土壤水分是生态水文过程和物质能量循环的重要组分^[1]，也是限制干旱区生态修复与植被建设的关键因子之一。受气候、地形、土壤、植被及人类活动等因素的干扰，土壤水分的空间变异非常剧烈^[2]，进而导致“土壤—植被—大气连续体”中水分估算极为复杂^[3]，影响水资源的合理分配及农林草业的科学发展^[4]。准确量化土壤水分空间变异并确定其主要影响因子，可为区域生态系统恢复及农林草业发展提供科学依据。

近年来，在气候变化和人类活动频繁影响下，土壤水热过程及下垫面均发生重大变化，尤其是在干旱半干旱区，其水分变化的空间异质性及水资源的合理利用受到广泛关注。对水资源的综合管理与统筹规划通常以流域为单元，探讨流域尺度土壤水分对促进区域水文、生态、气候、农业等方面的研究具有重要作用。张璐等^[5]在半干旱的锡林河流域分析显示，土壤水分的变异性随土层加深逐渐减弱，影响的关键因子为海拔和植被高度；杨志辉等^[6]利用遥感估算的方法发现，石羊河流域土壤水分具有明显的空间自相关性，各影响因子解释能力的大小表现为植被覆盖度＞土壤类型＞高程＞土地利用；邱扬等^[7]在陕西安塞县大南沟流域布设26个样点研究得出，影响土壤水分的主要因子为土地利用和地形；但采用实地多点取样综合分析坡度、坡向、坡位等非生物因子及植被盖度、种类、土地利用等生物因子对土壤水分空间变异影响的报道相对较少。笔者以宁南黄土丘陵区中庄小流域为研究对象，采用经典方法揭示小流域不同层次土壤水分的空间变异特征，运用统计学方法分析植被特征及立地环境对各土层水分状况的作用，为研究区种植结构优化调整、提升水土保持功能及实施乡村振兴战略提供科技支撑。

中庄小流域位于宁夏南部固原市彭阳县城东北13 km。地貌类型为黄土梁峁丘陵地，海拔大多处于1 400~1 800 m之间。气候类型属典型的温带大陆性季风气候，年均气温7.6 ℃，无霜期140~160 d；年均降水量420~500 mm，主要集中于7—9月，年均潜在蒸发量1 360 mm。土壤类型以黄绵土为主，土厚较深＞10 m。

宁南黄土丘陵区是水土流失严重、生态极为脆弱的地区，为减少土壤侵蚀和改善区域环境，2000年前后实施“植树造林”“退耕还林还草”等生态修复工程，形成“上退下推”的景观格局。现有人工林以山杏(Armeniaca sibirica)、山桃(Amygdalus davidiana)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、柠条(Caragana korshinskii)等树种为主，零星或局部分布有红梅杏(Armeniaca vulgaris)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等，在坝底分布有小叶杨(Populus simonii)、旱柳(Salix matsudana)等天然次生林；草本植被主要分布有长芒草(Stipa bungeana)、百里香(Thymus mongolicus)、早熟禾(Poa annua)等；种植的农作物以冬小麦(Triticum aestivum)和玉米(Zea mays)为主，还零星或条带状种植有谷子(Setaria italica)、胡麻(Sesamum indicum)、糜子(Panicum miliaceum)、苜蓿(Medicago sativa)、荞麦(Fagopyrum esculentum)、马铃薯(Solanum tuberosum)等。

按坡度、坡向、坡位差异，对小流域立地类型进行划分：研究区坡度超过35°的立地较少，因此，将坡度划分为平坡(0~5°)、缓坡(6°~15°)、斜坡(16°~25°)、陡坡(＞26°)4种类型；坡向以正北方为0°，沿顺时针和逆时针方向同时增加，正东坡和正西坡均为90°，正南坡180°为最大坡向数值(图 1)；坡位按离坡顶水平距离进行划分，整个坡面的上1/3为上坡位，中1/3为中坡位，下1/3为下坡位。

图 1(Fig. 1)

