在森林生态系统中，海拔可影响温度、水分、植被类型。土壤水分状况受气候、植被、地形及土壤因素等自然条件的综合影响，是干旱区生态系统和植被建设的基础^［1］，也是影响土壤侵蚀过程和生态环境建设的关键因子。其异质性对水土流失、水-热-溶质耦合和土壤-植被-大气传输体中的物质迁移等水文学过程以及土壤形成过程均有显著的影响^［2］。因此，研究不同海拔同一植被类型土壤水分时空动态特征，是合理配置植被和提高土壤水库功效的基础，是干旱区生态系统植被空间自组织格局研究的重要内容，也是进一步探讨其生态水文过程和效应的必要准备^［3-4］。近年来，针对土壤水分开展了众多研究。党宏忠等^［5］对位于海拔2 800 m的苔藓-青海云杉（Picea crassifolia）林与位于海拔2 945 m的灌木-青海云杉林进行对比研究，发现两种林地土壤水分含量的季节变化受降水影响较大；张川等^［6］研究了西北喀斯特地区典型坡地灌丛表层土壤水分，发现表层含水量变化范围较大，属于中等程度变异，且沿坡面自上而下呈递增趋势；尹秋龙等^［7］对极端强降雨条件下黄土丘陵沟壑区5种典型植被土壤水分进行研究，发现极端强降雨下植被是影响土壤水分的主要因素，不同植被之间土壤水分差异较大；张泉等^［8］对祁连山地区以狼毒为优势种的高寒草甸的土壤水分垂直变异特征、水平空间异质性以及分布特征进行分析，发现在垂直方向上土壤水分含量随深度的增加而逐渐减少，土壤水分分布的变异指数在浅层和深层土壤较大，在中层土壤较小。在水平方向上，不同土层之间土壤水分的空间异质性不同。整体上，土壤水分含量与微地形关系密切，与海拔负相关。这些研究由于在不同研究区，气候、植被类型、土壤类型等都不同，所以研究结果也存在差异。

祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇处，是中国西北地区重要的水源涵养林区。林区自然条件复杂，水热条件差异大，形成了具有明显垂直梯度的植被类型和土壤类型。青海云杉是中国青藏高原东北边缘特有树种，也是祁连山水源涵养林主要的建群种，耐寒、较耐旱、耐瘠薄，根系呈明显的水平分布，无主根。近年来关于祁连山土壤水分的研究^［9-12］主要在同一海拔植被类型之间，对不同海拔青海云杉林的研究鲜少报道。因此，本研究以分布在祁连山中段排露沟流域海拔2 500~3 300 m青海云杉林为研究对象，研究祁连山水源涵养林主要建群种青海云杉林不同海拔土壤水分动态变化规律及特征，了解祁连山青海云杉林土壤水分的时空分布格局，以期为开展干旱半干旱区青海云杉林相关生态水文学研究提供必要的信息，同时进一步全面系统地认识青海云杉林的水源涵养机理，为分层次、按梯度的青海云杉林科学管理提供理论依据和数据支撑。

研究区位于祁连山中段甘肃省祁连山森林生态系统定位研究站西水试验区排露沟流域（38°32′—38°33′N、100°17′—100°18′E，海拔2 500~3 800 m，图1），纵坡比降1∶4.2，流域面积2.74 km²。该区属大陆性高寒山地森林草原气候。根据祁连山西水生态站多年气象资料显示，该流域年均气温-0.6~2.0 ℃；年降水量291.3~453.8 mm，集中在5—9月；年蒸发量1 081.7 mm；年日照时数1 895 h；日辐射总量110.28 kW·m^-2；年均相对湿度60%^［13-15］。流域内海拔不同，水热条件存在较大差异，土壤和植被类型随山地地形和气候差异形成了明显垂直分布带。其中，研究区内建群种青海云杉呈斑块状或条状分布在海拔2 500~3 300 m的阴坡和半阴坡地带，土壤类型主要是山地灰褐土^［16］。

