土壤水分是干旱与半干旱地区植被生长的主要限制因子^[1-2]。受土地利用方式、气候、地形、土壤类型、人为活动等多因子综合作用的影响，土壤水分在空间尺度上会表现出明显的异质性^[3-5]。研究土壤水分的空间分布特征对于区域农业生产、土地的合理利用、生态系统服务功能等方面具有重要的意义^[6]。坡面是黄土高原地区实施植被恢复的重要地貌单元。目前对坡面土壤水分异质性特征及其影响因素的研究已有一些结论^[7-9]，如孙中峰等^[10]研究认为坡向、坡度、坡位是影响区域坡面尺度土壤水分分布的主要因子；徐学选等^[11]发现坡位和坡向是影响黄土丘陵区地块尺度土壤水分空间分布的主要因子；徐飞等^[12]研究表明高程、土地利用类型和土层厚度对土壤水分分布的相对贡献率最大。由于研究区域不同，坡面土地利用类型、植被类型与配置、地形条件等都有较大差异，很多研究结论并不一致，对坡面土壤水分异质性及主控因素仍需进一步分析。

黄土高原地区降水集中，土质疏松，水土流失严重，生态系统脆弱，进行植被恢复与重建是该区域生态建设的重要举措^[6]。柠条(Caragana korshinskii Kom.)属锦鸡儿属植物，由于其根系发达并具有很强的适应性和抗逆性，也是营造水土保持林的首选灌木树种^[13]，据统计，内蒙古、山西、陕西、宁夏、新疆等省(区)的种植面积至少在133万hm²以上^[14-15]。但是，有研究表明人工柠条地在多年种植后会加速土壤水分消耗，使土壤水分处于极度亏缺的状态，土壤存在不同程度的干燥化现象，即出现土壤干层，影响柠条生长发育^[16]。此外，柠条在坡耕地上多以条带状种植(也称带状植物篱)^[17]，在改善土壤性质，拦截径流、减少土壤侵蚀、保持水土等方面具有显著作用^[18-19]。曾辰等^[20]发现在黄土高原上柠条种植的土壤水分补给表现为从坡顶到坡下逐渐增大的趋势。王振凤等^[21]的结果显示，柠条的水分垂直变化在0~80 cm差异不显著，80~100 cm差异显著。但将年限种植与条带、坡位、海拔等环境因子相结合对土壤水分空间变化及影响因素进行分析的研究还较少；因此，笔者拟对黄土丘陵区不同种植年限柠条下坡面土壤水分空间异质性及其主控影响因子进行分析，以期为黄土高原人工植被建设与管理提供一定的科学依据。

研究区位于宁夏回族自治区固原市中国科学院水利部水土保持研究所上黄生态试验站(E106°26′50.515″~106°27′16.513″，N 35°59′55.619″~36°1′9.074″)。该区属典型黄土高原丘陵区，土壤类型多为黄土母质上发育的黄绵土，土壤贫瘠。多年平均气温为6.9 ℃，年均降水量为419.1 mm，属于温带半干旱气候区。主要的植被类型有猪毛蒿(Artemisia scoparia Waldst. et Kit.)、长芒草(Stipa bungeana)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、大针茅(Stipa grandis)、百里香(Thymus mongolicus)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus attaicus)、星毛萎陵菜(Potentilla acaulis L.)、茭蒿(Artemisia giraldii)、早熟禾(Poa annua L.)等。

选取研究区种植15年(N15)、25年(N25)和35年(N35)柠条地并以荒草地(CK)(撂荒>40年)为对照(图 1)。在每个样带上采用坡面线状采样法，从坡顶到坡底每隔15 m设置一个样地(柠条带和间隔荒草带)，按照海拔设置5个坡位(坡顶、坡肩、坡上、坡中和坡下)，在每个样地沿坡面10 m范围内水平设置3个10 m×10 m的样方作为重复，采取整个坡面土壤样品。在每个样地记录间隔荒草带的植被类型和覆盖面积，柠条带的株高、冠幅和种植密度等信息。用罗盘和GPS记录经纬度、海拔、坡度和坡向等地形因子。各采样点的基本情况见表 1。于2019年7月29—31日采集土壤样品，取样前7 d及采样期间均无降雨。各样地土样采集深度为0~100 cm，并按照0~40 cm以10 cm为间隔和40~100 cm以20 cm为间隔用土钻进行钻取。每层采集少量土样装入铝盒中当日带回试验站，以烘干法(105 ℃，24 h)进行测定。

