海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化特征及其對(duì)氣象因子響應(yīng)研究初報(bào)

祁棟靈, 孫瑞, 謝貴水, 楊川, 陳幫乾, 蘭國(guó)玉, 陶忠良, 楊小波, 吳志祥,*

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海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化特征及其對(duì)氣象因子響應(yīng)研究初報(bào)

祁棟靈1,2, 孫瑞1, 謝貴水1, 楊川1, 陳幫乾1, 蘭國(guó)玉1, 陶忠良1, 楊小波2, 吳志祥1,*

1. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 橡膠研究所/農(nóng)業(yè)部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 儋州 571737 2. 海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院, ?？? 570228

土壤水分在林木植被生長(zhǎng)和林木水分循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用, 其不但是樹木植被水分吸收的主要來源, 而且還是養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)和能量流動(dòng)的主要介質(zhì)。土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)及其利用的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)橡膠林木生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分變化的響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。本文利用連續(xù)定位觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)海南西部地區(qū)低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化特征表現(xiàn)為, 5月、7—10 月份土壤含水量較高, 11—1月份次之, 2—4月、6月份較低; 低割齡橡膠林土壤水分垂直變化特征表現(xiàn)為, 隨土層深度的增加, 土壤含水量逐漸升高, 淺層土壤含水量變化劇烈程度大于深層?；貧w分析結(jié)果表明, 降水量是影響低割齡橡膠林土壤含水量季節(jié)變化的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

橡膠林; 海南西部; 土壤水分; 季節(jié)變化規(guī)律; 低割齡

1 前言

水分狀況是農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子, 在植物新陳代謝活動(dòng)過程中發(fā)揮著重要的作用。在農(nóng)林土壤水分方面, 一些學(xué)者相繼開展了相關(guān)研究[1—3]。我國(guó)橡膠林主要分布在海南和云南的南部地區(qū), 約占全國(guó)橡膠種植總面積的95.9%, 海南橡膠林的分布幾乎占到海南島已利用土地總面積的五分之一, 橡膠林已成為海南島重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。土壤水分是橡膠林生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容, 其對(duì)整個(gè)橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡起決定作用, 同時(shí), 土壤水分也是橡膠林吸收養(yǎng)分的必需載體, 對(duì)橡膠林生長(zhǎng)有重要影響。土壤水分不足, 會(huì)造成橡膠林物候期延長(zhǎng)、莖粗生長(zhǎng)緩慢、開割投產(chǎn)樹膠乳產(chǎn)量下降[4]。而目前對(duì)海南橡膠林土壤水分狀況及其季節(jié)變化規(guī)律研究得不多, 研究橡膠林土壤水分季節(jié)變化, 不但有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)橡膠林土壤水分季節(jié)變化和積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 而且也能為科學(xué)開展橡膠林的土壤水分和培育管理提供參考依據(jù)。因此, 開展橡膠林土壤水分變化規(guī)律的相關(guān)研究對(duì)橡膠林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有現(xiàn)實(shí)意義。前人研究表明, 5齡橡膠林土壤貯水量由表土到底土年度變動(dòng)范圍為24—40 mm, 在干旱季節(jié), 土壤仍不缺水, 而橡膠林土壤容重比雨林高, 橡膠林土壤貯水量, 不但在3月至12月份的不同季節(jié)高于雨林, 而且在土壤表土層、心土層和底土層不同土層也高于雨林[5]。而羅仲全等[6]則認(rèn)為, 橡膠林土壤含水量與森林土壤含水量差異不大, 從土壤水分的供應(yīng)狀況分析, 橡膠林土壤同森林土壤一樣, 終年均不缺水。李一鯤[7]比較了橡膠林和竹林的土壤含水量后發(fā)現(xiàn), 2至9月份, 橡膠林土壤含水量高于竹林土壤, 并且在旱季0—100 cm的橡膠林土層含水量均高于竹林。吳駿恩等[8]對(duì)中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園內(nèi)的橡膠林土壤水分進(jìn)行了測(cè)定, 發(fā)現(xiàn)橡膠林含水量8月份表現(xiàn)最大, 3月份表現(xiàn)最小。龐家平等[9]研究表明, 與橡膠純林相比, 混作后土壤含水量的季節(jié)變化較為緩和且旱季含水量較高。在橡膠林土壤水分影響因素方面, 林希昊等[10]研究認(rèn)為, 橡膠林土壤含水量會(huì)影響橡膠樹細(xì)根生物量, 橡膠林下植被類型反過來會(huì)影響土壤水分狀況。本文基于野外連續(xù)定位觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了土壤水分季節(jié)、垂直變化特征, 擬探討以下兩個(gè)問題: (1)低割齡橡膠林土壤水分變化特征如何？(2) 低割齡橡膠林土壤水分變化對(duì)氣象因子響應(yīng)特征如何？通過以上問題的探討, 初步揭示低割齡橡膠林土壤水分的季節(jié)變化規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于海南省儋州市中西部, 屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 年平均氣溫23—25 ℃, 最冷月平均氣溫17—18 ℃, 大于10 ℃年積溫8700 ℃; 年均降水量1500—1900 mm。橡膠樹于2000年定植, 株行距為3.0 m×7.0 m, 土壤肥力中等, 近自然管理狀態(tài)下, 試驗(yàn)區(qū)調(diào)查到的橡膠林下植被資源種類有45種, 分屬25科41屬, 林下植物種類分布較多的有茜草科豐花草屬的闊葉豐花草((Aubl.) K.Schum)、禾本科弓果黍?qū)俚墓?(L.) A. Ca-mus)、葡萄科烏蘞莓屬的烏蘞莓((Thunb.) Gagnep.)、鴨跖草科鴨跖草屬的鴨跖草()和菊科藿香薊屬的藿香薊(L.)。橡膠林按照常規(guī)生產(chǎn)要求管理。本區(qū)域設(shè)有農(nóng)業(yè)部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站1個(gè)。