在对研究区多次踏查的基础上，选择流域内海拔2 500、2 700、2 900、3 100、3 300 m典型代表性地段，自上而下采用梯度格局法设置与各个海拔等高线平行的5条平行样带，带宽20 m；同时垂直3 300 m高山林线沿坡面垂直向下设置3条样带，带宽20 m，在纵横样带相交处设立15个规格为20 m×20 m的标准样地。样地基本情况见表1。根据研究区青海云杉根系分布较浅、根系分布深度平均在60 cm的特点，将采样深度设置为60 cm。采用对角线法，在15个样地内分右上、中、左下3个点，于2016年5—9月和2017年5—9月青海云杉生长季期间，每月1、10、20日用土钻法按0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60 cm分层采取土样，每层3次重复，如遇降雨则雨后加测。将采集的土壤样品装进自封袋密封，带回实验室测定土壤水分。土壤水分测定采用烘干法。在实验室，将采集的土壤样品去掉植被残根、石砾等杂物，装入已称过空盒重W的土壤铝盒，然后称重装入鲜土后的铝盒重W₁，并放进烘箱于105 ℃下烘至恒重，称得铝盒及干土重W₂，从而测得土壤质量含水量（SW，%）：

降雨量采用DSJ2型虹吸式自记雨量计测定。

本次研究利用Excel对数据进行整理；采用SPSS 20.0进行统计分析；使用SigmaPlot 14.0分析制图。

祁连山山区降水主要发生在每年的5—9月，降水事件一般发生频度高、强度小，土壤水分含量和大气降水量息息相关。由图2~3可知，不同海拔青海云杉林0~60 cm土壤层的平均含水量具有明显的时间变化特征，不同年份内不同海拔青海云杉林土壤水分随时间的变化存在差异。2016、2017年不同海拔青海云杉林区生长季5—9月间降雨量均随海拔升高而增加，2017年降雨量较2016年降雨量明显增多。两个生长季期间，5—6月，海拔2 500、2 700 m青海云杉林下土壤含水量较低；7—9月，海拔2 500、2 700 m青海云杉林下土壤含水量保持相对稳定状态。海拔2 900、3 100、3 300 m处的青海云杉林下土壤含水量在5—6月与7—9月之间差异不大，但7—9月的土壤水分低于5—6月的。不同海拔青海云杉林生长季内土壤含水量表现为海拔3 300 m处>3 100 m处>2 900 m处>2 700 m处>2 500 m处。这主要是因为研究区土壤含水量的变化主要受大气降水的影响，从海拔2 500 m到3 300 m随着海拔升高，降雨量逐渐增大，蒸发量减少，气温降低，青海云杉林土壤含水量也逐渐增加。

从图4、表2可知，2016—2017年海拔2 500 m与2 700 m处青海云杉林0~10 cm的土层土壤含水量显著高于其他土层（P<0.05），其他土层的含水量差异不显著（P>0.05）。海拔2 900、3 100、3 300 m处青海云杉林0~10、10~20、20~30 cm土层的土壤含水量差异不显著（P>0.05）；30~40、40~50、50~60 cm土层的土壤含水量差异不显著（P>0.05），但0~10、10~20、20~30 cm土层的土壤含水量显著高于其他土层（P<0.05）。

总体来看，土壤含水量海拔3 300 m处>3 100 m处>2 900 m处>2 700 m处>2 500 m处，原因除了与降水量有关外，还与高海拔样地地被层盖度高、土壤腐殖质含量高有关，而低海拔样地的土壤较为干瘠，不利于土壤腐殖质层形成。

由图5可知，2016—2017年土壤表层0~10 cm土壤含水量的变异系数最高，不同海拔青海云杉林生长季土壤含水量变异系数随土层加深有递减的趋势，说明土壤含水量在垂直空间上表现为土层越深，变化程度越小。海拔2 500、2 700 m处青海云杉林土壤含水量的变异系数高于海拔2 900、3 100、3 300 m处的，这是因为低海拔处青海云杉在该层的非毛管孔隙度较低，土壤蓄水能力较差，土壤水分散失快，所以土壤含水量变化较剧烈。海拔2 900、3 100、3 300 m处青海云杉林土壤含水量在30~40、40~50、50~60 cm土层变异系数变化较小，海拔2 500、2 700 m处青海云杉林土壤含水量在10~20、20~30、30~40 cm土层变异系数变化较小。

