降雨量决定了干旱地区在从深根植被转变为浅根植被后土壤含水量在时间上的稳定性

《CATENA》：Rainfall determines the temporal stability of soil water content following the conversion of deep rooted to shallow rooted vegetation in arid regions

深层土壤水分时空动态及稳定性研究——以黄土高原苹果园退耕为案例，采用 neutron probe 监测发现，浅根系作物（玉米）对 SWC 的恢复呈现“快速初期，后期趋缓”特征，6 年生 CCA6 的 SWC 深度扩展至 380 cm，且降雨成为影响 SWC 时空稳定性的主导因素。

　　在干旱地区，土壤水分含量（SWC）是维持生态系统功能和农业生产的重要因素。本研究聚焦于从深根植被向浅根植被转换过程中，SWC的时空动态特征及其影响因素，以期为生态恢复和农业可持续发展提供科学依据。研究区域位于中国陕西省长武县王东沟小流域，该地区属于黄土高原的典型干旱半干旱地带，具有显著的土壤侵蚀问题和脆弱的生态环境。由于长期的苹果园种植，土壤水分被大量消耗，导致深层土壤干旱，影响地下水补给。因此，将深根植被转换为浅根植被被视为缓解深层土壤干旱的有效策略。

研究采用苹果园（AO）和其转换后的农田（CCA2、CCA4、CCA6）作为研究对象，并以长期连续种植的农田（CL）作为对照组。通过在2022年至2024年间使用中子探针对0至10米土壤层进行SWC监测，研究揭示了不同植被类型转换后SWC的变化趋势和时空分布特征。结果表明，平均SWC在AO、CCA2、CCA4、CCA6和CL之间存在显著差异，CL的SWC最高（24.11%），而AO最低（18.20%）。随着转换时间的延长，SWC的时空稳定性逐渐增强，CCA2、CCA4和CCA6的代表性深度分别为320厘米、340厘米和380厘米。研究进一步指出，降雨是影响SWC时空稳定性的主要因素，而土壤颗粒组成和渗透能力的作用相对较小。

SWC的时空变化不仅受到植被类型的影响，还与土壤结构和气候条件密切相关。在苹果园转换为农田的过程中，SWC的恢复呈现出初期快速、后期缓慢的特征。这种恢复趋势与土壤渗透性和植被根系分布的变化有关。深根植被的根系能够将水分输送至深层土壤，而浅根植被的根系主要集中在表层，导致深层土壤水分补给受限。因此，在转换初期，土壤水分迅速恢复至一定深度，但随着转换时间的延长，深层土壤水分恢复速度减缓。此外，SWC的垂直分布也呈现出不同的模式，CCA2和CCA4的SWC在7米左右达到峰值，随后逐渐下降，而CCA6的SWC则持续上升。这表明，随着转换时间的增加，土壤水分补给能力逐步增强，深层土壤水分逐渐恢复。

SWC的时空稳定性分析采用了相对差异法和Spearman秩相关系数法。相对差异法通过计算各监测点SWC与区域平均SWC之间的差异，评估其稳定性。研究发现，随着转换时间的延长，SWC的相对差异逐渐减小，表明其时空稳定性增强。Spearman秩相关系数法进一步揭示了不同时间点之间SWC空间分布模式的相似性。CCA2在转换初期表现出较弱的时空稳定性，而CCA6则在整个监测期间显示出较高的稳定性。这表明，随着转换时间的增加，SWC的空间分布模式趋于一致，其时空稳定性逐步提升。

影响SWC时空稳定性的因素主要包括降雨、土壤渗透能力和土壤颗粒组成。研究发现，降雨是SWC变化的主导因素，其与SWC之间存在显著的正相关关系。相比之下，土壤颗粒组成和渗透能力的变化对SWC的影响较小。这可能与研究区域的土壤特性有关，黄土高原的土壤颗粒组成相对均匀，且渗透能力在不同植被类型之间没有显著差异。因此，SWC的时空稳定性主要由降雨量的时空分布决定。

本研究的结果对于干旱地区生态恢复和农业可持续发展具有重要意义。首先，研究明确了从深根植被向浅根植被转换过程中SWC的恢复规律和时空稳定性变化趋势，为科学规划植被转换的时间和深度提供了依据。其次，研究揭示了降雨在SWC时空稳定性中的主导作用，强调了在干旱地区合理利用降雨资源的重要性。最后，研究指出了当前研究方法的局限性，建议未来结合模型方法进一步量化深层土壤水分的恢复时间和范围。

总之，本研究通过长期的现场监测和数据分析，揭示了干旱地区植被转换对SWC的影响机制，为生态保护和农业生产提供了重要的科学支持。研究结果表明，植被转换虽然能够有效恢复土壤水分，但其效果具有时间依赖性，且降雨是影响SWC时空稳定性的关键因素。未来的研究应进一步探索如何优化植被转换策略，以提高土壤水分的恢复效率和时空稳定性，从而实现生态与农业的协调发展。