黄土高原长期受降雨径流、土壤侵蚀等的影响，水土流失极为严重，水资源短缺是限制当地植被重建、生态恢复的主要限制因子^[1-2]，同样植被也在很大程度上影响黄土高原地区土壤含水量^[3-4]，因此，研究黄土高原地区的土壤含水量及植被对其影响有重要意义。近年来，国内外学者对此开展了大量研究，张建军等^[5]对晋西黄土区3种不同林地土壤水分变化的研究指出，人工林地对深层土壤水分消耗较次生林高，形成土壤干层，次生林主要消耗的是土壤表层水，因此黄土高原的植被恢复应多采用封山育林等方式。张秀伟等^[6]对左云县5种不同植被类型下土壤垂直剖面水分变化特征进行研究，研究发现春季各植被条件下在深层土层均出现不同程度的干层发育，土壤干层减缓土壤水分的垂直移动性，切断了深层水分与上层的联系。张杰等^[7]研究天然次降雨下3种不同处理的红壤坡地径流特征，发现小雨雨型下，红壤坡地均不产生地表径流；中雨雨型下，干草敷盖对于促进降雨入渗最优；大雨及以上雨型下，植草覆盖和干草敷盖处理以壤中流为主。王力^[8]通过对比人工林地与天然林地土壤水分状况发现，天然林地水分亏缺相比人工林地而言情况较好，只有浅层土壤产生轻度水分亏缺现象，且在雨季后能立即得到恢复，而人工林地土壤水分亏缺较为明显，深层水分亏缺尤为严重。一些学者^[9-10]就土壤水分动态变化、土壤含水量与植被关系等方面已展开了一系列野外、室内等研究，取得了丰富的研究成果，这些研究多采用土钻法等不连续的观测手段，研究内容侧重于大尺度、单次降水过程下不同地类的水分动态与土壤水分变化特征，但小尺度、长期定位监测更能直接揭示土壤水分对降水的响应过程。笔者获取黄土高原安塞县后沟流域不同土壤深度土壤含水量数据的基础上，研究不同植被覆盖条件下土壤含水量对降水的影响特征，初步界定不同降雨条件下影响土壤含水量变化的阈值，为优化黄土高原水土保持措施配置提供科学的依据。

研究区位于陕西省延安市安塞县后沟流域(E 109°18′53″，N 36°51′17″)，该区属于黄土丘陵沟壑区第2副区，海拔1 010~1 430 m，流域面积为8.27 km²，气候属暖温带半干旱气候，年平均气温9.5 ℃，最高与最低气温分别为39.8 ℃和-20.0 ℃。多年平均降水量549.1 mm，丰水年降水量可达700 mm，降水年际和季节变化较大，年内分配不均，且以短历时高强度暴雨为主，7—9月的降水量占全年降水的61.1%^[11]。流域内土壤以黄绵土为主，植被类型主要为刺槐和天然草地，农作物主要为玉米(Zea mays L.)、谷子(Setaria italica)、马铃薯(Solanum tuberosum L.)等^[12]。流域内主要的水土保持措施为退耕还林(草)，封山育林等。

选择后沟流域坡面布设3个不同处理方式的野外径流小区(图 1)，小区长40 m、宽5 m，面积约200 m²，坡度约30°，即低覆盖草地A(猪毛蒿(Artemisia scoparia)，覆盖度30%，下简称为低覆盖A)、中覆盖草地B(铁杆蒿(Artemisia vestita)，覆盖度70%，下简称为中覆盖B)和高覆盖混交林地C(火炬树(Rhus typhina L.，下简称为高覆盖C)与少部分龙须草(Eulaliopsis binata)，覆盖度90%)，作为在本研究中3个高、中、低不同程度的植被盖度，3个小区坡面中部分别布设1个土壤水分仪器(云智能土壤水分温度观测仪，ET100-5AH)；土壤深度每10 cm为1层，实时监测0~100 cm深度的土壤水分变化。数据每1 h记录1次；根据逐日土壤水分监测数据，研究不同深度土壤含水量的变化情况。选择2017年1月1日—12月1日的土壤含水量数据进行研究。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区地理位置图 Fig. 1 Location of the study area