研究区土壤水分的变化主要受大气降水的影响，从海拔2 500 m到3 300 m随着海拔升高，温度逐渐降低，降雨量逐渐增大，蒸发量减少，青海云杉林土壤水分含量也逐渐增加。海拔2 500、2 700 m青海云杉林的土壤水分在7、8、9月高于5、6月。这可能是因为在土壤水分消耗期5—6月，青海云杉解眠和复苏需要大量的土壤水供给，但此时大气降水较少，气温回升较快，冻融雪水成为青海云杉生理用水的主要补给，根系吸收土壤水后被大量蒸散消耗，土壤水供大于求，土壤水分含量较低^［17］。6—7月土壤水分积累期，降雨量增加，气温升温快，冻土消融水量大，土壤中蓄积的水量大于土壤水分消耗，所以此时土壤水分含量增大。8—9月土壤水分消退期，降雨持续，但气温较高，入渗到土壤中的水分不能弥补强蒸散蒸发消耗的水分，因此土壤水分下降，这与他人的研究结果一致^［17-18］。

海拔2 900、3 100、3 300 m青海云杉林的土壤水分在7、8、9月低于5、6月。5—6月，降雨量增多，但高海拔地区气温仍然较低，青海云杉解眠和复苏时间比海拔2 500 m和2 700 m青海云杉滞后，所以土壤水消耗不多；7—9月，降雨量增加，气温升高，气候适宜，青海云杉生长吸收大量土壤水，同时，青海云杉蒸腾散发和林地蒸发较强，入渗到土壤中的水分供不应求，因此土壤水分减少。

不同海拔青海云杉林生长季内土壤水分随土壤剖面深度的增加呈降低趋势。海拔2 500、2 700 m青海云杉林0~10 cm土层土壤水分显著高于其他土层。海拔2 900、3 100、3 300 m青海云杉林0~30 cm土层的土壤水分显著高于其他土层。造成差异的原因可能有两点，一是低海拔林区下土壤0~10 cm林木根系分布较少，土层表层枯落物覆盖抑制了土壤水分蒸发，但是其他土层由于林木分布，林木蒸腾耗水消耗大量水分^［18-19］，所以土壤水分有所下降。二是在高海拔的阴坡、半阴坡地带，降水量大但土壤蒸发量小，同时存在冻土层，表层根系分布较少，植物根系主要分布于土壤下层^［20-21］，由于气候变化和根系吸水耗水的双重影响，所以30~40、40~50、50~60 cm土层较0~10、10~20、20~30 cm土层含水量低。这与相关结果一致^［22-23］。

不同海拔青海云杉林土壤水分变异系数随土壤深度增加呈现递减的趋势。土壤水分弱利用层0~10 cm^{［10，24］}，青海云杉林根系分布比较稀少，土壤水分主要受到大气降水的影响，降雨时该层最先承接雨水，土壤含水量增长快，雨后该层土壤水的消耗快，土壤含水量降低，水分交换活跃。在气温较高时，土壤本身蒸发作用也非常显著，所以这一层土壤水分变化显著。青海云杉林10~60 cm为土壤水分利用层，青海云杉林根系主要分布在此层，降水对土壤水分影响减弱，而土壤孔隙度、植物根系吸收^［25］等对土壤水分影响增强，该层土壤含水量变异系数较0~10 cm土层小。

祁连山青海云杉林生长季土壤水分主要受降水量影响，同时受海拔对降水量的影响，随着海拔而变化。

研究区土壤水分的变化主要受大气降水的影响，海拔升高，温度降低，降雨量增大，蒸发量减少，青海云杉林土壤水分含量也逐渐增加。5种海拔青海云杉林生长季内各月份土壤水分含量海拔3 300 m处>3 100 m处>2 900 m处>2 700 m处>2 500 m处。

青海云杉林生长季内土壤水分含量随土壤剖面深度的增加呈降低趋势。

青海云杉林土壤水分变异系数随土壤深度增加呈现递减的趋势，表层0~10 cm土壤含水量变异系数大于其他土层。总体来看，相同土层的含水量变异系数海拔2 500 m处>2 700 m处>2 900 m处>3 100 m处>3 300 m处。