图 1(Fig. 1)

CK为荒草样地；N15、N25和N35分别为柠条种植年限为15、25和35年样地。图(a)白框为采样点的采样点范围。图(b)白色园点为间隔荒草带，黑色园点为柠条带。数字为自坡顶向坡下的采样点位，’为柠条带，未标’为间隔的荒草带。下同。 CK represents natural grassland. N15, N25 and N35 represent 15-, 25-, and 35-year-old Caragana korshinskii Kom. plantations, respectively. The white box in Fig. (a) represents the range of a sampling point. The white point in Fig. (b) represents grass belt and black point represents Caragana korshinskii Kom. The numbers on the horizontal axis of each plot represent the sampling points from the top to the bottom of the slope. The label ' one represents a Caragana korshinskii Kom. belt and unlabeled ' one represents a grass belt. The same below. 图 1 研究区(a)及坡面采样点分布(b)图 Fig. 1 Study area (a) and sampling point distribution (b)

表 1(Tab. 1)

表 1 采样点的基本信息 Tab. 1 Basic information of plots 样地 Plot 经纬度 Coordinate 海拔 Altitude/m 坡度 Slope/(°) 株高 Plant height/m 冠幅 Crown width/m2 生物量 Biomass/(g·m-3) 种植密度 Planting density/(Plants·hm-2) CK E106°29′01.67″ N36°00′40.56″ 1 711~1 797 0~25 - - 322~399 - N15 E106°29′03.81″ N36°00′31.04″ 1 713~1 810 0~20 1.1~2.0 3.1~3.4 238~302 7 333~7 910 N25 E106°47′48.63 N36°00′91.04″ 1 629~1 675 0~23 1.0~2.0 3.2~4.1 252~270 6 666~6 950 N35 E106°28′21.58″ N36°00′20.16″ 1 563~1 668 0~23 1.4~2.0 4.0~4.7 404~590 6 666~6 954 注：“-”为样地无灌木的数据。Note: The label ‘-’ refers to no data of shrub.

表 1 采样点的基本信息 Tab. 1 Basic information of plots

利用SPSS 18.0软件进行描述性统计分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)比较不同种植年限、不同坡位下土壤含水量的差异，显著水平为0.05。利用冗余分析(RDA)对环境因素与土壤水分的关系进行分析。选择的环境因子包括年限、海拔、坡位、坡度和条带。在RDA分析基础上，利用方差分解分析(VPA)分析量化不同环境因子变量对响应变量的单独解释度与共同解释度。RDA和VPA分析应用CANOCO 5.0软件完成。绘图采用Origin 9.0进行。

研究区土壤水分含量为3.3%~21.3%，变异系数CV为31.2%~55.5%，属中等变异(10%≤CV≤100%)程度(表 2)。不同种植年限样地、条带、坡位和土层深度间均存在显著差异(P＜0.05)，它们的变异系数均为中等变异程度。不同种植年限的土壤含水量具有显著差异(P＜0.05)，其平均值和标准差均表现为CK>N15>N25>N35，即随着柠条种植年限的增加，土壤含水量及其异质性逐渐减低(表 2)。柠条带和间隔荒草带的土壤含水量平均值分别为7.8%和7.7%，但二者无显著差异(P>0.05)。在不同坡位上，坡顶、坡肩、坡上、坡中和坡下的平均土壤含水量分别为9.6%、7.7%、7.9%、8.4%和9.5%，坡顶和坡下显著高于其他坡位(P＜0.05)。从土壤深度来说，土壤含水量随土层深度增加而逐渐下降，0~30 cm土层土壤含水量及其变异系数明显高于下层。

