黄土高原地区植被退化严重，导致水分亏缺、水土流失和环境问题严重^[1]，当地政府为预防水土流失和改善生态环境，不断通过植被恢复进行生态修复^[2]。黄土高原长期植被恢复过程中，不同土地利用方式会影响土壤水分含量及其运移情况^[3]，因此充分了解各种长期植被类型下的土壤水分变化规律有助于黄土高原土地资源高效利用^[4]。植被恢复对地表水文过程有着重要影响，如降雨再分配，其中在众多地表水文过程中，土壤水分入渗是黄土高原地区降雨水分补给的重要物理过程^[5]，特别是土壤表层的入渗特性，直接关系到降雨条件下水分补给转化为土壤水分的效率，以及水分运移的流通性和水分储量的大小。前人已对其黄土高原复杂多样的土壤入渗特征以及退耕还林后土壤类型进行了一系列研究。例如，焦峰等^[6]研究了黄土高原过去20 a间植被覆盖度的变化规律，得出植被能有效地改善土壤结构，使当地生态环境得到明显改善；王红梅等^[7]研究了黄土高原退耕还林过程中坡地土壤水分动态特征及影响因素，得出植被可以影响土壤水分运移情况，提高土壤入渗性能；王志强等^[8]研究了退耕还林政策下黄土丘陵半干旱区土壤水分恢复变化规律，得出了在人工林地内土壤容重、水分以及有机质含量与裸地相比有显著提高；彭舜磊等^[9]探讨了短期植被恢复下土壤理化性质与土壤入渗性质之间的关系，得出林地相较于农田、灌木草地土壤理化性质及其土壤入渗特征有明显改善作用。然而值得注意的是，绝大多数研究都只是针对退耕还林以及短期植被恢复内土壤水分渗透特性，而对长期不同植被恢复类型下不同土层深度的水分入渗规律的研究尚不深入，无法系统地阐明在长期天然植被恢复类型和人工植被恢复类型下土壤物理性质对土壤水分入渗规律的影响，开展长期典型植被恢复的土壤水分入渗特征及其影响因素的研究，可进一步了解黄土高原地区土壤入渗特征，掌握黄土高原土壤水分的垂向运动动态，有助于加深对黄土高原水土流失发生机理的认识。

土壤入渗规律的常用研究方法有测定土壤入渗过程^[10]以及土壤入渗方程拟合效果评价等^[11]。常用的土壤入渗方程主要有Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型。其中Kostiakov模型适用于土壤入渗率较高的情况^[12]；Philip模型适用于均质土壤垂直入渗过程，但如果土壤前期含水量不同，该模型对其入渗曲线的变化适应性较差^[13]；Horton模型因操作简单目前得到广泛应用，但在土壤入渗速率变化较大时适应性较差^[14]。因此目前土壤入渗过程的模拟缺乏统一且普适的方程，需要针对不同土壤类型、植被恢复类型、水分条件等进行进一步研究，从而选用多种模型进行拟合选出拟合结果最优的入渗模型。基于此，为了研究长期植被恢复和退耕还林后不同植被恢复模式下的土壤水分入渗规律和土壤性质差异，本文以对晋西地区黄土高原蔡家川流域4种常见不同的植被恢复类型下的原状土壤作为研究对象，采用常水头入渗方法探究不同植被恢复类型下土壤的入渗性能及其影响因素，探讨不同土壤渗透模型的适宜性，以加深对晋西黄土残塬沟壑区土壤入渗特征的理解，并提升该区域脆弱的生态环境，为以后植被恢复结构优化提供理论依据。

1 材料和方法 1.1 研究区概况

研究区位于山西省吉县蔡家川流域，该地区处于黄土高原东南部半湿润地区，属于黄土高原残塬沟壑区。海拔900~1 590 m，地理坐标为36°14′27″—36°18′23″N，110°39′45″—110°47′45″E。多年平均年降水量579 mm，年蒸发量1 729 mm，年平均气温9.9 ℃。土壤主要为褐土，按其碳酸钙的淋溶程度可分为3类，农田和部分侵蚀沟为丘陵褐土，呈微碱性反应(pH=7.9)。研究区有丰富的植被资源，目前用于植被恢复的树种主要有：油松(Pinus tabuliformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、山杨(Populus davidiana)、侧柏(Platycladus orientalis)、辽东栎(Quercus wutaishanica)等。

