黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式下土壤含水量季節動態

摘要：探究黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式下土壤含水量季節動態，為區域土地利用和生態系統管理提供科學依據。本研究對該區域不同土地利用方式下0～200 cm土層的含水量進行了動態監測和分析。（1） 不同土地利用方式下土壤含水量呈顯著的季節動態和空間異質性，不同季節依次表現為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季；不同土地利用方式由高到低依次為： 耕地（7.87%）gt;灌木林地（6.75%）gt;喬木林地（6.55%）gt;草地（6.53%）gt;撂荒地（6.12%）。（2） 土壤含水量變異程度呈現明顯的垂直分布特征，表層（0～5 cm）變異系數最大，隨深度增加呈先降低后緩慢增加趨勢。（3） 土壤含水量垂直分布表現出季節性差異，隨土層深度的增加，夏秋季節先降低后增加，冬季先增加后降低，春季呈波動性增加趨勢。（4） 相關性分析結果表明，土壤含水量與耕地呈顯著正相關，與撂荒地、砂粒含量和電導率呈顯著負相關（Plt;0.05）?？傊S土丘陵溝壑區土壤含水量呈明顯的季節性動態變化，且顯著受到土地利用方式的影響。

關鍵詞：丘陵溝壑區；土地利用方式；土壤含水量；季節動態；影響因素

中圖分類號：S152.7"文獻標識碼：A"文章編號：0488-5368（2025）02-0056-07

Seasonal Dynamics of Soil Water Content under Different Land Use Patterns in Loess Hilly-Gully Region

HUO Haixia+1， JU Mengchen+1， HUO Junwen+2， CUI Lele+3

（1. Yangling Vocational and Technical College， Yangling， Shaanxi 712100， China ；2.Yan' an Xingshui Soil and Water

Conservation Monitoring Service Co.， Ltd， Yan’an， Shaanxi 716000，China；3. Suide Soil and Water Conservation Scientific

Experimental Station of Yellow River Water Conservancy Commission， Suide， Shaanxi 719000， China ）

Abstract： To investigate the seasonal dynamics of soil water content under different land use patterns in the loess hilly-gully region and provide a scientific basis for regional land use and ecosystem management， this study dynamically monitored and analyzed the water content in the 0～200 cm soil layers under different land use patterns. The results are as follows：（1） Soil water content under different land use patterns exhibited significant seasonal dynamics and spatial heterogeneity. Seasonal variations followed the order of summer gt; autumn gt; winter gt; spring， while soil water content across land use patterns ranked as cropland （7.87%） gt; shrubland （6.75%） gt; arbor forest land （6.55%） gt; grassland （6.53%） gt; abandoned land （6.12%）. （2） The degree of variation in soil water content showed a distinct vertical distribution. The surface layer （0～5 cm） had the highest variation coefficient， which decreased with increasing depth and then gradually increased. （3） The vertical distribution of soil water content showed seasonal differences. In summer and autumn， soil water content decreased with depth and then increased. In winter， it increased with depth and then decreased. In spring， it exhibited a fluctuating increasing trend. （4） Correlation analysis showed that the soil water content was significantly positively correlated with farmland， but significantly negatively correlated with abandoned land， sand particle content and electrical conductivity （Plt; 0.05）. In summary， soil water content in the loess hilly-gully region exhibits significant seasonal dynamics， and is significantly influenced by land use patterns.

Key words：Hilly-gully region;Land use patterns;Soil water content;Seasonal dynamics;Influencing factors

土壤水分是影響干旱半干旱地區植物成活和生長的關鍵因素，植物生命活動所需的絕大部分水分來源于根系吸收[1]。黃土高原丘陵溝壑區地處干旱和半干旱地區，降水稀少，地表水資源匱乏，地下水埋深而難以利用[2]，而降雨成為該區域土壤水分補給的主要來源。土壤水分受氣候、植被、地形、土壤特性等多重因素影響[3]，而在流域、坡面等較小尺度上，則主要受植被和地形的影響[4]。經過幾十年的系統治理，黃土高原丘陵溝壑區的植被覆蓋度持續增加，水土流失問題得到有效遏制，生態環境明顯改善。但不合理的退耕還林（草）模式會加快土壤水分的消耗，造成土壤干層現象和植被退化等一系列生態問題[5]。大量研究表明，不同區域、不同土地利用方式下土壤水分變異性存在巨大差異[6～10]。