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤含水量的基本统计特征 Tab. 2 Basic statistical characteristics of soil moisture content 因素 Factor 变量 Variable 样点数 Number of sampling points 平均值 Mean/% 标准差 SD/% 变异系数 CV/% 最小值 Min/% 最大值 Max/% 样地Plot CK 105 12.2a 4.1 33.9 6.5 21.3 N15 196 11.3b 3.5 31.2 4.9 20.6 N25 154 6.3c 2.2 33.9 3.5 15.2 N35 238 5.7d 1.8 31.9 3.3 15.2 条带Belt 间隔荒草带Grass belt 294 7.7a 3.6 46.8 3.3 20.6 柠条带Caragana korshinskii Kom. belt 294 7.8a 3.7 47.1 3.6 18.1 坡位Slope position 坡顶Top-slope 91 9.6a 4.0 42.0 3.6 18.1 坡肩Shoulder-slope 175 7.7b 3.7 48.6 3.5 21.3 坡上Upper-slope 154 7.9b 4.4 55.5 3.4 20.6 坡中Mid-slope 175 8.4b 4.1 49.0 3.3 19.9 坡下Lower-slope 98 9.5a 3.5 36.7 4.7 17.8 土层深度 Soil depth/cm 0~10 99 11.0a 4.9 44.9 4.6 19.9 10~20 99 10.7a 5.0 46.5 4.3 21.3 20~30 99 9.4b 4.3 46.0 3.8 20.6 30~40 99 7.7c 2.9 37.9 3.5 14.4 40~60 99 6.8d 2.5 36.4 3.5 16.4 60~80 99 6.7d 2.3 34.1 3.4 11.6 80~100 99 6.4e 2.1 32.5 3.3 14.2 注：小写字母表示在不同样地、条带、坡位或土层间具有显著性差异(P＜0.05)。Notes: Lowercase letters indicate significant differences among different plots, belts, slope positions, or soil depths.

表 2 土壤含水量的基本统计特征 Tab. 2 Basic statistical characteristics of soil moisture content

不同样地的坡面土壤含水量变化情况如图 2所示。种植年限对坡面土壤剖面的含水量有明显影响，CK与N15以及N25和N35样地间水分变化基本相似，统计分析表明前二者显著高于后二者(P＜0.05)，其差异主要在0~20 cm土层。不同坡位对0~100 cm剖面含水量也有明显影响，坡上和坡肩含水量基本一致且均为最低，表层0~40 cm在坡顶含水量最高，下层40~100 cm则在坡下有最大值。结合种植年限和坡位来看，同一样地不同坡位以及同一坡位不同样地对土壤水分含量均有显著的影响(P＜0.05，图 3)。每个样地均为坡顶和坡下高于其他坡位。柠条种植15年后大幅度降低了各坡位的土壤含水量，且N25和N35样地仅在坡上位置有差异。

图 2(Fig. 2)

各样地横轴数字代表自坡顶向坡下的采样点位，′代表柠条带，未标′代表间隔的荒草带。 The numbers on the horizontal axis of each plot represent the sampling points from the top to the bottom of the slope. The label ′ one represents a Caragana korshinskii Kom. belt and unlabeled ′ one represents a grass belt. 图 2 不同种植年限柠条坡面土壤水分分布 Fig. 2 Distributions of soil moisture contents on the slopes of different C. korsginskii planting year plots

图 3(Fig. 3)

小写字母表示同一坡位不同年限之间具有显著差异，大写字母表示同一年限不同坡位之间具有显著差异(P＜0.05)。 Lowercase letters indicate significant differences among different plantation age plots at the same slope position at P < 0.05. Uppercase letters indicate differences among different slope positions at the same plantation age plot at P < 0.05. 图 3 柠条不同种植年限不同坡位土壤含水量平均值 Fig. 3 Average soil moisture contents of different slope positions on the plots of different Caragana korshinskii Kom. planting years

