濱海沙地木麻黃人工林土壤水分動(dòng)態(tài)及有效性

[摘要] 以連續(xù)定位測定數(shù)據(jù)，對福建海岸帶木麻黃林地土壤水分動(dòng)態(tài)及有效性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，木麻黃防護(hù)林土壤水分的季節(jié)變化分為5個(gè)時(shí)期：土壤水分積累期、土壤水分消退期、土壤水分緩沖期、土壤水分平穩(wěn)期、土壤水分恢復(fù)期。土壤水分垂直變化在1m內(nèi)垂直剖面上，水分變異系數(shù)都在0.45以上，土壤水分變異較大。從土壤水分有效性來看，其土壤水分基本上處于難效水狀態(tài)，在時(shí)間和深度上，中齡林土壤難效水出現(xiàn)的機(jī)率為90.8%，略低于幼齡林土壤（幼齡林為98.3%），相應(yīng)中齡林土壤中效水出現(xiàn)的機(jī)率為9.2%，略高于幼齡林土壤（幼齡林為1.7%）。通過對影響土壤水分含量的氣象因子的綜合分析，得到土壤含水量與氣象因子之間的多元回歸方程。降水是限制木麻黃林木生長發(fā)育的主要因子。

[關(guān)鍵詞] 木麻黃 濱海沙地 土壤水分變化 土壤水分有效性

水分條件是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)因子之一，在植物生命活動(dòng)中起著極其重要的作用，特別在干旱、半干旱地區(qū)，水分條件已成為林木生長的限制因子。對林地土壤水分動(dòng)態(tài)及水分有效性的研究，徐化成(1979)、姚茂和(1984)、張小泉(1993)、李建軍(1994)等人已開展了大量的研究[1-8]。木麻黃（Casuarina equisetifolia）作為東南沿海防護(hù)林體系的重要組成部分，在防風(fēng)固沙、維護(hù)生態(tài)平衡、抵御自然災(zāi)害及發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮很大的作用。由于福建東南沿海雨量偏低，且分配不均，海岸沙地土質(zhì)疏松，持水保水能力極差，水分條件成為限制木麻黃生長的主要因子之一[9，10]。對木麻黃防護(hù)林水分動(dòng)態(tài)方面的研究未見報(bào)道。本文從森林生態(tài)系統(tǒng)管理的角度出發(fā)，采取生態(tài)系統(tǒng)定位研究的方法，在福建沿海中部惠安赤湖林場選擇有代表性的木麻黃幼齡林、中齡林，以空曠地為對照，對濱海沙地木麻黃林地土壤水分動(dòng)態(tài)及水分有效性進(jìn)行研究，從水分角度探討林木生長與生態(tài)因子的關(guān)系，為沿海防護(hù)林的合理經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在惠安縣赤湖國有防護(hù)林場場部工區(qū)9a生和15a生木麻黃人工林中進(jìn)行。林場位于福建東南沿海中部，東經(jīng) 118°30′，北緯24°21′，屬于東南沿海平原地區(qū)，全場海拔在10～20m之間。惠安赤湖林場為福建省林科院的防護(hù)林試驗(yàn)基地，“九五”期間設(shè)有沿海防護(hù)林定位生態(tài)試驗(yàn)站1個(gè)。

本區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候，年均氣溫19.8℃，1月平均氣溫為12.3℃， 7月平均氣溫為27.3℃，極端最低氣溫為2.2℃，極端最高氣溫為37℃，全年幾乎無霜，年均降水量1120mm，主要集中在5～6月，年蒸發(fā)量約2000mm。2001年降水量為749mm。降水量小，蒸發(fā)量大，干濕季明顯、干旱頻度大。年均相對濕度為20%，平均風(fēng)速7.0m.s^-1，最大風(fēng)速為32.6 m.s^-1，大風(fēng)日數(shù)114d。

木麻黃幼林分別于1987年和1993年5月用木麻黃容器苗在皆伐跡地上營造而成。初植株行距均為2m×2m，該林地土壤為紅壤性風(fēng)積沙土、泥炭性風(fēng)積沙土及風(fēng)積黃沙土，土層較厚。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地布置和土壤樣品采集

在幼齡林、中齡林試驗(yàn)地中，選擇有代表性的林分，分別設(shè)25m×25m標(biāo)準(zhǔn)地3塊，每塊標(biāo)準(zhǔn)地選標(biāo)準(zhǔn)木3株。在幼齡林中齡林及對照空地中，開挖6m深地下水位觀測井3口，在觀測井附近選點(diǎn)，以20cm分層，把土層分為0～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm，80～100cm 5個(gè)土層，3個(gè)重復(fù)。從2001年4月至2002年3月，每月15、30日采集土樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2.2 土壤水分物理性質(zhì)測定方法

