耿思文 吳志祥 楊 川

(1 海南大學(xué)林學(xué)院 海南?？?570228;2 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所 海南?？?71101;3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 海南儋州571737)

水分循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質(zhì)循環(huán)的重要載體，土壤水是植物水分以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源，對(duì)保障植物生存有重要作用。土壤水分的變化會(huì)引起土壤性質(zhì)的變化，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育［1-2］。熱帶天然橡膠人工林作為熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)之一，對(duì)改善土壤水分、調(diào)節(jié)小氣候有著重要的意義［3］，但橡膠樹的生態(tài)功能作用一直備受質(zhì)疑［4］。土壤水分是影響橡膠樹產(chǎn)膠和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，橡膠樹在旱季受到的干旱脅迫常常嚴(yán)重影響樹體的生長(zhǎng)以及膠水的產(chǎn)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(yǎng)水源、土壤維持、生物多樣性方面功能性較差［6］。補(bǔ)充和深入探討橡膠樹群體與生態(tài)因子之間的關(guān)系及膠園環(huán)境變化等系統(tǒng)研究，是橡膠林生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展理論的基礎(chǔ)。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(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)熱帶人工橡膠林的高效經(jīng)營(yíng)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。土壤水分的時(shí)空變異規(guī)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(duì)氣候的響應(yīng)以及對(duì)土壤水分的利用存在差異。如Cho 等［7］研究認(rèn)為，土壤含水量與日平均降水量呈正相關(guān)，與日照、氣溫等呈負(fù)相關(guān)；而徐勇峰等［8］認(rèn)為，日平均土壤溫度和日平均相對(duì)濕度對(duì)土壤水分的影響最為明顯；黃土高原的人工刺槐林在生長(zhǎng)期內(nèi)的土壤含水處于虧缺狀態(tài)［9］，而西雙版納橡膠林在生長(zhǎng)期內(nèi)降水豐沛且主要吸收淺層地表水，對(duì)深層土壤水分影響不大［10］。本試驗(yàn)以海南儋州中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)三隊(duì)人工橡膠林為對(duì)象，借助森林梯度觀測(cè)系統(tǒng)，研究橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分變化特征以及對(duì)氣象因子的響應(yīng)規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

研究地點(diǎn)位于海南省西部中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)三隊(duì)，農(nóng)業(yè)部儋州熱帶農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站內(nèi)（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(fēng)氣候，受熱帶季風(fēng)影響旱雨季分化明顯，一年當(dāng)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(yàn)區(qū)土壤為砂質(zhì)粘壤土，土層厚度約100 cm。膠林結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)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(jié)草（Chrysopogon aciculatus）、杯莧（Cyathula prostrata）、含羞草（Momosa pudica）等［12］。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲得

利用試驗(yàn)樣地內(nèi)設(shè)置的森林梯度觀測(cè)系統(tǒng)［11］，獲取2017 年1 月1 日至2018 年12 月31 日兩年內(nèi)的研究數(shù)據(jù)，主要觀測(cè)內(nèi)容有日平均氣溫、日平均相對(duì)濕度、日降水總量、日平均風(fēng)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(nèi)分設(shè)高50 m的A、B 兩塔，塔上相關(guān)儀器設(shè)置包括：地溫觀測(cè)儀獲取土壤溫度數(shù)據(jù)（TCAV-L，美國(guó)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(guó)Campbell 公司）進(jìn)行測(cè)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(guó)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(guān)數(shù)據(jù)；3 杯風(fēng)速儀（Met 010C-1，美國(guó)Met One 公司） 和溫濕計(jì)（HMP45C，芬蘭Vaisala 公司）構(gòu)成七層的風(fēng)速和溫濕度垂直梯度觀測(cè)系統(tǒng)安裝在觀測(cè)塔1.5、6、10、15、33、41、50 m處；25 m處設(shè)置有太陽(yáng)輻射和反射輻射（長(zhǎng)、短波）及凈輻射觀測(cè)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(nèi)地表層設(shè)置了2層（1.5和30 m）紅外溫度傳感器（IRR-P，美國(guó)Apogee 公司），對(duì)植物冠層表面和地表溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各類數(shù)據(jù)使用采集器（CR3000，美國(guó)Campbell 公司）收集、存儲(chǔ)［11］。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

首先進(jìn)行質(zhì)量控制和插補(bǔ)處理獲得有效數(shù)據(jù)，利用Excel 2018 和Origin 9.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jì)11 d，由于土壤傳感器故障，土壤溫度數(shù)據(jù)缺失，不參與分析。采用相關(guān)分析方法，利用SAS 9.2 軟件進(jìn)行不同氣象因子與土壤水分之間的相關(guān)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(fēng)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(jìn)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(yōu)回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠林氣象環(huán)境因子年變化