降水数据资料来源于安塞水土保持综合试验站气象站2017年1月1日—12月1日资料。

笔者根据雨量器的精准度与降水日资料，参考Zhao等^[4]论文的方法，定义1次降水事件是初始降水量超过0.2 mm且降水期间没有降水记录时间低于12 h，2次降水时间无降水记录时间间隔超过2 d，由此共获取到2017年20次降水事件。采用聚类分析的方法，根据降水属性，对所得的降水事件进行分类(表 1)，表中降水时间为1次降水事件连续持续时间，有效降水时间为1次降水事件中测得降水量的全部时间，峰值强度为单位小时最大降水量，平均强度为降水量与有效降水时间的比值。数据分析处理采用SPSS 22.0，图表绘制采用Origin 2017。

表 1(Tab. 1)

表 1 研究期20场降水事件特征表 Tab. 1 Characteristics of 20 precipitation events during the study period 特征 Feature 组编 Group 降水时间 Precipitation time/h 有效降水时间 Effective precipitation time/h 降水量 Precipitation/mm 峰值强度 Peak intensity/(mm·h-1) 平均强度 Average intensity/(mm·h-1) P1 1 14 11 7.8 2.6 0.709 P2 1 35 13 7.2 2.2 0.554 P3 1 14 13 6.8 1.4 0.523 P4 1 22 21 12.6 1.4 0.600 P5 1 16 15 18.2 3.6 1.213 P6 1 6 6 5.6 1.2 0.933 P7 3 20 16 35.2 7.2 2.200 P8 3 32 29 35.6 3.4 1.288 P9 1 9 7 5.0 4.4 0.714 P10 1 4 4 6.8 4.2 1.700 P11 3 32 26 41.2 6.2 1.585 P12 1 5 5 9.6 1.2 1.920 P13 1 4 4 5.4 6.6 1.350 P14 3 54 34 53.6 4.6 1.576 P15 4 86 64 43.8 2.4 0.684 P16 1 6 5 7.0 4.6 1.400 P17 1 18 18 12.2 1.6 0.678 P18 2 55 52 83.0 7.4 1.596 P19 1 4 4 3.8 1.8 0.950 P20 1 6 6 3.2 0.8 0.533

表 1 研究期20场降水事件特征表 Tab. 1 Characteristics of 20 precipitation events during the study period

笔者对降水数据筛选出共20个场次降水事件(如图 2(a)中P1到P20所示)，场次累计降水量为403.6 mm，占2017年全年降水量(485.6 mm)的83.1%。表 1列出了每个场次降水事件的详细属性，降水量最大的场次降水事件为P18，降水量为83 mm。

图 2(Fig. 2)

图 2 研究期降水量(a)和累计降水量图与降水事件分类(b)图 Fig. 2 Classification of precipitation(a), accumulated rainfall and precipitation events(b)in the study period

根据场次降水事件属性采用聚类分析法分为4组(图 2(b))，第1组为历时短，降水量小，峰值强度低的小雨，共计14场，平均降水量为7.9 mm；第2组为暴雨，暴雨历时长，降水量大，峰值强度高，共计1场，平均降水量83.0 mm；第3组是历时与降水量中等的中雨，共计4场，平均降水量41.4 mm；第4组为连续降水，历时长，平均强度中等，共计1场，平均降水量43.8 mm。

图 3为研究期低覆盖A、中覆盖B和高覆盖C不同深度下土壤含水量的变化。2—7月，相同降水条件下3种植被覆盖的土壤含水量仅在0~40 cm产生较大波动；7—11月，3种植被覆盖各土层深度均对降水事件产生响应关系，且存在较大波动。

图 3(Fig. 3)

图 3 研究期高、中、低覆盖土壤含水量变化图与降水-土壤含水量响应过程入渗深度图 Fig. 3 Variation of soil moisture content under high, medium, and low cover and infiltration depth of precipitation-soil moisture response process

土壤含水量增量>2%时，认为土壤含水量对降水产生响应。研究表明仅小雨(图 3，第1组)条件下低覆盖A、中覆盖B和高覆盖C存在8场，4场、10场降水事件对土壤含水量没有影响。

