黄土高原水土流失是我国重要的生态环境问题, 水土流失治理与防控受到政府与科学界的高度关注^[1]。为扭转黄土高原水土流失日益严重的局面，国家在黄土高原先后实施退耕还林还(草)、梯田建设和淤地坝工程等一系列水土保持措施。在退耕还林(草)工程实施后，黄土高原植被盖度由原来的31.6%提高到63.6%，入黄河泥沙由16亿减少至不足3亿t^[2]；然而，植被大规模恢复特别是造林加剧蒸散发的进程，黄土高原深层土壤干旱化，黄河径流量减少，植被恢复接近水资源植被承载力阈值^[3-4]，引发众多学者对黄土高原水平衡问题的深层思考。

植被恢复能够显著改善土壤结构状况，增加土壤水分入渗，提高土壤持水和蓄水能力，进而影响到流域产汇流和产输沙的变化^[5]。黄土高原实际的持水能力取决于土壤本身的性能，即土壤质地、土壤密度、土壤团聚体、土壤孔隙度状况、土壤有机质质量分数等^[6]。黄土高原土地利用与覆被变化使表层土壤物理特性发生重要改变，表现为土壤密度减少、土壤孔隙数、孔隙度增加^[7-8]。土壤物理特性的改变和有机质质量分数的提高促进主要微生物数量增加，使土壤肥力有明显改善^[9-10]。土壤理化性质改变显著提高土壤入渗性能和持水能力，影响着降雨—入渗—产流过程和机理。经过人工造林治理的小流域平均径流量和产沙模数远小于自然恢复的小流域^[11]，且人工造林方式使土壤密度减小，进而增强该流域的保水保土能力^[12]。这表明土壤理化性质的变化所带来土壤水分特性改变也在一定程度上决定着降水—土壤水—地表水的运动和转化能力。

植被自然恢复和人工造林不同恢复方式是影响土壤水分特性的重要因素，研究植被自然恢复和人工造林方式下流域的土壤水分特征，有助于揭示退耕还林(草)对黄土高原土壤水文过程及水平衡格局的影响。黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站在黄土高塬沟壑区董志塬建立了长达60多年的自然恢复和人工造林2种不同植被恢复方式的对比流域观测场。笔者通过对比流域土壤理化性质分析和连续高时间分辨率的原位土壤水分动态监测，阐明特定气候条件下植被自然恢复和人工造林2种不同植被恢复方式下小流域土壤持水能力和蓄水能力，对于揭示退耕还林(草)工程中不同植被恢复方式带来的长期水土保持生态效应具有重要意义。

南小河沟(E 107°30′~107°37′，N 35°41′~35°44′)位于甘肃省庆阳市西峰区后官寨镇，流域面积36.3 km²(图 1)。流域高程1 050~1 423 m，主沟道长13.6 km，沟底至塬面相对高差150~200 m，有黄土高塬沟壑区典型特征。南小河沟是泾河支流蒲河左岸的一条支沟，是黄河水利委员会西峰水保站1951年建立的全面科学治理黄土高原水土流失的试验场。流域内多年平均气温9.3 ℃，变化范围为-22.6~39.6 ℃，无霜期155 d；多年平均降雨量556.5 mm，蒸发量为1 474.6 mm^[13]。

图 1(Fig. 1)

DZG: Dongzhuanggou. YJG: Yangjiagou. The same belw. 图 1 小流域位置与仪器布设图 Fig. 1 Small basin location and instrument setting layout

选取南小河沟流域内的董庄沟和杨家沟2条对比小流域的典型坡面作为研究对象，2条小流域位置相邻，流域面积和降水量相近，治理前董庄沟和杨家沟植被状况相似。董庄沟小流域面积1.15 km²，为植被自然恢复流域，是由马牙草(Arundinella anomala)、冰草(Agropyron cristatum)、艾蒿(Artemisia argyi)等草本植物组成的天然草地系统。杨家沟小流域为治理沟，流域面积0.87 km²，1952年开始治理，以人工植树造林为主，人工种植植被主要有油松(Pimus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacaia)、侧柏(Platycladus orienralis)、山杏(Prunus armeniacavar)、沙棘(Hippophae rhamnoises)等^[14]。董庄沟和杨家沟小流域除植被条件不一致，自然环境条件基本一致，常被用作研究不同植被恢复方式下的生态效应对比^[15]。董庄沟和杨家沟小流域的基本情况和地形特征如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 董庄沟和杨家沟小流域基本情况和地形特征 Tab. 1 Basic information and terrain characteristics of DZG and YJG small basins 小流域 Small basin 地理位置 Location 面积 Area/ km2 塬面面积 Plateau area/ km2 坡面面积 Slope area/ km2 沟谷面积 Valley area/ km2 沟长 Channel length/m 沟壑密度 Channel density/ (km·km-2) 沟道比降 Channel gradient/ % 董庄沟 DZG E 107°32′、N 35°42′ 1.15 0.37 0.32 0.46 1 600 1.72 0.89 杨家沟 YJG E 107°33′、N 35°42′ 0.87 0.30 0.21 0.36 1 500 1.69 0.85

