濱海沙地木麻黃人工林土壤水分動態及有效性

[摘要] 以連續定位測定數據，對福建海岸帶木麻黃林地土壤水分動態及有效性進行分析。結果表明，木麻黃防護林土壤水分的季節變化分為5個時期：土壤水分積累期、土壤水分消退期、土壤水分緩沖期、土壤水分平穩期、土壤水分恢復期。土壤水分垂直變化在1m內垂直剖面上，水分變異系數都在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，在時間和深度上，中齡林土壤難效水出現的機率為90.8%，略低于幼齡林土壤（幼齡林為98.3%），相應中齡林土壤中效水出現的機率為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育的主要因子。

[關鍵詞] 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系統的主要生態因子之一，在植物生命活動中起著極其重要的作用，特別在干旱、半干旱地區，水分條件已成為林木生長的限制因子。對林地土壤水分動態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）作為東南沿海防護林體系的重要組成部分，在防風固沙、維護生態平衡、抵御自然災害及發展地方經濟方面發揮很大的作用。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]。對木麻黃防護林水分動態方面的研究未見報道。本文從森林生態系統管理的角度出發，采取生態系統定位研究的方法，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態及水分有效性進行研究，從水分角度探討林木生長與生態因子的關系，為沿海防護林的合理經營提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在惠安縣赤湖國有防護林場場部工區9a生和15a生木麻黃人工林中進行。林場位于福建東南沿海中部，東經 118°30′，北緯24°21′，屬于東南沿海平原地區，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林試驗基地，“九五”期間設有沿海防護林定位生態試驗站1個。

本區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，年蒸發量約2000mm。2001年降水量為749mm。降水量小，蒸發量大，干濕季明顯、干旱頻度大。年均相對濕度為20%，平均風速7.0m.s^-1，最大風速為32.6 m.s^-1，大風日數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積沙土、泥炭性風積沙土及風積黃沙土，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、中齡林試驗地中，選擇有代表性的林分，分別設25m×25m標準地3塊，每塊標準地選標準木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，以20cm分層，把土層分為0～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm，80～100cm 5個土層，3個重復。從2001年4月至2002年3月，每月15、30日采集土樣帶回實驗室分析。

1.2.2 土壤水分物理性質測定方法

土壤水分物理性質的數量特征采用環刀法測定。

1.2.3 林分生長量的測定

對標準地每木檢尺，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處用紅漆作標記，并進行編號，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

利用試驗地旁邊的生態定位觀測站，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 結果與分析

2.1 年降水量分布與林下土壤基本物理性質

2001年3月至2002年2月降水量數據見表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4、5月和9月兩個高峰。10、11兩個月嚴重干旱，滴雨不下。

本試驗中土壤水分物理性質測定是按土壤發生層次采集樣品的，從表2可看出：幼齡林、對照林中，土壤各發生層次的容重、孔隙度等物理性質差異不大，可能是兩者的土壤質地均為均一性風積沙土。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逐漸減小的趨勢。中齡林中土壤分為3個發生層次，其中第1層風積沙土和第3層紅壤性風積沙土的容重、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則表現出2層>3層>1層。

2.2 木麻黃人工林土壤水分動態變化特征

2.2.1木麻黃人工林土壤水分季節變化特征

天然降水是試驗試區土壤水分的唯一來源，由于本區降水主要集中在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(12～3月)。因此，土壤水分的年內變化十分明顯。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。全年出現兩個高峰。總體上土壤水分含量表現出中齡林土壤含水率高于幼齡林土壤含水率。這是因為兩者土壤質地不同造成的。中齡林土壤是由泥炭性風積沙土和紅壤性風積沙土組成，土壤容重大，孔隙度小，粘結，保水能力強，含水率相對較高，幼齡林土壤由均一性風積沙土組成，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。這種情況可能是因為前期降水量大，木麻黃處于生長旺盛期，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，降水極少，氣溫依然很高，海風較大，造成空曠地土壤水分大量蒸散消耗。

根據土壤水分測定資料的變化特點，結合氣候變化，可將土壤水分的季節變化劃分為5個時期。

(1) 土壤水分積累期。這一時期是從4月初到5月底，期間林木生長達到旺盛階段，土壤的蒸發和林木蒸騰作用都很強烈，但降雨量大，降雨時滲入土壤中的水量大于林地蒸發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到最大值，分別為12.68%、15.98%、30.62%。這一時期隨著降水量的增加，土壤含水量逐漸增大，故稱這一時期為土壤水分積累期。

(2) 土壤水分消退期。這一時期從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，林地蒸發和林木蒸騰仍很強烈，地下水位不斷下降，土壤中水分含量不斷減小，故稱這一時期為土壤水分消退期。

(3) 土壤水分緩沖期。這一時期從8月初到9月底。這期間氣溫很高，林木生長達到第二個旺盛期，林木蒸騰和林地蒸發消耗大量水分，但是降水量也迎來第二個高峰，9月份降水量達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日含水量出現低值，是因為后續降水稍不充分，大量的蒸發散量而使土壤水分含量降低，隨著后續降水的補充，使土壤含水率又開始回升。