2.2 試驗(yàn)材料

在低割齡林試驗(yàn)地中, 選擇7割齡橡膠林(品種熱研7—20—59)為試驗(yàn)材料。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 樣品采集

在低割齡橡膠林試驗(yàn)地內(nèi), 定位選擇5個(gè)取樣點(diǎn), 在對(duì)照空地中, 定位選擇3個(gè)取樣點(diǎn)。于2015年1月至12月的中旬, 采用土鉆法, 取土?xí)r用土鉆取各樣點(diǎn)0—200 cm 土層土樣, 以20 cm 為1個(gè)分層, 分為0—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm, 80—100 cm 5個(gè)土層, 分別裝入密封袋內(nèi), 隨后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

2.3.2 氣象因子和土壤含水量的測(cè)定

利用試驗(yàn)地旁邊的農(nóng)業(yè)部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 對(duì)降水量、溫度、光照等氣象因子的觀測(cè)。采用烘干稱重法測(cè)定土壤含水量, 把樣品置于鋁盒中, 稱取鮮土質(zhì)量, 于105 ℃下烘干至恒重, 分別稱取干土質(zhì)量和鋁盒質(zhì)量。

(1)式中:為土壤含水量(%) ;1為土壤鮮質(zhì)量(g);2為土壤干質(zhì)量(g)。

土壤水分的變化程度采用變異系數(shù)表示。

(2)式中:C為土壤水分變異系數(shù) ; σ2為土壤含水量測(cè)定樣本標(biāo)準(zhǔn)差;為土壤含水量測(cè)定樣本平均值。

2.3.3 土壤含水量與環(huán)境氣象因子間關(guān)系模擬

將試驗(yàn)獲得的土壤含水量利用線性回歸模型方程分析。

計(jì)算的表達(dá)式為:=a0+a11+a22+ a33+a44+……+a99(3)

(3)式中:代表土壤含水量; a為模型參數(shù);1代表降水量;2代表月平均氣溫;3代表空氣相對(duì)濕度;4代表代表5 cm溫度;5代表20 cm溫度;6代表50 cm溫度;7代表100 cm溫度;8最高氣溫;9代表最低氣溫。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降雨量分布

2015年1月至12月的降雨量如圖1所示, 全年降雨量達(dá)到1191 mm, 低于常年降雨量(1806 mm), 屬于偏旱年份。降雨量主要集中在5—10月, 占全年降雨量81.70%, 全年中5月和10月出現(xiàn)2個(gè)降雨量峰值。

3.2 低割齡橡膠林土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征

3.2.1 低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化特征

根據(jù)公式(1), 計(jì)算土壤水分含量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明, 土壤水分季節(jié)變化明顯, 低割齡橡膠林、空曠地土壤含水量最大值分別為20.87%、21.79%; 含水量最小值分別為9.12%、8.05%, 最小值與最大值之間分別相差2.3倍、2.7倍。從圖1可以看出, 本地區(qū)降雨時(shí)間主要集中在5月至10月間, 一年中的濕季(5—10月)和干季(11—4月)的變化較為明顯。低割齡橡膠林、空曠地在全年內(nèi)均出現(xiàn)2個(gè)土壤含水量的峰值, 并且空曠地土壤水分季節(jié)變化幅度明顯劇烈于低割齡橡膠林。

圖1 常年平均月降雨量和2015年月降雨量.