表 1 董庄沟和杨家沟小流域基本情况和地形特征 Tab. 1 Basic information and terrain characteristics of DZG and YJG small basins

为保证样点可比性，在2个小流域距离沟头大约200~300 m的上游处，选择1组东坡向和西坡向，都选择4个坡面作为典型坡面进行土壤采样。杨家沟和董庄沟小流域在典型坡面取样点应按照小流域取样对比原则^[16]：海拔1 150~1 250 m、坡度35°~40°、坡长25~30 m之间，地面覆盖度70%~80%。同时为保证杨家沟土壤取样点的土壤物理性质不受到树冠的干扰，杨家沟取样地均与刺槐等灌丛植物间的间隔超过3 m。

2021年10月10日，分别在董庄沟和杨家沟小流域典型坡面上采用环刀法取样，每次取样土壤剖面的深度为0~100 cm，每层取3个重复样品。并于2021年10月15日至11月20日对取样后的土壤在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室进行土壤物理特征分析。利用比重计法测定机械组成；重铬酸钾法测定有机质质量分数；中性乙酸铵法用于分析阳离子交换量；土壤孔隙度利用经验公式进行计算^[17]：

式中：R_s为土壤密度，g/cm³；G为环刀内湿土样质量，g；V为环刀容积，cm³；W为土样含水量，%。

土壤孔隙度计算公式：

式中P_t为土壤孔隙度，%。

土壤水分动态监测数据来自杨家沟小流域和董庄沟小流域典型坡面上布设的土壤墒情仪(TD 200)(图 1)，布设地点不会受植被冠层干扰。监测时间为2021年5—11月，监测深度为0~200 cm，剖面分为20层，每层间隔10 cm，土壤墒情仪采样频率为30 min/次。土壤总蓄水量由每层土壤蓄水量获得，土壤蓄水量可以反映出土壤的水源涵养能力，关系式为：

式中: S_i为每层土壤蓄水量，mm；θ_i为每层土壤体积含水率，%；h_i为土壤分层厚度，10 cm；n为土壤层层数；S为土壤总蓄水量，mm。

2021年8月18日夜至19日凌晨，西峰区出现强降雨过程，对董志塬周边地区造成巨大灾害。降雨过程由布设在南小河沟研究区内的雨量传感器测定，监测范围为整个南小河沟小流域，监测时间为2021年5—11月，监测频率为每日30 min/次，传感器为翻斗式雨量计，仪器分辨率为0.2 mm，降雨强度测量范围为0.01~4 mm/min, 计量误差为±4%。

土壤水分特征曲线参数利用离心机法进行测定。将野外采集土样均匀的装入环刀中，放入清水中进行浸水饱和。待土样饱和后，将样品放入离心装置中，根据压力不同，设计离心机转速，对土样加压，等到加压平衡后，取出样品，用天平称量不同压力和转速下的土样含水量。通过拟合，得到相应的模型参数。土壤水分特征曲线经验模型采用Gardner模型，该模型结构简单，计算方便，精度较高并且适用性强，且拟合曲线中的A值可用来评价土壤的持水性，若A值越大，反映的土壤持水性越强^[18]。Gardner模型的具体表达式为:

式中: Y为土壤体积含水率，%；X为土壤水吸力(用水头表示)，cm；A、B为拟合参数，均大于0。

与自然恢复的董庄沟小流域相比，人工造林植被恢复方式下杨家沟小流域土壤理化性质整体有改善，0~100 cm土层表现为土壤密度减少，土壤孔隙度增加，土壤有机质含量和阳离子交换量提高(表 2)。0~100 cm土层杨家沟土壤密度是董庄沟小流域的91.9%；董庄沟土壤孔隙度均值为38.61%，杨家沟土壤孔隙度为董庄沟的1.13倍。人工造林植被恢复方式下杨家沟土壤有机质质量分数和阳离子交换量分别高于自然恢复的董庄沟21.4%和22.6%。表层0~20 cm，除阳离子交换量杨家沟稍高于董庄沟，其他土壤理化性质未表现出明显的差异性。

表 2(Tab. 2)

表 2 董庄沟和杨家沟小流域土壤理化性质 Tab. 2 Soil physicochemical properties of DZG and YJG small basins 小流域 Small basin 土层深度 Soil layer/cm 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm-3) 土壤孔隙度 Soil porosity/ % 土壤有机质质量分数 Soil organic matter/(g·kg-1) 阳离子交换量 Cation exchange capacity/(cmol·kg-1) 董庄沟 DZG 0~20 1.33 50.23 19.14 12.00 0~100 1.46 38.61 8.91 10.37 杨家沟 YJG 0~20 1.32 50.56 18.93 14.80 0~100 1.33 43.57 10.82 12.71