不同深度下土壤含水量的极值比可以反映土壤含水量变化剧烈程度，根据土壤含水量极大值与极小值的差与极小值的比值可以得到土壤含水量的极值比。在10、20、40、60和100 cm深度下，低覆盖A土壤含水量极值比分别为2.2、2.9、2.5、1.7和1.4；中覆盖B土壤含水量极值比分别为8.7、4.8、3.9、3.3和2.8；高覆盖C土壤含水量极值比分别为5.5、3.8、3.8、3.4和2.6，这表明3种覆盖土壤含水量变化剧烈程度为中覆盖B>高覆盖C>低覆盖A。

根据3种植被覆盖下土壤含水量增量分析土壤入渗发现，小雨(图 3，第1组)条件下对降水有响应的场次中，低覆盖A和中覆盖B入渗深度最大为20 cm，高覆盖C入渗深度最大为10 cm；暴雨(图 3，第2组)条件下，3种植被覆盖下都达到最大土壤入渗深度，其中低中覆盖A和B入渗深度相同(80 cm)，高覆盖C入渗深度最浅(60 cm)；中雨(图 3，第3组)条件下，高覆盖C在P7、P8和P13场降水事件下入渗深度相同(20 cm)，在P14时入渗深度为40 cm；在连续降水(图 3，第4组)条件下，中覆盖B入渗深度大于低覆盖A和高覆盖C。对于全部降水事件条件下，高覆盖混交林地入渗深度小于中、低2种草地覆盖。

根据3.2中内容发现存在小雨条件下土壤含水量对降水无响应的情况，为评价土壤对降水响应的敏感性，选取本研究3种覆盖条件下均有降水-土壤含水量响应过程的10场降水事件，观察0~10 cm深度下土壤含水量变化(图 4)。

图 4(Fig. 4)

A：2 h(0.8 mm)是低覆盖草地A在0~10 cm土壤含水量变化滞后时间2 h及对应累积降雨量0.8 mm，其他类推。 A:2 h(0.8 mm)refers to the lag time 2 h of soil moisture content responding to rainfall, and the accumulated rainfall 0.8 mm in low cover grassland A. The others are analogy. 图 4 高、中、低覆盖条件下0~10 cm土壤含水量对不同降水事件的响应 Fig. 4 0-10 cm-depth soil moisture content at the high, medium, low cover corresponding to precipitation events

进一步将本次筛选的10次降水事件进行分类，包含4种降水过程：Ⅰ)初始降水强度低的不连续降水事件过程(P2和P14；图 4(a)和(b))；Ⅱ)初始降水强度高的不连续降水事件过程(P7和P11；图 4(c)和(d))；Ⅲ)初始强度低但连续降水过程(P4、P5、P8和P17；图 4(e)~(h))；Ⅳ)以及具有多种强度的长序列连续降水事件过程(P15和P18；图 4(i)和(j))。

在第Ⅰ过程中，P14降水事件初始3 h降水量少，3 h之后降水量快速上涨，因此3种植被覆盖下对降水的响应时间在3~4 h，8月20日23：00之后12 h中无降水补给，此时高覆盖C土壤含水量仍保持上升状态，中覆盖B土壤含水量开始下降，低覆盖A土壤含水量保持不变。P2降水事件初始2 h降水量高于P14事件，低中覆盖A和B的土壤含水量对降水响应时间为1~2 h，高覆盖C响应时间为32 h。

在第Ⅱ过程中，对于开始降水强度持续较高的P7(图 4(c))，3种覆盖在降水事件开始1 h内，土壤含水量出现增长，对应累积降水量低于5.4 mm，在几个小时连续的高强度降水条件下，土壤含水量剧增，后期有少量降水补充，3种覆盖下土壤水维持在一定的含量。P11降水事件是短历时强降雨之后出现长历时的小雨，之后类似出现这种降水情况(图 4(d))，其中低覆盖A的土壤含水量对降水响应时间为1 h，此时累计降雨量为4.8 mm，中高覆盖B和C在1 h内土壤含水量便有响应。

在第Ⅲ过程中，P4事件3种覆盖的土壤含水量增长趋势类似，均呈上升趋势，且土壤水含量在整个降水过程中均是中覆盖B＞低覆盖A＞高覆盖C，低中覆盖A和B土壤含水量对降水响应时间为1 h，响应累计降雨量为0.2 mm，高覆盖C土壤含水量对降水响应时间为2 h，响应累计降雨量为1 mm(图 4(e))。2场降雨事件中高覆盖C相同降水条件下土壤含水量响应时间要明显长于低覆盖A和中覆盖B(图 4(f)~(h))。