各样地在不同坡位上柠条带与间隔荒草带的土壤水分差值(柠条带土壤水分减去间隔荒草带水分)多为正值(图 4)，说明柠条带种植有助于土壤水分的蓄积。柠条带与间隔荒草带的土壤水分差值的平均值在坡顶为负值，在其他坡位则为正值，说明坡位改变了柠条带与间隔荒草带间的土壤含水量分布。从各样地来看，除N15坡顶、N25坡上和坡中以及N35坡肩位置为负值外，其他均为正值。

图 4(Fig. 4)

图 4 柠条不同种植年限柠条带与间隔荒草带土壤水分均值差 Fig. 4 Differences of average soil moisture content between grass belt and Caragana korshinskii Kom. belt under different C. korshinskii Kom. plantation ages

各土层的含水量与环境影响因子的相关性分析如表 3所示。年限和海拔与各土层的水分含量分别呈现出极显著的负相关和正相关(P＜0.01)，坡位与40~100 cm土层含水量呈显著正相关(P＜0.05)，条带性与10~30 cm土层含水量呈显著负相关(P＜0.05)，坡度与土壤含水量则无相关性(P>0.05)。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同土层含水量与其影响因子的Pearson相关分析 Tab. 3 Pearson correlation analysis between soil moisture contents under different soil depths and influencing factors 土层深度 Soil depth/cm 种植年限 Planting age 海拔 Altitude 坡度 Slope 坡位 Slope position 条带 Belt 0~10 -0.901** 0.856** 0.152 -0.045 -0.187 10~20 -0.860** 0.869** 0.125 -0.09 -0.202* 20~30 -0.784** 0.810** 0.103 -0.023 -0.203* 30~40 -0.680** 0.689** -0.028 0.081 -0.056 40~60 -0.662** 0.604** -0.001 0.214* -0.094 60~80 -0.634** 0.567** -0.032 0.236* -0.061 80~100 -0.640** 0.547** 0.014 0.266** -0.121 注：*和**分别代表P＜0.05和P＜0.01。Notes: * and ** represent P＜0.05 and P＜0.01, respectively.

表 3 不同土层含水量与其影响因子的Pearson相关分析 Tab. 3 Pearson correlation analysis between soil moisture contents under different soil depths and influencing factors

环境因子与土壤含水率的RDA排序见图 5。从4个样地不同采样点位与影响因子的分布来看，年限和条带性是影响样地土壤含水量的主要驱动因子，海拔和坡度是影响CK(荒草地)和N15样地的主要驱动因子，而坡位对不同样地的影响不显著。在RDA排序图的影响因子中，年限和海拔的箭头长度最长，坡位其次，坡度和条带最短，说明年限和海拔是影响坡面土壤水分异质性的主控因素，坡位影响次之，坡度和条带对坡面土壤水分异质性也均有影响。从土层箭头与影响因子箭头的夹角来看，海拔与各土层的夹角均为锐角，且随着土层深度增加，海拔与土层夹角变大，但仍呈锐角，说明海拔对土壤含水量的影响程度随着土层深度的增加而减小。坡度与80~100 cm土层呈直角，说明坡度对深层土壤水分基本无影响。坡位对30~100 cm土层的水分影响随着土层加深逐渐增大，对0~30 cm的影响呈负相关。条带性与各土层也呈负相关。通过VPA检测分析表明，就单个因素来说，年限、海拔和坡位与土壤含水量呈极显著相关性(P＜0.001)，其解释量分别为1.9%、6.1%和3.0%，而坡度(0.8%)和条带(0.6%)与土壤含水量没有相关性。各环境因子的交互作用解释土壤含水量变异的综合效应达到了74.4%。

图 5(Fig. 5)

