海南儋州橡胶林土壤水分变化及其对气象因子的响应特征①

耿思文 吴志祥 杨 川

(1 海南大学林学院 海南海口 570228;2 中国热带农业科学院橡胶研究所 海南海口571101;3 农业农村部儋州热带作物科学观测实验站 海南儋州571737)

水分循环是生态系统中能量和物质循环的重要载体，土壤水是植物水分以及营养物质的来源，对保障植物生存有重要作用。土壤水分的变化会引起土壤性质的变化，进而影响植物生长发育［1-2］。热带天然橡胶人工林作为热带人工林生态系统之一，对改善土壤水分、调节小气候有着重要的意义［3］，但橡胶树的生态功能作用一直备受质疑［4］。土壤水分是影响橡胶树产胶和生长的关键因素，橡胶树在旱季受到的干旱胁迫常常严重影响树体的生长以及胶水的产量［5］。海南岛橡胶林多为单一群落，相比群落丰富的天然林，在涵养水源、土壤维持、生物多样性方面功能性较差［6］。补充和深入探讨橡胶树群体与生态因子之间的关系及胶园环境变化等系统研究，是橡胶林生态系统健康和可持续发展理论的基础。深入分析橡胶林土壤水分特征，了解橡胶林土壤水分变化特征以及对环境因子的响应规律，对热带人工橡胶林的高效经营和可持续发展具有重要意义。土壤水分的时空变异规律主要受到气象因子的影响，不同植被类型的土壤含水量对气候的响应以及对土壤水分的利用存在差异。如Cho 等［7］研究认为，土壤含水量与日平均降水量呈正相关，与日照、气温等呈负相关；而徐勇峰等［8］认为，日平均土壤温度和日平均相对湿度对土壤水分的影响最为明显；黄土高原的人工刺槐林在生长期内的土壤含水处于亏缺状态［9］，而西双版纳橡胶林在生长期内降水丰沛且主要吸收浅层地表水，对深层土壤水分影响不大［10］。本试验以海南儋州中国热带农业科学院实验农场三队人工橡胶林为对象，借助森林梯度观测系统，研究橡胶林生态系统的土壤水分变化特征以及对气象因子的响应规律。

1 材料与方法

1.1 材料

研究地点位于海南省西部中国热带农业科学院试验农场三队，农业部儋州热带农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站内（19°32′47″N，109°28′30″E），海拔高度为114 m，地形平坦，年均温23.5～24.1℃，属典型热带海岛季风气候，受热带季风影响旱雨季分化明显，一年当中5～10月份是雨季，11月至翌年4月为旱季，年均降水量约1 600 mm。样地所在的橡胶林品系为热研7-33-97，2001 年 种 植，2008 年 试 割，2009 年 正 式 开割［11］。试验区土壤为砂质粘壤土，土层厚度约100 cm。胶林结构单一且分层明显，上层为橡胶林乔木层，林冠高度20 m 左右，下层为林下草本层，高度0.5 m 左右。A 塔样地林下种植鹤望兰（Strelitzia reginaeAiton）做为林下经济花卉研究，其余自生草本植物主要有弓果黍（Cyrtococcum patens）、山麻杆（Alchornea rugosa）、露籽草（Ottochloa nodosa）、竹节草（Chrysopogon aciculatus）、杯苋（Cyathula prostrata）、含羞草（Momosa pudica）等［12］。

1.2 方法

1.2.1 数据获得

利用试验样地内设置的森林梯度观测系统［11］，获取2017 年1 月1 日至2018 年12 月31 日两年内的研究数据，主要观测内容有日平均气温、日平均相对湿度、日降水总量、日平均风速、日均净辐射、日平均地面温度、不同深度土壤温度和不同深度日平均土壤体积含水量。样地内分设高50 m的A、B 两塔，塔上相关仪器设置包括：地温观测仪获取土壤温度数据（TCAV-L，美国Campbell 公司），利用安装在地表以下2、5、20、50、100 cm处的温度传感器（109，美国Campbell 公司）进行测定；土壤热通量板（HFP01，荷兰Hukseflux 公司） 和3 层土壤湿度传感器（CS616-L，美国Campbell 公司）安装于地下5、20、50 cm 处，以收集土壤热通量和土壤水分等相关数据；3 杯风速仪（Met 010C-1，美国Met One 公司） 和温湿计（HMP45C，芬兰Vaisala 公司）构成七层的风速和温湿度垂直梯度观测系统安装在观测塔1.5、6、10、15、33、41、50 m处；25 m处设置有太阳辐射和反射辐射（长、短波）及净辐射观测的传感器（CNR-1，荷兰Kipp&Zonen 公司）；另外，在胶林群落冠层以上和林内地表层设置了2层（1.5和30 m）红外温度传感器（IRR-P，美国Apogee 公司），对植物冠层表面和地表温度进行监测。各类数据使用采集器（CR3000，美国Campbell 公司）收集、存储［11］。