1.2 研究方法 1.2.1 林地取样

在研究流域内选取具有代表性且坡度、坡向、海拔等基本相同的刺槐纯林、油松纯林、侧柏纯林、天然林样地作为研究对象。详细样地土壤基本情况详见表 1。在选取的4个不同植被恢复类型样地的0—30 cm土壤剖面上，于生长季中后期在0，15和30 cm深度采集原状土样，具体方法为每个样地随机选取三处作为取样点，在每个土层尽量相同地理条件下，各土层分别取3个样品作为重复，以确保取样和试验结果的科学合理。取样完成后立刻加盖密封，防止水分蒸发。

1.2.2 数据收集

将野外取回的原状土样，利用烘干法测定土样的容重；使用Mastersizer 2000激光颗粒仪测定土壤机械组成；通过重铬酸钾氧化一油浴加热法测定土样中有机质含量；与2021年12月1—15日使用常水头渗透装置来测定土壤的入渗速率。

1.2.3 土壤入渗过程的模型拟合

(1) Kostiakov模型。

$ f(t)=a t^{-b} $

(1)

式中：f(t)为土壤入渗速率(cm/s); t为入渗时间(min); a, b为模型参数。

(2) Philip模型。

$ f(t)=0.5 S_t^{-1 / 2}+f_c $

(2)

式中：S_t为模型参数, 表示土壤入渗能力的强弱; f_c为稳渗率(cm/s)。

(3) Horton模型。

$ f(t)=f_c+\left(F_0-f_c\right) {\mathrm{e}}^{-k t} $

(3)

式中：F₀为初渗率(cm/s); k为衰减指数, 值越大表示土壤入渗衰减地越快。利用Excel 2010对数据计算结果进行整理, 通过单因素方差分析(ANOVA)对比不同林地土壤入渗特征及理化性质的差异, 再选取Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型对4种不同林地的土壤入渗过程进行拟合^[15-16]。

1.2.4 统计分析方法

采用描述性统计和方差分析等方法对数据进行处理，相关数据采用平均值±标准差(Mean±SD)来表示，同一因素不同水平间差异显著性采用最小显著差数法(LSD)进行检验，显著性水平p≤0.05。通过PCA主成分分析得出土壤入渗系数与土壤理化性质之间的关系。统计分析和图表绘制分别用SPSS Statistics 20和Origin Pro 9.0，以及R 1.4.116 0完成。

2 结果与分析 2.1 不同植被恢复模式下土壤理化性质的变化规律

土壤容重和机械组成不仅是反映土壤质量以及生产力水平的重要参数指标，而且还能间接反映土壤渗透特性和持水能力等性质。从图 1可以看出，不同植被恢复类型下0—30 cm表层土壤容重平均值从大到小排序为：刺槐纯林＞侧柏纯林＞油松纯林＞天然林。随着深度的增加，不同植被恢复类型下土壤容重差异减小，但天然植被恢复下的土壤容重要显著低于其他3种人工植被恢复类型(图 1)。

研究区土壤粒径组成复杂，由图 2可知，4种不同植被恢复类型下土壤粒径分布范围较宽，土壤砂粒体积分数百分比为75.36%~78.57%，粉粒体积分数百分比为10.18%~14.03%，黏粒体积分数百分比为7.40%~13.15%。由此可知，不同植被恢复类型对土壤质地有显著影响。4种植被恢复类型下0—30 cm深度的土壤砂粒体积分数百分比差值较小(0.2%~6.7%)，且均以砂粒为主(75.68%~81.42%)。根据美国制土壤质地分类标准^[17]，研究区4种不同植被恢复类型下的0—30 cm土壤质地均属于壤砂土。粉粒体积分数百分比随着土层厚度的增大而增大，黏粒体积分数百分比恰恰相反，且天然林土壤黏粒体积分数百分比要显著低于其他3种人工林。

由图 3可知，0—30 cm土层土壤有机质含量分别为：天然林(27.61 g/kg)＞侧柏纯林(26.56 g/kg)＞油松纯林(19.86 g/kg)＞刺槐纯林(15.91 g/kg)。天然林、侧柏纯林与刺槐纯林的土壤有机质含量在0—30 cm土层深度的垂直分布一致，均表现为随着土层深度的增加而减少，而油松纯林则与之不一致，表现为0—20 cm土层的有机质含量随着土层深度增加而减少，20—30 cm土层有机质含量随着土层深度增加而增加。

