海南西部低割龄橡胶林土壤水分季节变化特征及其对气象因子响应研究初报

祁栋灵, 孙瑞, 谢贵水, 杨川, 陈帮乾, 兰国玉, 陶忠良, 杨小波, 吴志祥,*



海南西部低割龄橡胶林土壤水分季节变化特征及其对气象因子响应研究初报

祁栋灵1,2, 孙瑞1, 谢贵水1, 杨川1, 陈帮乾1, 兰国玉1, 陶忠良1, 杨小波2, 吴志祥1,*

1. 中国热带农业科学院 橡胶研究所/农业部儋州热带作物科学观测实验站, 儋州 571737 2. 海南大学热带农林学院, 海口, 570228

土壤水分在林木植被生长和林木水分循环中发挥着重要的作用, 其不但是树木植被水分吸收的主要来源, 而且还是养分运转和能量流动的主要介质。土壤水分季节动态及其利用的研究对于认识橡胶林木生长发育对水分变化的响应机制具有重要意义。本文利用连续定位观测数据, 对海南西部地区低割龄橡胶林土壤水分季节变化动态进行分析。低割龄橡胶林土壤水分季节变化特征表现为, 5月、7—10 月份土壤含水量较高, 11—1月份次之, 2—4月、6月份较低; 低割龄橡胶林土壤水分垂直变化特征表现为, 随土层深度的增加, 土壤含水量逐渐升高, 浅层土壤含水量变化剧烈程度大于深层。回归分析结果表明, 降水量是影响低割龄橡胶林土壤含水量季节变化的主要气象因子。

橡胶林; 海南西部; 土壤水分; 季节变化规律; 低割龄

1 前言

水分状况是农林生态系统中重要的生态因子, 在植物新陈代谢活动过程中发挥着重要的作用。在农林土壤水分方面, 一些学者相继开展了相关研究[1—3]。我国橡胶林主要分布在海南和云南的南部地区, 约占全国橡胶种植总面积的95.9%, 海南橡胶林的分布几乎占到海南岛已利用土地总面积的五分之一, 橡胶林已成为海南岛重要的生态系统之一。土壤水分是橡胶林生态系统研究的重要内容, 其对整个橡胶林生态系统的水热平衡起决定作用, 同时, 土壤水分也是橡胶林吸收养分的必需载体, 对橡胶林生长有重要影响。土壤水分不足, 会造成橡胶林物候期延长、茎粗生长缓慢、开割投产树胶乳产量下降[4]。而目前对海南橡胶林土壤水分状况及其季节变化规律研究得不多, 研究橡胶林土壤水分季节变化, 不但有助于进一步认识橡胶林土壤水分季节变化和积累基础数据, 而且也能为科学开展橡胶林的土壤水分和培育管理提供参考依据。因此, 开展橡胶林土壤水分变化规律的相关研究对橡胶林生态系统生产力具有现实意义。前人研究表明, 5龄橡胶林土壤贮水量由表土到底土年度变动范围为24—40 mm, 在干旱季节, 土壤仍不缺水, 而橡胶林土壤容重比雨林高, 橡胶林土壤贮水量, 不但在3月至12月份的不同季节高于雨林, 而且在土壤表土层、心土层和底土层不同土层也高于雨林[5]。而罗仲全等[6]则认为, 橡胶林土壤含水量与森林土壤含水量差异不大, 从土壤水分的供应状况分析, 橡胶林土壤同森林土壤一样, 终年均不缺水。李一鲲[7]比较了橡胶林和竹林的土壤含水量后发现, 2至9月份, 橡胶林土壤含水量高于竹林土壤, 并且在旱季0—100 cm的橡胶林土层含水量均高于竹林。吴骏恩等[8]对中国科学院西双版纳热带植物园内的橡胶林土壤水分进行了测定, 发现橡胶林含水量8月份表现最大, 3月份表现最小。庞家平等[9]研究表明, 与橡胶纯林相比, 混作后土壤含水量的季节变化较为缓和且旱季含水量较高。在橡胶林土壤水分影响因素方面, 林希昊等[10]研究认为, 橡胶林土壤含水量会影响橡胶树细根生物量, 橡胶林下植被类型反过来会影响土壤水分状况。本文基于野外连续定位观测数据, 分析了土壤水分季节、垂直变化特征, 拟探讨以下两个问题: (1)低割龄橡胶林土壤水分变化特征如何？(2) 低割龄橡胶林土壤水分变化对气象因子响应特征如何？通过以上问题的探讨, 初步揭示低割龄橡胶林土壤水分的季节变化规律。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验样地位于海南省儋州市中西部, 属热带季风气候区, 年平均气温23—25 ℃, 最冷月平均气温17—18 ℃, 大于10 ℃年积温8700 ℃; 年均降水量1500—1900 mm。橡胶树于2000年定植, 株行距为3.0 m×7.0 m, 土壤肥力中等, 近自然管理状态下, 试验区调查到的橡胶林下植被资源种类有45种, 分属25科41属, 林下植物种类分布较多的有茜草科丰花草属的阔叶丰花草((Aubl.) K.Schum)、禾本科弓果黍属的弓果黍((L.) A. Ca­mus)、葡萄科乌蔹莓属的乌蔹莓((Thunb.) Gagnep.)、鸭跖草科鸭跖草属的鸭跖草()和菊科藿香蓟属的藿香蓟(L.)。橡胶林按照常规生产要求管理。本区域设有农业部儋州热带作物科学观测实验站1个。

