土壤水分是土壤-植物-大气连续体之间相互联系的关键因子，是控制土壤表层水分与能量通量的关键变量^[1-3]。以贵州高原为中心的喀斯特地区是世界上面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区，也是喀斯特发育最典型、最复杂、景观类型最丰富的一个片区^[4]。该地区年降雨量大、岩溶作用强烈，地表-地下二元三维空间结构，地表水渗漏严重、地下水深埋、土层浅薄且不连续、土壤抗侵蚀能力弱、土层浅薄持水能力差^[5-6]。降雨是影响土壤水分的重要因素，是喀斯特地区植被生长的重要水分补给源。喀斯特地区降水较为充沛，但土壤水分缺乏仍然是喀斯特地区生态恢复重建的主要影响因素^[7]。喀斯特土壤水分受降雨过程影响，同时降雨转化为土壤水分的过程及效率受土地利用类型、基岩裂隙发育程度、土层厚度的影响^[8]。喀斯特地区特殊的空间异质性，导致土壤水分入渗机制较为复杂。

对于土壤水分的研究，主要集中于干旱半干旱、黄土丘陵区和红壤丘陵区^[9]。高露等^[10]通过分析干旱半干旱地区草地土壤水分对于降雨的响应，表明降雨对于该地区土壤水分补给存在临界深度，随着土层深度的增加水分补给增量有所减少，同时，降雨强度和土壤初始含水率会影响降雨下渗过程。赵丹阳等^[11]通过对晋西黄土区不同林地土壤水分年内变化和垂直变化进行监测，将不同林地土壤水分年内变化，划分为稳定期、波动期、增长期、消耗期，而垂向变化可划分为速变层和相对稳定层。在喀斯特地区，研究多集中于不同微地形单元土壤水分的动态变化及其主要影响因素和土壤水分的季节变化、空间异质性特征^{[1, 12-15]}。徐勤学等^[13]分析喀斯特峰丛坡地灌木林地和梯田旱地各土层的入渗过程，结果表明梯田旱地入渗特征低于灌木林地，同时土壤理化性质对土壤水分入渗具有显著影响。CHEN et al^[16]分析喀斯特小流域土壤水分的季节性补给特征和平均滞留时间，结果表明坡面和洼地季节性补给特征相似，坡面水文过程迅速，而洼地土壤水分滞留时间较长。针对降雨过程中土壤水分响应动态变化研究较少。本文在贵州省喀斯特高原峡谷石漠化治理区，选取当地典型植被类型花椒(Zanthoxylum bungeanu Maxim.)、山豆根(Sophora tonkinensis Gapnep.)、金银花(Lonicera japonica Thunb.)为研究对象，撂荒地为对照，以原位监测植被土壤水分和降雨特征为基础数据，分析不同植被类型土壤水分对降雨的响应特征，探讨各植被土壤水分利用状况，以期为喀斯特石漠化地区植被恢复和生态恢复重建提供科学依据。

研究区位于贵州省贞丰县北盘江镇国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心生态水文监测基地(105°36′30″~105°46′30″E, 25°39′13″~ 25°41′00″N)，属于北盘江流域花江段，总面积26 km²，喀斯特面积占总面积的87.92%^[17]。气候类型为亚热带干热河谷气候，年平均气温18.4 ℃，年平均降雨量1 100 mm，降雨季节分配不均匀，雨季集中于5—10月份，占全年降雨量的83%。研究区属于强度石漠化区域^[18]，地表岩石裸露破碎，基岩裸露率高达70%，且成土速率慢，水土流失严重，导致土层贫瘠、土壤保水性能差。小流域内原生植被匮乏，植物以次生林为主，人工经济林以耐旱性的花椒、火龙果(Hylocereus undulates Britt)、金银花、山豆根等为主。其中花椒、金银花种植分布最广泛。

