切沟是黄土高原侵蚀沟的主要类型之一,对流域水文、植被、地貌和生态等地表过程具有深刻影响。坡面是水土流失的基本地貌单元。切沟与坡面共同组成坡沟系统,是流域径流与泥沙的策源地之一。1999年“退耕还林还草工程”实施以来,黄土高原小流域土地利用格局发生了深刻改变,原来用于农业生产的坡耕地大量转换为具有水土保持服务功能的林草地。在侵蚀地貌和干旱缺水背景下,促进水分入渗,提高土壤持水性能和流域植被承载力十分必要。开展坡沟系统土壤持水能力分布特征及其与土壤大孔隙和土壤理化性质关系的研究,有助于明确坡沟系统相关土壤属性的空间分布特点,揭示大孔隙对土壤持水性能的调节作用,从而理解土壤水分运动和调蓄降水等相关水文过程,结果可为流域植被建设和填沟造地工程提供重要参考依据。通过设置沟道、沟缘和坡面3种地形处理,本文利用离心机法测定土壤水分特征曲线(WRC),分析切沟对坡沟系统土壤持水能力空间分布的影响;利用CT扫描手段量化土壤大孔隙形态参数,探讨不同地形和坡位对土壤大孔隙的影响;基于统计方法分析地形、坡位和土层及其交互作用对土壤理化性质的影响,并探讨了土壤持水性能和饱和导水率等土壤水力参数与大孔隙几何属性和土壤理化性质的联系。本文取得的主要研究结果如下:(1)随土层深度的增加,土壤持水能力表现为:沟道内基本保持不变,坡面地形有所增加;各土层沟缘坡位间有所差异,与表层相比,沟缘亚表层土壤持水能力在坡上、坡中和坡下位置分别表现为基本一致、增大和减小。沟缘表层土壤供水能力受切沟影响突出,沟缘表层比水容量C(θ)在吸力小于100 kPa时略大于沟道和坡面,而吸力达100kPa以后,沟缘C(θ)最小;亚表层以40 kPa为临界值呈现上述相似变化。不同位置土壤持水能力存在差异,其中,沟道初始土壤含水量高于沟缘和坡面。在土壤水分持续减少过程中,沟缘表层坡下位置较早到达到毛管断裂含水量(CRM),而沟缘亚表层坡上位置有效水含量(AWC)高于坡下。由此可见,切沟的存在加剧了坡沟系统土壤持水能力的空间异质性。(2)切沟沟道、沟缘和坡面3种地形处理间土壤大孔隙参数差异显著。对于平均大孔隙数量而言,0~110 mm土层,沟缘高于沟道和坡面;而110~220 mm深度范围沟道最多,沟缘大于坡面。各地形土壤大孔隙参数亦受坡位影响,其中,沟道和坡面地形坡上位置平均孔隙数量和大孔隙度高于坡下和坡中,沟缘坡中大孔隙度为6.02%,约为坡下的5倍和坡上的4倍。在0~220 mm土层范围内,沟缘始终具有最大的平均当量直径。0~125 mm土层沟道上游大孔隙数量最多,中游略低于下游。在坡中和坡下位置,沟缘100~220 mm土层当量直径略高于坡面。同一地形各坡位间三维大孔隙参数区别明显。沟道和坡面坡中小于坡上和坡下,沟缘则为坡中大于坡上和坡下。(3)不同地形处理显著影响K_s和容重,其中,沟缘和坡面K_s随土层深度增加而减小,容重随土层深度增加而增大;沟道内二者变化规律与之相反。地形对土壤含水量的影响较为突出,各土层沟缘和坡面地形间土壤含水量无显著差异,但均与沟道差异显著;土壤含水量沿沟道向沟缘至坡面呈先减小后增大的分布特点,且沟道内土壤含水量较高,沟缘0~30 cm深度土壤水分亏缺严重。(4)坡沟系统土壤pH呈弱碱性。随土层深度增加,沟缘土壤电导率(EC)基本保持不变,沟道和坡面有所降低,坡面显著大于沟道。土壤有机碳(SOC)由坡上至坡下呈增大趋势,且在表层最为明显。土层以及土层与地形间的交互作用显著(p<0.01)影响SOC,沟缘和坡面浅层SOC较表层有所减小,沟道土层间基本保持不变。表层坡面全磷(TP)含量显著高于沟道。地形及其与坡位的交互作用对速效磷(AP)的影响达极显著水平;与坡面亚表层和浅层相比,沟道相应土壤AP含量分别升高了36.09%和62.17%。坡面浅层全钾(TK)含量显著低于沟道。速效钾(AK)受地形、坡位和土层不同程度影响;表层、亚表层和浅层土壤最大AK值均出现在坡面,分别为沟道的4.0倍,6.4倍和5.5倍。随土层深度增加,沟缘和坡面地形土壤TN、AP、TP、AK和TK均有减小趋势。(5)影响坡沟系统K_s及土壤持水能力的因素主要包括土壤大孔隙参数和质地养分两个主成分。土壤大孔隙参数对AWC的作用较大。随着变量数目的增多,田间持水量(FC)、CRM、凋萎湿度(PWP)和AWC的拟合效果有所提高。就Akaike信息准则(AIC)而言,引入大孔隙参数后,沟道AWC拟合精度明显提升;基于RMSE和Nash效率系数(NSE)两个参数评价拟合结果,同时考虑大孔隙参数,沟道lnK_s、CRM和AWC的拟合效果与仅考虑理化性质相比略高。沟道地形lnK_s受分支密度、连接点密度等土壤大孔隙参数影响程度小于沟缘和坡面。此外,沟缘地形孔隙体积分数对lnK_s也具有较大贡献,β值为2.077。毛管孔隙度和总孔隙度在拟合lnK_s和土壤持水性能参数时均表现出较大的贡献。但利用土壤基本理化性质或同时引入大孔隙参数,毛管孔隙度对AWC变化的贡献仍然较大。除毛管孔隙度和总孔隙度外,沟道地形黏粒和砂粒对FC、CRM和PWP的变化影响较大。坡面地形黏粒和粉粒含量对土壤持水性能相关参数变化贡献较大,但lnK_s的变化主要受总孔隙度和毛管孔隙度影响。该地形FC、CRM、PWP和AWC拟合方程的R~2≥75%。在坡面基于容重、质地、孔隙度和有机碳拟合FC、CRM、PWP和AWC,比在沟道和沟缘地形效果更好。切沟增强了坡沟系统土壤持水能力的空间异质性,可归因为沟缘具有较高的水力、重力和冻融侵蚀强度,沟道常发生降雨径流冲刷和泥沙输移沉积,加之植被和气候等自然因素影响,土壤孔隙结构、质地及养分分布空间变异较大。土壤大孔隙参数、毛管孔隙度和土壤质地是影响坡沟系统土壤持水性能的主导因素。