图 1 坡向的划分 Fig. 1 Division of slope direction

依据中庄小流域的自然环境、实施的生态修复措施、人类活动的影响等，土地利用大致划分为川道地、次生林、荒地、人工林、梯田5大类。

通常来说，同一时段内，植被与立地是影响土壤水分空间变化的主要因子。于2020年9月19—29日，首先，按坡向和坡位等立地环境，选择代表小范围内植被特征的位置布设样点，保证每个样点距离边界在10 m外；其次，依据研究区植被种类选择观测点位，确保每2个样点间的距离超过100 m，共设置141个临时样点(图 2)，基本覆盖中庄小流域中部的所有立地及植被特征。采用土钻法测定各点位的土壤水分，测量深度为200 cm，每20 cm一层，将各点位的土样采集后带回实验室，利用烘干法测得土壤含水量。次生林、川道地、梯田、荒地、人工林5种土地利用的样点数分别为5、14、40、16、66；糜子、玉米、谷子、荞麦、马铃薯、小麦、胡麻、苜蓿、红梅杏、山杏、山桃、刺槐、混交林、柠条、沙棘15种植被类型的样点数依次为3、20、3、3、6、5、3、6、7、7、5、4、37、3、3；平坡、陡坡、缓坡、斜坡、阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡、下坡、中坡、上坡各立地条件的样点数分别为84、14、19、24、27、38、52、24、36、62、43。取样时收集每个样点的表层土壤，采用MS 3000型激光粒度仪测定土壤颗粒组成，采用美国制进行土壤颗粒分级，小流域黏粒、粉粒、砂粒所占比例的范围分别为2.82%~8.80%、43.22%~78.81%、15.82%~53.96%。为便于分析，依据相同地区以往的研究结果^[8]，将200 cm土层划分为0~20 cm(速变层)、20~80 cm(活跃层)和80~200 cm(相对稳定层)3个层次。

图 2(Fig. 2)

图 2 样点示意图 Fig. 2 Sample point diagram

采用SPSS 21.0比较均值中ANOVA单因素方差分析，比较各植被类型及土地利用土壤水分的差异显著性(P＜0.05)。将土壤水分含量作为响应变量，土地利用方式、植被种类、盖度、坡度、坡向、坡位、海拔作为解释变量，通过多元统计分析的方法，采用主成分分析对解释变量进行降维分析。数据整理和作图分别使用Excel 16.0和Origin 9.0软件。

如图 3所示，随土壤厚度增加，土壤水分呈逐渐降低的变化，当土层深度超过140 cm时，基本趋于稳定；从变异程度上看，0~100 cm土层的土壤水分变异略小于100~200 cm土层。

图 3(Fig. 3)

图 3 小流域土壤水分变化特征 Fig. 3 Variation characteristics of soil moisture in small watershed

主成分分析(表 1)表明，3个土壤水分影响因子主成分累计解释率达65.05%，具有较强的信息代表性。第一主成分中，坡位和海拔包含最大的信息，代表 29.21%的影响因子解释率；第二主成分中，盖度包含最大的信息，代表 19.27%的影响因子解释率；第三主成分中，土地利用包含最大的信息，代表 16.57%的影响因子解释率。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤水分影响因子的主成分分析 Tab. 1 Principal component analysis of soil moisture influencing factors 变量 Variable 主成分 Principal component 1 2 3 特征值 Characteristic value 2.045 1.349 1.160 解释率 Interpretation rate/% 29.21 19.27 16.57 累积解释率 Cumulative interpretation rate/% 29.21 48.48 65.05 海拔 Altitude -0.772 0.288 0.304 坡度 Slope gradient -0.623 0.163 -0.378 坡向 Slope aspect 0.298 0.211 -0.266 坡位 Slope position 0.838 -0.015 -0.330 植被盖度 Vegetation coverage 0.053 0.857 -0.014 土地利用 Land use 0.184 -0.322 0.732 植被种类 Vegetation type 0.483 0.596 0.457

表 1 土壤水分影响因子的主成分分析 Tab. 1 Principal component analysis of soil moisture influencing factors

由图 4可见，随土层加深，次生林土壤水分大致呈先降—后升—再降的“S”型变化，其他土地利用与中庄小流域的变化相似。水分条件在各土地利用的大小顺序为次生林＞川道地＞梯田＞荒地＞人工林。方差分析显示，在0~20 cm土壤水分中，次生林显著高于其他土地利用；在20~80 cm土层，次生林也显著高于其余4种方式，川道地显著高于剩余的3种土地利用；80~200与20~80 cm土层的差异显著性特征大致类似，不同的是人工林显著低于其他4种方式。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同土地利用方式的水分变化特征 Fig. 4 Variation characteristics of soil moisture in different land use patterns

随土深增加(图 5)，作物大致呈缓慢减少的趋势，林木基本呈先较快降低后趋于稳定的变化。作物的水分条件整体高于人工林；作物种类土壤水分的大小顺序依次为糜子>玉米>谷子>荞麦>马铃薯>小麦>胡麻>苜蓿；人工林土壤水分的大小顺序为红梅杏＞山杏＞山桃＞刺槐＞混交林＞柠条＞沙棘。

图 5(Fig. 5)

图 5 作物与人工林的土壤水分变化特征 Fig. 5 Variation characteristics of soil moisture in crops and plantations