2019年6月，选取坡位、坡向、坡度、种植周期基本一致的花椒地、山豆根地、金银花地及撂荒地4类样地为试验样地。花椒地、山豆根地、金银花地分别于2016年种植，撂荒地2015年开始撂荒，各植被土壤类型为石灰土。在各样地分别安装土壤水分传感器(5TE，美国)，精度为0.03 m³·m^-3，监测0~15 cm、15~30 cm、30~45 cm土层土壤体积含水率。利用数据采集器(EM50，美国)，以30 min·次^-1的频率原位动态采集数据，本文所用的监测数据为2020年4—7月，共4个月。研究区内设有气象站(METER，美国)，主要监测降雨量、气温等指标，数据采集频率为30 min·次^-1。

基于气象数据与土壤水分连续动态监测，分析各植被土壤储水量及小雨、中雨、大雨、暴雨事件中土壤水分有效补给滞后时间、有效补给速率和有效补给效率，定量分析不同植被类型对降雨的响应特征。

(1) 土壤储水量指土壤在一定深度范围内土壤体积含水量^[19]，计算公式如下：

式中：W为0~45 cm土壤储水量(mm)；θ_i为土壤水分传感器测的各层土壤体积含水率(mL·mL^-1)；d_i为对应的土层深度(mm), 本研究中各层深度均为15 cm，共计45 cm。

(2) 土壤水分补给量的计算公式为：

式中：△W_i为降雨对第i土层土壤水分的补给量(mm)；W_{i, max}为降雨后第i土层土壤储水量最大值(mm)；W_{i, 0}为降雨前第i土层土壤储水量初始值(mm)。

(3) 土壤水分有效补给滞后时间的计算公式为：

式中：△t_i为降雨后第i层土层观测到水分补给的滞后时间(h)；t_i为第i层土层观测到土壤水分开始增加的时间(h)；t₀为降雨开始的时间(h)。

(4) 土壤水分有效补给速率的计算公式为：

式中：V为土壤水分有效补给速率(mm·h^-1)；t_i-max为第i层土层土壤储水量达到最大值的时间(h)。

(5) 土壤水分有效补给效率的计算公式为：

式中：R为降雨对土壤水分有效补给效率(%)；P为降雨量(mm)。

利用Origin 2017软件进行绘图，利用IMB SPSS Statistics 22软件统计分析土壤水分数据。

在监测期间，研究区共有33场次降雨事件，降雨级划分如表 1所示。选取前3 d无降雨和降雨后24 h无降雨的不同降雨级次降雨事件进行分析。其中2020年6月25日为暴雨，降雨量为104.6 mm；2020年4月30日为大雨，降雨量为30.4 mm；2020年6月19日为中雨，降雨量为16.6 mm；2020年5月30日为小雨，降雨量为9.6 mm。

由表 2可知，4种植被类型中花椒地平均土壤含水率最低，且各植被平均土壤水分变异系数为花椒地>撂荒地>金银花>山豆根，表明金银花地、山豆根地能够有效地保持土壤水分。不同植被土壤含水率随土层深度变化各异。撂荒地15~30 cm土层的土壤水分变异系数为25.17%，占比最高，为活跃层，0~15 cm和30~45 cm土层的土壤水分变异系数分别为13.73%、16.25%，均为次活跃层^[20]；其中30~45 cm土层土壤含水率最高，达25.72%，明显高于0~30 cm土层，表明撂荒地剖面土壤水分不断进行深层补给。花椒地各土层土壤水分变异系数均高于其它植被类型，其中15~30 cm土层土壤水分变化最为强烈，变异系数为32.16%，土壤剖面可以划分为速变层-活跃层；各土层的土壤平均含水率为14.28%~17.55%，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐下降。金银花地的土壤水分变异系数随着土层深度增加逐渐减小，0~15 cm土层土壤水分变异系数为20.02%，为活跃层，15~45 cm土层为次活跃层；各土层的平均土壤含水率为18.60%-26.35%，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐升高。山豆根地15~30 cm土层的土壤水分变异系数为12.97%，为次活跃层，土壤表层和底部为活跃层；各土层的土壤平均含水率为20.61%~25.37%，15~30 cm土层的最高，为25.37%。