2017 年1 月至2018 年12 月氣象環(huán)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(xiàn)在7月，2018 年有兩個(gè)降雨峰值，分別為7 月和9 月。風(fēng)速高的時(shí)段主要出現(xiàn)在旱季，且波動(dòng)較為劇烈，而雨季時(shí)大氣流動(dòng)較為緩慢。凈輻射在年尺度上也呈現(xiàn)明顯的單峰型，峰值出現(xiàn)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(shì)基本一致，同樣在年周期上呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在8 月份前后，5～10 月間較為平緩，11 月至翌年4 月波動(dòng)幅度較大。2 cm 土壤溫度波動(dòng)最大，波動(dòng)區(qū)間約為13.0～27.5℃；100 cm 土壤溫度波動(dòng)最小，約為19.5～26.0℃。2、5 和20 cm 土壤溫度變化趨勢(shì)一致，50和100 cm 土壤溫度的峰值和谷值時(shí)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(xiàn)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(jié)變化特征

土壤含水量的變化與降水、凈輻射等變化趨勢(shì)一致，具有顯著的年際周期性（圖1）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，土壤含水量季節(jié)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(xiàn)“W”型變化，一年中出現(xiàn)兩個(gè)主要峰值，分別位于9 月和12 月，其中降水均為導(dǎo)致出現(xiàn)峰值的重要因素。土壤含水在由雨季過(guò)渡到旱季過(guò)程中呈平穩(wěn)緩慢下降的趨勢(shì)，并在每年雨季到來(lái)之前，即3月份前后達(dá)到最低值；進(jìn)入雨季后，土壤含水量在九月前后達(dá)到峰值，3～9 月期間，3 個(gè)土層深度的含水量均保持波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)（圖1）。在觀測(cè)儀器埋設(shè)深度范圍內(nèi)，年均土壤含水最小值為12.3%，出現(xiàn)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(zhǎng)節(jié)律有關(guān)，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(shí)由于降水匱乏，樹體生長(zhǎng)吸收水分，50 cm 土層的水分成為林下土壤水的主要來(lái)源；6～11 月期間多為5 cm 土壤含水量最高，25%～31%；當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)多天的大規(guī)模降雨時(shí)，50 cm 的含水量會(huì)在短期內(nèi)超過(guò)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(shù)據(jù)對(duì)5 cm 的土壤含水量平均值進(jìn)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(wěn)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(shí)曲線逐漸下降，最小值出現(xiàn)在4：30～5：30 前后，此后土壤含水量不斷增加，峰值在14 時(shí)前后出現(xiàn)，約為16.53%，一天內(nèi)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(xiàn)一次短暫的停滯，峰值在中午12 時(shí)前后出現(xiàn)，約為22.9%，一天內(nèi)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(wěn)定，土壤含水量的變化規(guī)律并不明顯，其中6月份一天中存在兩個(gè)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(wú)太大變化，波動(dòng)范圍小于0.35%，但在2：00～7：30 含水量持續(xù)下降。由于夜間的橡膠林蒸散均在0 值附近波動(dòng)［13］，土壤水分消耗較少，處于積蓄過(guò)程；日出后隨著光照強(qiáng)度增大，植物蒸騰耗水以及土壤蒸發(fā)逐漸增強(qiáng)，在午后對(duì)土壤水分的消耗達(dá)到最大，此時(shí)土壤中水分的消耗速度大于補(bǔ)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(shí)間5 cm 層土壤水分含量一直處于最高狀態(tài)；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(shù)時(shí)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(dòng)最為劇烈，波動(dòng)范圍在13%～27%；深層土壤則影響因素較少，相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為16%～22%。雨季期間各土層的波動(dòng)趨勢(shì)近乎一致，含水量由高到低依次為5、50 和20 cm，且波動(dòng)劇烈；旱季時(shí)曲線變化平緩，降至最低水平時(shí)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(duì)土壤水分變化的影響

對(duì)海南島西部橡膠林土壤水分與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析表明，不同土壤層次對(duì)氣象因子的響應(yīng)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(fēng)速以及日均凈輻射（表1），達(dá)極顯著水平，相關(guān)系數(shù)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(fēng)速以及日均凈輻射同樣呈極顯著相關(guān)，并且同時(shí)受到土壤熱通量的影響，相關(guān)系數(shù)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(duì)空氣濕度以及水汽壓虧缺不相關(guān)，但50 cm 會(huì)受到空氣濕度的影響，呈負(fù)相關(guān)。

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(guān)性分析

根據(jù)不同深度土壤含水量和各氣象因子的數(shù)據(jù)，利用多元逐步回歸分析進(jìn)行深入量化，建立對(duì)應(yīng)各層深度土壤的最優(yōu)多元回歸方程，得到表2。3 個(gè)方程均達(dá)到極顯著水平，其中對(duì)土壤含水量影響程度最大、并且同時(shí)作用于3層土壤的因素是日均地表溫度（x2）以及日平均風(fēng)速（x5），日均地表溫度與土壤含水量呈正相關(guān)，日平均風(fēng)速與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)；其次是降水、土壤熱通量?jī)糨椛涞纫蛩亍?/p>

