土壤水分是联系土壤、植被和大气的重要因子，对土壤特性、植被生长分布、植被群落演替及群落结构有着重要影响^[1-2]。土壤水分受到多种因素的影响，包括植被类型、水文、气象、地形和人为活动等^[3-6]，在时间和空间上表现出明显的变异性和尺度依赖性^[7]。土壤含水量高低对植被的生长、土壤侵蚀及土壤-植被-大气之间水分传递有重要影响^[8]。土壤水分作为植被恢复过程中的主要因子，众多学者对其进行了研究。莫保儒等^[9]的研究表明，柠条(Caragana korshinskii Kom.)生长到成熟阶段，其土壤水分补偿与消耗将会保持平衡。王亚飞等^[10]采用空间代替时间序列的方法研究了黄土高原水蚀风蚀交错区植被恢复中土壤水分变化，发现植被恢复方式是该地区土壤水分变化的主要影响因素。王艳萍等^[11]的研究表明，随着土层深度增加土壤水分变异程度减弱，土壤剖面的含水量变化存在季节变异。傅子洹等^[8]采用经典统计学以及定位观测的方法，对不同植被类型下的土壤水分动态特征与剖面分布进行研究，发现两者具有明显差异。张志南等^[12]的研究表明，半干旱区群落生产力和物种多样性与土壤水分相关。云雷等^[13]对晋西黄土区林草复合界面雨后土壤水分空间变异规律进行研究，表明林地、草地以及林草混交地的土壤含水量、变异系数差别均不大。纵观已有研究，虽然对土壤水分动态变化做了大量研究，但对水蚀风蚀交错区退耕还林(草)形成的典型林地土壤水分季节动态变化及其土壤水分亏缺特征的研究还鲜见报道。研究该区域退耕后形成的主要植被类型土壤水分动态变化特征，对该区域的植被恢复与林业生态工程建设具有极为重要的意义。小叶杨(Populus simonii Carr.)、山杏[Armeniaca sibirica (L.) Lam.]、山桃[Amygdalus davidiana (Carrière) de Vos ex Henry]、柠条(Caragana korshinskii Kom.)、河北杨(Populus hopeiensis Hu & Chow)以及沙棘(Hippophae rhamnoides L. subsp. sinensis Rousi)林地是水蚀风蚀交错区退耕还林(草)后形成的6种主要林地类型，本研究以这6种林分为研究对象，系统地分析了该区不同植被类型下0~300 cm土层土壤水分季节变化特征、贮水量特征及土壤贮水亏缺程度，以期充分了解该区域典型林地土壤水分差异性及其生态水文效应，为该区域水土保持植被高质量可持续发展提供理论依据。

研究区位于陕西省延安市西北部的吴起县长城镇(37°19′N，108°23′E)，海拔1 475~1 760 m。该区域属暖温带大陆性干旱季风气候，少雨多风，春冬两季多沙暴天气，年平均降雨量不足400 mm，主要集中于7—9月份，占全年降雨量的60%以上，且多以暴雨形式出现，是典型的水蚀风蚀交错区，土壤水蚀与风蚀严重。该区域年平均气温7.8 ℃，无霜期130 d左右，土壤主要以绵沙土为主。

2016年春季(5月)、夏季(7月)、秋季(9月)在陕西省延安市吴起县长城镇，选取生长状况良好的小叶杨、山杏、山桃、柠条、河北杨以及沙棘林共6块固定样地进行调查取样，样地基本情况见表 1。

在每种林地内设置20 m×20 m的固定样方，样方内采用“S”型取样方法选取5个取样点，利用5 cm内径的土钻进行土壤样品采集，取样深度为0~300 cm，以20 cm为间隔取样，每层3个重复，将各层土壤样品装入铝盒，带回实验室进行测定。

采用烘干法测定土壤含水量，结果以质量分数表示：在105 ℃鼓风干燥箱内烘干10~12 h，烘至质量不再减少，然后称取质量。土壤含水量的计算公式如下：

式中：θ为所测样品的土壤质量含水量(%)；w₁为烘干前土壤样品质量(g)；w₂为烘干后土壤样品质量(g)。

土壤贮水量的计算公式如下：

式中：D为土壤贮水量(mm)；H为土层深度(cm)；ρ_b为土壤容重(g·cm^-3)；ρ_s为水密度，其值为1 g·cm^-3。土壤容重用环刀法测得。

土壤贮水亏缺度(soil water storage deficit, S_dw)：

式中：D_a为土壤贮水亏缺量(mm)，D_a=F_C-W_C；F_C为田间持水量(mm)；W_C为土壤实际贮水量(mm)。

采用Microsoft Excel 2013软件对试验数据进行初步处理，SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，用Origin 2015软件绘制图表。

不同季节不同植被类型林地0~300 cm土层土壤含水量分布如图 1所示，研究区不同植被类型林地的土壤含水量在春季、夏季和秋季的垂直变化存在一定差异。不同植被类型林地土壤含水量分布的垂直变化具有相似性，即随着土层深度的增加，土壤含水量均呈现先升高后降低的趋势，且在0~40 cm土层，夏季显著高于春季，春季高于秋季，夏季土壤含水量垂直变化最剧烈；在60~300 cm土层，土壤含水量随土层深度的变化明显减弱，最后趋于稳定。