在4种降雨事件中，各植被类型土壤剖面水分动态变化如图 1~图 4所示。土壤水分增加滞后于降雨增加，表明不同植被类型对于降雨的响应均存在滞后性。不同植被类型0~15 cm土层土壤水分响应最敏感，在4种降雨事件中土壤水分平均滞后时间分别为金银花地1.25 h，撂荒地2.00 h，山豆根地2.25 h，花椒地2.88 h。受植被根系分布特征及入渗截留作用的影响，15~45 cm土层土壤水分对降雨响应延时，滞后性增加。金银花地15~30 cm、30~45 cm土层土壤水分平均滞后时间为2.63、2.83 h；撂荒地的为4.13、3.50 h；花椒地的为4.25、6.63 h；山豆根的为8.13、5. 50 h。在同一降雨事件中，金银花地、撂荒地土壤水分的滞后性低于花椒地、山豆根地，其中金银花地敏感性最强。土壤水分入渗补给受到土壤初始含水率的影响较为明显。不同植被在中雨事件前，土壤含水率均最高，降雨过程入渗较慢，导致中雨事件滞后性最强。

	图 1 小雨各植被类型土壤剖面水分变化 Fig. 1 Soil moisture changes in various vegetation types under light rain
图选项

	图 2 中雨各植被类型土壤剖面水分变化 Fig. 2 Soil moisture changes in various vegetation types under moderate rain
图选项

	图 3 大雨各植被类型土壤剖面水分变化 Fig. 3 Soil moisture changes in various vegetation types under heavy rain
图选项

	图 4 暴雨各植被类型土壤剖面水分变化 Fig. 4 Soil moisture changes in various vegetation types under rainstorm
图选项

根据土壤水分在降雨前后的变化可划分为滞后期、上升期、消退期^[8]。在小雨事件中(图 1)，由于前期降雨量较少，各植被土壤含水率为4种降雨事件中最低。撂荒地、金银花地0~15 cm土层土壤水分滞后时间为2.0、1.5 h，而山豆根地和花椒地的滞后时间较长，在降雨6.5 h后土壤含水率出现明显增加。撂荒地、花椒地、金银花地、山豆根地0~15 cm土层土壤水分上升时间为4.0、10.0、6.5、14.0 h，土壤含水率增加量为5.24%、3.78%、4.73%、2.64%。由于小雨的降雨量较少，对深层土壤水分补给效果不明显，其中撂荒地、金银花地30~45 cm土层土壤含水率未增加。撂荒地和金银花地土壤含水率的增加量要高于花椒地和山豆根地，说明两者受小雨影响较大。

在中雨事件中(图 2)，各植被0~15 cm土层土壤水分上升期为2.5~4.5 h，土壤含水率增加量表现为金银花地(6.06%)>撂荒地(5.04%)>山豆根地(4.31%)>花椒地(3.21%)；15~30 cm土层土壤水分上升期为0.5~1.0 h，土壤含水率增加量为花椒地(3.73%)>撂荒地(3.64%)>金银花地(3.25%)>山豆根地(1.39%)；30~45 cm土层土壤水分上升期为1.0~2.0 h，土壤含水率增加量为花椒地(2.61%)>山豆根地(2.42%)>金银花地(1.81%)>撂荒地(1.71%)。

在大雨事件中(图 3)，各植被0~15 cm土层土壤水分上升期为0.5~2.5 h，土壤含水率增加量为山豆根地(7.90%)>金银花地(6.60%)>花椒地(5.40%)>撂荒地(4.90%)；15~30 cm土层的分别为5.5、3.0、2.5、20.5 h，土壤含水率增加量为撂荒地(7.50%)>花椒地(6.60%)>金银花地(5.10%)>山豆根地(3.0%)；30~45 cm土层的分别为3.0、5.5、1.5、23.5 h，土壤含水率增加量为花椒地(4.90%)>金银花地(3.40%)>山豆根地(2.30%)>撂荒地(0.03%)。在中雨-大雨事件中，撂荒地和金银花地0~15 cm土层土壤含水率增加最为明显，花椒地的为15~45 cm土层最为明显。

