兰州市南山不同绿化年限黄土边坡土壤水文功能特征及评价

Hydrological function characteristics and evaluation of loess slopes with different greening ages in southern mountains of Lanzhou City

摘要

目的 探究兰州市南山黄土边坡土壤水文功能随绿化年限的演变规律及驱动机制，为干旱区黄土边坡土壤水文功能的修复和养护管理提供理论支撑。 方法 采用时空互代法，以兰州市南山第2 a，4 a，8 a，12 a，16 a绿化边坡为研究对象，通过野外取样与室内试验分析，对土壤含水量、毛管持水量、孔隙度、容重、渗透系数、水稳性团聚体含量、有机质、pH值等指标进行测定，并采用灰色关联法对不同绿化年限边坡土壤水文功能进行了综合评估。 结果 （1） 0—20 cm土层，随着绿化年限增加黄土边坡土壤含水量、毛管持水量、孔隙度、渗透系数、有机质呈递增的趋势，土壤容重呈递减的趋势，土壤容重和孔隙度无显著性差异（p>0.05）；不同绿化年限边坡水稳性团聚体含量呈先降低后增加的趋势，土壤pH值呈先增加后降低的趋势（p<0.05）。（2） 20—40 cm土层，随着绿化年限增加，渗透系数和水稳性团聚体含量呈逐渐增加的趋势，pH值呈逐渐降低的趋势（p<0.05）；含水量、毛管持水量、孔隙度、有机质呈先降低后增加的趋势，均为第4 a绿化边坡最低，土壤容重反之（p<0.05）。（3） 评价结果表明：在0—20 cm土层土壤水文功能呈逐渐增加的趋势，20—40 cm土层呈先降低再增加的趋势（p<0.05）；随着年限的递增黄土边坡0—20 cm和20—40 cm土层土壤水文功能改善效果趋于一致。 结论 草本绿化可有效改善兰州市南山黄土边坡土壤水文功能，2 a，4 a和8 a分别标志着0—20 cm土层快速改善，改善效应向20—40 cm土层扩展和整个土壤剖面水文功能最终趋于平衡的不同阶段。

Abstract

Objective This study investigates the evolution patterns and driving mechanisms of soil hydrological functions on loess slopes in the southern mountains of Lanzhou City with increasing greening age， and provides a theoretical basis for the restoration and maintenance management of soil hydrological functions on loess slopes in arid regions. Methods The space-time substitution method was applied， and the loess slopes with greening ages of 2， 4， 8， 12， and 16 years were examined. Field sampling and laboratory experiments were conducted to measure the following indicators： soil water content， capillary water holding capacity， porosity， bulk density， infiltration coefficient， water-stable aggregate content， organic matter content， and pH. The grey relational analysis was employed to comprehensively evaluate soil hydrological function across the different greening ages. Results （1） In the 0—20 cm soil layer， soil water content， capillary water holding capacity， porosity， infiltration coefficient， and organic matter content increased with increasing greening age， whereas soil bulk density decreased. No significant differences were observed in soil bulk density or porosity （p>0.05）. Water-stable aggregate content first decreased and then increased with greening age， while soil pH first increased and then decreased （p<0.05）. （2） In the 20—40 cm soil layer， the infiltration coefficient and water-stable aggregate content gradually increased with increasing greening age， whereas pH gradually decreased （p<0.05）. Soil water content， capillary water holding capacity， porosity， and organic matter content first decreased and then increased， all reaching their lowest values at the 4-year greening stage， whereas soil bulk density showed an opposite trend （p<0.05）. （3） The evaluation results indicated that soil hydrological functions gradually increased in the 0—20 cm layer， but first decreased and then increased in the 20—40 cm layer （p<0.05）. With increasing greening age， the improvement effects on soil hydrological functions in the 0—20 cm and 20—40 cm soil layers tended to converge. Conclusion Herbaceous vegetation effectively improves soil hydrological functions of loess slopes in the southern mountains of Lanzhou City. The greening ages of 2 years， 4 years， and 8 years represent distinct stages， corresponding to rapid improvement of soil hydrological functions in the 0—20 cm soil layer， extension of the improvement effect to the 20—40 cm layer， and final stabilization of hydrological functions across the entire soil profile， respectively.