1.2.2 数据处理及分析

首先进行质量控制和插补处理获得有效数据，利用Excel 2018 和Origin 9.0 软件进行数据整理和图表绘制。资料完整性较好，仅2017 年7 月24日至8 月3 日共计11 d，由于土壤传感器故障，土壤温度数据缺失，不参与分析。采用相关分析方法，利用SAS 9.2 软件进行不同气象因子与土壤水分之间的相关分析，包括日降水量（x1）、日均地表温度（x2）、日均1.5 m 空气湿度（x3）、日均

1.5 m水汽压（x4）、日均1.5 m风速（x5）、日平均土壤热通量（x6）、和日均净辐射（x7），将土壤含水量作为因变量，气象因子作为自变量，进行多元逐步回归分析，并筛选出具有显著影响的气象因子，以此建立最优回归方程。

2 结果与分析

2.1 橡胶林气象环境因子年变化

2017 年1 月至2018 年12 月气象环境因子变化情况如图1所示。年均降雨量为1 534.65 mm，略低于往年平均水平。降雨主要集中在5～10月份，约占全年降雨量的81.59%。2017年降雨峰值出现在7月，2018 年有两个降雨峰值，分别为7 月和9 月。风速高的时段主要出现在旱季，且波动较为剧烈，而雨季时大气流动较为缓慢。净辐射在年尺度上也呈现明显的单峰型，峰值出现在8月份前后，最低值在1月份前后。地表温度、各不同深度土壤温度的变化与净辐射变化趋势基本一致，同样在年周期上呈现单峰型，峰值出现在8 月份前后，5～10 月间较为平缓，11 月至翌年4 月波动幅度较大。2 cm 土壤温度波动最大，波动区间约为13.0～27.5℃；100 cm 土壤温度波动最小，约为19.5～26.0℃。2、5 和20 cm 土壤温度变化趋势一致，50和100 cm 土壤温度的峰值和谷值时间略滞后于其余3层。2、5和20 cm的土壤温度在雨季近乎相同，而在旱季出现差异化，随土层由浅到深温度呈梯度上升；50以及100 cm在4～10月期间低于浅层土壤温度，而在10月至次年3月高于其余3层。

2.2 橡胶林土壤水分变化特征

2.2.1 橡胶林土壤水分季节变化特征

土壤含水量的变化与降水、净辐射等变化趋势一致，具有显著的年际周期性（图1）。试验数据表明，土壤含水量季节性变化明显，受降水的影响，雨季土壤含水量普遍高于旱季。三处不同土层的含水量均呈现“W”型变化，一年中出现两个主要峰值，分别位于9 月和12 月，其中降水均为导致出现峰值的重要因素。土壤含水在由雨季过渡到旱季过程中呈平稳缓慢下降的趋势，并在每年雨季到来之前，即3月份前后达到最低值；进入雨季后，土壤含水量在九月前后达到峰值，3～9 月期间，3 个土层深度的含水量均保持波动上升态势（图1）。在观测仪器埋设深度范围内，年均土壤含水最小值为12.3%，出现在3月20 cm处；年均最大值为31.6%，位于9 月5 cm 处。含水量降低的原因除旱季降雨量少以外，也与橡胶树自身生长节律有关，2～3 月是橡胶树新旧叶更替的抽芽期，耗水量增大，因此土壤含水量最低。2～4 月期间50 cm 土壤含水量最高，峰值为15%～18%，此时由于降水匮乏，树体生长吸收水分，50 cm 土层的水分成为林下土壤水的主要来源；6～11 月期间多为5 cm 土壤含水量最高，25%～31%；当出现持续多天的大规模降雨时，50 cm 的含水量会在短期内超过5 cm的地表含水量。