表 2 董庄沟和杨家沟小流域土壤理化性质 Tab. 2 Soil physicochemical properties of DZG and YJG small basins

如图 2所示，自然恢复与人工造林不同植被恢复方式下土壤粒径组成有明显差异，表现为植被自然恢复的董庄沟土壤黏粒(< 0.002 mm)质量分数小于人工造林的杨家沟；而砂粒(0.02~2 mm)质量分数大于人工造林的杨家沟；随土层深度增加，土壤粒径组成差异减小。董庄沟0~20、20~60和60~100 cm土层黏粒质量分数比杨家沟分别少3.3%、2.4%和1.4%；而砂粒质量分数比杨家沟多7.0%、2.5%和0.3%。

图 2(Fig. 2)

图 2 2小流域粒径组成分布 Fig. 2 Distribution of particle size composition in two small basins

如图 3所示，随着土壤水吸力不断增加，杨家沟小流域和董庄沟小流域的土壤体积含水率在0~0.3 bar水吸力作用下迅速降低，在0.3~10 bar水吸力作用下土壤体积含水率逐渐趋于平缓。董庄沟土壤体积含水率减少幅度大于杨家沟。在0~10 cm土层，0~0.3 bar水吸力作用下，董庄沟土壤体积含水率从37.61%减少至17.69%，减少幅度为19.92%；杨家沟土壤体积含水率从33.54%下降至21.39%，减少幅度为12.15%。在相同水吸力作用下，人工造林的杨家沟土壤持水能力强于植被自然恢复的董庄沟。0~10 cm土壤水分特征曲线杨家沟高于董庄沟，且杨家沟土壤水分特征曲线参数A(17.85)明显高于董庄沟(13.77)(图 3a)。10~20、20~40、40~60和60~100 cm土层土壤体积含水率随水吸力作用均表现出同0~10 cm土层相似规律(图 3b~e)。

图 3(Fig. 3)

图 3 2小流域0~100 cm土壤水分特征曲线 Fig. 3 oil water characteristic curve of 0~100 cm in two small basins

土壤持水能力与土壤孔隙度和黏、粉粒质量分数成正相关关系，与土壤密度负相关，其回归方程为：

式中：S_w为土壤持水能力，mm；C_s为黏、粉粒质量分数，%。

回归方程决定系数R²为0.77，其中，土壤黏、粉粒质量分数的回归系数最大，为28.9，是影响土壤持水能力的主要因素；孔隙度次之；土壤密度回归系数为-0.508，与土壤持水能力负相关。

植被自然恢复的董庄沟小流域初始土壤体积含水率显著低于人工造林的杨家沟小流域(图 4)。降雨前，0~200 cm土层董庄沟初始土壤体积含水率平均为17.8%；杨家沟平均初始土壤体积含水率(26.9%)比董庄沟高9.1%。降雨后(降雨量181.5 mm)，董庄沟和杨家沟降雨入渗影响的最大深度为0~80 cm；80 cm以下土层土壤体积含水率与降雨前保持相同水平。降雨后董庄沟0~80 cm土层土壤体积含水率平均增加8.85%；杨家沟0~80 cm土层土壤体积含水率平均增加12.74%，比董庄沟高3.4%。

图 4(Fig. 4)

图 4 降雨前后土壤体积含水量 Fig. 4 Soil volume water content before and after the rain

董庄沟小流域和杨家沟小流域0~200 cm土层土壤总蓄水量变化主要集中在0~80 cm土层，且随深度增加土壤蓄水量减少。自然恢复的董庄沟降雨后土壤蓄水增量低于人工造林的杨家沟。董庄沟降雨后土壤总量蓄水为427.3 mm，较降雨前(355.6 mm)增加71.7 mm，增加16.8%；杨家沟降雨后土壤蓄水总量为640.2 mm，较降雨前增加102.1 mm，为董庄沟蓄水增量的1.5倍(图 5)。

图 5(Fig. 5)

图 5 次降雨过程土壤蓄水增量 Fig. 5 Increment of soil water storage during the event rainfall process

董庄沟小流域与杨家沟小流域不同深度的土壤体积含水率对降雨过程响应速度不同，表现为植被自然恢复方式下董庄沟不同深度的土壤体积含水率对降雨过程反应迅速，而杨家沟土壤体积含水率随深度增加表现出明显滞后现象。8月18日01:00时开始降雨，至8月19日01:00时董庄沟坡面草地入渗水量到达50 cm土层；杨家沟在8月18日01:00时开始降雨时，0~10 cm土层土壤体积含水率迅速增加，至8月19日01:00时20 cm处土壤体积含水率达到最大值，8月19日13:00时30、40 cm土层做出响应，8月22日00:00时入渗水量到达60 cm土层。70~80 cm土层受降雨入渗过程影响而轻微改变，80~200 cm土层土壤体积含水率基本保持稳定(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 董庄沟和杨家沟小流域0~200 cm土壤体积含水率变化 Fig. 6 Variation of soil volume water content at 0~200 cm in DZG and YJG small basins