降雨事件等级越高，土壤水分对降雨响应越明显，在暴雨事件中(图 4), 土壤水分迅速向下运移，土层下部土壤水分补给量显著增加。不同植被类型土壤水分上升期持续时间短，各植被0~15 cm土层土壤水分上升期为1.0~3.0 h，土壤含水率增加量为金银花地(11.24%)>撂荒地(9.96%)>山豆根地(9.43%)>花椒地(6.89%)；15~30 cm土层的为1.0~2.0 h，土壤含水率增加量为撂荒地(10.44%)>花椒地(8.45%)>金银花地(8.27%)>山豆根地(4.53%)；30~45 cm土层的为1.5~3.5 h，土壤含水率增加量为撂荒地(6.69%)>山豆根地(6.37%)>花椒地(5.59%)>金银花地(5.27%)。之后8.0 h有持续性小雨，土壤水分逐渐下降但受降雨补给影响土壤含水率仍存在波动性上升过程。撂荒地土壤含水率增加较为明显，表明其受暴雨影响较大。

由图 5可知，不同降雨等级对各植被土壤水分的补给特征存在差异，在4种降雨事件中，花椒地、山豆根地各土层土壤水分均受到有效补给，而撂荒地、金银花地30~45 cm土层土壤水分在小雨事件中未受到补给。金银花地、山豆根地土壤水分有效补给量随着土壤深度的增加而减少, 撂荒地、花椒地未表现出相似规律。

	图 5 不同降雨事件植被土壤水分有效补给量 Fig. 5 Effective replenishment of soil moisture in each vegetation under different rainfall events
图选项

通过对各植被土壤水分有效补给量和降雨量进行相关性分析，结果表明撂荒地、山豆根地土壤剖面土壤水分有效补给量和降雨量存在正相关关系，金银花地0~15 cm土层表现出最显著正相关，花椒地的并未表现出明显的相关性。0~15 cm土层土壤水分有效补给量最多的为金银花地(7.16 mm)；15~30 cm土层的为撂荒地(6.30 mm)；30~45 cm土层的为撂荒地(3.73 mm)，并且土壤水分有效补给量均与降雨量存在正相关关系。各植被平均土壤水分有效补给量表现为撂荒地(13.93 mm)>金银花地(13.90 mm)>山豆根地(12.28 mm)>花椒地(10.50 mm)。在不同降雨事件中，土壤水分补给速率存在差异，随着降雨量的增大土壤水分补给速率会升高，在暴雨事件中，土壤水分补给速率最高，在小雨事件中最低(表 3)。在同场次降雨事件中，金银花的土壤水分有效补给速率均高于其它植被，表明金银花地土壤水分在剖面内入渗最快，同时受降雨影响较大；撂荒地的入渗最慢，受降雨的影响较小。但撂荒地的有效补给效率较高，在4种降雨事件中，撂荒地的土壤水分平均补给效率最高(48.04%)，其次金银花地(44.19%)，山豆根地为42.58%，花椒地最低(34.02%)，表明花椒地土壤剖面降水转换为土壤水的比例仅为34.02%。在中雨事件中，各植被类型的土壤水分有效补给效率最高，分别为撂荒地(66.27%)，其次金银花地(60.24%)，山豆根地为52.41%，花椒地最低(47.59%)。而在暴雨事件中，各植被土壤水分有效补给效率均为最低，金银花地有效补给效率最高(24.81%)，撂荒地次之(23.31%)，山豆根地为19.64%，花椒地为19.17%。整体而言，金银花地对于降雨的响应要优于花椒和山豆根地，其土壤水分补给量和补给效率要优于两者。

土壤储水量变化趋势与降雨变化相一致，在雨季初期，气温回升，植物蒸腾作用加强，植物生长耗水量增加，降水主要是低频率的小-中雨事件。各植被土壤储水量受降雨补给变化表现为骤升骤降的变化趋势，储水量相对较少。5月末完全进入雨季，降雨事件频率高，土壤水分基本达到峰值，之后受降雨影响成波动式跳跃，但仍处于相对稳定状态。7月降雨减少，各植被土壤储水量也略有减少，但相比较4—5月，该阶段的土壤储水量减少速率较慢。在监测期，不同植被的平均土壤储水总量存在明显差异，表现为山豆根地(103.50 mm)>金银花地(101.28 mm)>撂荒地(95.96 mm)>花椒地(71.71 mm)。