2.2 土壤入渗性质差异分析 2.2.1 不同林地类型下各层土壤入渗特征

4种不同植被恢复类型下的土壤入渗过程变化曲线如图 4所示。由图 4可知，其渗透过程存在显著差异，但均呈现快速降低—缓慢降低—基本稳定的变化趋势。其中0—10 cm土层深度的天然林在整个入渗过程中的入渗速率都显著大于其他3种人工林。由表 2可知，在4种长期植被恢复类型下土壤入渗特征指标变化较大，呈现的规律均为：初始入渗速率＞平均入渗速率＞稳定入渗速率。在同一植被恢复类型下的不同土层中，初始入渗速率、平均入渗速率、稳定入渗速率均表现为随着土层深度的增加而减少。0—30 cm土壤处初始入渗速率最大值均出现在天然林，最小值均出现在侧柏纯林。0—30 cm土壤相同时间内累计的入渗水量为：天然林＞油松纯林＞刺槐纯林＞侧柏纯林(图 5)，天然林0—30 cm土壤表现为随着土层厚度的增加，土壤单位时间内累积入渗量随之减少。

2.2.2 不同植被恢复类型下各层土壤入渗过程拟合

将4种不同植被恢复类型下不同土层的土壤入渗速率(y)随时间(t)的变化过程采用Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型进行拟合，拟合之后得到了各项参数结果以及决定系数R²(表 3)。不同入渗方程对不同植被恢复类下土壤的拟合结果也不同，从表 3可知，3种模型拟合状况良好，都能较准确地描述土壤入渗速率和时间的关系。

不同入渗方程对不同植被恢复类型土壤的拟合结果有所不同，Kostiakov模型中，a表示初始单位时间内的累计入渗量，即初渗速率，从拟合结果中得出在不同植被恢复类型下相同土层深度a值从大到小：排列为侧柏纯林＞刺槐纯林＞油松纯林＞天然林，该结果与实测值结果规律一致。b表示入渗速率随着入渗时间的增大而减小的程度，b值越大，入渗速率减小的程度也就越大，b值在侧柏纯林林地最大，天然林林地最小，表明随着入渗时间的增大，侧柏纯林入渗速率减小的程度最大，反之，天然林最小。Horton模型中，F₀为初渗速率，f_c为稳渗速率，不同植被恢复类型下表层土壤F₀从大到小排列顺序为：侧柏纯林＞刺槐纯林＞油松纯林＞天然林，与实测初渗速率(侧柏纯林＞油松纯林＞刺槐纯林＞天然林)不符。但f_c值的大小顺序与实测值一致，表现为：侧柏纯林＞刺槐纯林＞油松纯林＞天然林。Philip模型中，S为土壤持水率，S值越大，土壤入渗能力越强，由表 2可知相同土层深度下4种植被恢复类型土壤入渗能力从大到小排序为：侧柏纯林＞刺槐纯林＞油松纯林＞天然林。R²为决定系数，可以用来表示不同模型对于土壤入渗过程的拟合情况。R²值越大，则表示模型拟合效果越好。3种入渗模型决定系数R²均在0.9以上，则说明拟合效果较好，可以一定程度上反映研究区域土壤的入渗情况。在表层土壤与次表层土壤中，4种不同林地类型土壤入渗过程Horton模型的R²平均值均为0.96，表明Horton模型更适用于模拟和预测黄土高原植被恢复下的土壤入渗过程。

2.3 不同植被恢复模式下土壤水分储量差异

由图 6可知，该研究区域内3 a内0—30 cm土层的土壤储水量为：天然林71.040 2~99.641 4 mm，刺槐纯林64.264 5~79.792 3 mm，油松纯林59.233~80.599 mm、侧柏纯林71.546~97.238 mm，其中位值大小排序依次为：天然林(81.46 mm)＞油松纯林(80.73 mm)＞侧柏纯林(70.42 mm)＞刺槐纯林(67.45 mm)。其中，土壤储水量的最小值出现在油松纯林的20—30 cm土层，只有62.54 mm；而其最大值出现在天然林样地的10—20 cm土层，达到了99.64 mm。天然林的土壤储水量都显著高于侧柏纯林和刺槐纯林。侧柏纯林的0—30 cm土壤储水量相较于其他3种植被恢复类型的变化更小。