圖2 低割齡橡膠林土壤含水量月度動(dòng)態(tài)

圖3 空曠地土壤含水量月度動(dòng)態(tài)

3.2.2 土壤水分垂直變化特征

根據(jù)公式(2), 計(jì)算獲得土壤水分變異系數(shù)。低割齡橡膠林土壤水分變化劇烈程度隨土層深度加深逐漸降低, 變化最大的集中在20—40 cm, 而空曠地土壤水分變化劇烈程度隨著土層深度加深逐漸降低, 變化最劇烈的集中在0—20 cm, 低割齡橡膠林與空曠地的土壤水分變異, 兩者相比較而言, 0—40 cm的土層差異最大, 后者水分變化劇烈程度明顯高于前者(表1)。

3.2.3 影響低割齡橡膠林土壤含水量的氣象因子模擬分析

利用回歸分析, 對(duì)低割齡橡膠林土壤含水量與環(huán)境因素之間進(jìn)行回歸模擬, 采用SPSS分析軟件, 模擬土壤水分分含量與環(huán)境因子的回歸方程如下:

=–26.138–0.171+4.3492+0.3583+1.2334–22.9606+16.1067+0.3728+1.7469, (4)

回歸方程(4)的復(fù)相關(guān)系數(shù)值為0.854, 經(jīng)檢驗(yàn),值為1.008, 相伴概率Sig.值為0.556。

采用逐步回歸分析方法, 找出影響低割齡橡膠林土壤含水量的主要環(huán)境因子, 得出方程:

=12.342+0.0171(5)

回歸方程(5)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R值為0.679,檢驗(yàn)值為8.558, 相伴概率Sig.值為0.015, 關(guān)系顯著, 說明降水量對(duì)低割齡橡膠林土壤含水量有顯著影響。

4 討論

橡膠林水分循環(huán)問題, 近年來已成為生態(tài)學(xué)研究的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)[11—16]。橡膠林土壤水分是橡膠林水分循環(huán)中重要一環(huán), 是橡膠林生態(tài)系統(tǒng)研究工作的基本組成部分。有研究表明, 西雙版納熱帶植物園內(nèi)的橡膠林含水量最高值出現(xiàn)在8月, 最低值出現(xiàn)在3月份[8], 李一鯤研究結(jié)果顯示, 西雙版納瀾滄江河谷及壩區(qū)的低山丘陵橡膠林0至100 cm的土層深度的含水量最低值出現(xiàn)在3月, 最高值出現(xiàn)在6月[17]。該研究結(jié)果表明, 海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化最高值出現(xiàn)在9月份, 最低值出現(xiàn)在3月份。由于自然降水是西雙版納橡膠林和海南西部地區(qū)低割齡橡膠林土壤水分的唯一來源, 那么, 受自然降水的影響, 土壤水分普遍存在著年內(nèi)季節(jié)變化現(xiàn)象。土壤水分季節(jié)變化反映了一年當(dāng)中時(shí)間序列上土壤水分狀況, 因此可作為橡膠林及其林下植被撫育管理的一項(xiàng)參考依據(jù)。

表1 低割齡熱研7—20—59橡膠林地與空曠地土壤水分垂直變異系數(shù)的比較

Tab.1 Vertical variation coefficient of soil moisture in CATAS 7-20-59 of rubber plantations with low tapping years and open land

低割齡橡膠林土壤水分垂直變化特征表現(xiàn)為, 隨土層深度的增加, 土壤含水量逐漸升高, 淺層土壤含水量變化劇烈程度大于深層。Liu等通過對(duì)西雙版納不同地形的樹齡20 a的橡膠林土壤水分變化進(jìn)行了研究, 其結(jié)果表明, 橡膠林土壤水分隨著土層深度不同而存在差異, 但隨著土層深度增加橡膠園土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[18]。上述土壤含水量隨著土層深度增加呈現(xiàn)截然不同的變化趨勢(shì), 可能與選擇的研究區(qū)域不同有關(guān)。