2.2.2 橡胶林土壤水分典型日变化特征

选取一年中不同特征月份（3、6、9、12 月），利用30 min 尺度数据对5 cm 的土壤含水量平均值进行日尺度分析。如图2所示，由于气象条件和生物因素都较为稳定，旱季（3月和12月）的土壤含水量日变化呈明显的单峰形，曲线平滑。3 月份在0～5 时曲线逐渐下降，最小值出现在4：30～5：30 前后，此后土壤含水量不断增加，峰值在14 时前后出现，约为16.53%，一天内土壤含水量的变化小于0.1%；12 月份在3：00、5：00 以及8：30前后分别出现一次短暂的停滞，峰值在中午12 时前后出现，约为22.9%，一天内土壤含水量的变化幅度约为0.9%。在雨季中由于气象因素的不稳定，土壤含水量的变化规律并不明显，其中6月份一天中存在两个主要峰值，分别在4：30 和8：00，含水量分别为24.05%和24.55%；9 月份一天中含水量并无太大变化，波动范围小于0.35%，但在2：00～7：30 含水量持续下降。由于夜间的橡胶林蒸散均在0 值附近波动［13］，土壤水分消耗较少，处于积蓄过程；日出后随着光照强度增大，植物蒸腾耗水以及土壤蒸发逐渐增强，在午后对土壤水分的消耗达到最大，此时土壤中水分的消耗速度大于补充，因此含水量开始由峰值回落。

2.2.3 橡胶林土壤水分垂直变化特征

土壤含水垂直梯度变化明显，2～6 月土壤含水量随土层深度增加而增加，其余时间5 cm 层土壤水分含量一直处于最高状态；11月至次年1月各土壤深度含水量均缓慢降低，且50 cm 土层降低速度最为缓慢，并在2 月份成为含水量最高的土层。50 cm 土壤含水量在2～5 月期间高于5 cm 处，6 月至次年1 月则相反，而20 cm 处含水量几乎全年保持最低水平，仅少数时间（如3、4 月份）与其他土层接近或持平。相比20 和50 cm，表层的5 cm 土壤水分主要受气象因素影响，波动最为剧烈，波动范围在13%～27%；深层土壤则影响因素较少，相对稳定，波动范围为16%～22%。雨季期间各土层的波动趋势近乎一致，含水量由高到低依次为5、50 和20 cm，且波动剧烈；旱季时曲线变化平缓，降至最低水平时5 与20 cm 含水量基本相同，均低于50 cm含水量。

2.3 气象因子对土壤水分变化的影响

对海南岛西部橡胶林土壤水分与各气象因子进行相关性分析表明，不同土壤层次对气象因子的响应存在差异，5 cm深处影响含水量的主要因素有日降水、日均地表温度、日均风速以及日均净辐射（表1），达极显著水平，相关系数分别为0.201 1、0.226 9、-0.323 3 和-0.218 7 （p＜0.01）；在20 cm 土层深度处与日降水、日均地表温度、日均风速以及日均净辐射同样呈极显著相关，并且同时受到土壤热通量的影响，相关系数为-0.352 9（p＜0.01）；50 cm 土壤层受降水的影响较弱。各层土壤水分对空气湿度以及水汽压亏缺不相关，但50 cm 会受到空气湿度的影响，呈负相关。

表1 海南岛西部橡胶林不同层次土壤水分与气象因子的相关性分析

根据不同深度土壤含水量和各气象因子的数据，利用多元逐步回归分析进行深入量化，建立对应各层深度土壤的最优多元回归方程，得到表2。3 个方程均达到极显著水平，其中对土壤含水量影响程度最大、并且同时作用于3层土壤的因素是日均地表温度（x2）以及日平均风速（x5），日均地表温度与土壤含水量呈正相关，日平均风速与土壤含水量呈负相关；其次是降水、土壤热通量净辐射等因素。

3 讨论与结论

3.1 讨论

表2 海南岛西部橡胶林不同层次土壤水分与气象因子的逐步回归分析

土层/cm 5 20 50多元回归方程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**

橡胶林土壤含水变化具有十分明显的时空尺度特征，在年尺度上变化明显，呈现两个峰值。按照王贺年等［14］、赵荣玮等［15］对土壤水分动态的划分，本研究中积累期在4～8 月，该段时间内密集大幅度的降雨为土壤提供了充足的水分来源，但同时胶树的主要生长期也需要消耗大量的水分；消退期为9～11月，这段时间内降水减少，气温逐渐降低，土壤含水量缓慢下降；稳定期为12～1月，这段时间气温较低，空气湿润，胶树生长反应弱，虽然没有大规模降雨但土壤水分依旧能够保持相对平衡的状态；消耗期为2～3 月，这段时间气温回升，胶树开始抽条生长，且降雨补充的水分十分有限，因此对土壤含水的消耗较大，使得该时段土壤水分处于全年最低状态。本研究中土壤含水量峰值出现在9 月份，最低值在3 月份，与西双版纳胶园的研究结果基本一致［16］。徐勇峰等［8］研究结果显示，洪泽湖杨树林湿地的土壤含水量峰值出现在7 月，而最低值出现在9 月，谷值的时间存在较大差异，可能与杨树林的生长习性以及当地气候特征有关。而峰值出现的时间都与处在降水丰沛的月份，因此降水是影响林下土壤水分季节性变化的重要因素之一［17］。