Graphical abstract

关键词

人工建植 / 边坡 / 水文功能 / 灰色关联分析法

Key words

artificial vegetation establishment / slope / hydrological function / grey relational analysis

土壤水文功能作为干旱区生态修复的核心调控机制，通过降水截留、渗透与储存过程的耦合作用维系水土平衡^［1］。其持水能力、导水性等指标的时空变化直接影响区域水资源和生态安全；尤其在干旱-半干旱脆弱区，水文功能退化，极易导致边坡失稳和植被逆行演替，成为生态安全的重大威胁^［2］；有研究指出，以草本植被重建为核心的植被恢复是改善区域水文功能的有效策略^［3］。草本植被随绿化年限增加，会对地表覆盖及土壤孔隙度、持水量及导水性能等关键物理性质持续改良，系统调控降水再分配过程，是提升边坡土壤水文功能的关键驱动因子^［4］。然而，现有研究多集中于木本植物的水文效应，针对草本植被土壤水文功能时序动态的实证研究明显不足，尤其在黄土区人工边坡中，草本植物通过时间累积效应重塑土壤水文过程的机制仍不明确，严重制约了生态修复工程的精准调控^［5-6］。因此，深入探究不同绿化年限下黄土边坡土壤水文功能演变规律，对干旱区生态修复工程的科学实施与长效管理具有重要意义。

兰州市地处黄土高原向青藏高原过渡的生态敏感带，干旱气候与贫瘠土壤叠加导致水土流失加剧，边坡生态系统稳定性持续衰减^［2］。作为城市生态屏障的南山区域，自2000年实施“三北防护林体系建设工程”以来，通过人工种植耐旱植物实施边坡修复，显著提升了地表覆盖度与水土保持能力^［7］。但土壤水文功能的恢复是一个长期过程，绿化年限的动态演变规律及关键驱动因素尚不明确，制约着植被恢复的可持续性^［8］。因此，系统评价不同绿化年限黄土边坡的土壤水文功能，对优化植被配置与养护管理至关重要。目前，针对边坡土壤水文功能的研究多聚焦于单一植被类型或特定水文过程，缺乏对不同绿化年限下黄土边坡土壤水文功能动态演变的系统性分析^［9］。传统方法因忽视绿化年限与水文功能的阈值效应，导致长期生态效益评估存在显著偏差，而灰色关联分析法在草本绿化黄土边坡领域的应用尚少，但其在小样本多指标协同分析上的独特优势，恰好契合该领域长期效应评估与综合评价的需求，为破解该领域长期效应评估与综合评价难题提供了新的思路^［10］。

基于此，本研究采用灰色关联分析法，选取土壤含水量、毛管持水量、渗透系数、水稳性团聚体含量、土壤容重、孔隙度、有机质含量、pH值等多维度指标，对草本绿化下不同年限黄土边坡的土壤水文功能进行比较分析，以期明晰其演变规律，为干旱区边坡绿化植被提供理论支撑。构建草本绿化下黄土边坡土壤水文功能时序评价体系，揭示其随绿化年限的动态响应规律，为干旱区生态修复的植被养护管理提供量化依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兰州市南山位于黄土高原西部（102°36′—104°35′E，35°34′—37°00′N）（图1）。该地区属于典型温带大陆性半干旱气候，年平均气温10 ℃，年平均降水量310 mm，6—9月降雨量占全年的70%以上^［11］。受陡峭边坡地形、高蒸发量和土壤贫瘠等因素共同影响，研究区植被类型呈现典型草原向荒漠草原的过渡特征，天然植被稀疏^［12］。为保障植被恢复效果，研究区采用了挂网喷播技术，并配套建设了固定式定时喷灌系统与日常维护管理制度。在边坡成功构建了以冰草（Agropyron cristatum）和紫花苜蓿（Medicago sativa）为优势种的人工草本群落，伴生种包括黑麦草（Lolium perenne）、山莴苣（Lactuca sibirica）、鬼针草（Bidens pilosa）、臭草（Melica przewalskyi）和秋英（Cosmos bipinnatus）等。

