黄土高原梯田流域中，土地利用对土壤水分时空动态调控机制的影响

《Journal of Environmental Management》：Regulatory mechanisms of soil water spatiotemporal dynamics driven by land use in a terraced watershed on the Loess Plateau

　　摘要
在过去的三十年中，大规模的梯田建设、植被恢复和经济林扩张深刻改变了黄土高原的流域地貌和植被模式，同时影响了土壤水分状况。由于土壤水分变化导致的梯田安全性和植被可持续性已成为关键问题。本研究提出了一种新的多对抽样方法，以消除场地条件的干扰，并能够准确量化梯田土地利用类型对土壤水分的影响。共选择了32对抽样组（107个样地），包括耕地、废弃地、果园和林地。2023年至2025年间，每隔20厘米在1米深的土壤剖面中测量了八次土壤含水量。结果表明，与耕地相比，林地、果园和废弃地的土壤水分储存量分别减少了86.74±19.54毫米、31.58±19.47毫米和33.24±21.00毫米。土壤水分变异成分的贡献表现出明显的季节性，这很大程度上依赖于土壤深度和土地利用类型。总方差中时间异常成分的贡献随着土壤深度的增加而减少。林地的时间异常对空间方差的贡献最大，其次是耕地和果园，而废弃地的贡献最小。经验正交函数和PLS-SEM分析显示，土地利用是影响土壤水分储存能力的主要因素。植被冠层可以调节降雨拦截和水分通量，改变土壤水文特性，并共同控制土壤水分动态。此外，由于梯田工程和土地利用模式的影响，在该流域中地形对土壤水分储存和动态的影响几乎可以忽略不计。本研究阐明了土壤水分对梯田土地利用变化的响应机制，为半干旱地区的梯田管理和植被配置提供了科学依据。

引言
土壤水分储存是陆地水循环的基本组成部分，在调节生态水文过程方面起着关键作用（Tague等，2010；Yu等，2018；Zhao等，2019；Xu等，2026）。在半干旱地区，根区土壤水分含量（<1米）调节土壤和大气之间的水分分配，在植被生长、径流生成和渗透中起着重要作用（Penna等，2011；Hu等，2017；Fu等，2026）。土壤水分储存和动态在流域内通常表现出显著的时空异质性，这阻碍了我们对土壤水分储存的预测（Hu和Si，2016；Dymond等，2021）。因此，阐明流域尺度上土壤水分的空间和时间变异性对于揭示地表径流生成机制、防止如坡面崩塌等重力侵蚀、维持生态系统稳定性以及优化土地利用管理具有重要意义。土壤水分储存表现出明显的时间和空间变异性，这种变异性受到气候、地形、土壤特性和土地利用的综合影响（Yu等，2018；Zhang等，2022；Liang和Xin，2024；Wang等，2024；Fu等，2026）。黄土高原以众多的沟壑和崎岖的地形为特征，土壤侵蚀非常严重（Yang等，2017；Wang等，2019）。近几十年来，大规模的梯田建设、植被恢复措施和经济果园的扩张深刻改变了流域地貌和植被模式（Huang和Shao，2019；Xu等，2021；Lu等，2025）。到2019年，黄土高原的梯田总面积达到9.02×10^4平方公里，占该地区总面积的13.90%，已成为重要的水土保持工程措施（Lu等，2023）。自从实施“退耕还林”计划以来，黄土高原的植被覆盖率从1999年的31.6%增加到2020年的67%，增长速度高于全国平均水平（Fu，2022）。为了促进当地经济发展，政府鼓励农民种植经济林，现在这些林地占该地区农业用地的约25%（Shi等，2025；Kamar等，2026）。集约化的土地管理实践对流域内的植被模式产生了影响，形成了黄土高原特有的镶嵌格局（Wang等，2019；Tian等，2024）。梯田建设被广泛认为是一种有效的措施，可以减小坡度坡度、增强渗透能力和改善土壤水分保持能力（Zhang等，2017；Deng等，2021；Liang等，2026）。许多研究报道了梯田在小区和坡面尺度上对土壤保护和水分储存的好处（Wei等，2016；Chen等，2020；Xu等，2021；Liang和Xin，2024）。梯田土地利用对土壤水分储存的不同影响对于减少径流和水资源保护至关重要，这与综合流域管理密切相关（Deng等，2021；Chu等，2025）。然而，由于在复杂地形中进行多点抽样的挑战，梯田土地利用对土壤水分空间分布和季节动态的影响以及环境因素与流域尺度上土壤水分之间的关系仍然了解不足。这一知识空白阻碍了准确评估特定人类活动如何影响土壤水分动态，从而严重限制了梯田土地利用的有效管理和种植森林及经济林的生态稳定性。鉴于黄土高原复杂的地形和土地利用异质性，需要在流域尺度上进行多点和长期的土壤水分观测，以更好地表征其季节变化和空间变化。

