不同林齡馬尾松人工林土壤溫、濕度變化

李明金，蒙紹頌，秦佳雙，莫燕華，黃柳欣，顏培棟，盧積準

（1.橫州市鎮(zhèn)龍林場，廣西橫州 530327；2.廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點實驗室 廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西桂林 541006；3.廣西漓江流域景觀資源保育與可持續(xù)利用重點實驗室 廣西師范大學(xué)，廣西桂林 541006；4.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002）

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，是植被生存和繁殖的根本要素，決定植物群落的結(jié)構(gòu)組成、生產(chǎn)水平及生態(tài)功能等[1]。土壤溫度和水分含量作為地表重要的物理特性參數(shù)，是土壤作用于植物和微生物的重要指標(biāo)，對土壤微生物活性、有機質(zhì)礦化、凋落物分解和生物固氮等進程有重要影響，決定土壤微環(huán)境質(zhì)量，進而影響植物的生長發(fā)育、地理分布及群落結(jié)構(gòu)和功能等[2-3]。土壤水熱狀況受氣候、植被覆蓋度和土壤物理特性等因子的影響[4]。在群落植被恢復(fù)過程中，地上植被覆蓋情況不斷改變，群落下墊面小氣候逐漸形成，根系與微生物等對土壤進行逐步改善，這些過程對土壤溫度和濕度產(chǎn)生較大影響。土壤水熱的動態(tài)分布及變化影響生態(tài)系統(tǒng)中土壤的生物和非生物生態(tài)學(xué)過程，對于植被恢復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定均有重要作用[5]。土壤與植被相互作用，共同維護生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

馬尾松（Pinus massoniana）具有適應(yīng)性和抗逆性強等特點，是我國丘陵和山區(qū)造林或綠化的重要樹種，也是植被退化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的先鋒樹種和重要的用材樹種。馬尾松主要分布在我國的廣西、貴州和云南等17 個?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）[6]。根據(jù)第七次全國森林資源清查結(jié)果，全國馬尾松林分面積達1 200多萬hm2，蓄積量居第6位；廣西馬尾松種植面積為150.36 萬hm2，居全國第2 位[7-8]。目前，科學(xué)改善馬尾松人工林的生態(tài)效應(yīng)，已成為馬尾松人工林經(jīng)營的焦點問題之一。近年來，廣西馬尾松土壤環(huán)境研究多集中在林內(nèi)外小氣候[9]、土壤水源涵養(yǎng)[10-11]、土壤元素定量[12]及土壤微生物[13-14]等方面，對馬尾松土壤水熱狀況的研究較少。本研究采用時空互替的方法，研究不同林齡馬尾松人工林土壤溫度、濕度等指標(biāo)的時間變化規(guī)律，分析林齡對林分水熱狀況的影響，以期為馬尾松人工林的科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

橫州市鎮(zhèn)龍林場（109°08′～109°19′E，23°02′～23°08′N）位于廣西橫州市北部，地處廣西中南部，海拔400 ～ 700 m，低山丘陵地貌；屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.5 ℃，最低氣溫-1 ℃，最高氣溫39.2 ℃，年均降水量1 477.8 mm，年均日照時長1 758.9 h，光照充足，雨熱資源豐富。土壤多為酸性或微酸性赤紅壤，土壤深度約為60～80 cm。

1.2 研究方法

2019年初，在研究區(qū)選取人為干擾小、地形及土壤等立地條件接近的馬尾松幼齡林、中齡林和成熟林（分別為2012、1999 和1986年種植的馬尾松人工林）（表1）。選取較高坡位（中、上）進行研究，降低坡位差異可能對樣地造成的水熱影響。

表1 樣地基本概況Tab.1 General information of sample plots

2019年底，在各生長階段群落內(nèi)安裝EM50 數(shù)據(jù)采集器，收集土壤表層（0～10 cm）溫、濕度數(shù)據(jù)，每15 min 采集1 次數(shù)據(jù)。根據(jù)氣候?qū)W統(tǒng)計方法，對四季進行劃分；3 — 5月為春季，6 — 8月為夏季，9 — 11月為秋季，12 — 次年2月為冬季。各生長階段群落土壤溫、濕度日變化數(shù)據(jù)為同一季節(jié)中相同時刻數(shù)據(jù)累加的平均值；土壤溫、濕度月變化數(shù)據(jù)為每個月瞬時數(shù)據(jù)累加的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Office 365 和Sigmaplot l2.5 軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度日變化