影响土壤水分的气象因子主要有地表温度、风速、降水、土壤热通量、净辐射和空气湿度等。地表温度与土壤含水量呈正相关的主要原因是试验地雨热同期的气候特征，高温导致的土壤水蒸发远小于降雨对土壤水分的补充。土壤热通量对表层土壤含水没有明显影响而主要集中在中下层；在旱季中风速成为影响土壤含水的主导因素，风速主要加快植物蒸腾和土壤蒸发，使得表层土壤水分流失，同时橡胶林蒸腾耗水使深层土壤的水分向地表方向补充［18］，在旱季后期对深层土壤的水分利用急剧增加［10］。因此表层土壤含水量最容易受到降水、气流、温度等的影响而急速增加或减少，而深层土壤主要由于气象因子作用于植物从而消耗水分，影响垂直方向含水量梯度［19］，且橡胶林在海南西部作为落叶树种，更容易吸收深层土壤水分［20］。同时也由于橡胶林垂直结构单一，气流更容易穿过林冠层，因此以上两点成为影响土壤含水减少的重要因素。凋落物以及林下草本也会对土壤表层蓄水起到一定的作用，增加持水的同时也能减少蒸发［21］。

20 cm 的土壤层含水量全年处于较低水平，这与橡胶树的根系分布有关。橡胶树根系分布于浅层地表，主要吸收表层土壤（＜30 cm） 的水分［10］，而橡胶树生长季与雨热季重合，雨季时降水对土壤水分的补充主要集中于表层土壤并且迅速被树体吸收消耗，导致降雨对土壤含水量的影响主要集中在20 cm 以上的土壤，这种重复交替的降水补充和消耗也是导致雨季土壤含水持续齿状波动的原因。曾欢欢等［23］更加具体描述了橡胶林生长的耗水层，在雨季的水分来源主要为0～5 cm土壤水（81.6%），干季主要利用5～15 cm 土壤水（49.6%）。深层土壤波动平缓，是由于气象因子对深层土壤的影响比表层土壤有限、或只能通过表层土壤以及植物耗水间接影响导致。

何兴潼等［24］的研究结果显示，气象要素对土壤水分影响具有滞后性，约为10～30 d，而橡胶林对气象要素的响应滞后远小于上述结果，这与橡胶林的根系分布于浅层土壤，且能够对水分迅速吸收利用有关［10］。导致滞后的出现是多种气象因子综合影响的结果。滞后主要表现为进入雨季后土壤水分的增长区间的出现落后于降雨量，且土壤含水量的峰值也落后于降雨量出现，滞后约0.5～1 d；土壤水分增加时反应速度较快，而土壤水分回落的过程相对迟缓，大约在进入旱季2～3 个月后土壤水分恢复到当年雨季前的水平。

3.2 结论

海南岛西部地区橡胶林土壤含水量变化具有明显的时空特征，降水、地面温度、风速、净辐射以及土壤热通量是影响土壤含水量的最主要因素，其中降水仅对于浅层土壤（0～20 cm）有显著影响，土壤热通量仅对深层土壤（20～50 cm）有显著影响。时间尺度上，由于气候导致的季节性降水，以及旱季丰富的空气对流，使得橡胶林土壤水分具有显著的季节变化特征。空间尺度上，土壤含水量在垂直方向上随土壤深度的增加而逐渐升高，但根系分布层含水量明显低于深层和表层；表层含水量直接受气象因子影响，波动剧烈，只有土壤热通量因子能够直接影响深层土壤含水量变化，其余因素都要通过上层土壤间接传递，因此波动幅度较小。土壤水分减少的过程比水分增加的过程缓慢，说明旱季时橡胶林对水土保持起到了一定的作用。种植林下植被，经营丛林式橡胶园［21，25］，不仅能够有效减少水汽蒸发，还可以提高表层土壤熟化程度，促进养分物质的转化与利用［26］，对增强橡胶人工林的生态价值有积极影响。