与土壤水分储存不同，了解土壤水分的时空变异性提供了更多关于土壤湿度动态机制的见解（Hu等，2017；Wang等，2019；Jarecke等，2021；Fu等，2026）。Fu等（2024）在流域尺度上确定了土壤水分增加和减少的热点区域，突显了土壤水分动态的显著空间异质性。时空土壤水分状态（SWS）被分解为时间稳定和时间异常两部分，这两部分与土壤水分动态直接相关（Gao等，2015；Hu和Si，2016；Liang和Xin，2024）。时间异常响应的土壤水分动态在径流生成和干旱发展方面尤为突出（Hu等，2017；Wang等，2019）。梯田土地利用的交错分布导致土壤水分的空间和时间变异性显著异质。土壤水分的时间稳定成分和时间异常成分对总方差的贡献对于揭示控制土壤水分时空变异性的主导机制至关重要（Mittelbach和Seneviratne，2012；Gao等，2015；Liang和Xin，2024）。然而，不同土地利用类型如何调节这两个成分的方差贡献特征在流域尺度上尚未得到系统探索。这对于确定不同土地利用是否能够缓冲气候波动、应对干旱压力以及维持梯田景观中的土壤水分稳定性至关重要。

评估土地利用对土壤水分影响的一个主要挑战在于地形和土壤特性的强烈混杂影响（Wu等，2021；Dymond等，2021；Liang和Xin，2024）。在高度异质的景观中，地形、土壤质地和微气候往往高度耦合（Tian等，2024；Liang等，2026）。在研究土地利用影响时广泛使用了随机抽样方法，但这种传统方法无法将混杂的环境协变量与土地利用类型的净效应分开（Ye等，2015；Kaiser和McGlynn，2018；Feng等，2025；Liang等，2025）。在不同土地利用组之间的相邻地点（<10米）进行了配对抽样。这种设计可以有效消除地形、土壤特性和气候的混雜效应，准确地识别特定土地利用类型对土壤水分的独立净效应。与传统抽样策略相比，配对抽样在高度破碎化的景观中具有更强的因果识别能力，可以提高统计测试的效率并减少样本需求。这种设计特别适用于黄土高原上的梯田景观，因为人类活动减少了地形坡度但增加了土地利用的破碎化。桥子沟（QZG）流域是黄土高原的一个代表性流域，20世纪40年代在该流域内建立了水土保持天水实验站。自20世纪80年代以来，整个流域实施了大规模的生态恢复和土地利用管理措施。20世纪90年代中期，坡改梯田工程在该流域全面实施。“退耕还林”计划于1999年正式启动。同时，为了增加农民收入，该流域大力发展以Cerasus pseudocerasus为主的经济林。这些干预措施将区域景观重塑为一种异质镶嵌格局，为配对地块实验提供了独特的机会。探索梯田水文并阐明不同梯田管理模式下土壤水分的时空动态不仅有助于评估生态工程在土壤水分储存中的作用，也对当地雨养农业和经济林的可持续性至关重要。