2.4 土壤理化性质与土壤入渗过程及其水分含量之间的关系

由图 7可知，研究区域内土壤渗透系数和土壤容重与黏粒含量之间具有显著的正相关性，土壤入渗达到峰值的时间与土壤有机质含量和砂粒含量之间具有显著的正相关性，土壤储水量与粉粒含量的多少存在显著关系。天然林区域内土壤性质与其他3种人工林相似度较低，侧柏纯林和刺槐纯林两个区域内土壤性质具有较高的相似度。在4种不同植被恢复类型下0—10，10—20 cm和20—30 cm这3个土层的样本间有一定程度的聚类。其中，0—10 cm土层与其他两个土层的样本之间存在明显分离；10—20 cm和20—30 cm的土层样本点重叠范围较大，具有较高的相似度。土壤储水量(SWS)随着土壤容重(BD)的增加而增加。随着土层的不断加深，土壤储水量(SWS)、土壤容重和渗透系数呈现先增大后减小的趋势。

3 讨论

为探究晋西黄土残垣沟壑区长期植被恢复下土壤入渗与水分储量差异的影响，对山西吉县蔡家川流域4种常见植被恢复类型土壤物理性质研究结果表明，天然林的土壤容重、有机质含量、储水量等与土壤持水性有关的物理性质均高于其他3种人工植被恢复纯林，说明在晋西黄土区长期天然植被恢复对于土壤物理性质的改善效果要优于人工植被恢复，这与谭学进^[18]对近40 a来延河流域植被恢复对土壤容重以及机械组成等土壤理化性质的影响进行的研究结果相似。在0—30 cm土层中，随着土层深度的增加，天然林黏粒含量显著低于其他3种人工林地，其主要原因为不同植被类型可以通过影响降雨、蒸发等条件直接或者间接影响土体的风化程度或机械组成，风化程度越高则黏粒含量越高^[19]。

研究表层土壤入渗规律对于理解植被恢复条件下的水分运移至关重要。对于表层土壤入渗曲线及其入渗特征分析表明，晋西黄土地区土壤入渗过程表现为入渗速率先迅速降低，后缓慢减小，最终平稳，并且所有植被恢复类型入渗速率变化过程均表现为：初始入渗＞平均入渗＞稳定入渗，符合入渗过程中的一般规律^[19]，主要原因是土壤入渗过程分为渗润阶段、渗吸阶段和渗透阶段^[20]。在渗润阶段中，土壤表层含水量较低，水分从接触到土壤表层向下渗透的过程中，被土壤颗粒迅速吸附，因此土壤渗透速率较大；在渗吸阶段中，在重力还有毛细管力的作用下，水分开始逐渐填满土壤孔隙，因此土壤渗透速率有所减慢；在渗透阶段，随着土壤孔隙被逐渐填满，毛细管力逐渐消失土壤逐渐饱和，水分只受重力作用形成饱和水，因此土壤渗透速率逐渐稳定在一定范围内。在本研究中选取的3种土壤入渗模型中，Kostiakov模型适用于土壤入渗率较高的情况，Philip模型适用于均质土壤垂直入渗过程，Horton模型适用于非饱和土壤垂直一维入渗，目前在晋西黄土地区应用范围较广，前人在晋西黄土其他区域得到的结论与本研究相同^[21]。

本研究针对4种不同植被恢复类型下的土壤水分差异进行了比较，结果发现在0—30 cm的土层中，天然植被恢复林中的土壤储水量显著高于人工植被恢复纯林土壤储水量。这与赵文智等^[22]研究结果一致，主要是因为7—8月为该地区的雨季，随着降雨量增加使得土壤水分开始得到累积，这是由于天然林能更好的利用降雨来补充土壤水分，因此土壤储水量的变化也与降雨量的变化直接相关。此外李民义等^[23]在研究中发现，相较于其他土地覆盖方式，林下植被物种丰富度越高，该地保留的土壤水分也就越高，更全面解释了本研究结果。在0—30 cm土层中，侧柏纯林的土壤水分动态变化幅度不明显，结合样地的实地调查，可能是由于侧柏纯林的林下物种丰富度较低，但地表枯落物较厚，可以遮蔽地表阳光，减少土壤表层水分的蒸发^[24]，然而地表枯落物对于表层土壤水分的影响还需要进一步探究。此外，本研究为未来筛选黄土高原地区不同类型植被恢复提高生态效益提供了科学参考，但受取样时间与批次的限制，目前得到的趋势性结论为下一步定量化的规律分析提供基础，通过长时间尺度、多批次水分入渗规律探索是未来研究的细化方向。