目前，國內外對不同土地利用方式土壤水分的研究已取得一定進展。Zhou等[11]通過研究喀斯特地區土壤水分與植被覆蓋類型的關系，發現草地有利于土壤水分的保持，其土壤水分含量相對穩定，且顯著高于裸地、灌叢和林地。王國梁等[12]、杜康等[13]的研究結果表明，農田土壤含水量明顯高于其他土地利用類型，但張敏等[8]研究認為，林地和草地在涵養土壤水分方面優于農田。喬斌等[14]、張芳等[15]研究發現地表植被類型會改變降雨分配、雨水下滲和蒸散發過程，從而對土壤水分的年內分配和降雨補給特征產生巨大影響。Zhang等[16]發現丘陵溝壑區不同土地利用方式下，土壤水分存在顯著差異，且與土壤有機碳存在顯著的耦合效應。

近年來，一些學者研究了黃土高原土壤水分的時空動態變化與規律。唐敏等[7]研究發現黃土丘陵區不同土地利用方式下0～1.6 m土壤水分垂直分布和蓄水特征均存在差異。程立平等[17]的研究發現黃土塬區不同土地利用方式下深層土壤水分主要受土地利用方式影響。賈小旭等[18]的研究也發現不同植被類型土壤水分呈現不同的垂直分布規律和相似的水平分布趨勢。王云強等[19]發現黃土高原土壤水分在0～5 m剖面上表現出先減小后增加的分布規律。李琪等[20]研究發現陜北黃土高原同樹齡檸條林地土壤養分在降水梯度上空間變異性顯著。

已有研究主要集中于土地利用方式對土壤水分垂直分布的影響，而有關其季節動態的研究鮮有報道。鑒于此，本研究以黃土丘陵溝壑區典型小流域為研究區域，探究不同土地利用方式下0～200 cm剖面土壤含水量的季節動態，探討土壤含水量與環境因子之間的關系，以期進一步揭示黃土丘陵溝壑區土壤含水量的時空變異特征及其影響機制，從而為區域土地利用和生態系統管理提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

本研究在黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站辛店溝小流域（37°31′14″N，110°17′6″E）進行。該流域位于黃土高原的核心地帶，屬于典型丘陵溝壑區，溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均氣溫約10 °C，年降水量400～600 mm，且主要集中在7～9月。主要土壤類型為黃綿土，植被以天然次生林和人工林為主。本研究選擇五種不同土地利用方式的標準徑流小區（20 m×5 m），包括耕地（GD）、灌木林地（GM，檸條（%Caragana korshinskii %Kom.）為主）、喬木林地（QM，油松（%Pinus tabulaeformis））、草地（%CD，苜蓿（%Medicago sativa % L.），2～3 a刈割一次）和撂荒地（LH），每種土地利用類型設有3個重復，共15個樣方。各樣地位于同一小流域的同一坡面上，地形、坡向、坡角基本一致，距離不超過500 m，且均無灌溉條件。

1.2試驗設計與數據收集

為揭示0～200 cm剖面不同土層含水量的季節性變化規律，分別于2023年春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）、冬季（12月）采用五點取樣法分別在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～140 cm和140～200 cm土層采集土壤樣品，測定土壤含水量、機械組成、有機質含量、pH值和電導率等指標。同時，在每個小區按照不同坡位（坡上、坡中、坡下）用環刀采集表層原狀土壤樣品，用于測定土壤容重（BD）。

土壤含水量變異系數由以下公式計算獲得：

CV=CD/M

其中，CV為變異系數，CD為標準偏差，M為平均值。

1.3數據處理

數據整理和統計分析采用Excel 2019與SPSS 21.0進行，采用獨立樣本T檢驗比較處理之間的差異性，采用單因素方差分析比較不同土層之間的差異性，Pearson分析法分析各個環境因子的相關性，采用Origin 2017、