在第Ⅳ过程中，3种覆盖在有强降水过程土壤含水量呈上升趋势，在小降水或无降水事件下土壤含水量呈持平或小幅度下降情况。同时期林地高覆盖C的土壤含水量小于低中覆盖A和B的土壤含水量(图 4(i)和(j))。

研究表明土壤深层含水量剧烈波动仅出现在大暴雨背景下，为进一步探究，选取P15和P18事件研究0~100 cm深的土壤含水量的响应情况。

对于低覆盖A(图 5(a)~(d))，P18事件初始降水量和降水总量大于P15事件，P15事件下0~20 cm的土壤含水量对降水响应时间为8 h，P18事件为3 h，且P15事件20~100 cm土壤含水量响应时间均大于P18。P15事件下土壤湿润速率最大值在10 cm深(10 cm/h)，最小值在40 cm深(0.77 cm/h)；P18事件土壤湿润速率最大值在10 cm深(10 cm/h)，最小值在100 cm(1.43 cm/h)。2种降水事件下中覆盖B土壤含水量在100 cm降水仍有响应(图 5(e)和(f))，在0~10 cm土壤含水量对P15和P18降水响应时间和湿润速率相同，在10~100 cm深度下，P15土壤含水量对降水响应时间大于P18。高覆盖C对降水的响应在80 cm(图 5(g)和(h))，2种降水事件土壤湿润速率呈现减小趋势，P15事件在整个土层土壤含水量对降水响应时间大于P18。

图 5(Fig. 5)

A：10 cm: 1 h(10 cm/h)为低覆盖草地A在10 cm土层处降水-土壤含水量响应过程开始与土壤含水量响应变化的时间1 h以及每个深度下的平均湿润速率10 cm/h，其他类推。 A:10 cm: 1 h(10 cm/h)is the time of 1 h when the response process of precipitation-soil moisture content begins to change with the response of soil moisture content at 10 cm soil layer, and the average wetting rate 10 cm/h at each depth in low cover grassland A. The others are analogy. 图 5 高、中、低覆盖条件下不同深度土壤含水量对降水量的响应时间变化图 Fig. 5 Response time of soil moisture content in different depths to precipitation under the condition of high, medium and low cover

3种覆盖在P18事件下，0~40 cm深土壤含水量对降水的响应时间为高覆盖C>低覆盖A>中覆盖B，40~80 cm土壤含水量的响应时间为高覆盖C>中覆盖B>低覆盖A，对于P15事件，0~80 cm深土壤含水量的响应时间为高覆盖C>低覆盖A>中覆盖B，高覆盖C在2种降水事件整个研究土层响应时间均长于低中覆盖A和B。

黄土高原土壤水分来源主要依靠降水补给^[13]，降水入渗深度主要是与降水量有关^[14]。本研究中降水量在大于6.8 mm (P3)、12.6 mm (P4)、41.2 mm (P11)、43.8 mm (P15)和83.0 mm (P18)分别在10、20、40、60和80 cm深度时，降水影响到该层土壤含水量(图 3)，这表明在强降水条件下，降水能补给到土壤深层，这与前人的结论^[15]一致。表 1的P11、P14、P15和P184场降水事件降水特征以及图 3和图 4中可发现：在7—11月期间发生几场强降水、长历时的大暴雨事件，此期间土壤水分补给量超过土壤水分消耗量，导致上层土壤含水量达到饱和并且不断向下层土壤进行补给入渗，这表明暴雨持续时间长且峰值强度高有利于降水深层入渗和土壤水分累积^[16]。

同时，土壤含水量对长历时高雨强的暴雨响应时间要短于对长历时中强度的连续降雨，且中历时中雨强的中雨事件下，P7和P11事件降水-土壤含水量响应时间短于P14和P8事件(图 4)，原因在于1次降水事件的初始降水量大小，当降水事件初始降水量较大时，表层土壤迅速达到饱和，水分并向下层土壤运动，土壤含水量响应时间较短；当初始降水量较小时，表层土壤需要一定时间达到饱和，此时土壤含水量才会对降水产生响应。

