海南儋州橡膠林土壤水分變化及其對氣象因子的響應特征①

耿思文 吳志祥 楊 川

(1 海南大學林學院 海南?？?570228;2 中國熱帶農業科學院橡膠研究所 海南?？?71101;3 農業農村部儋州熱帶作物科學觀測實驗站 海南儋州571737)

水分循環是生態系統中能量和物質循環的重要載體，土壤水是植物水分以及營養物質的來源，對保障植物生存有重要作用。土壤水分的變化會引起土壤性質的變化，進而影響植物生長發育［1-2］。熱帶天然橡膠人工林作為熱帶人工林生態系統之一，對改善土壤水分、調節小氣候有著重要的意義［3］，但橡膠樹的生態功能作用一直備受質疑［4］。土壤水分是影響橡膠樹產膠和生長的關鍵因素，橡膠樹在旱季受到的干旱脅迫常常嚴重影響樹體的生長以及膠水的產量［5］。海南島橡膠林多為單一群落，相比群落豐富的天然林，在涵養水源、土壤維持、生物多樣性方面功能性較差［6］。補充和深入探討橡膠樹群體與生態因子之間的關系及膠園環境變化等系統研究，是橡膠林生態系統健康和可持續發展理論的基礎。深入分析橡膠林土壤水分特征，了解橡膠林土壤水分變化特征以及對環境因子的響應規律，對熱帶人工橡膠林的高效經營和可持續發展具有重要意義。土壤水分的時空變異規律主要受到氣象因子的影響，不同植被類型的土壤含水量對氣候的響應以及對土壤水分的利用存在差異。如Cho 等［7］研究認為，土壤含水量與日平均降水量呈正相關，與日照、氣溫等呈負相關；而徐勇峰等［8］認為，日平均土壤溫度和日平均相對濕度對土壤水分的影響最為明顯；黃土高原的人工刺槐林在生長期內的土壤含水處于虧缺狀態［9］，而西雙版納橡膠林在生長期內降水豐沛且主要吸收淺層地表水，對深層土壤水分影響不大［10］。本試驗以海南儋州中國熱帶農業科學院實驗農場三隊人工橡膠林為對象，借助森林梯度觀測系統，研究橡膠林生態系統的土壤水分變化特征以及對氣象因子的響應規律。

1 材料與方法

1.1 材料

研究地點位于海南省西部中國熱帶農業科學院試驗農場三隊，農業部儋州熱帶農業資源與生態環境重點野外科學觀測試驗站內（19°32′47″N，109°28′30″E），海拔高度為114 m，地形平坦，年均溫23.5～24.1℃，屬典型熱帶海島季風氣候，受熱帶季風影響旱雨季分化明顯，一年當中5～10月份是雨季，11月至翌年4月為旱季，年均降水量約1 600 mm。樣地所在的橡膠林品系為熱研7-33-97，2001 年 種 植，2008 年 試 割，2009 年 正 式 開割［11］。試驗區土壤為砂質粘壤土，土層厚度約100 cm。膠林結構單一且分層明顯，上層為橡膠林喬木層，林冠高度20 m 左右，下層為林下草本層，高度0.5 m 左右。A 塔樣地林下種植鶴望蘭（Strelitzia reginaeAiton）做為林下經濟花卉研究，其余自生草本植物主要有弓果黍（Cyrtococcum patens）、山麻桿（Alchornea rugosa）、露籽草（Ottochloa nodosa）、竹節草（Chrysopogon aciculatus）、杯莧（Cyathula prostrata）、含羞草（Momosa pudica）等［12］。

1.2 方法

1.2.1 數據獲得

利用試驗樣地內設置的森林梯度觀測系統［11］，獲取2017 年1 月1 日至2018 年12 月31 日兩年內的研究數據，主要觀測內容有日平均氣溫、日平均相對濕度、日降水總量、日平均風速、日均凈輻射、日平均地面溫度、不同深度土壤溫度和不同深度日平均土壤體積含水量。樣地內分設高50 m的A、B 兩塔，塔上相關儀器設置包括：地溫觀測儀獲取土壤溫度數據（TCAV-L，美國Campbell 公司），利用安裝在地表以下2、5、20、50、100 cm處的溫度傳感器（109，美國Campbell 公司）進行測定；土壤熱通量板（HFP01，荷蘭Hukseflux 公司） 和3 層土壤濕度傳感器（CS616-L，美國Campbell 公司）安裝于地下5、20、50 cm 處，以收集土壤熱通量和土壤水分等相關數據；3 杯風速儀（Met 010C-1，美國Met One 公司） 和溫濕計（HMP45C，芬蘭Vaisala 公司）構成七層的風速和溫濕度垂直梯度觀測系統安裝在觀測塔1.5、6、10、15、33、41、50 m處；25 m處設置有太陽輻射和反射輻射（長、短波）及凈輻射觀測的傳感器（CNR-1，荷蘭Kipp&Zonen 公司）；另外，在膠林群落冠層以上和林內地表層設置了2層（1.5和30 m）紅外溫度傳感器（IRR-P，美國Apogee 公司），對植物冠層表面和地表溫度進行監測。各類數據使用采集器（CR3000，美國Campbell 公司）收集、存儲［11］。