1.2 样地设置

于2022年6月，在兰州市南山通过实地调查，选取了立地条件（海拔、坡度、坡向）相似但绿化年限不同（2，4，8，12，16 a）的边坡作为研究对象；所有选定样地初始均采用紫花苜蓿喷播建植；每个绿化年限设置3个独立样地，每个样地内布设1个20 m×20 m的标准样方。样地基本概况详见表1。在采集土壤样品前，先对每个样方的植被类型、根系生物量、覆盖度等特征进行了调查，为后续探讨土壤水文功能差异及其形成机理提供依据。

1.3 土壤样品采集

在每个20 m×20 m的标准样方内，沿对角线布设3个1 m×1 m的小样方作为重复。采用直径3 cm的土钻在每个小样方内分别钻取0—20 cm和20—40 cm两个土层的土壤样品，随后将同一样方内，同一土层的3个钻取样品混合为一个代表样品。这些样品经分装后分别处理：一份装入保鲜盒于室温下风干，经剔除碎石和植物残根后用于水稳性团聚体测定；另一份装入自封袋自然晾干后研磨过0.149 mm筛，用于土壤有机质和pH值分析。为测定不同的土壤物理指标，使用100 cm³环刀在每个小样方的每个土层重复采集2次原状土样，采集后立即用保鲜膜密封并保存于4 ℃冰箱，共获取5个年限×3个大样方×3个小样方×2个土层×2次=180个样品，用于土壤含水量、容重、饱和渗透系数、孔隙度及毛管持水量的测定。

1.4 指标测定与计算

（1） 土壤含水量^［13］采用烘干法（105 ℃，24 h）。土壤容重^［14］采用环刀法（100 cm³环刀取原状土）。土壤毛管持水量^［12］采用环刀法（自然吸水12 h，自由排水48 h）。土壤渗透系数^［12］采用双环刀法（恒定水头5 cm，测定稳定渗流量）。

P=\left(\mathrm{1}-\frac{D}{\rho }\right)\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：P为孔隙度（%）；D为容重（g/cm³）；ρ为比重2.65 g/cm³。

K=\frac{Q\times L}{A\times H\times t}\times \mathrm{60}（2）

式中：K为渗透系数（cm/min）；Q为稳定渗水量（cm³）；L为土样高度5 cm；A为土样横截面积20 cm²；t为时间间隔（s）；H为恒定水头高度5 cm。

（2） 粒径>0.25 mm土壤团聚体比例（WR_0.25）采用湿筛法测定：先通过干筛法测定5 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm和0.25 mm粒径团聚体的质量百分比^［15］，根据各粒径比例称取50 g混合土样；再使用骨料粒度分析仪（TTF-100型、频率30 r/min、振幅4 cm）进行30 min湿筛；最后将每个筛层中剩余团聚体洗入铝盒内，静置，待溶液澄清后弃去上清液，将剩余的团聚体于105 ℃烘干24 h后称重^［16］。

（3） 有机质测定采用重铬酸钾氧化-外加热法^［17］。pH值^［13］测定采用酸度计法。

（4） 采用灰色关联分析法评估不同绿化年限边坡的水文功能。通过倒数法正向化逆向指标，初值化处理数据后，计算各年限与理想序列的关联度。关联度越大，表明该绿化年限对水文功能的改善效果越好^［18］。计算公式如下：

（3）

式中：i为不同的绿化年限；k为不同的水文功能评价指标；χ₀（k）为参考序列；χ_i （k）为比较序列；ρ为分辨系数（0.5）；Δ _i （k）为第i个比较序列与参考序列在第k个指标上的绝对差；min _i min _k Δ _i （k）为全局最小绝对差；max _i max _k Δ _i （k）为全局最大绝对差；r为水文功能评价指标关联系数。

1.5 数据分析与处理

本研究使用SPSS 22.0和Excel 2021对数据进行统计分析。先通过Shapiro-Wilk检验评估数据正态性，结果显示，0—20 cm土层土壤渗透系数、有机质，20—40 cm土层土壤含水量土壤有机质呈非正态分布（p<0.05）；不同绿化年限的差异分析，正态分布数据采用单因素方差分析，因需多重比较故选用Duncan检验；非正态分布数据采用Kruskal-Wallis检验分析，多重比较采用Dunn检验。为解释不同绿化年限边坡土壤水文功能指标的变化特征，采用最小二乘法分析水文指标的变化趋势并作线性回归图；并通过Spearman秩相关分析探究指标间非线性关系；最后基于灰色关联度评估土壤水文功能的综合演变特征。数据可视化使用Origin 2014软件绘图，误差棒表示±标准误。