基于自然的解决方案（NbS）是指通过可持续管理来应对气候变化、防灾减灾和确保水资源和粮食安全的协作努力（Molenaar等，2024；Chu等，2025；Liang等，2025）。黄土高原上的梯田建设是控制土壤和水资源流失、提高农业生产力的重要措施（Huang和Shao，2019；Lu等，2025；Zhao等，2025）。多样化的土地利用可能对区域水资源安全和发展有一定的影响。在全球半干旱地区水资源短缺和土地退化的背景下，合理分配梯田土地利用对于实现水土保持和资源可持续性至关重要（Jin和Xu，2025，2026；Sibomana等，2025）。然而，目前梯田流域中NbS的实施缺乏定量土壤水分证据来指导合理的土地利用布局。了解这些信息可以为梯田管理、区域水资源安全和可持续生计提供科学支持。

基于此，本研究采用多对抽样方法结合时空分解和EOF分析，调查了黄土高原上以梯田为主的流域的土壤水分储存和动态。共选择了32对抽样组，包括耕地、废弃地、果园和林地。2023年至2025年间，每隔20厘米在1米深的土壤剖面中测量了八次土壤含水量。量化不同梯田土地利用下的土壤水分储存和动态是理解流域水分储存和释放的关键组成部分。这些变化影响土壤水文过程，从而影响流域径流生成、梯田安全性和生态系统可持续性。本研究的目标是：（1）量化不同梯田土地利用下土壤水分储存的垂直分布和季节变化；（2）比较不同梯田土地利用类型之间的土壤水分动态差异，并表征梯田土地利用类型如何影响总方差的各个组成部分的贡献；（3）确定影响土壤水分储存和动态的因素和途径。

研究区域
本研究在中国甘肃省天水市的桥子沟流域（105°43′E，34°36′N）进行（图1）。该流域属于黄土丘陵和沟壑地区，总面积为2.45平方公里。该地区具有典型的大陆性季风气候，年平均降水量为540毫米，年平均蒸发量为1290毫米，年平均气温为10.7℃。降水主要集中在5月至10月的雨季，占 annual precipitation 的85%。

土壤水分的垂直分布
总体而言，1米深度剖面中梯田耕地的土壤水分储存量显著高于其他土地利用类型（表2，P<0.05）。与梯田耕地相比，梯田林地的土壤水分储存量下降最多，减少了86.74±19.54毫米。相比之下，梯田果园和梯田废弃地的土壤水分储存量分别减少了31.58±19.47毫米和33.24±21.00毫米。在0-60厘米深度范围内，废弃地和果园的土壤水分储存量没有显著差异。

地形
根区土壤水分对包括气候、地形、土壤特性和土地利用在内的多种因素的协同效应更为敏感（Zhao等，2019；Liang和Xin，2024；Wang等，2026）。地形通常是影响土壤水分分布的重要因素，通常情况下，坡度较低的位置土壤较湿润，而靠近山脊顶部的地方土壤较干燥（Yang等人，2012年；Kaiser和McGlynn，2018年；Jarecke等人，2021年；Dymond等人，2021年）。然而，在本研究中发现，土壤水分并未显示出显著的变化趋势。

**结论**
本研究采用了多对样本采样方法和时空分解技术，来探讨黄土高原不同梯田土地利用类型下1米深处土壤水分的储存和动态变化。多对样本采样方法有效地揭示了土地利用类型对土壤水分的净影响。结果表明，梯田土地利用显著改变了土壤水分的储存及其动态行为。其中，耕地的土壤水分储存量最高，其次是梯田果园。

**作者贡献声明**
梁晓宇：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、数据调查、数据分析及概念阐释。
辛忠宝：撰写与编辑、数据验证、资源调配、项目管理和方法设计、概念阐释。
高达尧：撰写与编辑、数据验证、项目监督、资金获取及概念阐释。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2243231、42177319）的支持。

**作者信息**
梁晓宇 | 辛忠宝 | 高高达
北京林业大学教育部土壤与水保及荒漠化防治重点实验室，北京100083