2.2 试验材料

在低割龄林试验地中, 选择7割龄橡胶林(品种热研7—20—59)为试验材料。

2.3 试验方法

2.3.1 样品采集

在低割龄橡胶林试验地内, 定位选择5个取样点, 在对照空地中, 定位选择3个取样点。于2015年1月至12月的中旬, 采用土钻法, 取土时用土钻取各样点0—200 cm 土层土样, 以20 cm 为1个分层, 分为0—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm, 80—100 cm 5个土层, 分别装入密封袋内, 随后带回实验室分析。

2.3.2 气象因子和土壤含水量的测定

利用试验地旁边的农业部儋州热带作物科学观测实验站, 对降水量、温度、光照等气象因子的观测。采用烘干称重法测定土壤含水量, 把样品置于铝盒中, 称取鲜土质量, 于105 ℃下烘干至恒重, 分别称取干土质量和铝盒质量。

(1)式中:为土壤含水量(%) ;1为土壤鲜质量(g);2为土壤干质量(g)。

土壤水分的变化程度采用变异系数表示。

(2)式中:C为土壤水分变异系数 ; σ2为土壤含水量测定样本标准差;为土壤含水量测定样本平均值。

2.3.3 土壤含水量与环境气象因子间关系模拟

将试验获得的土壤含水量利用线性回归模型方程分析。

计算的表达式为:=a0+a11+a22+ a33+a44+……+a99(3)

(3)式中:代表土壤含水量; a为模型参数;1代表降水量;2代表月平均气温;3代表空气相对湿度;4代表代表5 cm温度;5代表20 cm温度;6代表50 cm温度;7代表100 cm温度;8最高气温;9代表最低气温。

3 结果与分析

3.1 年降雨量分布

2015年1月至12月的降雨量如图1所示, 全年降雨量达到1191 mm, 低于常年降雨量(1806 mm), 属于偏旱年份。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月出现2个降雨量峰值。

3.2 低割龄橡胶林土壤水分动态变化特征

3.2.1 低割龄橡胶林土壤水分季节变化特征

根据公式(1), 计算土壤水分含量。试验数据分析结果表明, 土壤水分季节变化明显, 低割龄橡胶林、空旷地土壤含水量最大值分别为20.87%、21.79%; 含水量最小值分别为9.12%、8.05%, 最小值与最大值之间分别相差2.3倍、2.7倍。从图1可以看出, 本地区降雨时间主要集中在5月至10月间, 一年中的湿季(5—10月)和干季(11—4月)的变化较为明显。低割龄橡胶林、空旷地在全年内均出现2个土壤含水量的峰值, 并且空旷地土壤水分季节变化幅度明显剧烈于低割龄橡胶林。

图1 常年平均月降雨量和2015年月降雨量.

图2 低割龄橡胶林土壤含水量月度动态

图3 空旷地土壤含水量月度动态

3.2.2 土壤水分垂直变化特征

根据公式(2), 计算获得土壤水分变异系数。低割龄橡胶林土壤水分变化剧烈程度随土层深度加深逐渐降低, 变化最大的集中在20—40 cm, 而空旷地土壤水分变化剧烈程度随着土层深度加深逐渐降低, 变化最剧烈的集中在0—20 cm, 低割龄橡胶林与空旷地的土壤水分变异, 两者相比较而言, 0—40 cm的土层差异最大, 后者水分变化剧烈程度明显高于前者(表1)。

3.2.3 影响低割龄橡胶林土壤含水量的气象因子模拟分析

利用回归分析, 对低割龄橡胶林土壤含水量与环境因素之间进行回归模拟, 采用SPSS分析软件, 模拟土壤水分分含量与环境因子的回归方程如下:

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

回归方程(4)的复相关系数值为0.854, 经检验,值为1.008, 相伴概率Sig.值为0.556。

采用逐步回归分析方法, 找出影响低割龄橡胶林土壤含水量的主要环境因子, 得出方程:

=12.342+0.0171(5)

回归方程(5)的复相关系数R值为0.679,检验值为8.558, 相伴概率Sig.值为0.015, 关系显著, 说明降水量对低割龄橡胶林土壤含水量有显著影响。

4 讨论

橡胶林水分循环问题, 近年来已成为生态学研究的焦点和热点[11—16]。橡胶林土壤水分是橡胶林水分循环中重要一环, 是橡胶林生态系统研究工作的基本组成部分。有研究表明, 西双版纳热带植物园内的橡胶林含水量最高值出现在8月, 最低值出现在3月份[8], 李一鲲研究结果显示, 西双版纳澜沧江河谷及坝区的低山丘陵橡胶林0至100 cm的土层深度的含水量最低值出现在3月, 最高值出现在6月[17]。该研究结果表明, 海南西部低割龄橡胶林土壤水分季节变化最高值出现在9月份, 最低值出现在3月份。由于自然降水是西双版纳橡胶林和海南西部地区低割龄橡胶林土壤水分的唯一来源, 那么, 受自然降水的影响, 土壤水分普遍存在着年内季节变化现象。土壤水分季节变化反映了一年当中时间序列上土壤水分状况, 因此可作为橡胶林及其林下植被抚育管理的一项参考依据。

表1 低割龄热研7—20—59橡胶林地与空旷地土壤水分垂直变异系数的比较

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

低割龄橡胶林土壤水分垂直变化特征表现为, 随土层深度的增加, 土壤含水量逐渐升高, 浅层土壤含水量变化剧烈程度大于深层。Liu等通过对西双版纳不同地形的树龄20 a的橡胶林土壤水分变化进行了研究, 其结果表明, 橡胶林土壤水分随着土层深度不同而存在差异, 但随着土层深度增加橡胶园土壤含水量呈现下降趋势[18]。上述土壤含水量随着土层深度增加呈现截然不同的变化趋势, 可能与选择的研究区域不同有关。

土壤系统是一个开放系统, 其土壤水分状况受到环境因素的影响。一些研究结果表明, 土壤水分的季节动态变化受到降雨、空气温度、蒸发量等环境因素的影响[19—21]。而本研究的逐步回归分析结果表明, 在空气温度、空气相对湿度、最高温度、最低温度、降水量、地下土壤温度等因子中, 降水量是影响海南西部低割龄橡胶林土壤含水量季节变化的主要气象因子。巩合德等的研究结果表明, 降雨是影响哀牢山常绿阔叶林土壤含水量季节变化的主要因素[22]。另外, 本研究也表明, 与空旷地相比, 海南西部低割龄橡胶林具有降低土壤含水量变化剧烈程度的作用。

本研究仅以海南西部地区的低割龄橡胶林为例, 研究了7割龄橡胶林土壤水分季节变化动态规律, 所得结果是否适用于其他地区以及不同割龄的橡胶林土壤水分季节变化, 有待进一步深入探讨。

5 结论

本研究的结论如下:

(1) 低割龄橡胶林土壤水分具有季节变化特征。

(2) 低割龄橡胶林与空旷地相比, 具有降低土壤水分季节剧烈变化程度的生态功能。

(3) 在所研究的土层深度内, 低割龄橡胶林土壤水分具有随土层深度增加土壤含水量逐渐升高的变化特征, 并且浅层土壤含水量变化剧烈程度大于深层。

(4) 构建了低割龄橡胶林土壤含水量与降水量之间的响应模型=12.342+0.0171,降水量是影响低割龄橡胶林土壤含水量季节变化的主要气象因子。

致谢: 我们感谢现代农业产业技术体系建设专项(CARS—34—ZP3); 海南省自然科学基金(2016 4172): 中国热带农业科学院橡胶研究所基本科研业务费专项(1630022015012)为本研究提供的资金支持。我们同时感谢赖华英女士、刘海光先生、陈少银女士, 研究生邱育毅和黄先寒等为本研究工作提供的帮助。我们还要感谢中国热带农业科学院橡胶研究所的周建南先生, 他为本文的英语和手稿的语法编辑提供了帮助。

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祁栋灵, 孙瑞, 谢贵水, 等. 海南西部低割龄橡胶林土壤水分季节变化特征及其对气象因子响应研究初报[J]. 生态科学, 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

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-34-ZP3); 海南省自然科学基金(20164172): 中国热带农业科学院橡胶研究所基本科研业务费专项(1630022015012)

祁栋灵(1979—), 男, 硕士, 副研究员; 主要从事应用生态学方面的工作, E-mail: donglingqi@163.com

吴志祥(1970—), 男, 博士, 副研究员, 主要从事热带作物栽培生态与农业气象生态工作, E-mail: zhixiangwu@catas.cn