土壤水分物理性質(zhì)的數(shù)量特征采用環(huán)刀法測定。

1.2.3 林分生長量的測定

對標(biāo)準(zhǔn)地每木檢尺，分別算出平均高（H）和平均胸徑（D1.3），各選取平均木3株。于平均木樹高1.3m處用紅漆作標(biāo)記，并進(jìn)行編號，每月15日、30日測定平均木樹高、胸徑。

1.2.4 降水量、溫濕度和土壤含水量的測定

利用試驗(yàn)地旁邊的生態(tài)定位觀測站，每天8:00、14:00、20:00觀測降水量、溫度、濕度、地表溫度，土壤5cm、10cm、15cm、20cm處溫度。土壤含水量測定將每月15、30日帶回的土樣，采用烘干法測定土壤含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量分布與林下土壤基本物理性質(zhì)

2001年3月至2002年2月降水量數(shù)據(jù)見表1，全年降水量僅有748.8mm，低于平均降水量1 120mm，屬于干旱年份。降水量主要集中在4-9月，占全年降水量85.5%，出現(xiàn)4、5月和9月兩個(gè)高峰。10、11兩個(gè)月嚴(yán)重干旱，滴雨不下。

本試驗(yàn)中土壤水分物理性質(zhì)測定是按土壤發(fā)生層次采集樣品的，從表2可看出：幼齡林、對照林中，土壤各發(fā)生層次的容重、孔隙度等物理性質(zhì)差異不大，可能是兩者的土壤質(zhì)地均為均一性風(fēng)積沙土。但隨著土層深度增加，容重逐漸減小、總孔隙度、田間持水量逐漸增大，最大吸濕水和凋萎系數(shù)逐漸減小的趨勢。中齡林中土壤分為3個(gè)發(fā)生層次，其中第1層風(fēng)積沙土和第3層紅壤性風(fēng)積沙土的容重、孔隙度、田間持水量相差不大，第2層泥炭性風(fēng)積沙土的容重較1、3層小，總孔隙度、田間持水量等較1、3層大。最大吸濕水和凋萎系數(shù)則表現(xiàn)出2層>3層>1層。

2.2 木麻黃人工林土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征

2.2.1木麻黃人工林土壤水分季節(jié)變化特征

天然降水是試驗(yàn)試區(qū)土壤水分的唯一來源，由于本區(qū)降水主要集中在4、5月，干濕季明顯，大致可分為雨季(4～6月)，旱季(7～11月)和春雨季節(jié)(12～3月)。因此，土壤水分的年內(nèi)變化十分明顯。圖1表明，土壤水分變化幅度、頻度都很大，如幼齡林、中齡林、空曠地土壤最大含水量分別為12.68%、15.98%、30.62%；最小值分別為0.89%、2.78%、和1.57%；相差分別為13.2倍、4.7倍、18.5倍。全年出現(xiàn)兩個(gè)高峰。總體上土壤水分含量表現(xiàn)出中齡林土壤含水率高于幼齡林土壤含水率。這是因?yàn)閮烧咄寥蕾|(zhì)地不同造成的。中齡林土壤是由泥炭性風(fēng)積沙土和紅壤性風(fēng)積沙土組成，土壤容重大，孔隙度小，粘結(jié)，保水能力強(qiáng)，含水率相對較高，幼齡林土壤由均一性風(fēng)積沙土組成，土壤容重小，孔隙度大，沙粒松散，保水能力差，含水率相對較小。

空曠地土壤含水量在8月中下旬之前高于中齡林幼齡林土壤含水量，在8月下旬之后則介于兩者之間。這種情況可能是因?yàn)榍捌诮邓看螅韭辄S處于生長旺盛期，林木根系從土壤中吸取大量水分用于蒸騰消耗。后期處于干旱季節(jié)，降水極少，氣溫依然很高，海風(fēng)較大，造成空曠地土壤水分大量蒸散消耗。

根據(jù)土壤水分測定資料的變化特點(diǎn)，結(jié)合氣候變化，可將土壤水分的季節(jié)變化劃分為5個(gè)時(shí)期。

(1) 土壤水分積累期。這一時(shí)期是從4月初到5月底，期間林木生長達(dá)到旺盛階段，土壤的蒸發(fā)和林木蒸騰作用都很強(qiáng)烈，但降雨量大，降雨時(shí)滲入土壤中的水量大于林地蒸發(fā)和林木蒸騰引起的土壤水分消耗量，并開始積累，地下水位上升。到5月底各地類土壤水分含量達(dá)到最大值，分別為12.68%、15.98%、30.62%。這一時(shí)期隨著降水量的增加，土壤含水量逐漸增大，故稱這一時(shí)期為土壤水分積累期。