Excel 2019繪制圖表。

2結果與分析

2.1不同土地利用方式下土壤含水量季節變化特征

不同土地利用方式下0～200 cm土層含水量呈現顯著的季節動態和空間異質性（圖1）。總體而言，土壤含水量季節變化呈先上升后下降趨勢，平均值表現為：夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季；不同土地利用方式下平均含水量表現為：耕地（7.87%）gt;灌木林地（6.75%）gt;喬木林地（6.55%）gt;草地（6.53%）gt;撂荒地（6.12%）。耕地表現出最高的含水量和最小的變幅（5.02%～9.82%）；灌木林地和喬木林地含水量相對較高，分別在3.51%～9.50%和4.37%～9.27%之間波動，可能與其植被根系結構和覆蓋度有關；草地含水量變幅較大（3.59%～8.98%），可能受地表植被覆蓋和根系分布影響；撂荒地則表現出最低的含水量和最大的變幅（2.99%～9.18%），顯示出較差的水分保持能力。土壤含水量季節間差異進一步揭示了土地利用方式的影響：春季，耕地含水量顯著高于撂荒地（差值5%±2.7%，Plt;0.05）；夏季，雖然耕地含水量相對較高，但各處理間差異不顯著；秋季，耕地含水量顯著高于撂荒地和喬木林（差值9.3%±2.1%，Plt;0.05）；冬季，耕地含水量顯著高于其他各處理（差值7.3%±1.6%，Plt;0.05）。

2.2不同土地利用方式下土壤含水量變異性

不同土地利用方式下，土壤含水量的變異程度呈現明顯的垂直分布特征和土地利用類型差異（圖2）?？傮w而言，土壤含水量變異系數（CV）隨土層深度的增加呈先遞減后遞增的趨勢，在深層土壤趨于穩定，這與土壤含水量的垂直分布特征高度一致。表層土壤（0～5 cm）的含水量變異系數最大，各土地利用類型間的差異也最為顯著，其大小依次為：撂荒地（96.96%）gt;喬木林地（95.51%）gt;耕地（94.06%）gt;草地（89.81%）gt;灌木林地（81.88%）。隨著土層深度增加，各類型土地利用方式的變異系數呈現不同的變化模式，其中草地和撂荒地的變異系數在0～120 cm范圍內逐漸降至最小值（分別為6.80%和7.07%），隨后在120～140 cm略有上升，并在140～200 cm范圍內趨于穩定（分別為14.18%和20.70%）；灌木林低的變異系數在0～100 cm范圍內降至最小值5.27%，之后在100～140 cm略有上升，最終在深層土壤穩定在16.71%；喬木林地的變異系數在0～100 cm范圍內降至最小值2.65%，隨后在100～200 cm范圍內略有上升。耕地則表現出獨特的變化模式，其土壤含水量隨深度變化不大，但淺層變異系數波動較大，在120～140 cm處達到最小值5.77%，之后在140～200 cm略有上升。

2.3不同土地利用方式下土壤含水量的垂直分布特征

不同土地利用方式下，土壤含水量的垂直分布呈現出明顯的季節性差異和深度變化規律（圖3）。總體而言，夏季和秋季土壤含水量隨深度先遞減后緩慢遞增，冬季則呈現先遞增后遞減的趨勢，而春季則表現為波動性遞增。這些變化的拐點多集中于60～120 cm土層。表層土壤（0～5 cm）含水量隨季節變化表現為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季，其中夏季含水量最高（14.47%～18.49%），春季最低（0.67%～1.54%）。在垂直剖面上，不同土地利用方式下土壤含水量變化表現出相似的規律，即淺層土壤（0～80 cm）變化劇烈，深層趨于穩定。具體而言，草地、灌木林地、撂荒地、耕地和喬木林地在0～80 cm土層的平均土壤含水量波動范圍分別為9.32%～5.00%、10.12%～5.11%、7.77%～4.58%、8.75%～7.31%和8.06%～5.06%。其中，灌木林地的波動幅度最大（5.01%），耕地最?。?.44%），表明灌木林在表層的耗水能力較強。在深層土壤（gt;120 cm），各土地利用方式的含水量趨于穩定，分別維持在約4.9%（草地）、4.7%（灌木林地）、5.0%（撂荒地）、7.6%（耕地）和5.6%（喬木林）左右。這些結果揭示了不同土地利用方式對土壤含水量垂直分布的影響，為黃土丘陵溝壑區水土保持和生態系統管理提供了重要的科學依據。

2.4土壤含水量與各因子間的相關性

由圖4的相關性分析結果可知，土壤含水量與土地利用方式、土壤理化指標相關性顯著。具體而言，土壤含水量與耕地呈顯著正相關（r=0.83，Plt;0.05），表明耕地利用更加有利于土壤含水量的保持。相反，土壤含水量與撂荒地、灌木林（r=-0.37，Plt;0.05）、土壤有機碳（r = -0.6，Plt;0.05）和電導率（r= -0.37，Plt;0.05）呈顯著負相關，這意味著撂荒地、灌木林不利于水分保持。耕地與pH值呈顯著正相關（r=0.67，Plt;0.05），同時與土壤容重、砂粒含量呈正相關，與電導率、粉粒含量呈負相關。這表明耕地利用可能導致土壤pH值升高，并影響土壤結構和質地。撂荒地則與電導率呈顯著正相關（r=0.6，Plt;0.05），與砂粒含量呈正相關，而與粉粒含量、黏粒含量呈負相關，反映了撂荒過程中土壤理化性質的變化趨勢。