2 结果与分析

2.1 绿化对黄土边坡土壤含水量和毛管持水量的影响

由图2可知，随绿化年限增加，0—20 cm土层土壤含水量呈上升趋势（p<0.05），变化范围在9.8%~22.42%；具体表现为，绿化第2 a~第8 a土壤含水量年均增幅达1.23%；第8 a后年均增幅降至0.65%。20—40 cm土层土壤含水量表现为先下降，后上升的趋势（p<0.05）；其中，第4 a绿化边坡土壤含水量达到最低值12.34%，绿化第4 a~第12 a边坡土层土壤含水量快速增加，年均增幅达1.72%。此外，第2，12，16 a绿化边坡土壤含水量均为20—40 cm土层较高，绿化第4 a反之，而第8 a绿化边坡0—20 cm和20—40 cm土层土壤含水量基本持平，分别为17.19%和17.28%。总之，随着绿化年限的增加，草本植物对黄土边坡0—20 cm和20—40 cm土层的土壤含水量的改善具有显著作用。

在0—20 cm土层，土壤毛管持水量随绿化年限增加呈现显著的阶段性增长特征（p<0.05），数据显示，绿化第2 a~第4 a边坡，土壤毛管持水量从28.55%提升至30.40%，年增幅达0.93%；绿化第4 a~第16 a边坡，土壤毛管持水量从31.47%增加至32.71%，增速明显降低。20—40 cm土层，随绿化年限增加，土壤毛管持水量呈先降后增加的趋势（p<0.05），其中，绿化第4 a是土壤持水量的最低点，土壤毛管持水量由29.77%降低至29.52%，第4 a后显著提升，至第16 a绿化边提升至33.26%（图3）。对比分析表明，植被绿化的2~8 a对0—20 cm土层的毛管持水量的改善作用较好，在8~12 a间对20—40 cm土层土壤毛管持水量的改善逐渐优于0—20 cm土层。

2.2 绿化对黄土边坡土壤渗透系数的影响

由图4可知，0—20 cm和20—40 cm土层土壤渗透系数均随绿化年限增加呈上升趋势（p<0.05）。数据显示，各绿化年限均为0—20 cm土层土壤渗透系数较高，且均从第4 a土壤渗透性开始快速提升；0—20 cm和20—40 cm土层土壤渗透系数在第2 a~第4 a绿化边坡变化范围分别为0.017~0.019 cm/min，0.016~0.019 cm/min；在第4 a~第16 a绿化边坡土壤渗透系数变化范围分别为0.019~0.045 cm/min，0.019~0.042 cm/min；绿化第12 a后，0—20 cm土层土壤渗透性增速不变，20—40 cm土层土壤渗透性增速降低。

2.3 不同绿化年限黄土边坡土壤理化性状

由图5可知，随绿化年限增加，0—20 cm和20—40 cm土层土壤孔隙度和容重呈相反变化趋势。0—20 cm土层土壤孔隙度从绿化第2 a（47.68%）缓慢增至第16 a（50.34%；p>0.05）。20—40 cm土层，第2~4 a绿化边坡土壤孔隙度从49.21%降低至48.38%；第4~8 a土壤孔隙度增加至51.10%；第8~16 a土壤孔隙度提升至52.39%；其中，第16 a与第2 a和第4 a绿化边坡的孔隙度和容重具有显著性差异（p<0.05）。因此，绿化第4 a成为20—40 cm土层土壤孔隙度和容重修复的关键时间点；第8 a后，绿化植被对于黄土边坡0—20 cm和20—40 cm土层土壤孔隙度和容重的改善效果趋于稳定，且20—40 cm土层改善效果较好。

随着绿化年限的增加，0—20 cm土层土壤有机质呈增加的趋势（0.30%~1.74%，p<0.05）；土壤pH值在2~4 a呈增加的趋势（7.48~7.58），在4~16 a呈降低的趋势（7.48~7.17，p<0.05）。20—40 cm土层土壤有机质含量随绿化年限呈先降低后增加的趋势（2~4 a：0.55%~0.43%；4~16 a：0.43%~2.03%，p<0.05）；土壤pH值则呈下降趋势（7.48~7.17，p<0.05），所有绿化年限中，植被对于土壤有机质和pH值的改善效果均为20—40 cm土层较好，表现为0—20 cm土层土壤有机质含量较高，20—40 cm土层土壤pH值较高（图6）。