1.2.2 數據處理及分析

首先進行質量控制和插補處理獲得有效數據，利用Excel 2018 和Origin 9.0 軟件進行數據整理和圖表繪制。資料完整性較好，僅2017 年7 月24日至8 月3 日共計11 d，由于土壤傳感器故障，土壤溫度數據缺失，不參與分析。采用相關分析方法，利用SAS 9.2 軟件進行不同氣象因子與土壤水分之間的相關分析，包括日降水量（x1）、日均地表溫度（x2）、日均1.5 m 空氣濕度（x3）、日均

1.5 m水汽壓（x4）、日均1.5 m風速（x5）、日平均土壤熱通量（x6）、和日均凈輻射（x7），將土壤含水量作為因變量，氣象因子作為自變量，進行多元逐步回歸分析，并篩選出具有顯著影響的氣象因子，以此建立最優回歸方程。

2 結果與分析

2.1 橡膠林氣象環境因子年變化

2017 年1 月至2018 年12 月氣象環境因子變化情況如圖1所示。年均降雨量為1 534.65 mm，略低于往年平均水平。降雨主要集中在5～10月份，約占全年降雨量的81.59%。2017年降雨峰值出現在7月，2018 年有兩個降雨峰值，分別為7 月和9 月。風速高的時段主要出現在旱季，且波動較為劇烈，而雨季時大氣流動較為緩慢。凈輻射在年尺度上也呈現明顯的單峰型，峰值出現在8月份前后，最低值在1月份前后。地表溫度、各不同深度土壤溫度的變化與凈輻射變化趨勢基本一致，同樣在年周期上呈現單峰型，峰值出現在8 月份前后，5～10 月間較為平緩，11 月至翌年4 月波動幅度較大。2 cm 土壤溫度波動最大，波動區間約為13.0～27.5℃；100 cm 土壤溫度波動最小，約為19.5～26.0℃。2、5 和20 cm 土壤溫度變化趨勢一致，50和100 cm 土壤溫度的峰值和谷值時間略滯后于其余3層。2、5和20 cm的土壤溫度在雨季近乎相同，而在旱季出現差異化，隨土層由淺到深溫度呈梯度上升；50以及100 cm在4～10月期間低于淺層土壤溫度，而在10月至次年3月高于其余3層。

2.2 橡膠林土壤水分變化特征

2.2.1 橡膠林土壤水分季節變化特征

土壤含水量的變化與降水、凈輻射等變化趨勢一致，具有顯著的年際周期性（圖1）。試驗數據表明，土壤含水量季節性變化明顯，受降水的影響，雨季土壤含水量普遍高于旱季。三處不同土層的含水量均呈現“W”型變化，一年中出現兩個主要峰值，分別位于9 月和12 月，其中降水均為導致出現峰值的重要因素。土壤含水在由雨季過渡到旱季過程中呈平穩緩慢下降的趨勢，并在每年雨季到來之前，即3月份前后達到最低值；進入雨季后，土壤含水量在九月前后達到峰值，3～9 月期間，3 個土層深度的含水量均保持波動上升態勢（圖1）。在觀測儀器埋設深度范圍內，年均土壤含水最小值為12.3%，出現在3月20 cm處；年均最大值為31.6%，位于9 月5 cm 處。含水量降低的原因除旱季降雨量少以外，也與橡膠樹自身生長節律有關，2～3 月是橡膠樹新舊葉更替的抽芽期，耗水量增大，因此土壤含水量最低。2～4 月期間50 cm 土壤含水量最高，峰值為15%～18%，此時由于降水匱乏，樹體生長吸收水分，50 cm 土層的水分成為林下土壤水的主要來源；6～11 月期間多為5 cm 土壤含水量最高，25%～31%；當出現持續多天的大規模降雨時，50 cm 的含水量會在短期內超過5 cm的地表含水量。