	图 1 不同植被类型林地0~300 cm土层土壤水分的季节分布特征 Fig. 1 Seasonal distribution of soil water content in the 0-300 cm soil layer under different vegetation types
图选项

从图 1(a)可以看出，小叶杨林地在0~200 cm土层各季节土壤含水量变化较大，夏季土壤含水量随土层深度的增加不断降低，而春季和秋季呈先升高后降低的趋势；在200~300 cm土层各季节土壤含水量变化基本趋于一致，基本稳定在3.5%~4.5%之间。从图 1(b)可以看出, 山杏林各季节土壤含水量随着土层深度的增加土壤含水量呈降低的趋势，200~300 cm基本稳定在5.1%左右。从图 1(c)可以看出, 山桃林在0~160 cm土层，春季和夏季土壤含水量随土层加深先降低后升高，而秋季土壤含水量变化趋势与之相反；在160~300 cm土层春季和夏季土壤水分垂直变化较一致，最后稳定在4.5%左右。柠条林地[图 1(d)]在60~300 cm土层各季节土壤含水量随土层的加深先升高后降低的趋势，在200 cm处有明显的拐点。河北杨林地[图 1(e)]土壤水分动态从上而下呈“W”形分布，当土层深度超过100 cm时，各季节土壤含水量均在180~200 cm处达到最高，分别是春季7.2%，秋季7.0%和夏季6.1%。沙棘林地[图 1(f)]各季节土壤含水量变化趋势基本一致，随土层深度的增加土壤含水量呈先升高后降低的趋势，其中春季和秋季土壤含水量均在60~100 cm土层达到最高，春季为11.0%和秋季为7.5%。

不同植被类型林地土壤含水量的变异程度如图 2所示，不同植被类型林地土壤含水量变异系数和变化趋势具有一定的相似性，均随着土层深度的增加，变异系数逐渐减小，最后基本趋于稳定，且变异系数均在表层(0~20 cm)达到最大值。根据变异系数小于10%为弱变异，介于10%和100%之间为中等变异，大于100%为强变异^[14]可知，小叶杨在0~120 cm土层为中等变异，180~300 cm土层为弱变异；山杏和山桃在0~60 cm土层为中等变异，60~300 cm土层为弱变异；柠条在60~200 cm土层为弱变异；沙棘在0~100 cm土层为中等变异，100~300 cm土层为弱变异。

	图 2 不同植被类型林地0~300 cm土层土壤含水量的变异程度 Fig. 2 Variation of soil water content in the 0-300 cm soil layer under different vegetation types
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根据王孟本等^[15]的土壤水分垂直分布活跃层划分标准，研究区不同植被类型林地土壤水分垂直分布活跃层可分为活跃层、次活跃层和相对稳定层。研究区不同植被类型林地表层土壤水分变化剧烈，深层土壤水分变化较小。小叶杨、山杏、山桃、柠条和河北杨林地的土壤水分活跃层较浅，在20~50 cm土层，而沙棘林地的活跃层分布较深(0~80 cm)。小叶杨林地的次活跃层为40~60 cm，沙棘林地为20~40 cm，山杏林地最浅，为0~20 cm。小叶杨和沙棘林地的相对稳定层均在100 cm以下土层，而山杏、山桃、柠条和河北杨林地在60 cm以下土层土壤水分已经变化较小，基本维持稳定。

6种植被类型林地0~100 cm土层土壤含水量和土壤贮水量见表 2。河北杨林地的土壤含水量和土壤贮水量最低，分别为4.49%、52.10 mm；沙棘林地的土壤含水量和土壤贮水量最高，分别是8.00%、93.10 mm。小叶杨、河北杨、沙棘林地的土壤含水量和土壤贮水量存在显著差异(P < 0.05)。由植被土壤贮水量的季节变化曲线(图 3)可知，在0~40 cm土层，土壤贮水量均表现为夏季高于春季，春季高于秋季；在60~100 cm土层，土壤贮水量均表现为春季高于夏季，夏季高于秋季；且夏季变化最剧烈。沙棘林地在不同季节的土壤贮水量均在40~60 cm土层最高。

	图 3 不同植被类型林地0~100 cm土层土壤贮水量的季节变化曲线 Fig. 3 Differences of soil water storage in the 0-100 cm soil layer under different vegetation types
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土壤贮水亏缺度分析结果如图 4所示，不同植被类型林地春季、夏季、秋季土壤贮水亏缺度存在差异，总体表现为秋季高于春季，春季高于夏季。春季，随着土层深度的增加，土壤贮水亏缺度呈先降低后升高的趋势，土壤贮水亏缺度均在180 cm以下土层达到最高，最高值稳定在80.34%~90.60%。夏季，不同植被类型林地之间土壤贮水亏缺度垂直变化具有相似性，随着土层深度的增加土壤水分亏缺加重；研究区植被均在0~40 cm土层土壤水分亏缺程度最低，其中，小叶杨与山杏林地的土壤水分亏缺度最低，分别为62.66%与63.34%。秋季，研究区土壤贮水亏缺度在整个土层波动较大，随着土层深度的增加呈现先升高后降低的趋势，小叶杨与沙棘林地均在40~60 cm土层土壤水分亏缺程度最低，分别为81.17%与78.47%。