综上，绿化第4 a成为20—40 cm土层土壤修复的关键时间点，且绿化第4 a时，0—20 cm和20—40 cm土层土壤有机质近乎一致，土壤pH值表现为0—20 cm土层明显高于20—40 cm土层；绿化第8年后，绿化植被对0—20 cm和20—40 cm土层土壤有机质和pH值的作用效果达到最好，且变化速率趋于稳定。

随绿化年限增加，0—20 cm土层土壤粒径>0.25 mm团聚体含量（WR_0.25）呈先降低，后增加的趋势（p<0.05），第4 a绿化边坡WR_0.25含量最低点，绿化第2 a~第4 a WR_0.25含量从57.23%降低至55.25%，绿化第4 a~第16 a WR_0.25含量从55.25%提升至70.00%，其中，第8 a~第12 a土壤WR_0.25含量增加速度达到最块，第12 a~16 a土壤WR_0.25含量增加速度明显减缓。20—40 cm土层土壤WR_0.25含量呈增加的趋势（p<0.05），绿化第2 a~4 a变化范围从45.99%提升到49.81%，至第16 a提升到78.72%（图7）。绿化第8 a土壤WR_0.25含量0—20 cm土层和20—40 cm土层相近，至第12 a时20—40 cm土层WR_0.25含量略高，在12~16 a间0—20 cm土层土壤WR_0.25含量趋于平稳，而20—40 cm土层土壤WR_0.25含量继续提升。

2.4 不同绿化年限与黄土边坡土壤水文指标的关系

由图8可知，随着绿化年限的增加，0—20 cm土层土壤含水量、渗透系数、有机质、WR_0.25含量表现出强线性趋势（含水量：R²=0.9698，p<0.01；渗透系数：R²=0.9664，p<0.01；有机质：R²=0.8447，p<0.01；WR_0.25含量：R²=0.7906，p<0.01）土壤毛管持水量、pH值表现出中等线性趋势（毛管持水量R²=0.6812，p<0.01；pH值R²=0.5876，p<0.01）土壤孔隙度和容重表现出弱线性趋势，数据点较为分散，即便在二次多项式模型，其R²仍小于0.3（容重：Y=1.4177-0.035X+0.003X²，R²=0.1848，p=0.2935；孔隙度：Y=46.5024+1.32X-0.11X²，R²=0.7689，p=0.2311）。

20—40 cm土层土壤含水量渗透系数、有机质、pH值、WR_0.25含量表现出强线性趋势（含水量：R²=0.8473，p<0.01；渗透系数：R²=0.9531，p<0.01；有机质：R²=0.8288，p<0.01；pH值：R²=0.8209，p<0.01；WR_0.25含量：R²=0.9438，p<0.01）。土壤毛管持水量、容重、孔隙度表现出中等线性趋势（毛管持水量：R²=0.6566，p<0.01；容重：R²=0.6033，p<0.01；孔隙度：R²=0.6033，p<0.01）。

2.5 不同绿化年限黄土边坡土壤水文功能评估

由图9可知，黄土边坡土壤的水文功能指标与理化性质指标之间存在显著相关性（p<0.05）。具体而言，水分特征指标（SWC，CWC）与有机质（SOM）呈显著正相关，表明有机质积累能有效促进土壤水分保持；同时，土壤结构指标中容重（BD）与总孔隙度（TP）呈现完全负相关关系；而pH值作为关键调控因子，与多个指标表现出显著负相关，而容重与其他指标相关性均较弱。此外，本研究还发现，团聚体稳定性（WR_0.25）与渗透系数（K）呈现较强正相关（r=0.90，p<0.01）；总孔隙度（TP）与有机质（SOM）的正相关性也相对较弱（r=0.61，p<0.01）。上述研究结果不仅验证了有机质在改善土壤水文功能方面的有效性，同时阐明了边坡生态系统恢复过程中土壤结构与水分迁移机制之间存在着复杂耦合关系。