在对不同植被恢复类型下土壤入渗能力综合比较的结果显示，在0—30 cm表层土壤中，人工林的入渗性能要大于天然林，这是因为人工林的林下植被物种丰富度较低，土质较为疏松，而且刺槐纯林中的地表植被大多为草本，并且覆盖度也较低，油松纯林中的地表又因松类植物的毒害作用导致其几乎没有植被生长^[25]。在祁连山中的研究表明，灌木林地的土壤入渗大于乔木林。本研究中通过比较不同林分土壤入渗达到峰值的时间发现(图 5)，在0—30 cm土层中，侧柏的峰值时间显著早于其他林地的现象，这可能是与黏粒含量较高，植被根系较少导致土壤孔隙度较低有关^[19]，同时也与研究结果中0—10 cm土壤入渗规律显示天然林在整个入渗过程中的入渗速率都非常低的现象不谋而合。土壤入渗速率低则表明该区域内土壤表层更容易产生径流，而植被根系多集中在表层，这样就可以让植被根系尽可能多地汲取水分，从而在有益于植被生长的同时也达到了减少地表径流的效果，使得土壤性质得到提高，从而实现良性循环。

在不同植被类型与土层深度下土壤入渗系数和土壤物理性质之间主成分分析结果表明，土壤渗透系数与土壤性质之间存在显著的联系，土壤入渗系数与土壤容重(BD)、土壤储水量(SWS)、土壤黏粒含量的相关性较强，并呈现显著的正相关关系，这说明土壤水分入渗的本质特征则是水分在土壤孔隙通道内不断流动渗透的过程^[26]，当水分接触土壤表层时，水分会先通过非毛管孔隙进入土壤，与此同时，受到土壤容重质地等影响，土壤容重越高，质地越细，土壤入渗能力也就越弱，这是由于土壤非毛管孔隙通道的减少，使得土壤入渗能力减弱。土壤有机质含量与砂粒含量具有较高的正相关性，则主要是因为砂粒含量越高其土壤孔隙度越高，留给植被根系以及地下动植物的生存空间也越高，进而使得土壤有机质含量的增高。

4 结论

(1) 晋西黄土高原区不同植被恢复类型的土壤理化性质存在显著性差异(p＜0.05)。在0—30 cm的土层深度中，植被恢复类型对土壤物理性质和土壤入渗性质具有一定影响，从容重、质地等土壤物理性质变化规律来看，天然林相较于人工纯林对土壤物理性质改善效果更为明显。

(2) 不同植被恢复类型条件下各土层的土壤储水量大小排序依次为：天然林＞油松纯林＞侧柏纯林＞刺槐纯林。对于预测未来4种不同植被恢复类型下各土层的土壤含水量的变化，侧柏纯林相较于其他3种不同林分的土壤储水量变化预测更加可靠。

(3) 晋西黄土高原地区不同林分中不同土层深度的土壤入渗过程变化规律一致，即快速入渗、缓慢入渗和稳定入渗这3个阶段。在不同植被类型下土壤的稳定入渗速率从大到小表现为：天然林＞刺槐纯林＞油松纯林＞侧柏纯林(0—10 cm)、油松纯林＞刺槐纯林＞侧柏纯林＞天然林(10—20 cm)、油松纯林＞刺槐纯林＞侧柏纯林＞天然林(20—30 cm)土壤入渗特征指标以及前一个小时的累计入渗量在不同林分类型下不同土层深度中差异显著(p＜0.05)，这就说明，不同植被恢复类型下的不同土层深度的土壤入渗性质有明显差异。

(4) 使用Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型对黄土高原森林植被恢复区域土壤入渗过程拟合，发现Horton模型更适用于描述黄土高原植被恢复下的土壤入渗过程。

(5) 侧柏纯林和刺槐纯林内的土壤渗透系数和土壤容重(BD)与黏粒含量之间具有显著的相关性，油松纯林内的土壤有机质含量与砂粒含量具有较高的相关性，而侧柏和刺槐分布区的样本有较好的相似性。表层(0—10 cm)土壤与次表层(10—30 cm)土壤之间存在明显差异。次表层土壤(10—20 cm，20—30 cm)具有较高的相似度。

因此，不同植被恢复类型下的土壤入渗性质具有显著性差异，天然林的植被恢复效益相较于人工林的植被恢复效益更大，通过长期天然林植被恢复能够更有效地改善黄土高原的土壤质量，提升区域植被恢复后的土壤保水性能。以及关于在不同植被恢复类型下不同土层深度优先流对于土壤入渗差异的影响，还需要运用其他技术与方法进行进一步探究。