(4) 土壤水分平穩期。這一時期從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損耗。土壤含水量雖逐漸減少，但變化不大，故稱這一時期為土壤水分穩定期。

(5) 土壤水分恢復期。這一時期從12月中旬到翌年3月。這期間氣溫較低，林木生長還沒開始，林地蒸發散量很少。但由于進入了春雨季節，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，為林木進入生長作好準備。故稱這一時期為土壤水分恢復期。

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重要標志。其值越大，說明水分虧缺越嚴重。根據研究表明，當土壤含水量降到田間持水量的60.00%～70.00%時，即K值為30.00%～40.00%時，就對林木生長產生不利影響。從表3可知，試驗區土壤水分K值多大于40.00%，表示水分虧缺嚴重。幼齡林地比中齡林地水分虧缺更為嚴重。幼齡林地的最大水分虧缺出現在11月(96.59%)，中齡林地的最大水分虧缺出現在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準差；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，土壤含水量越穩定。將試驗區各地類不同層次土壤含水量與相應的變異系數列于表4中。

從表4看出，試驗區土壤水分變異系數都在0.45以上，說明土壤水分含量變化很強烈。中齡林林地表層0～20cm的水分變異系數最大，其值為0.71，這一層的土壤水分變化最為強烈，20～80cm各層之間差異不大，但從單個值來看都比較大，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相差不大，主要是因為該林地土壤為均一性風積沙土，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都大于1，而且大于0～60cm各層。這種現象是由于5月和6月上旬降水量大，地下水位極高，有時近乎達到林地表面，這兩層土壤常常在高水位時，土壤含水量已達飽和狀態，從而造成水分變異系數特別大的現象。

空曠地各層次土壤變異系數相差不大。各層次的值都很大，說明土壤水分含量變化很強烈，這主要也是因為該空曠地土壤質地和物理性質同幼齡林地相似。

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

根據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行分級分析(李玉山，1983; 余新曉，1995; Beneck P，1985) ，結果如表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。主要原因是年降雨量只有平均降雨量的66.9%，屬于較嚴重干旱年份。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，林地強烈地蒸發，使得林地土壤水分長期處于生長阻滯含水量以下，嚴重影響林木的生長。

對一年中難效水、中效水、易效水出現的頻率進行統計得到，隨著深度的增加，中齡林土壤中效水出現的頻率在0-60cm土層內為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的頻率為90.8%，中效水出現的頻率為9.2%、易效水出現的頻率為0。幼齡林土壤水分難效水出現的頻率為98.3%，中效水出現的頻率為1.7%，易效水出現的頻率為0。

2.2.4影響土壤含水量的氣象因子模擬模型

土壤水分含量動態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態的主要氣象因子，并利用模擬方程對土壤水分狀況進行預測預報。

根據線性回歸模型來探討它們之間的關系：

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。

根據月半平均氣象資料，運用SPSS統計軟件，經計算機運行，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

復相關系數 R=0.814。

經F檢驗，F=2.56；相伴概率Sig.= 0.057，關系顯著。

通過逐步回歸，找出影響土壤含水率的主要氣象因子，得出方程：

F=-14.444+0.244X4+0.04105X5 ②

復相關系數 R=0.763。

經F檢驗，F=14.6，相伴概率Sig.=0.000，關系極顯著。

經F檢驗，復相關系數達到顯著水平，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系

土壤水分的動態變化對林木生長的影響極大。根據林木樹高、胸徑月生長量和土壤月平均含水量進行回歸擬合，方程如下，中齡林樹高與土壤含水量的關系：

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

復相關系數 R=0.83053，經F檢驗 F=3.70583，相伴概率Sig.= 0.0963，關系顯著。

中齡林胸徑與土壤含水量的關系：

Y=-0.067557+0.024871X-9.14E-04X2 ④

復相關系數 R=0.72077，經F檢驗 F=3.54364，相伴概率Sig.= 0.0979，關系顯著。

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

3 小結與討論

在福建東南沿海地區，雨量不均，干濕季節明顯，降水是限制木麻黃林木生長發育的主要因子。木麻黃人工林土壤水分季節動態可分為水分積累期（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）、水分平穩期（10月初到12月中旬）、土壤水分恢復期（12月中旬到3月）5個時期。土壤含水量與氣象因子關系密切，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。對林分土壤水分進行分析評價，其土壤水分基本上處于難效水狀態，在1m范圍內，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%，嚴重影響林木生長發育。

林地土壤水分狀況是決定木麻黃造林成效的關鍵因素。在海岸帶木麻黃防護林生態系統中，沙土結構疏松，持水性能差，養分淋溶快，養分歸還量少，土壤貧瘠。木麻黃林的水分管理應以地力維護為中心，以提高人工林生態系統生產力為目標，保持土壤水分的動態平衡。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態平衡值，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的人工林水分管理體系。

參考文獻

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