图 4中P4、P5、P8和P17降水-土壤含水量响应时间比P7、P11、P14和P18的响应时间要长，但触发土壤含水量响应的1次降水量差别变化不大。这意味着启动土壤含水量响应过程存在降水量阈值。

为了检验降水量与土壤含水量响应之间的阈值关系，计算从土壤含水量响应开始到在10 cm深度的滞后时间期间的1次降水量。触发土壤含水量响应的1次降水量最小值的在中低覆盖A和B大致相同(0.2 mm)，但高覆盖C需要较高的1次降水量土壤含水量才能得到响应(1 mm)。

同一降水条件下，植被覆盖情况不同，对应的土壤水分也有很大差异。从图 3中发现，高覆盖C降水入渗深度普遍小于低中覆盖A和B，高覆盖C植被主要以火炬树与为主，植被覆盖度高，冠层截留作用强，且枯落层和根系发达，减少了有效降水，从而限制了土壤入渗深度^[17]。草地植被覆盖度低于林地，根系较浅冠层小，分布较为紧密，对降水的截留作用较小，土壤入渗深度较深。图 6表明中低覆盖A和B在表层土壤更容易受雨水渗透，而高覆盖C则需要较高的雨水补给量。

图 6(Fig. 6)

图 6 高、中、低覆盖条件下在0~10 cm深度时触发土壤水分响应阈值降水量箱线图 Fig. 6 Box plot of threshold precipitation for triggering soil moisture response at 0-10 cm depth under high, medium and low cover

在大暴雨条件下(图 5)，初始降水量较大时，中覆盖B在0~40 cm降水-土壤含水量响应时间最短，在40~80 cm深则是低覆盖A响应时间最短。而在初始降水量较小并持续降水的情况下，中覆盖B在0~80 cm降水-土壤含水量响应时间最短，高覆盖C在2种降水事件整个研究土层响应时间均长于低中覆盖A和B。这表明在强降水条件下，草地浅层根系发达，土壤入渗速率较快，对水分的响应时间较短，林地对降水补给入渗截留作用较强，对水分响应时间较长，这与尹秋龙等^[18]的观点保持一致。

1) 根据场次降水事件属性用聚类分析将20场降水事件分为4组，对低覆盖A、中覆盖B和高覆盖C土壤含水量增量分析土壤入渗发现：小雨条件下3种植被覆盖分别存在8场，4场、10场降水事件对土壤含水量没有影响；在暴雨条件下3种覆盖达到最大土壤入渗深度，中低覆盖草地入渗深度高于高覆盖林地；在中雨条件下，中覆盖B入渗深度大于低高覆盖A和C。降水量在大于6.8、12.6、41.2、43.8和83 mm分别在10、20、40、60和80 cm深度时，降水影响到该层土壤含水量，表明了在强降水条件下，降水能补给到土壤深层，土壤含水量对降水产生响应。

2) 进一步分析不同植被覆盖下表层土壤含水量对降水的响应发现，对于初始降水强度低的不连续降水事件，在降雨1~4 h内中低覆盖草地土壤含水量产生响应；对于初始强度低连续降水过程，土壤水含量在整个降水过程中均是中覆盖B＞低覆盖A＞高覆盖C，对降水的响应时间为高覆盖C>低覆盖A>中覆盖B，基于表层土壤对降水的敏感性，草地对降水的响应更为强烈，而林地则需要较高的的降水补给量。。

3) 3种植被覆盖在高强度大雨事件下，0~40 cm深土壤含水量对降水的响应时间为高覆盖C>低覆盖A>中覆盖B，40~80 cm土壤含水量的响应时间为高覆盖C>中覆盖B>低覆盖A，在连续中强度降水事件下，0~80 cm深土壤含水量的响应时间为高覆盖C>低覆盖A>中覆盖B，且触发土壤含水量响应的1次降水量最小值的在低中覆盖A和B大致相同，但高覆盖C需要较高的1次降水量土壤含水量才能得到响应，这代表在强降水条件下，草地入渗速率较快，而林地对降水补给入渗截留作用较强，因此高覆盖林地在整个研究土层降雨-土壤含水量响应时间均长于中低覆盖草地。