在各作物的0~20 cm土壤水分中，糜子、玉米和荞麦显著高于小麦；在20~80 cm土层，糜子、玉米和谷子显著高于苜蓿，玉米和谷子显著高于马铃薯，玉米显著高于小麦和胡麻；在80~200 cm土层，苜蓿显著低于其他作物，糜子显著高于胡麻。在各林木的0~20 cm土壤水分中，各林木种类间差异不显著；在20~80 cm土层，红梅杏和山杏显著高于山桃、刺槐、混交林、沙棘；在80~200 cm土层，红梅杏显著高于其他林木，沙棘显著低于山杏、山桃、刺槐、混交林，山桃显著高于混交林。

如图 6所示，盖度对各土层水分的影响较为微弱(R²均较低)；随盖度增加，0~60 cm土层水分呈升高的趋势，60~200 cm呈降低的变化。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同植被盖度的土壤水分变化特征 Fig. 6 Variation characteristics of soil moisture with different vegetation coverage

如图 7所示，水分差异表现为平坡＞陡坡＞缓坡＞斜坡；在0~20 cm土层，平坡显著高于斜坡；在20~80 cm土层，平坡显著高于缓坡和斜坡；80~200 cm土层，平坡显著高于缓坡、斜坡和陡坡；在3个层次中，各坡度最大极差分别为2.52%、3.01%和4.51%。从各坡向上看，水分大小顺序为阴＞半阴＞半阳＞阳；在3个层次中，阴坡均显著高于其他坡向，各坡向最大极差分别为3.28%、3.12%和4.05%。从3个坡位出发，水分高低依次为下、中、上，在3个层次中，下坡位显著高于其他坡位，各坡位最大极差分别为3.53%、4.83%和5.78%。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同立地因子的土壤水分变化特征 Fig. 7 Variation characteristics of soil moistures under different site factors

随土层加深，水分呈先降低后稳定的变化，主要因取样时间在生长季后期，温度低，土壤蒸发和植被蒸腾均较小，聚集在浅层的土壤水分相对较多，而马婧怡等^[9]在相似区域6—11月研究表明，土壤水分随土深增加呈先增大后减小的变化，结论分歧与研究时段不同有关；史君怡等^[10]在草原区域调查结果与笔者研究相似，主要因表层土壤腐殖质增强蓄水能力，在森林区域则表现出相反的变化，推测因气候和土壤的差异造成的；程谅等^[11]在旱季发现与笔者研究相反的规律，主要是由地表覆盖度较低和太阳辐射较强引起的。小流域土壤水分变异性表现为0~100 cm土层小于100~200 cm：气候和地形是影响浅层土壤水分的主要因子，植被类型是深层土壤水分变化的主控因子。MEI等^[12]在黄土区发现浅层土壤蓄水量的主要作用因子为地形，深层为植被；有研究者分析表明，随土层加深，土壤水分主要与植被利用类型有关^[9]；也有学者认为苜蓿草地撂荒过程中，100 cm以下土壤水分主要受植被类型的影响^[13]，上述分析与笔者研究结果相似。坡位、盖度和土地利用分别包含解释土壤水分空间异质性29.21%、19.27%、16.57%的信息，主要因坡位造成潜在蒸散发、风速、土壤水分入渗及运移等差异，盖度和土地利用对各蒸散组分、地形因素、种植结构等产生影响，张璐等^[5]在半干旱草原型流域发现海拔、植被高度和坡度能解释土壤水分变异68.50%的信息，而有研究显示土地利用是影响坡面土壤水分变异的主控因素，其次为坡度^[3]，各研究区的地形特征及植被结构导致土壤水分的主导因子存在差异。

不同土地利用土壤水分的差异表现为次生林＞川道地＞梯田＞荒地＞人工林。其中，次生林明显高于其他类型，因次生林生长在坝底，积水面积大，且温度、太阳辐射较低。川道地位于相对海拔较低的区域，受地形、微气象等因子的综合作用，高于其他3种类型。梯田改变原有的微地形，减缓坡度，田面相对平整，避免发生地表径流，且增加土壤入渗、加大集雨面积、改善土壤蓄水状况^[14]，因此，土壤水分高于荒地和人工林地。人工林分布在坡上或坡中位置，且林木蒸腾耗水较高，导致不同层次土壤水分均较低，特别是80~200 cm土层，土壤水分显著低于其他4种类型；杨文治等^[15]在黄土丘陵区人工林研究中，依据林木根系对土壤水分吸收利用的程度将0~350 cm土壤层划为4个层次，分别为微弱利用层(0~20 cm)、利用层(20~200 cm)、调节层(200~300 cm)和微弱调节层(300~350 cm)，林木根系吸收土壤水分利用层与80~200 cm土层重叠度较高；有学者将黄土高原土壤干层划分为强烈干燥化土层(土壤含水量＜5%)、中等干燥化土层(5%~8%)、弱干燥化土层(8%~10%)3个层次^[16]，而研究区人工林120 cm以下土层的土壤含水量为11.0%~11.8%，与弱干燥化土层极为接近。因此，进行植被规划时，保证主要目标实现的前提下，应最大限度优化人工林结构特征(如优选树种、合理配置、降低密度等)，减少土壤干燥化的风险。