各群落不同季節(jié)土壤溫度日變化均呈先下降后上升再下降的余弦曲線，各群落土壤溫度均表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季（圖1）。0:00～8:00，各群落不同季節(jié)土壤溫度均逐漸降低，8:00～10:00 到達谷值，之后因光照的持續(xù)影響逐漸上升；春季于16:00、17:00或19:00達到峰值，夏、秋和冬季于17:00或18:00 達到峰值；除秋季均為9:00 到達谷值外，其他季節(jié)中齡林和成熟林土壤溫度上升時間均晚于幼齡林；除夏季外，成熟林土壤溫度到達峰值的時間均等于或晚于幼齡林和中齡林。各季節(jié)，成熟林土壤溫度日變化幅度均相對較小，幼齡林和中齡林變化幅度較大；秋季，各群落土壤溫度日變化趨勢較一致；冬季，各群落土壤溫度日變化差別較大，表現(xiàn)為成熟林>中齡林>幼齡林；各季節(jié)成熟林土壤溫度均較高，尤其是在夏季和冬季；除夏季土壤溫度為中齡林較低外，其他季節(jié)土壤溫度均為幼齡林較低。

圖1 不同林齡馬尾松人工林土壤溫度日變化Fig.1 Diurnal variations of soil temperatures in P.massoniana plantations at different ages

2.2 土壤溫度月變化

各群落土壤溫度月變化均呈單峰型，夏季較高，冬季較低（圖2）。1—7月，各群落土壤溫度均呈上升趨勢，7—12月均呈下降趨勢；6—8月，土壤溫度較高，7月最高（（25.7±0.5）～（26.5±0.4）℃）；12—次年2月，土壤溫度較低，12月最低（（13.5 ± 2.0）～（15.4±1.4）℃）。除5月外，其他月份成熟林土壤溫度均較高。

2.3 土壤濕度日變化

各群落不同季節(jié)土壤濕度日變化均波動較小；夏季各群落土壤濕度相差較小且均較高；冬季各群落土壤濕度均較低（圖3）。各群落土壤濕度有一定季節(jié)性，但變化規(guī)律不一致；幼齡林表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；中齡林表現(xiàn)為秋季>夏季>春季> 冬季；成熟林表現(xiàn)為春季> 夏季≈秋季> 冬季。相同季節(jié)各群落土壤濕度存在差異，春季表現(xiàn)為成熟林>幼齡林>中齡林，夏季表現(xiàn)為成熟林≈中齡林>幼齡林，秋季表現(xiàn)為中齡林>成熟林>幼齡林，冬季表現(xiàn)為成熟林>幼齡林≈中齡林。各季節(jié)成熟林土壤濕度均較高；除春季外，幼齡林土壤濕度均較低。

圖3 不同林齡馬尾松人工林土壤濕度日變化Fig.3 Diurnal variations of soil moistures in P.massoniana plantations at different ages

2.4 土壤濕度月變化

各群落土壤濕度1—4月均呈上升趨勢，5—7月均波動較大，8—12月均呈下降趨勢（圖4）。各群落土壤濕度有一定差異；幼齡林土壤濕度1—6月呈上升趨勢，之后呈下降趨勢，6月最高（31.1%），12月最低（15.0%）；中齡林土壤濕度1—8月呈上升趨勢，之后呈下降趨勢，8月最高（30.1%），1月最低（12.2%）；成熟林土壤濕度1 — 4月呈上升趨勢，4— 8月波動較大，8—12月呈下降趨勢，8月最高（30.3%），1月最低（22.2%）。除7月外，其他月份成熟林土壤濕度均較高。

圖4 不同林齡馬尾松人工林土壤濕度月變化Fig.4 Monthly variations of soil moistures in P.massoniana plantations at different ages

