编辑：于冉 审核：李敏 校对：于冉
文章地址：https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107711
第一作者：Mingyu Chen
发表年份：2024年3月
一、研究背景
黄土高原水土流失严重、生态脆弱，我国实施的大规模退耕还林还草工程虽然有效的控制了水土流失和植被恢复，但是大面积种植的深根系植物加剧了深层土壤水亏缺，切断了地下水补给，影响土壤水循环过程。目前，黄土高原植被覆盖度超过了气候建立的平衡态，净初级生产力正接近可持续水资源的定义阈值。土壤水环境的恶化反过来可能影响植被恢复的有效性，需考虑植被恢复的广泛影响。沟谷是土地退化的表现，其结构复杂且具有潜在破坏性。黄土高原沟谷面积大、密度高，加剧了土壤质地和持水能力的异质性，影响植物生长和恢复，目前对沟谷地区土壤水的研究不足。全球变暖可能增加极端气候事件，黄土高原降水集中在6 - 9月，高强度降雨预计会增加，且是土壤水的主要来源，因此研究土壤水对降水的响应至关重要。
该文章的创新性在于：(1)综合考虑了植被类型、地形和降水三个关键因素，对黄土高原土壤水分的时空分布特征进行了系统分析；(2)利用长达13年的土壤含水量数据，研究了土壤水分对长期植被恢复的响应；(3)区分了不同地形条件下的土壤水分变化，特别是沟壑区的土壤水分动态，为理解黄土高原的水文过程提供了新的视角。
二、研究内容
选取黄土高原北部四个不同土地利用地块和一个典型永久性沟壑(图1)，测定土壤体积含水量和土壤颗粒分布组成，研究不同植被类型土壤水分的时空分布格局。分析沟底、沟边和沟岸土壤水分的分布特征。探讨土壤水分对不同降水量的响应。
图1 中国黄土高原降水浓度指数降雨浓度指数(PCI), (2001 - 2014年平均值)分布及六道沟流域位置(a)。4个不同植被样地(b)和沟壑区(c)的照片，红色圆圈图标表示铝中子探针通道的大致位置。
三、结果与讨论
3.1降水变化
黄土高原的降雨浓度指数呈现由东南向西北增加的趋势(图1a)，说明整个黄土高原的年降水量具有一定的浓度和季节性。在部分北部地区，年降水量异常集中，且表现出显著性季节性变化，并且一年的降水集中在7-9月，占年降水量的71%。
3.2土壤水分时空分析
3.2.1不同植被类型土壤水分时空分析
研究区4种被分析植被类型0 ~ 400 cm土壤深度土壤含水量分布如图2所示。研究初期四种土地利用类型下土壤含水量相似，之后土壤储水量逐渐呈现出玉米＞自然休耕＞苜蓿＞柠条的趋势图(3)，且苜蓿和柠条下土壤明显干燥。表层土壤的变化大于深层土壤。与自然休耕地和玉米处理相比，苜蓿和灌木处理下0 ~ 400 cm土壤深度的土壤含水量随时间变化更大(图4)。
图2 利用2004年7月8日—2017年9月28日的降水量，绘制了研究区4种植被类型0 ~ 400 cm土壤深度土壤含水量 (土壤含水量，%) 的时间分布图。
图3 研究区4种植被类型0 ~ 400 cm土层的土壤储水量 (土壤储水量, mm)。
图4 2004年7月8日至2017年9月28日108次测量的土壤平均含水量 (土壤含水量%) 及其相关标准差，以及研究区4种被调查植被类型0 ~ 400 cm土壤深度的变异系数 (CV)。
3.2.2沟壑区土壤水分时空分析
沟底土壤含水量随土壤深度的增加而增加，而沟边和沟岸的土壤含水量随土壤深度的变化而波动，且沟底的土壤含水量明显大于沟边和沟岸(图5)。浅层土壤的土壤含水量随时间的变化比深层土壤的变化更大。沟底土壤储水量与土壤粘土呈正相关。由于暴雨期间雨水倾斜落下，可能不会直接落到沟底。这也可能是降水时，沟底土壤补水不如沟岸的重要原因。
图5 在沟底、沟边和沟岸，时间平均土壤含水量(土壤含水量s)及其相关标准差(a)和相应的变异系数(CV)(b)
3.3土壤水分对降水的响应
土壤储水量随降水总量增加而增加，且降水总量主要影响浅层土壤。在干旱期，沟谷底部土壤储水量减少量最小；降水较多时，沟谷底部土壤储水量增量并非最大，最大地下水补给位置在沟谷底部或沟岸，而非沟谷边缘。降水集中在一年中的特定月份的特定天数(7 - 9月)，六道沟流域降水呈逐年增加的趋势。
四、结论
本研究基于长期监测数据表明：土壤含水量与植被类型、地形和降水量密切相关。无论立地条件如何，土壤水稳定性随土层深度增加而增加。灌木和草地在强降雨下对土壤水的补充优于自然休耕和农田，但种植高耗水植被13年后会显著降低土壤储水量。因此，半干旱地区应谨慎使用高耗水植被进行植被恢复。沟谷使土壤水分布更复杂，土壤储水量最大补给位置在沟谷底部或沟岸。本研究揭示了黄土高原土壤水分对长期植被恢复和地形条件的响应机制，研究结果为黄土高原的植被恢复和水资源管理提供了科学指导，特别是在全球气候变化背景下，对于优化植被配置、提高水资源利用效率、维护区域生态安全具有重要的指导价值。
个人简介：于冉，西北农林科技大学水建学院，2023级硕士研究生，主要从事生态水文研究。邮箱：1402765247@qq.com