2.2.2 橡膠林土壤水分典型日變化特征

選取一年中不同特征月份（3、6、9、12 月），利用30 min 尺度數據對5 cm 的土壤含水量平均值進行日尺度分析。如圖2所示，由于氣象條件和生物因素都較為穩定，旱季（3月和12月）的土壤含水量日變化呈明顯的單峰形，曲線平滑。3 月份在0～5 時曲線逐漸下降，最小值出現在4：30～5：30 前后，此后土壤含水量不斷增加，峰值在14 時前后出現，約為16.53%，一天內土壤含水量的變化小于0.1%；12 月份在3：00、5：00 以及8：30前后分別出現一次短暫的停滯，峰值在中午12 時前后出現，約為22.9%，一天內土壤含水量的變化幅度約為0.9%。在雨季中由于氣象因素的不穩定，土壤含水量的變化規律并不明顯，其中6月份一天中存在兩個主要峰值，分別在4：30 和8：00，含水量分別為24.05%和24.55%；9 月份一天中含水量并無太大變化，波動范圍小于0.35%，但在2：00～7：30 含水量持續下降。由于夜間的橡膠林蒸散均在0 值附近波動［13］，土壤水分消耗較少，處于積蓄過程；日出后隨著光照強度增大，植物蒸騰耗水以及土壤蒸發逐漸增強，在午后對土壤水分的消耗達到最大，此時土壤中水分的消耗速度大于補充，因此含水量開始由峰值回落。

2.2.3 橡膠林土壤水分垂直變化特征

土壤含水垂直梯度變化明顯，2～6 月土壤含水量隨土層深度增加而增加，其余時間5 cm 層土壤水分含量一直處于最高狀態；11月至次年1月各土壤深度含水量均緩慢降低，且50 cm 土層降低速度最為緩慢，并在2 月份成為含水量最高的土層。50 cm 土壤含水量在2～5 月期間高于5 cm 處，6 月至次年1 月則相反，而20 cm 處含水量幾乎全年保持最低水平，僅少數時間（如3、4 月份）與其他土層接近或持平。相比20 和50 cm，表層的5 cm 土壤水分主要受氣象因素影響，波動最為劇烈，波動范圍在13%～27%；深層土壤則影響因素較少，相對穩定，波動范圍為16%～22%。雨季期間各土層的波動趨勢近乎一致，含水量由高到低依次為5、50 和20 cm，且波動劇烈；旱季時曲線變化平緩，降至最低水平時5 與20 cm 含水量基本相同，均低于50 cm含水量。

2.3 氣象因子對土壤水分變化的影響

對海南島西部橡膠林土壤水分與各氣象因子進行相關性分析表明，不同土壤層次對氣象因子的響應存在差異，5 cm深處影響含水量的主要因素有日降水、日均地表溫度、日均風速以及日均凈輻射（表1），達極顯著水平，相關系數分別為0.201 1、0.226 9、-0.323 3 和-0.218 7 （p＜0.01）；在20 cm 土層深度處與日降水、日均地表溫度、日均風速以及日均凈輻射同樣呈極顯著相關，并且同時受到土壤熱通量的影響，相關系數為-0.352 9（p＜0.01）；50 cm 土壤層受降水的影響較弱。各層土壤水分對空氣濕度以及水汽壓虧缺不相關，但50 cm 會受到空氣濕度的影響，呈負相關。

表1 海南島西部橡膠林不同層次土壤水分與氣象因子的相關性分析

根據不同深度土壤含水量和各氣象因子的數據，利用多元逐步回歸分析進行深入量化，建立對應各層深度土壤的最優多元回歸方程，得到表2。3 個方程均達到極顯著水平，其中對土壤含水量影響程度最大、并且同時作用于3層土壤的因素是日均地表溫度（x2）以及日平均風速（x5），日均地表溫度與土壤含水量呈正相關，日平均風速與土壤含水量呈負相關；其次是降水、土壤熱通量凈輻射等因素。

3 討論與結論

3.1 討論

表2 海南島西部橡膠林不同層次土壤水分與氣象因子的逐步回歸分析

土層/cm 5 20 50多元回歸方程y1=0.045 1x1+0.337 9x2-0.102 5x4-4.888 9x5-0.135 0x6-0.281 5x7+17.453 8 y2=0.028 6x1+0.374 6x2-0.045 6x4-2.634 7x5-0.399 1x6-0.144 0x7+10.518 6 y3=0.011 0x1+0.465 0x2-0.022 1x3-2.811 9x5-0.527 3x6-0.177 2x7+13.426 4 R2 0.351 5 0.480 5 0.519 1 F值20.23 34.53 40.30 P值＜0.000 1**＜0.000 1**＜0.000 1**