(2) 土壤水分消退期。這一時(shí)期從6月初到7月底，這期間降水量大大減小，5月份降水164.2mm，到6月份只有60.2mm，但氣溫最高，林地蒸發(fā)和林木蒸騰仍很強(qiáng)烈，地下水位不斷下降，土壤中水分含量不斷減小，故稱這一時(shí)期為土壤水分消退期。

(3) 土壤水分緩沖期。這一時(shí)期從8月初到9月底。這期間氣溫很高，林木生長達(dá)到第二個(gè)旺盛期，林木蒸騰和林地蒸發(fā)消耗大量水分，但是降水量也迎來第二個(gè)高峰，9月份降水量達(dá)115.6mm，極大程度地緩和因蒸散而消耗的大量水分。并且使土壤含水率有緩慢回升趨勢。故稱這一時(shí)期為土壤水分緩沖期。從圖1曲線可看出：9月15日含水量出現(xiàn)低值，是因?yàn)楹罄m(xù)降水稍不充分，大量的蒸發(fā)散量而使土壤水分含量降低，隨著后續(xù)降水的補(bǔ)充，使土壤含水率又開始回升。

(4) 土壤水分平穩(wěn)期。這一時(shí)期從10月初到12月中旬。這期間幾乎沒有降水，氣溫降低，林木生長也基本停止，林木蒸騰消耗的土壤水分很少，主要以林地蒸發(fā)為主，地表由于茂密的林冠和地表雜草的遮蓋防止了土壤水分的蒸發(fā)損耗。土壤含水量雖逐漸減少，但變化不大，故稱這一時(shí)期為土壤水分穩(wěn)定期。

(5) 土壤水分恢復(fù)期。這一時(shí)期從12月中旬到翌年3月。這期間氣溫較低，林木生長還沒開始，林地蒸發(fā)散量很少。但由于進(jìn)入了春雨季節(jié)，雖然沒有大的降水量，卻常常陰雨綿綿，使土壤含水量逐漸恢復(fù)，為林木進(jìn)入生長作好準(zhǔn)備。故稱這一時(shí)期為土壤水分恢復(fù)期。

田間持水量與土壤水分含量之差比田間持水量(以K表示)是衡量土壤水分狀況的一個(gè)重要標(biāo)志。其值越大，說明水分虧缺越嚴(yán)重。根據(jù)研究表明，當(dāng)土壤含水量降到田間持水量的60.00%～70.00%時(shí)，即K值為30.00%～40.00%時(shí)，就對林木生長產(chǎn)生不利影響。從表3可知，試驗(yàn)區(qū)土壤水分K值多大于40.00%，表示水分虧缺嚴(yán)重。幼齡林地比中齡林地水分虧缺更為嚴(yán)重。幼齡林地的最大水分虧缺出現(xiàn)在11月(96.59%)，中齡林地的最大水分虧缺出現(xiàn)在12月(90.07%)。

2.2.2木麻黃人工林土壤水分垂直變化特征

林地土壤水分的變化程度用變異系數(shù)Cv表示，Cv的確定公式為：Cv=σ2∕X。式中，σ2為土壤含水量測定樣本標(biāo)準(zhǔn)差；X為土壤含水量測定樣本平均值。Cv值越大，土壤含水量變化越劇烈，反之Cv值越小，土壤含水量越穩(wěn)定。將試驗(yàn)區(qū)各地類不同層次土壤含水量與相應(yīng)的變異系數(shù)列于表4中。

從表4看出，試驗(yàn)區(qū)土壤水分變異系數(shù)都在0.45以上，說明土壤水分含量變化很強(qiáng)烈。中齡林林地表層0～20cm的水分變異系數(shù)最大，其值為0.71，這一層的土壤水分變化最為強(qiáng)烈，20～80cm各層之間差異不大，但從單個(gè)值來看都比較大，說明這些層次土壤含水量的變化都很大，這是由于植物根系主要分布于這一范圍，在降水量小，降水不均勻，林木強(qiáng)烈的蒸騰作用下，土壤水分變化很大。