研究结果表明，各植被类型土壤水分的时间变化趋势与降雨事件的变化趋势相一致，各植被类型土壤水分动态变化受降雨影响显著，表明降雨特征是影响土壤水分补给的重要因素。通过分析各植被土壤水分变异系数的日动态变化也表明，降雨特征能影响其动态变化，受降雨补给变异系数有所增加。土壤水分变异系数值能反映土壤水分的稳定性，数值越低, 说明土壤水分受降水等因素影响小，能维持相对稳定状态，数值越高, 表明土壤水分较为活跃, 变化幅度大。在监测期, 各植被土壤水分平均变异系数值为花椒地>撂荒地>金银花地>山豆根地。本研究结果表明, 各植被土壤储水量的变化趋势和土壤水分变异系数值变化趋势相反，土壤水分变异系数值越大，土壤层相对活跃，则土壤储水量相对较低，各植被土壤平均储水量表现为山豆根地>金银花地>撂荒地>花椒地。与陈洪松等^[2]的研究结果相一致，其研究表明土壤含水率与变异系数呈现负相关关系。在4种植被类型中，花椒地土壤剖面含水量平均最低，主要是由于花椒在生长过程中耗水量大，吸收土壤水分较多，且花椒地土壤蒸发作用较强，导致花椒地的持水能力较差。蔡路路等^[21]通过对花椒地、金银花地、撂荒地土壤饱和导水率研究，也表明花椒地土壤渗透系数最高，水分能充分下渗。

植被土壤水分受降水响应过程较为复杂，植被特征、土壤初始含水率、土壤所处的地形地貌等因素对土壤水分在剖面内在分配及降雨补给量具有重要的影响^{[8, 22]}。西南喀斯特地区土层较薄，植物根系多分布于浅层土壤，侧根与不定根发育促进了土壤水分的横向运动^[23]，研究所选取的4种植被类型均为浅根系植被，降雨是该地区植被生长的主要水分补给源，降雨量多少是影响浅层土壤水分补给深度的决定性因素^[24]。在不同降雨条件下，各植被土壤水分有效补给效率表现为中雨>小雨>大雨>暴雨。降雨量越多，土壤剖面各层的土壤水分有效补给量均会有所增多。撂荒地在小雨-中雨事件中有效补给量均表现为0~15 cm土层>15~30 cm土层>30~45 cm土层，且补给速率逐渐降低，是由于撂荒地表层渗透性相对较强，植被根系均匀分布于浅层，降水资源能够充分向下入渗。而在大雨-暴雨事件中，有效补给量则表现为15~30 cm土层>0~15 cm土层>30~45 cm土层。在大雨事件前，表层土壤含水量普遍偏低，但土壤剖面内部会存在优先流。当出现大雨量时，优先流会迅速向下进行补给，从而使15~30 cm土层土壤的补给速率最高。花椒地中雨-大雨-暴雨事件中，土壤水分有效补给量均表现为15~30 cm土层>0~15 cm土层>30~45 cm土层。由于花椒侧向根系较为发达，主根数量相对较少且分布于15~35 cm土层，根系的水平分布远大于垂直分布，有利于吸收水分^[25]。花椒地土壤质地疏松，随着生长周期其浅层土壤的孔隙度会有所增加，从而导致花椒土壤剖面下层主要根系分布区补给效果显著。山豆根地在小雨-中雨-暴雨事件中，土壤水分有效补给量均表现为0~15 cm土层>30~45 cm土层>15~30 cm土层，其根系主要分布于15~30 cm土层，是山豆根主要的耗水区域，需水量大，降雨后有效补给量偏低。金银花地在各降雨事件中，土壤有效补给量均表现为0~15 cm土层>15~30 cm土层>30~45 cm土层，土壤水分保持均匀向下入渗。金银花作为研究区的重要经济作物，具有良好的保水性能，对降雨响应较为敏感，有效补给量和补给速率较高仅次于撂荒地，土壤储水量丰富，在农业活动中，可适当减少灌溉量。而花椒、山豆根补给效率和补给量偏低，对降雨的利用效率偏低。