	图 4 不同植被类型林地在不同季节的土壤贮水亏缺度 Fig. 4 Soil water storage deficit under different vegetation types at different seasons
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降雨是提供植被生长所需水分的重要来源，不同植被类型土壤水分循环过程，比如降雨入渗、地表蒸发和植物蒸腾作用等，均体现在土壤含水量的垂直分布上，且具有一定的层次性^[16]。研究区6种植被类型林地的土壤含水量变化趋势均表现为先升高后降低，且在0~40 cm土层土壤含水量变化最为剧烈，随着土层深度的增加，土壤含水量变化逐渐减弱最后趋于稳定，主要是因为0~40 cm土层浅，降雨和地表蒸发对土壤水分的影响较大，所以土壤水分变化剧烈，随着土层深度的增加，土壤水分入渗能力下降，土壤结构紧实，进一步使得深层土壤的水分维持在稳定状态^[1]。生长季内，降雨是影响林地土壤水分动态变化的主要因素，其中降雨强度、降雨时间、降雨频率等都直接影响林地土壤水分动态变化^[17]。夏季是降雨集中期，降雨对土壤水分形成了有效补给，导致不同植被类型林地在夏季的土壤含水量较高，同时土壤水分变化较为剧烈。当土层深度超过200 cm时，柠条林地的土壤含水量呈现下降趋势，主要因为柠条是深根性植被^[18]。

研究区不同植被类型土壤水分季节变异特征基本一致，整体表现出浅层变异高，深层变异低，随着土层深度的增加变异系数逐级递减最后趋于稳定。这与马骥等^[19]和肖列等^[20]的研究结果基本一致。本研究区属于水蚀风蚀交错区，是典型的季风气候，在植物生长季内，干湿分明，春季和秋季降水少，蒸发减弱，夏季降水多，蒸发旺盛，浅层土壤水分主要受气温与降水的影响，随着土层加深，土壤水分受气温、降水等条件的影响减弱，季节变异逐渐趋于稳定。

土壤水分不仅受降水的影响也受到植被根系的影响，两者结合形成不同的土壤水分活动层^[1]。土壤水分在降水入渗以及地表蒸发的作用下，变化较为剧烈^[21]，浅层易受降雨和地表蒸发的影响，导致垂直剖面土壤表层处于水分消耗与水分增补的交替过程中，土壤水分波动剧烈，所以土壤水分活跃层分布在0~40 cm土层。土壤水分次活跃层是降水-植被-深层土壤水分进行水分交换的缓冲区^[21]，也是植被根系主要的分布区，为植被生长所需水分提供保障。降水对土壤水分活跃层的影响较大，随着土层深度的增加，植被根系分布空间格局成为影响土壤水分的重要因子，越到深层土壤水分越稳定，形成相对稳定层^[1]。

不同植被类型林地的土壤贮水量存在显著差异，并且具有明显的季节性，这与王晶等^[22]对黄土高原林地贮水量的研究结果相一致。刘姣等^[23]的研究表明，在林内外植被的影响下，各样地的土壤贮水量存在显著性差异。土壤含水量和土壤贮水量的变化具有相似性，同时土壤贮水量的变化可以反映出植被土壤水分的平衡状态^[9]，土壤贮水量变化与植被的根系分布有关，根系分布多，根系对土壤水分的吸收量大，从而导致土壤贮水量增高同时土壤贮水亏缺度减小，沙棘的根系主要分布在0~60 cm的土层，所以沙棘林地在40~60 cm土层土壤贮水量处达到最高，土壤贮水亏缺度最小。

对研究区6种典型植被类型林地的土壤水分特征进行研究，结果表明，不同植被类型林地土壤含水量表现为夏季＞春季＞秋季；且具有典型的垂直剖面特征，各季节土壤含水量变化规律相似，均在0~40 cm土层变化剧烈，越到深层变化幅度越小。不同植被类型林地土壤含水量具有明显的季节变异特征，且在0~20 cm土层变异性较高，变异性随着土层深度的增加逐渐减小，最后趋于稳定；土壤水分活跃层、次活跃层和相对稳定层的土层深度范围存在一定的差异性，沙棘林地的土壤水分活跃层分布最广，为0~80 cm土层，高于其他5种植被类型林地。不同植被类型林地土壤贮水亏缺度存在差异，不同季节6种典型植被类型林地平均土壤水分亏缺度表现秋季＞春季＞夏季；不同季节，小叶杨林地土壤水分亏缺度均最小，且6种典型植被类型林地土壤水分亏缺度均有随着土层深度增加而增大的趋势。