○、□、△和×分别为CK、N15、N25和N35样地；实心和空心箭头分别代表土层和影响因子。 ○, □, △ and×represent CK, N15, N25 and N35, respectively. The solid arrows represent soil depths, and hollow arrows represent influencing factors. 图 5 坡面采样点RDA排序图 Fig. 5 Redundancy analysis (RDA) ordination of sampling points on the hillslope

随着种植年限的增加，柠条地土壤水分含量及其在土壤剖面中的异质性逐渐降低。这与黄土高原及其他半干旱地区已有的研究结果^[22]类似。与自然生长的草本植物相比，随着柠条种植年限的增加，其发达的根系快速生长，植物为维持生长会快速消耗土壤水分，从而导致土壤进一步干燥^[23-24]。Chai等^[25]对柠条种植的0~100 cm土层水分的研究表明，柠条种植10~30年间土壤含水量显著降低29.2%。Deng等^[26]研究发现，柠条地地上生物量由幼龄期(5年)到成熟期(35年)增加52.9%，而地下生物量则增加79.9%。成向荣等^[27]对柠条细根与土壤水分消耗关系的研究表明，在0~180 cm土层中，细根分布的密度随土层深度的增加锐减，由表层到深层的土壤含水量减少53.5%，说明植物根系对土壤剖面含水量分布也有影响。

坡位对土壤水分也有明显影响。本研究中土壤水分在不同坡位表现为坡顶与坡下显著高于其他坡位。坡顶含水量较高可能是因为坡顶平缓，可以大量入渗雨水，增加土壤水分储存；而坡下位置相对平缓，除可以入渗降雨外还可以接收坡面上下流的径流水分，维持其高土壤水分含量。坡中、坡上和坡肩土壤含水量较低的结果，主要由于这些坡位的坡度较大，降雨入渗转化为土壤水分的程度较低，加之高坡位由于太阳辐射较强也使得蒸发量较大^[11]。这与已有研究^[28-29]类似。此外，坡面灌草条带结构对土壤水分分布也有影响。本研究中虽然整体上柠条带与间隔荒草带无显著差异，但不同种植年限及坡位的灌木带与间隔荒草带具有显著的差异。具有反坡台微整地措施的柠条带可以储存间隔荒草带流入的径流，从而使水分有向带内汇聚的趋势^[30]。本研究中种植15年的柠条带与间隔荒草带的土壤水分差值较大，而种植25年和35年则差值不大，这也进一步说明柠条种植多年后土壤水分亏缺的加剧。这种土壤干燥化是否引起坡面灌草系统水分竞争及生产力的下降^[25]，还需进一步研究。

黄土高原坡面尺度土壤水分空间异质性受土地利用、地形、土壤和植被等众多因素的影响^[31-32]。本研究中的RDA分析结果表明，年限是黄土丘陵区柠条种植坡面土壤水分变异的主控因素，而地形要素中的海拔影响最大，坡位次之，这与已有的研究相似^[33]。坡度和条带对土壤水分影响最小，主要是因为本研究中各样地的坡度相似以及条带间土壤水分总体差异不大的原因。总体上，本研究区柠条种植对土壤水分的影响是多因子综合作用的结果。虽然坡地柠条种植可以提高降水利用率，减少土壤侵蚀，但在植被建设评估与实践管理中应充分考虑柠条种植年限、地形等因子影响下土壤水分消耗与降水资源的匹配程度，促进区域生态恢复的可持续性。

1) 研究区土壤水分含量为3.3%~21.3%，变异系数为31.2%~55.5%。柠条种植年限的增加降低土壤含水量及其异质性。在不同坡位上表现为坡下>坡顶>坡中>坡上>坡肩。柠条带与间隔荒草带的土壤水分差值随种植年限增加而降低，并坡顶表现为负值，其他坡位均为正值。

2) RDA和VPA分析表明，种植年限和海拔是影响研究区坡面土壤水分异质性的主控因素，其对土壤水分的解释量分别为1.9%和6.1%。坡位、坡度和条带对土壤水分的解释量分别为1.9%、6.1%和3.0%，环境因子对土壤含水量的总解释量达到了74.4%。