幼齡林林地0～60cm各層的水分變異系數(shù)相差不大，主要是因?yàn)樵摿值赝寥罏榫恍燥L(fēng)積沙土，土壤疏松，孔隙度大，保水能力差，土壤含水量隨降水量變化而變化，一旦后續(xù)降水稍不充分，土壤含水量就迅速降到最低。60～100cm兩層土壤的水分變異系數(shù)都大于1，而且大于0～60cm各層。這種現(xiàn)象是由于5月和6月上旬降水量大，地下水位極高，有時(shí)近乎達(dá)到林地表面，這兩層土壤常常在高水位時(shí)，土壤含水量已達(dá)飽和狀態(tài)，從而造成水分變異系數(shù)特別大的現(xiàn)象。

空曠地各層次土壤變異系數(shù)相差不大。各層次的值都很大，說明土壤水分含量變化很強(qiáng)烈，這主要也是因?yàn)樵摽諘绲赝寥蕾|(zhì)地和物理性質(zhì)同幼齡林地相似。

由圖2看出，隨土壤深度增加，中齡林、幼齡林和空曠地的土壤含水量都增加，中齡林林地土壤水分垂直變化的幅度為3.15%～9.85%，幼齡林林地土壤水分垂直變化的幅度為 2.32%～7.10%，空曠地土壤水分垂直變化的幅度為5.73%～12.07%。中齡林比幼齡林地變化的幅度大。

2.2.3木麻黃人工林土壤水分的有效性評價(jià)

根據(jù)土壤水分對植物生長的有效性原理，按照凋萎濕度、生長阻滯含水量和田間持水量對各地類土壤水分進(jìn)行分級分析(李玉山，1983; 余新曉，1995; Beneck P，1985) ，結(jié)果如表5。

從表5可以看出，無論是中齡林還是幼齡林，一年中土壤水分都處于難效狀態(tài)。主要原因是年降雨量只有平均降雨量的66.9%，屬于較嚴(yán)重干旱年份。由于沙土蓄水保水能力差，林木根系吸收大量水分用于生長和蒸騰作用，林地強(qiáng)烈地蒸發(fā)，使得林地土壤水分長期處于生長阻滯含水量以下，嚴(yán)重影響林木的生長。

對一年中難效水、中效水、易效水出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到，隨著深度的增加，中齡林土壤中效水出現(xiàn)的頻率在0-60cm土層內(nèi)為0，60-80cm土層為16.7%，80cm以下有所減小，幼齡林土壤水分中效水在80cm土層內(nèi)為0，80-100cm土層為8.3%(見表6)。從1m土層平均含水量的有效性來看，中齡林土壤水分難效水出現(xiàn)的頻率為90.8%，中效水出現(xiàn)的頻率為9.2%、易效水出現(xiàn)的頻率為0。幼齡林土壤水分難效水出現(xiàn)的頻率為98.3%，中效水出現(xiàn)的頻率為1.7%，易效水出現(xiàn)的頻率為0。

2.2.4影響土壤含水量的氣象因子模擬模型

土壤水分含量動(dòng)態(tài)變化受氣象因子制約，通過土壤水分含量與氣象因子的回歸模擬可找出影響土壤水分動(dòng)態(tài)的主要?dú)庀笠蜃樱⒗媚M方程對土壤水分狀況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

根據(jù)線性回歸模型來探討它們之間的關(guān)系：

Y=b0+b1X1+b2X2+b3X3+……+b10X10

式中，Y為土壤含水量；X1為最高氣溫；X2為最低氣溫；X3為月半平均氣溫；X4為相對濕度；X5為降水量；X6為地表溫度；X7為5cm溫度；X8為10cm溫度；X9為15cm溫度；X10為20cm溫度。

根據(jù)月半平均氣象資料，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，模擬氣象因子與土壤含水率的回歸方程為：

Y=-23.958+0.214X1-1.470X2+0.003083X3+0.382X4

+0.03722X5+0.927X6-0.212X7-0.437X8+11.539X9

-10.800X10 ①

復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.814。

經(jīng)F檢驗(yàn)，F(xiàn)=2.56；相伴概率Sig.= 0.057，關(guān)系顯著。

通過逐步回歸，找出影響土壤含水率的主要?dú)庀笠蜃樱贸龇匠蹋?/p>

F=-14.444+0.244X4+0.04105X5 ②

復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.763。

經(jīng)F檢驗(yàn)，F(xiàn)=14.6，相伴概率Sig.=0.000，關(guān)系極顯著。

經(jīng)F檢驗(yàn)，復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平，表明氣象因子對土壤含水率都具有顯著影響，但采用逐步回歸分析方法，可找出空氣相對濕度和降水量兩因子對土壤含水率的影響極顯著，相伴概率Sig.=0.000。可見，空氣相對濕度和降水量與土壤含水率關(guān)系密切，尤以相對濕度的影響更為顯著。