不同植被恢复方式影响土壤持水能力，具体表现在土壤密度、土壤孔隙度、粒径组成、土壤有机质含量等土壤理化性质变化差异上^[19]。黄土高原植被恢复与重建改变土壤理化性质，使土壤密度减少、土壤孔隙度增加，进而显著提高土壤持水能力^[20]。娄义宝等^[21]研究表明，土壤入渗能力和持水能力随土壤密度增大而减小，随孔隙度增大而显著提高。吕殿青等^[22]认为，黏粉粒含量增加能显著提高土壤持水性能。刘畅等^[23]、魏孝荣等^[24]发现林地土壤有机质含量和阳离子交换量均显著高于草地，土壤持水能力表现为林地高于草地和灌丛^[25]。本研究表明，经过60多年植被恢复，不同植被恢复方式对地表土壤理化性质的改变不同，对土壤持水能力的影响存在显著差异，人工造林植被恢复方式下的杨家沟0~100 cm土壤密度和土壤孔隙度分别是植被自然恢复的董庄沟的91.9%、1.13倍；土壤有机质含量和阳离子交换量分别高于董庄沟21.4%、22.6%；随土壤水吸力增加，杨家沟的土壤体积含水率减少幅度小于董庄沟7.7%。表层0~20 cm处土壤层次，由于2小流域的地理位置相近，自然环境条件相似，使得其表层土壤未展现出较明显的差异，这与JIN Zhao^[5]、黄艳丽等^[16]研究结论一致。2种生态恢复方式影响下表层土壤理化特性没有显著差异，深层土壤差异是引起持水量的变化的主要因素。

相同降雨条件下，不同植被类型土壤蓄水增量不同，乔、灌林地土壤体积含水率较草地保持较高水平^[26]。赵世伟等^[27]研究黄土丘陵区不同植被类型下土壤蓄水性能变化，表明乔木林地土壤总蓄水量最大，显著高于草地。笔者研究表明，相同降雨条件下，降雨后人工造林植被恢复的杨家沟土壤体积含水率较降雨前增加12.74%，董庄沟土壤体积含水率增加8.85%；杨家沟降雨后土壤蓄水增量为董庄沟的1.5倍。不同植被恢复方式对土壤体积含水率和土壤蓄水能力的影响程度不同，在西峰试验站，人工造林比植被自然恢复的草地表现出更高的土壤蓄水能力和持水能力。

植被恢复方式不同，水文效应也存在明显的差异。本研究表明，植被自然恢复方式下董庄沟不同深度的土壤体积含水率对降雨过程反应迅速，而杨家沟土壤体积含水率随深度增加表现出明显滞后现象。这与对比流域土壤的理化性质存在差异相关，杨家沟黏粉粒含量高于植被自然恢复的董庄沟，土壤入渗速率较小。林冠和林下草地的截留作用大幅度减缓了径流速率，增加降雨入渗量，使径流量减少^[28]。植被自然恢复和人工造林是2种不同的植被恢复方式，不同区域2种不同植被恢复方式的水文效应可能存在较大差异，退耕还林(草)的生态效应和区域差异需要经历长期的验证。本文证实在西峰水土保持试验站植被恢复60多年后，人工造林的土壤持水能力和蓄水能力显著高于植被自然恢复的草地。采用对比流域分析方法，研究特定气候条件下植被自然恢复和人工造林2种不同植被恢复方式对流域土壤持水能力的影响，对于揭示退耕还林(草)不同植被恢复方式的长期生态效应具有重要意义。

黄土高塬沟壑区的植被自然恢复董庄沟小流域和人工造林杨家沟小流域，其土壤理化性质和土壤水分特性因植被恢复方式不同而存在差异。其中，土壤有机质含量和阳离子交换量因人工造林方式而提高，土壤持水能力加强；在次降雨过程中，降雨前植被自然恢复方式下的初始土壤体积含水率比人工造林植被恢复方式低9.1%，降雨后0~80 cm水分活跃层的土壤蓄水增量植被自然恢复方式比人工造林植被恢复方式低3.4%；植被自然恢复方式下土壤水分对降雨事件反应迅速，而人工造林恢复方式土壤不同层水分存在明显的时间滞后现象。因此，长期植树造林改变土壤理化性质，提高土壤持水能力和蓄水能力，对黄土高原长期生态效应具有重要意义。