由图10可知，随着绿化年限增加，土壤水文功能的关联度在0—20 cm和20—40 cm土层中呈现出不同的变化趋势。0—20 cm土层土壤水文功能关联度呈逐渐上升的趋势（p<0.05），表现为16 a>12 a>8 a>4 a>2 a绿化边坡，关联度变化范围在0.65~0.91；20—40 cm土层呈先降低再增加的趋势（p<0.05），表现为16 a>12 a>8 a>2 a>4 a绿化边坡，关联度变化范围在0.65~0.94。对比发现，第4 a绿化边坡0—20 cm土层的土壤关联度较高，第12 a、第16 a绿化边坡土壤关联度20—40 cm土层较高，第2 a和第8 a绿化边坡2个土层的关联度大小基本一致。

整体上看，绿化第4 a和第12 a是边坡土壤水文功能变化的关键阶段；第4 a时20—40 cm土层关联度最低，表明绿化2~4 a间土壤水文功能的改善主要在0—20 cm土层，对20—40 cm土层作用效果呈负面效应；4~8 a间20—40 cm土层土壤水文功能改善效果快速提升，至第8 a时2个土层关联度趋于一致；在8~12 a间20—40 cm土层的关联度反超0—20 cm土层并达到较高水平；12 a后20—40 cm土层关联度增速降低，预示水文功能提升进入平台期；至第16 a，2个土层土壤水文关联度趋于一致，标志着土壤水文功能进入新的相对稳定状态。

3 讨 论

3.1 绿化年限对黄土边坡土壤水文指标的影响

植被绿化通过改善边坡土壤的水文特征、理化性质和结构，从而提高边坡土壤的水文功能^［4］。本研究发现，随草地绿化年限的增加，绿化植被对0—20 cm和20—40 cm土层土壤水文功能各指标均具有显著的改善作用。分析认为，在黄土边坡生态修复过程中持续输入有机质促进团聚体形成，有效改善了土壤孔隙结构，使得土壤持水能力和水分渗透性能提升；随着有机质不断积累，会使得土壤容重降低，而植物和微生物活动产生的酸性物质使得土壤pH值降低；本研究与刘芳等^［17］在黄土高原退耕10 a以上的典型草本植被区土壤水文指标测定结果相一致，进一步验证了草本植被对提升土壤水文功能的积极影响。

此外，黄土边坡土壤水文指标的时空演变深刻揭示了植被恢复过程中土壤-植物系统的互馈机制。在绿化初期（2~4 a），0—20 cm土层土壤表现出良好的改善趋势。

在2 a之前，植被根系主要分布于0—25 cm土层^［19］，而后在2~4 a间根系植被逐渐发育到0—60 cm土层^［20］，密集的浅层根网显著增强了降水的截留能力，减少了地表径流^［21］；因此，使得水分渗透量增加，导致含水量持续上升；根系分泌物（如多糖类物质）与凋落物分解产物的协同作用^［22］，促进了土壤有机质积累和毛管孔隙的形成，毛管持水量也因此显著提升。而该阶段大团聚体（>0.25 mm）含量出现短暂下降，分析认为，植被根系在发育初期对土壤的穿插、挤压和缠绕作用会产生物理扰动，导致部分大团聚体破碎^［20］；但这种扰动同时促进了微孔隙的形成，短期内虽降低了大团聚体含量，却显著提高了土壤含水量和渗透速率，表明水文功能改善需经历团聚体结构的短期重组过程；本研究与李浩等^［13］在祁连山东段高寒草地修复过程中结果一致。而20—40 cm土层，水分竞争关系呈现在垂直梯度差异。由于根系尚未充分延伸，水分补给能力较弱^［21］，同时，0—20 cm土层植被对水分的竞争性吸收，也会导致含水量和毛管持水量的下降。20—40 cm土层土壤受植被根系扰动较少，在降雨和重力作用下发生自然压实，使得土壤容重较0—20 cm土层增加，孔隙度相应降低。