2.3 木麻黃林木生長與土壤含水量之間的關(guān)系

土壤水分的動(dòng)態(tài)變化對林木生長的影響極大。根據(jù)林木樹高、胸徑月生長量和土壤月平均含水量進(jìn)行回歸擬合，方程如下，中齡林樹高與土壤含水量的關(guān)系：

Y=3.094E-03-4.395E-03X+1.818E-03X2-7.43125207E-05X3 ③

復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.83053，經(jīng)F檢驗(yàn) F=3.70583，相伴概率Sig.= 0.0963，關(guān)系顯著。

中齡林胸徑與土壤含水量的關(guān)系：

Y=-0.067557+0.024871X-9.14E-04X2 ④

復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.72077，經(jīng)F檢驗(yàn) F=3.54364，相伴概率Sig.= 0.0979，關(guān)系顯著。

由此可見，木麻黃的樹高、胸徑和土壤水分之間關(guān)系密切，樹高對水分的相關(guān)性較胸徑對水分的相關(guān)性大些。

3 小結(jié)與討論

在福建東南沿海地區(qū)，雨量不均，干濕季節(jié)明顯，降水是限制木麻黃林木生長發(fā)育的主要因子。木麻黃人工林土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)可分為水分積累期（4月初到5月底）、水分消退期（6月初到7月底）、水分緩沖期（8月初到9月底）、水分平穩(wěn)期（10月初到12月中旬）、土壤水分恢復(fù)期（12月中旬到3月）5個(gè)時(shí)期。土壤含水量與氣象因子關(guān)系密切，尤其是空氣相對濕度和降水量對土壤含水率的影響極為顯著。對林分土壤水分進(jìn)行分析評價(jià)，其土壤水分基本上處于難效水狀態(tài)，在1m范圍內(nèi)，中齡林土壤難效水占90.8%，中效水占9.2%，幼齡林土壤難效水占98.3%，中效水占1.7%，嚴(yán)重影響林木生長發(fā)育。

林地土壤水分狀況是決定木麻黃造林成效的關(guān)鍵因素。在海岸帶木麻黃防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)中，沙土結(jié)構(gòu)疏松，持水性能差，養(yǎng)分淋溶快，養(yǎng)分歸還量少，土壤貧瘠。木麻黃林的水分管理應(yīng)以地力維護(hù)為中心，以提高人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力為目標(biāo)，保持土壤水分的動(dòng)態(tài)平衡。這就要求從水分條件對木麻黃林生長和生理功能的影響，木麻黃在不同土壤條件、不同生長期對水分需求的動(dòng)態(tài)平衡值，以及木麻黃林地土壤水分狀況等方面入手，制定出一套包括林分管理、植被管理和土壤管理在內(nèi)的人工林水分管理體系。

參考文獻(xiàn)

[1] 李建軍.晉西黃土殘塬溝壑區(qū)不同林地土壤水分動(dòng)態(tài)研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，(4):36-41.

[2] 李玉山.黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對陸地生態(tài)水分循環(huán)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1983，3(2):91～101.

[3] 徐化成，易宗文.華北低山區(qū)土壤水分季節(jié)變化與林木生長的關(guān)系[J].林業(yè)科學(xué)，1979，(2):79～104.

[4] 姚茂和.北京九龍山區(qū)水分動(dòng)態(tài)及其對林木生長的影響[J].林業(yè)科學(xué)， 1988， (1):69～75.

[5] 余新曉著.土壤動(dòng)力水文學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:中國林業(yè)出版社，1995: 148～166.

[6] 張小泉，張清華.太行山北部中山幼林地土壤水分的研究[J].林業(yè)科學(xué)， 1994， (3):193～199.

[7] 張建軍.晉西黃土殘塬溝壑區(qū)水土保持林地土壤水分有效性的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，(4):59～65.

[8] Beneck P.Der Wasserumsatz eines in Buchen-und eines Fichtenwaldoksys- tems in Hochsolling[J]. D.Sauerlanders Verlag，1985:120～135.

[9] 葉功富，吳壽德，陳清森等.木麻黃苗木的水分生理生態(tài)特性的試驗(yàn)研究[J].防護(hù)林科技，2000(S1):148～150.

[10] 葉功富，徐俊森，潘惠忠等.木麻黃沿海防護(hù)林生長及其與立地因子的關(guān)系[J].防護(hù)林科技，1995(2):10～13.