3討論

黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式下土壤含水量存在顯著的季節變化規律，總體表現為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季。這一結果與該地區降水的季節分布格局高度一致，反映了降雨是影響土壤動態水分變化的主要因素[21]。夏季降水集中，土壤含水量迅速增加，而后隨著蒸散發作用的消耗逐漸降低。不同土地利用方式下土壤含水量的季節變化幅度存在顯著差異。耕地土壤含水量全年維持在較高水平，且變化幅度最小。這主要是由于農作物根系主要分布在淺層土壤，耗水量較低[22]。另一方面長期耕作改善了土壤結構，提高了土壤保水保肥能力[13]。草地土壤含水量變化幅度較大，這可能與草本植物年生物量增長較大密切相關[23]。相比之下，撂荒地土壤含水量最低，且季節波動最為劇烈。這主要是由于撂荒地植被稀少，地表裸露，土壤蒸發量大所致；再加上撂荒地長期未耕作，土壤結構較為緊實，對降水的入滲能力較差[24]。這一結果也凸顯了撂荒地生態恢復的緊迫性和重要性。

本研究結果表明，不同土地利用方式下黃土高原丘陵溝壑區土壤剖面水分動態差異性很大，這與Chen等[4]的研究結果相一致。同時，水分在土壤剖面上的動態變化在不同土層也表現出明顯差異性，這與樊軍等[25]的研究結果相似。淺層土壤（0～5 cm）含水量的季節變化最為劇烈，且不同土地利用方式下變幅存在較大差異。這一結果表明不同植被類型對表層土壤含水量的調控作用存在較大差異。一方面，草地和林地植被冠層對降雨具有截留作用[26]，而且其枯枝落葉層蓄水能力也存在較大差異[27]。另一方面，地表覆蓋狀況對土壤蒸發具有顯著性影響[28]。耕地表層土壤含水量的季節波動相對較小，這可能得益于農作物殘茬覆蓋和耕作措施的影響[29]。隨土層加深，各土地利用類型下的土壤含水量均呈現不同程度的降低，最低值出現的深度也存在差異。這主要是由于植物根系在土壤中的分布深度和密度不同，使得土壤水分蒸發和植被蒸騰的情況也有所不同，導致土壤水分的分布具有一定的差異性[30]。此外，地表植被對降雨在土壤中的再分配也具有顯著影響[31， 32]。在深層土壤（gt;120 cm），不同土地利用方式下的土壤含水量趨于相對穩定。

黃土丘陵溝壑區土壤含水量受多重因素影響，與土地利用方式和土壤理化性質密切相關。這一結果反映了人類活動對土壤含水量具有顯著影響。不同土地利用方式下土壤含水量除了與氣候、植被等因素有關外，同時也與剖面土壤機械組成狀況、有機碳含量等指標有關[33]。

4結論

本研究揭示了黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式下土壤含水量的時空變異特征及其影響因素。結果表明，土壤含水量呈顯著的季節性變化規律和垂直空間異質性，變異程度隨深度增加呈先降低后升高趨勢，季節差異表現為：夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季，不同土地利用方式下表現為：耕地（7.87%） gt; 灌木林地（6.75%） gt; 喬木林地（6.55%） gt; 草地（6.53%） gt; 撂荒地（6.12%）。隨土層深度增加，夏秋季節先遞減后遞增，冬季先遞增后遞減，春季呈波動性遞增。土壤含水量與耕地呈顯著正相關，與撂荒地、灌木林、土壤有機碳和電導率呈顯著負相關。上述結果揭示了耕地在維持土壤水分方面的優勢，以及土壤理化性質對水分保持的重要影響，可為黃土丘陵溝壑區土地利用和生態系統管理提供有力的科學依據。

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收稿日期：2024-09-10修回日期：2024-10-18

基金項目： 陜西省重點研發計劃項目（2022ZDLNY02-03）;楊凌職業技術學院 2021 年科技創新項目（ZK21-02）。第一作者簡介：霍海霞（1980-），女，碩士，副教授，主要從事土壤水分管理研究。