当绿化年限进入4~8 a间，土壤改善效果开始向20—40 cm土层转移。分析认为该时期，植被根系在0—260 cm土层中快速生长，使得土壤中分布有大量的根状茎和直根系^［23］，根系延伸形成的垂直孔隙通道显著改善了水分运移条件^［24］，使得20—40 cm土层土壤含水量从下降趋势转为快速回升，同时根系的固土作用减少了大团聚体的流失。0—20 cm土层毛管持水量增速的下降，标志着土壤改善效果趋于稳定，表明孔隙度优化已接近饱和状态；而渗透系数的持续提升揭示了土壤大孔隙网络的不断发育完善。这些变化标志着土壤孔隙系统正在从原先以“持水功能为主导”逐步转变为“持水与导水功能协同发展”的新阶段，本研究与陈卓鑫等^［25］研究结果相一致。20—40 cm土层对土壤的改良效果逐步显现，土壤容重呈下降趋势，孔隙度呈增加趋势，有机质含量也逐渐提高；分析认为，4~8 a间由于植物根系及其分泌物促进了土壤理化性质的改善^［24］，植被对于土壤水文功能的改善效果进入良性发展的新阶段。在绿化8~16 a期间，植被根系分布基本稳定^［26］，土壤水文功能指标进入相对稳定的发展阶段。0—20 cm土层土壤团聚体含量显著增加，其稳定性提升与真菌菌丝网络的形成及根系分泌物的胶结作用密切相关^［27］；20—40 cm土层受根系分泌物的影响，有机质积累速率提升，微生物活性的增强进一步优化了孔隙结构，而改良后的土壤结构支持植被生物量的持续增长，而更发达的植被又通过凋落物输入和根系周转反哺土壤改良，最终在12~16 a形成水文功能指标变化均趋于平缓，达到新的动态平衡。

3.2 不同绿化年限黄土边坡土壤水文功能评价

各绿化年限边坡土壤水文功能评估结果表明，16 a绿化边坡在0—20 cm和20—40 cm土层均达到最优水平。这种提升趋势与各水文指标的观测结果近乎相同，证实了植被恢复对土壤水文功能的持续改善作用。本研究结论与诸多学者一致^［28-29］。其中，0—20 cm表层土壤的水文功能关联度随绿化年限增加持续增强，表明绿化植被对0—20 cm土层改善具有稳定的时效性；20—40 cm土层，第4 a绿化边坡的水文功能略低于第2 a，而后开始快速提升，表明第4 a之前，植被对于边坡土壤的水文功能改善作用存在滞后性。

本研究发现，绿化第2 a和第8 a时，0—20 cm和20—40 cm土层的关联度数值近乎一致。分析认为，绿化第2 a植被处于建植初期，生物量积累有限，根系尚未形成显著垂直梯度^［19］，对0—20 cm和20—40 cm土层土壤的改良作用均处于基础水平；第4 a是植物根系扩展与土壤结构改良的动态平衡点，20—40 cm土层破坏与修复作用相互制约，形成最低点；第8 a，0—20 cm土层根系网络发育成熟^［23］，土壤结构改良趋于稳定，20—40 cm土层因根系分布逐步发达^［23］，开始响应改良，两者在根系分布、微生物群落及养分循环上达到相对平衡状态^［30］，导致水文功能表现趋于相同；至绿化第16 a时，植被根系在垂直剖面的均匀分布弱化了土层差异^［26］，微生物跨土层互作增强，水分运动与养分循环趋于协调统一，最终推动0—20 cm和20—40 cm土层土壤水文功能逐步接近。

4 结 论

（1） 0—20 cm和20—40 cm土层呈现出显著的时空异质性特征，0—20 cm土层土壤表现为持续性改善，20—40 cm土层受绿化年限的影响，土壤则经历了“短期调整—稳步提升”的阶段性演变。

（2） 综合评价结果表明，0—20 cm表层土壤的水文功能随绿化年限增加持续增强，20—40 cm土层，在2~4 a土壤水文功能呈降低的趋势，之后快速上升。

（3） 边坡生态恢复是一个长期的过程，2 a，4 a，8 a是植被绿化对于土壤水文功能改善的关键时间节点；初期（2~4 a）以表层快速改良为主，中期（4~8 a）改善效果向20—40 cm土层扩展，后期（8~16 a）整个剖面水文功能改善趋于系统平衡。

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基金资助

2023年甘肃省高校产业支撑计划项目(2023CYZC-45)

国家自然科学基金(32360378)

甘肃省科技计划自然科学基金项目〔LNLJ2022（01）〕