海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節變化特征及其對氣象因子響應研究初報

祁棟靈, 孫瑞, 謝貴水, 楊川, 陳幫乾, 蘭國玉, 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變化特征及其對氣象因子響應研究初報

祁棟靈1,2, 孫瑞1, 謝貴水1, 楊川1, 陳幫乾1, 蘭國玉1, 陶忠良1, 楊小波2, 吳志祥1,*

1. 中國熱帶農業科學院 橡膠研究所/農業部儋州熱帶作物科學觀測實驗站, 儋州 571737 2. 海南大學熱帶農林學院, 海口, 570228

土壤水分在林木植被生長和林木水分循環中發揮著重要的作用, 其不但是樹木植被水分吸收的主要來源, 而且還是養分運轉和能量流動的主要介質。土壤水分季節動態及其利用的研究對于認識橡膠林木生長發育對水分變化的響應機制具有重要意義。本文利用連續定位觀測數據, 對海南西部地區低割齡橡膠林土壤水分季節變化動態進行分析。低割齡橡膠林土壤水分季節變化特征表現為, 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。回歸分析結果表明, 降水量是影響低割齡橡膠林土壤含水量季節變化的主要氣象因子。

橡膠林; 海南西部; 土壤水分; 季節變化規律; 低割齡

1 前言

水分狀況是農林生態系統中重要的生態因子, 在植物新陳代謝活動過程中發揮著重要的作用。在農林土壤水分方面, 一些學者相繼開展了相關研究[1—3]。我國橡膠林主要分布在海南和云南的南部地區, 約占全國橡膠種植總面積的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系統之一。土壤水分是橡膠林生態系統研究的重要內容, 其對整個橡膠林生態系統的水熱平衡起決定作用, 同時, 土壤水分也是橡膠林吸收養分的必需載體, 對橡膠林生長有重要影響。土壤水分不足, 會造成橡膠林物候期延長、莖粗生長緩慢、開割投產樹膠乳產量下降[4]。而目前對海南橡膠林土壤水分狀況及其季節變化規律研究得不多, 研究橡膠林土壤水分季節變化, 不但有助于進一步認識橡膠林土壤水分季節變化和積累基礎數據, 而且也能為科學開展橡膠林的土壤水分和培育管理提供參考依據。因此, 開展橡膠林土壤水分變化規律的相關研究對橡膠林生態系統生產力具有現實意義。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范圍為24—40 mm, 在干旱季節, 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現, 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]對中國科學院西雙版納熱帶植物園內的橡膠林土壤水分進行了測定, 發現橡膠林含水量8月份表現最大, 3月份表現最小。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]研究認為, 橡膠林土壤含水量會影響橡膠樹細根生物量, 橡膠林下植被類型反過來會影響土壤水分狀況。本文基于野外連續定位觀測數據, 分析了土壤水分季節、垂直變化特征, 擬探討以下兩個問題: (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氣象因子響應特征如何？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變化規律。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

試驗樣地位于海南省儋州市中西部, 屬熱帶季風氣候區, 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, 近自然管理狀態下, 試驗區調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)、禾本科弓果黍屬的弓果黍((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.)。橡膠林按照常規生產要求管理。本區域設有農業部儋州熱帶作物科學觀測實驗站1個。

2.2 試驗材料

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

2.3 試驗方法

2.3.1 樣品采集

在低割齡橡膠林試驗地內, 定位選擇5個取樣點, 在對照空地中, 定位選擇3個取樣點。于2015年1月至12月的中旬, 采用土鉆法, 取土時用土鉆取各樣點0—200 cm 土層土樣, 以20 cm 為1個分層, 分為0—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm, 80—100 cm 5個土層, 分別裝入密封袋內, 隨后帶回實驗室分析。

2.3.2 氣象因子和土壤含水量的測定

利用試驗地旁邊的農業部儋州熱帶作物科學觀測實驗站, 對降水量、溫度、光照等氣象因子的觀測。采用烘干稱重法測定土壤含水量, 把樣品置于鋁盒中, 稱取鮮土質量, 于105 ℃下烘干至恒重, 分別稱取干土質量和鋁盒質量。