3 討論與結(jié)論

土壤溫度作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)境因素，影響群落中土壤微生物活性、凋落物分解、土壤呼吸及植物生長發(fā)育等過程。土壤溫度受光照條件、植被覆蓋情況、有機質(zhì)含量及微生物活動等多種因素的共同影響[15-16]。光照條件決定輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量，影響土壤溫度的整體變化。本研究中，各群落土壤溫度均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，土壤最高溫度均出現(xiàn)在夏季，最低溫度均出現(xiàn)在冬季，與劉士玲等[9]和鞏玉玲等[17]研究結(jié)果相似；各群落土壤溫度月變化均呈單峰型，6—8月較高，與楊丹等[3]和劉士玲等[4]研究結(jié)果一致；各群落土壤溫度不同季節(jié)日變化均呈先下降后上升再下降的余弦曲線，與楊丹等[3]和趙維俊等[18]研究結(jié)果一致。植被密度、冠幅面積和群落結(jié)構(gòu)等因素影響能到達地表提升土壤溫度的光照量。校亮等[19]研究表明，隨葛藤（Kudzu）覆被量增加，干熱河谷沖溝溝岸土壤溫度變化幅度逐漸減小。張康等[20]研究表明，對楊樹（Populus）進行不同強度修枝，改善林下光照強度，可提高林下地表溫度。本研究中，除秋季外，馬尾松中齡林和成熟林土壤溫度上升的時間均晚于幼齡林；除夏季外，成熟林土壤溫度到達峰值的時間均等于或晚于幼齡林和中齡林；說明隨植被恢復(fù)，群落土壤溫度變化逐漸晚于群落演替早期[21]。馬尾松成熟林土壤溫度日變化幅度較小，且冬季土壤溫度較高；說明隨植被恢復(fù)，群落內(nèi)部相互調(diào)節(jié)的能力逐漸增強，起到維持溫度穩(wěn)定的作用，林下環(huán)境也逐漸趨于穩(wěn)定[22]。土壤有機質(zhì)含量及微生物活動共同影響不同群落土壤溫度的微變化。本研究中，馬尾松成熟林土壤溫度大多時間較高，可能是由于隨植被恢復(fù)，林下凋落物及土壤有機碳含量增加，土壤微生物在分解過程中產(chǎn)生更多溫度，較多的地表凋落物又減緩了放熱的過程，提高了土壤溫度[23]。

土壤水分含量是影響植物生長的基礎(chǔ)環(huán)境因素，也是了解森林土壤水文和“土壤-植被-大氣”水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，其影響因素主要有降水、植被狀況、土壤性質(zhì)及水分蒸發(fā)等[24]。降水是土壤獲得水分的主要來源[25]。本研究中，夏季各群落土壤濕度相差較小且均較高，冬季各群落土壤濕度均最低。隨植被恢復(fù)，林下環(huán)境趨于穩(wěn)定，土壤特性在植物根系、有機質(zhì)及微生物作用下不斷改善，土壤水分由地面蒸發(fā)向植被蒸騰的過程轉(zhuǎn)變[26]，土壤濕度逐漸增加。本研究中，各季節(jié)成熟林土壤濕度均較高；除春季外，幼齡林土壤濕度均較低。說明隨植被恢復(fù)，群落的保濕性能提升，與劉效東等[22]研究結(jié)果相近。

總體而言，不同林齡馬尾松人工林群落土壤溫、濕度受氣候影響較大，有明顯的季節(jié)性，夏季溫度較高、濕度較大，冬季則低溫、低濕。隨林齡增加，群落土壤溫度波動幅度降低，土壤濕度增加，形成更有利于林下植被生長的較穩(wěn)定的土壤水熱環(huán)境。本研究僅對不同林齡馬尾松人工林表層土壤溫、濕度的變化情況進行分析，未考慮光照、降水、空氣溫、濕度及對照樣地相關(guān)參數(shù)的變化等因素。在今后的馬尾松人工林土壤水熱變化研究中，應(yīng)同步考慮相關(guān)環(huán)境因子，以便更全面地對不同生長階段馬尾松人工林水熱因子的變化情況進行分析，為馬尾松人工林科學(xué)經(jīng)營及生態(tài)恢復(fù)提供更系統(tǒng)和全面的依據(jù)。