3 討論與結(jié)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(shí)空尺度特征，在年尺度上變化明顯，呈現(xiàn)兩個(gè)峰值。按照王賀年等［14］、趙榮瑋等［15］對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)的劃分，本研究中積累期在4～8 月，該段時(shí)間內(nèi)密集大幅度的降雨為土壤提供了充足的水分來(lái)源，但同時(shí)膠樹的主要生長(zhǎng)期也需要消耗大量的水分；消退期為9～11月，這段時(shí)間內(nèi)降水減少，氣溫逐漸降低，土壤含水量緩慢下降；穩(wěn)定期為12～1月，這段時(shí)間氣溫較低，空氣濕潤(rùn)，膠樹生長(zhǎng)反應(yīng)弱，雖然沒(méi)有大規(guī)模降雨但土壤水分依舊能夠保持相對(duì)平衡的狀態(tài)；消耗期為2～3 月，這段時(shí)間氣溫回升，膠樹開始抽條生長(zhǎng)，且降雨補(bǔ)充的水分十分有限，因此對(duì)土壤含水的消耗較大，使得該時(shí)段土壤水分處于全年最低狀態(tài)。本研究中土壤含水量峰值出現(xiàn)在9 月份，最低值在3 月份，與西雙版納膠園的研究結(jié)果基本一致［16］。徐勇峰等［8］研究結(jié)果顯示，洪澤湖楊樹林濕地的土壤含水量峰值出現(xiàn)在7 月，而最低值出現(xiàn)在9 月，谷值的時(shí)間存在較大差異，可能與楊樹林的生長(zhǎng)習(xí)性以及當(dāng)?shù)貧夂蛱卣饔嘘P(guān)。而峰值出現(xiàn)的時(shí)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(jié)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(fēng)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(guān)的主要原因是試驗(yàn)地雨熱同期的氣候特征，高溫導(dǎo)致的土壤水蒸發(fā)遠(yuǎn)小于降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充。土壤熱通量對(duì)表層土壤含水沒(méi)有明顯影響而主要集中在中下層；在旱季中風(fēng)速成為影響土壤含水的主導(dǎo)因素，風(fēng)速主要加快植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，使得表層土壤水分流失，同時(shí)橡膠林蒸騰耗水使深層土壤的水分向地表方向補(bǔ)充［18］，在旱季后期對(duì)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(shí)也由于橡膠林垂直結(jié)構(gòu)單一，氣流更容易穿過(guò)林冠層，因此以上兩點(diǎn)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(huì)對(duì)土壤表層蓄水起到一定的作用，增加持水的同時(shí)也能減少蒸發(fā)［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(guān)。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(zhǎng)季與雨熱季重合，雨季時(shí)降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)充主要集中于表層土壤并且迅速被樹體吸收消耗，導(dǎo)致降雨對(duì)土壤含水量的影響主要集中在20 cm 以上的土壤，這種重復(fù)交替的降水補(bǔ)充和消耗也是導(dǎo)致雨季土壤含水持續(xù)齒狀波動(dòng)的原因。曾歡歡等［23］更加具體描述了橡膠林生長(zhǎng)的耗水層，在雨季的水分來(lái)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(dòng)平緩，是由于氣象因子對(duì)深層土壤的影響比表層土壤有限、或只能通過(guò)表層土壤以及植物耗水間接影響導(dǎo)致。

何興潼等［24］的研究結(jié)果顯示，氣象要素對(duì)土壤水分影響具有滯后性，約為10～30 d，而橡膠林對(duì)氣象要素的響應(yīng)滯后遠(yuǎn)小于上述結(jié)果，這與橡膠林的根系分布于淺層土壤，且能夠?qū)λ盅杆傥绽糜嘘P(guān)［10］。導(dǎo)致滯后的出現(xiàn)是多種氣象因子綜合影響的結(jié)果。滯后主要表現(xiàn)為進(jìn)入雨季后土壤水分的增長(zhǎng)區(qū)間的出現(xiàn)落后于降雨量，且土壤含水量的峰值也落后于降雨量出現(xiàn)，滯后約0.5～1 d；土壤水分增加時(shí)反應(yīng)速度較快，而土壤水分回落的過(guò)程相對(duì)遲緩，大約在進(jìn)入旱季2～3 個(gè)月后土壤水分恢復(fù)到當(dāng)年雨季前的水平。

3.2 結(jié)論

海南島西部地區(qū)橡膠林土壤含水量變化具有明顯的時(shí)空特征，降水、地面溫度、風(fēng)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(duì)于淺層土壤（0～20 cm）有顯著影響，土壤熱通量?jī)H對(duì)深層土壤（20～50 cm）有顯著影響。時(shí)間尺度上，由于氣候?qū)е碌募竟?jié)性降水，以及旱季豐富的空氣對(duì)流，使得橡膠林土壤水分具有顯著的季節(jié)變化特征。空間尺度上，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(dòng)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(guò)上層土壤間接傳遞，因此波動(dòng)幅度較小。土壤水分減少的過(guò)程比水分增加的過(guò)程緩慢，說(shuō)明旱季時(shí)橡膠林對(duì)水土保持起到了一定的作用。種植林下植被，經(jīng)營(yíng)叢林式橡膠園［21，25］，不僅能夠有效減少水汽蒸發(fā)，還可以提高表層土壤熟化程度，促進(jìn)養(yǎng)分物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與利用［26］，對(duì)增強(qiáng)橡膠人工林的生態(tài)價(jià)值有積極影響。