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

土壤水分的變化程度采用變異系數表示。

(2)式中:C為土壤水分變異系數 ; σ2為土壤含水量測定樣本標準差;為土壤含水量測定樣本平均值。

2.3.3 土壤含水量與環境氣象因子間關系模擬

將試驗獲得的土壤含水量利用線性回歸模型方程分析。

計算的表達式為:=a0+a11+a22+ a33+a44+……+a99(3)

(3)式中:代表土壤含水量; a為模型參數;1代表降水量;2代表月平均氣溫;3代表空氣相對濕度;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2個降雨量峰值。

3.2 低割齡橡膠林土壤水分動態變化特征

3.2.1 低割齡橡膠林土壤水分季節變化特征

根據公式(1), 計算土壤水分含量。試驗數據分析結果表明, 土壤水分季節變化明顯, 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, 本地區降雨時間主要集中在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、空曠地在全年內均出現2個土壤含水量的峰值, 并且空曠地土壤水分季節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態

圖3 空曠地土壤含水量月度動態

3.2.2 土壤水分垂直變化特征

根據公式(2), 計算獲得土壤水分變異系數。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, 對低割齡橡膠林土壤含水量與環境因素之間進行回歸模擬, 采用SPSS分析軟件, 模擬土壤水分分含量與環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)的復相關系數值為0.854, 經檢驗,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境因子, 得出方程:

=12.342+0.0171(5)

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

4 討論

橡膠林水分循環問題, 近年來已成為生態學研究的焦點和熱點[11—16]。橡膠林土壤水分是橡膠林水分循環中重要一環, 是橡膠林生態系統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的橡膠林含水量最高值出現在8月, 最低值出現在3月份[8], 李一鯤研究結果顯示, 西雙版納瀾滄江河谷及壩區的低山丘陵橡膠林0至100 cm的土層深度的含水量最低值出現在3月, 最高值出現在6月[17]。該研究結果表明, 海南西部低割齡橡膠林土壤水分季節變化最高值出現在9月份, 最低值出現在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季節變化現象。土壤水分季節變化反映了一年當中時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參考依據。

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等通過對西雙版納不同地形的樹齡20 a的橡膠林土壤水分變化進行了研究, 其結果表明, 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下降趨勢[18]。上述土壤含水量隨著土層深度增加呈現截然不同的變化趨勢, 可能與選擇的研究區域不同有關。

土壤系統是一個開放系統, 其土壤水分狀況受到環境因素的影響。一些研究結果表明, 土壤水分的季節動態變化受到降雨、空氣溫度、蒸發量等環境因素的影響[19—21]。而本研究的逐步回歸分析結果表明, 在空氣溫度、空氣相對濕度、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變化的主要氣象因子。鞏合德等的研究結果表明, 降雨是影響哀牢山常綠闊葉林土壤含水量季節變化的主要因素[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。

本研究僅以海南西部地區的低割齡橡膠林為例, 研究了7割齡橡膠林土壤水分季節變化動態規律, 所得結果是否適用于其他地區以及不同割齡的橡膠林土壤水分季節變化, 有待進一步深入探討。

5 結論

本研究的結論如下:

(1) 低割齡橡膠林土壤水分具有季節變化特征。

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

(3) 在所研究的土層深度內, 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) 構建了低割齡橡膠林土壤含水量與降水量之間的響應模型=12.342+0.0171,降水量是影響低割齡橡膠林土壤含水量季節變化的主要氣象因子。

致謝: 我們感謝現代農業產業技術體系建設專項(CARS—34—ZP3); 海南省自然科學基金(2016 4172): 中國熱帶農業科學院橡膠研究所基本科研業務費專項(1630022015012)為本研究提供的資金支持。我們同時感謝賴華英女士、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。我們還要感謝中國熱帶農業科學院橡膠研究所的周建南先生, 他為本文的英語和手稿的語法編輯提供了幫助。

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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

現代農業產業技術體系建設專項(CARS-34-ZP3); 海南省自然科學基金(20164172): 中國熱帶農業科學院橡膠研究所基本科研業務費專項(1630022015012)

祁棟靈(1979—), 男, 碩士, 副研究員; 主要從事應用生態學方面的工作, 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與農業氣象生態工作, E-mail: zhixiangwu@catas.cn