橡膠林土壤含水變化具有十分明顯的時空尺度特征，在年尺度上變化明顯，呈現兩個峰值。按照王賀年等［14］、趙榮瑋等［15］對土壤水分動態的劃分，本研究中積累期在4～8 月，該段時間內密集大幅度的降雨為土壤提供了充足的水分來源，但同時膠樹的主要生長期也需要消耗大量的水分；消退期為9～11月，這段時間內降水減少，氣溫逐漸降低，土壤含水量緩慢下降；穩定期為12～1月，這段時間氣溫較低，空氣濕潤，膠樹生長反應弱，雖然沒有大規模降雨但土壤水分依舊能夠保持相對平衡的狀態；消耗期為2～3 月，這段時間氣溫回升，膠樹開始抽條生長，且降雨補充的水分十分有限，因此對土壤含水的消耗較大，使得該時段土壤水分處于全年最低狀態。本研究中土壤含水量峰值出現在9 月份，最低值在3 月份，與西雙版納膠園的研究結果基本一致［16］。徐勇峰等［8］研究結果顯示，洪澤湖楊樹林濕地的土壤含水量峰值出現在7 月，而最低值出現在9 月，谷值的時間存在較大差異，可能與楊樹林的生長習性以及當地氣候特征有關。而峰值出現的時間都與處在降水豐沛的月份，因此降水是影響林下土壤水分季節性變化的重要因素之一［17］。

影響土壤水分的氣象因子主要有地表溫度、風速、降水、土壤熱通量、凈輻射和空氣濕度等。地表溫度與土壤含水量呈正相關的主要原因是試驗地雨熱同期的氣候特征，高溫導致的土壤水蒸發遠小于降雨對土壤水分的補充。土壤熱通量對表層土壤含水沒有明顯影響而主要集中在中下層；在旱季中風速成為影響土壤含水的主導因素，風速主要加快植物蒸騰和土壤蒸發，使得表層土壤水分流失，同時橡膠林蒸騰耗水使深層土壤的水分向地表方向補充［18］，在旱季后期對深層土壤的水分利用急劇增加［10］。因此表層土壤含水量最容易受到降水、氣流、溫度等的影響而急速增加或減少，而深層土壤主要由于氣象因子作用于植物從而消耗水分，影響垂直方向含水量梯度［19］，且橡膠林在海南西部作為落葉樹種，更容易吸收深層土壤水分［20］。同時也由于橡膠林垂直結構單一，氣流更容易穿過林冠層，因此以上兩點成為影響土壤含水減少的重要因素。凋落物以及林下草本也會對土壤表層蓄水起到一定的作用，增加持水的同時也能減少蒸發［21］。

20 cm 的土壤層含水量全年處于較低水平，這與橡膠樹的根系分布有關。橡膠樹根系分布于淺層地表，主要吸收表層土壤（＜30 cm） 的水分［10］，而橡膠樹生長季與雨熱季重合，雨季時降水對土壤水分的補充主要集中于表層土壤并且迅速被樹體吸收消耗，導致降雨對土壤含水量的影響主要集中在20 cm 以上的土壤，這種重復交替的降水補充和消耗也是導致雨季土壤含水持續齒狀波動的原因。曾歡歡等［23］更加具體描述了橡膠林生長的耗水層，在雨季的水分來源主要為0～5 cm土壤水（81.6%），干季主要利用5～15 cm 土壤水（49.6%）。深層土壤波動平緩，是由于氣象因子對深層土壤的影響比表層土壤有限、或只能通過表層土壤以及植物耗水間接影響導致。

何興潼等［24］的研究結果顯示，氣象要素對土壤水分影響具有滯后性，約為10～30 d，而橡膠林對氣象要素的響應滯后遠小于上述結果，這與橡膠林的根系分布于淺層土壤，且能夠對水分迅速吸收利用有關［10］。導致滯后的出現是多種氣象因子綜合影響的結果。滯后主要表現為進入雨季后土壤水分的增長區間的出現落后于降雨量，且土壤含水量的峰值也落后于降雨量出現，滯后約0.5～1 d；土壤水分增加時反應速度較快，而土壤水分回落的過程相對遲緩，大約在進入旱季2～3 個月后土壤水分恢復到當年雨季前的水平。

3.2 結論

海南島西部地區橡膠林土壤含水量變化具有明顯的時空特征，降水、地面溫度、風速、凈輻射以及土壤熱通量是影響土壤含水量的最主要因素，其中降水僅對于淺層土壤（0～20 cm）有顯著影響，土壤熱通量僅對深層土壤（20～50 cm）有顯著影響。時間尺度上，由于氣候導致的季節性降水，以及旱季豐富的空氣對流，使得橡膠林土壤水分具有顯著的季節變化特征?？臻g尺度上，土壤含水量在垂直方向上隨土壤深度的增加而逐漸升高，但根系分布層含水量明顯低于深層和表層；表層含水量直接受氣象因子影響，波動劇烈，只有土壤熱通量因子能夠直接影響深層土壤含水量變化，其余因素都要通過上層土壤間接傳遞，因此波動幅度較小。土壤水分減少的過程比水分增加的過程緩慢，說明旱季時橡膠林對水土保持起到了一定的作用。種植林下植被，經營叢林式橡膠園［21，25］，不僅能夠有效減少水汽蒸發，還可以提高表層土壤熟化程度，促進養分物質的轉化與利用［26］，對增強橡膠人工林的生態價值有積極影響。