林地土壤水分状况低于农地，在黄土高原其他区域也发现类似的现象^[3]。沙棘和刺槐在20~80 cm土壤水分低于其他人工林，沙棘和柠条在80~200 cm土壤水分也低于其他人工林，与沙棘的覆盖度高和密度大紧密相关，刺槐与柠条和林木的耗水特性等有关。在黄土丘陵区，柠条林土壤蓄水状况最差^{[9, 17]}，特别是在较深的土层中；沙棘和刺槐土壤水分低于其他土地利用^[18]；这些结论均证实沙棘、柠条、刺槐土壤水分较低。柠条和沙棘林120 cm以下土层的土壤含水量分别为9.1%~10.3%和8.8%~9.4%，属弱干燥化土层的范围。红梅杏各土层水分含量均高于其他林木，与其种植在梯田、且坡位相对较低紧密相关。苜蓿土壤水分在80~200 cm土层显著低于其他农地，且140 cm土层以下的土壤含水量为8.3%~9.9%，也属弱干燥化土层范围，与苜蓿为多年生草本植被及根系较深等有关。白晓等^[19]利用校验Hydrus-1D模型，模拟黄土高原北部0~400 cm土壤水分变化过程，当苜蓿地转变为天然草地后，蒸散发下降31%，土壤水分以每年45 mm的速率补给，之后处于相对稳定状态；缪凌等^[20]在黄土丘陵区定位监测4种植被0~900 cm土壤水分得出，苜蓿地的水分亏缺最为严重；上述报道显示苜蓿的耗水量高于其他作物。在20~80 cm土层水分含量中，玉米显著高于小麦、胡麻、马铃薯、苜蓿，谷子显著高于马铃薯和苜蓿，糜子显著高于苜蓿，主要因玉米和谷子种植时均铺设地膜，糜子较高可能与生物学特性有关。沙棘、柠条、刺槐(苜蓿)土壤水分低于林地(农地)，在小流域植被结构调整时，减少以上植被的面积，增加林农复合种植的面积。植被盖度与0~20 cm土层水分条件的相关性最强，陆丰帅等^[21]在祁连山发现群落盖度对表层土壤水分的响应敏感，与笔者研究结果相似。盖度对0~60 cm土壤水分起促进作用，对60~200 cm起抑制作用，可能与植被覆盖增加降低地表蒸散发的作用^[5-6]有关，而随植被盖度逐渐增加，对深层土壤水分的需求逐渐升高，导致60~200 cm土壤水分与植被盖度呈负相关；在植被调整时，不应片面追求覆盖度，应注重优化植被结构(如乔灌草合理搭配等)，充分发挥其多种功能。

平坡的土壤水分变异均高于其他坡度；随坡度增加，土壤水分大致表现为先降低后平稳的变化，坡度对降雨的入渗速率及深度、地表径流、壤中流等影响较大^[22]，坡度较大时易引起水分(径流)顺坡而下，渗入到土壤中的水分减小，导致水分含量下降^{[3, 5]}，有关分析结论与本研究相似。阴坡土壤水分显著高于其他坡向，阴坡的光照强度较弱，植被蒸腾与土壤水分蒸发较小^[23]，这与其他黄土区的分析结论^[24]一致。下坡位土壤水分的变异性明显高于其他坡位，这与毛乌素沙地在不同坡位上的分析结果相同^[25]，下坡位的土壤水分最高，上坡位最低，与下坡位更易接收到上坡汇流或雨水汇集、可缓解坡面径流流速增加入渗速率、风力较小、地表蒸发较低等^[23]密切相关。

笔者取样时间为9月下旬(生长季后期)，如在此前(生长季中期)取样，土壤水分的空间差异受植被蒸腾和土壤蒸发较大，难以反映植被因覆盖和雨水入渗对土壤水分的存储效应，且在生长季中期，降水量大、次数多，对土壤水分的影响较大，而在生长季后期观测能更准确评价不同立地与植被条件下的水资源存储状况。受土壤水分取样数量和时间的限制，分析立地环境的作用时，没有兼顾到植被结构的影响；讨论植被特征的影响时，没有考虑立地环境的作用；也未探讨土壤水分的时间动态，未来研究中，应增加取样时间及数量，分析立地和植被对土壤水分时空差异的综合效应，为确定不同立地下植被结构合理布局提供科学依据。