中层土壤水分也会因水势的改变而向上运移对表层土壤水分给予补偿，同时，中层土壤水分也可能直接气化而蒸发；而边坡下层由于埋深相对较大，其土壤水分与表层土壤水分的补偿关系较弱，且受边坡土壤透水能力的影响具有一定的延后性。

(2) 由于填方边坡是完全由人工重筑的单元，土体结构完全被破坏，填料具高度不均匀性，且压实度较自然土体高，导致其具备了高度不均匀的孔隙度及导水能力，从而使得该类边坡具有不同坡位、不同层土壤水分之间相关性较差的特点；而挖方边坡只是改变了自然坡度，坡面土体为原状土体，质地相对均一，因而挖方边坡不同层土壤水分相关性较好，即使表层和下层之间在土壤水分含量的变化规律上也存在一定的一致性。

(3) 阳坡较阴坡接受太阳辐射量更多，边坡土壤水分蒸发量相对更大。因此，在阳坡上“表层土壤平均水分含量低于中层”的特点体现得更为明显。另外，填方边坡上坡位较下坡位更易受风的影响，地表蒸发量相对较大，这也是边坡上坡位表层土壤水分损失较下坡位明显的另一主要原因。

通过连续监测的方法，对黄土区道路边坡土壤水分空间分布的特点进行了研究，关于边坡土壤水分空间分布主要得出以下结论：

(1) 在水平方向(即同层位比较)上，道路边坡下坡位表层土壤含水率一般高于边坡上坡位，但因坡面工程措施引起的径流再分配及横向流失等因素的影响而表现出无规则变化；挖方边坡中、下层土壤水分横向分布表现出与表层基本一致的规律，而填方边坡则因土壤质地、结构的空间异质性而使得中、下层土壤水分在横向上表现出明显的无规律分布特点。

(2) 在垂直方向上，边坡表层土壤含水率总体水平(年、月均值)一般低于中层，这种差异在阳坡表现得尤为明显。边坡表层与中层土壤水分总体水平之间的相关系数明显高于表层与下层之间的相关系数，说明表层含水率与中层间具有相对较一致的变化规律，而表层与下层之间呈不相关或弱相关关系。这种相关性在不同型式边坡上的表现也存在差异，挖方边坡各层间相关性系数明显高于填方边坡，土壤质地及结构的差异是造成这一现象的主要原因。