土壤系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng), 其土壤水分狀況受到環(huán)境因素的影響。一些研究結(jié)果表明, 土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化受到降雨、空氣溫度、蒸發(fā)量等環(huán)境因素的影響[19—21]。而本研究的逐步回歸分析結(jié)果表明, 在空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、最高溫度、最低溫度、降水量、地下土壤溫度等因子中, 降水量是影響海南西部低割齡橡膠林土壤含水量季節(jié)變化的主要?dú)庀笠蜃?。鞏合德等的研究結(jié)果表明, 降雨是影響哀牢山常綠闊葉林土壤含水量季節(jié)變化的主要因素[22]。另外, 本研究也表明, 與空曠地相比, 海南西部低割齡橡膠林具有降低土壤含水量變化劇烈程度的作用。

本研究?jī)H以海南西部地區(qū)的低割齡橡膠林為例, 研究了7割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化動(dòng)態(tài)規(guī)律, 所得結(jié)果是否適用于其他地區(qū)以及不同割齡的橡膠林土壤水分季節(jié)變化, 有待進(jìn)一步深入探討。

5 結(jié)論

本研究的結(jié)論如下:

(1) 低割齡橡膠林土壤水分具有季節(jié)變化特征。

(2) 低割齡橡膠林與空曠地相比, 具有降低土壤水分季節(jié)劇烈變化程度的生態(tài)功能。

(3) 在所研究的土層深度內(nèi), 低割齡橡膠林土壤水分具有隨土層深度增加土壤含水量逐漸升高的變化特征, 并且淺層土壤含水量變化劇烈程度大于深層。

(4) 構(gòu)建了低割齡橡膠林土壤含水量與降水量之間的響應(yīng)模型=12.342+0.0171,降水量是影響低割齡橡膠林土壤含水量季節(jié)變化的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

致謝: 我們感謝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS—34—ZP3); 海南省自然科學(xué)基金(2016 4172): 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1630022015012)為本研究提供的資金支持。我們同時(shí)感謝賴華英女士、劉海光先生、陳少銀女士, 研究生邱育毅和黃先寒等為本研究工作提供的幫助。我們還要感謝中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所的周建南先生, 他為本文的英語(yǔ)和手稿的語(yǔ)法編輯提供了幫助。

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祁棟靈, 孫瑞, 謝貴水, 等. 海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節(jié)變化特征及其對(duì)氣象因子響應(yīng)研究初報(bào)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(6): 44-48.

QI Dongling, SUN Rui, XIE Guishui, et al. A preliminary study on seasonal changes of soil moisture in rubber plantation of low tapping years and its responses to meteorological factors in Western Hainan Island, China[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 44-48.

A preliminary study on seasonal changes of soil moisture in rubber plantation of low tapping years and its responses to meteorological factors in Western Hainan Island, China

QI Dongling1,2, SUN Rui1, XIE Guishui1, YANG Chuan1, CHEN Bangqian1, LAN Guoyu1, TAO Zhongliang1,YANG Xiaobo2, WU Zhixiang1,*

1. Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Danzhou Investigation & Experiment Station of Tropical Crops, Ministry of Agriculture, P. R. China, Danzhou, Hainan 571737, China 2. Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228

Soil moisture plays an important role in the growth of woody vegetation and forest hydrological cycle, and it is not only the main water source of the woody vegetation, but also the main media for nutrient translocation and energy flow of the woody vegetation. The study of seasonal dynamics and use of soil moisture in rubber plantations is of high significance to understand the response of the growth and development of rubber trees to the moisture changes. Data from a continuous positioned observation in the rubber plantations were used to analyze the soil moisture variations in the rubber plantations of low tapping years in different seasons in Western Hainan Island, China. The results showed that the soil moisture in the rubber plantations was seasonally higher in May and July to October, followed by in November to January, and the lowest in February to April and June. The vertical variation of the soil moisture in the rubber plantations showed that the soil water content increased gradually with the soil depth, more dramatically in the shallow than in the deep soil layer. Regression analysis showed that the rainfall was the main meteorological factors affecting seasonal variation of the soil moisture in the rubber plantations with low tapping years.

rubber plantation; west Hainan island; soil moisture; growth rhythm with season; low tapping year

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.006

S794.1

A

1008-8873(2017)06-044-05

2016-11-24;

2017-01-27

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-34-ZP3); 海南省自然科學(xué)基金(20164172): 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1630022015012)

祁棟靈(1979—), 男, 碩士, 副研究員; 主要從事應(yīng)用生態(tài)學(xué)方面的工作, E-mail: donglingqi@163.com

吳志祥(1970—), 男, 博士, 副研究員, 主要從事熱帶作物栽培生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象生態(tài)工作, E-mail: zhixiangwu@catas.cn