海南儋州地区橡胶林叶面积指数月动态研究

陈帮乾 吴志祥 杨川 祁栋灵 李香萍 兰国玉 谢贵水 陶忠良 孙瑞 肖向明

摘 要 叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是描述植被冠层结构的重要参数，它对分析橡胶光合潜力、预测产量和评估灾害都具有重要意义。本研究利用LAI-2000获得了海南儋州两院地区30个橡胶林连续2年半的LAI月动态。结果表明：（1）橡胶林LAI最小值出现在1～2月的落叶季，最小值为（0.54±0.14）m2/m2；随后的第一篷叶抽叶期（3～4月），LAI快速增长，4月底平均值增至3以上[最大观测值为（4.48±0.82）m2/m2]，平均占全年最大LAI的77.75%；之后增长趋于缓慢，至9月底达到年度最大值，最大观测值为（5.27±0.79）m2/m2。（2）LAI年际差异较大，平均LAI相差可达1以上，影响因素主要有年际物候差和台风灾害等；（3）不同年龄的橡胶林之间LAI存在差异，在第一篷叶期间，平均LAI为老龄橡胶林（>20龄）>幼龄及初开割林（≤10龄）>中龄橡胶林（11～20龄），而在之后至落叶前期，平均LAI次序为幼龄及初开割林>老龄橡胶林>中龄橡胶林。

关键词 叶面积指数 ；月动态 ；橡胶林 ；海南

分类号 S794.1

Monthly Dynamics of Leaf Area Index of Rubber Plantation

in Danzhou， Hainan Island， China

CHEN Bangqian1，2） WU Zhixiang1） YANG Chuan1） QI Dongling1）

LI Xiangping2） LAN Guoyu11） XIE Guishui1） TAO Zhongliang1）

SUN Rui1） XIAO Xiangming2）

（1 Rubber Research Institute / Tropical Cops Investigation & Experiment Danzhou Station

of Ministry of Agriculture， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， P. R. China

2 Institute of Biodiversity Science， Fudan University， Shanghai 200438， P. R. China）

Abstract Leaf area index （LAI） is an important parameter in description of the vegetation canopy structure， and is of vital importance for photosynthetic potential analyzing， yield prediction and disaster assessment in rubber plantations. In this study， LAI-2000 was used to measure the monthly LAI of 30 rubber plantations in Danzhou City， Hainan Island， China for more than two years. The results show that the minimum LAI （0.54±0.14） was found in late January and February， when most rubber trees had shed their leaves due to the cold temperature and dry weather. Subsequently， the LAI of rubber plantations increased significantly in March and April， then slowly increasing until reached the maximum value in late September， which had a value of （5.27±0.79） in 2013. By the end of April， the average LAI increased to three or more， and accounts for about 80% of the total annual maximum LAI. However， the average LAI is differing largely among different years， mainly due to the inter-annual phenological difference and natural disasters such typhoons. In addition， the mean LAI differs at different age groups. The order of mean LAI in March and April is aged rubber plantations （>20 years） >young rubber plantations （≤10 years）>mid-aged （11～20 years） rubber plantations. However， the LAI of young rubber plantations would exceed the aged rubber plantations after April because they are seldom bearing latex tapping and almost of their nutrient are used for biomass accumulation.

Keywords leaf area index ； monthly dynamic ； rubber plantation ； Hainan

植被叶面积指数（Leaf Area Index， LAI）通常指单位土地面积上所有叶片表面积的总和，或单位面积上植物叶片的垂直投影面积的总和[1]。LAI是植被冠层结构的一个重要参数，叶面积的大小及其分布直接影响着植被的许多生物物理过程，如光合呼吸、蒸腾和降水的截获、碳能量等[1-4]，同时它也是确定陆地生态系统物质和能量交换大小的一个重要参数。LAI还影响冠层小气候，包括风、温度和湿度等，小气候不仅影响着植被本身状况而且还影响其它生物体，例如害虫和病原体等，因而对病虫害监测也非常有意义[5-9]。此外，森林的LAI也是表征林分长势和预测森林产量的重要林学指标之一[10]。

巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）是大规模种植的产胶树种，在中国总面积超过110万hm2。因此，开展橡胶林LAI动态研究，对分析橡胶林光合潜力，产量预测和灾害评估等都具有非常重要的意义。国内外学者很早就涉及橡胶林LAI的研究。胡耀华等[11]采用分层采叶样的方法计算LAI，并以此为参数研究橡胶林的群体光合作用模型；Leong等[12]采用半球摄影法研究橡胶林的LAI和透光性，并以地面测量数据进行结果验证，表明二者具有良好的相关性，建议利用该方法估算橡胶林LAI和冠层透光性；Righi等[13]通过LAI-2000测量LAI的变化来观察橡胶林的物候行为，结果表明， LAI受胶园的设计如种植密度、树龄、是否间种等因素影响。此外，无论是间种豆类植物还是单一栽培，橡胶产量与LAI严格正相关，但间种豆类的橡胶林LAI明显高于单一栽培，测量值在2～4 m2/m2，并建议把LAI作为管理割胶强度的一个指标，以此达到高产的目的。Rodrigo等[14]在幼龄胶园开展间种不同密度的香蕉对比实验中，应用LI3050叶面积测量仪测量橡胶树LAI，发现随着香蕉种植密度的增加（从1行增到3行），橡胶树LAI、总干物质量逐渐增加，增加种植密度对橡胶和香蕉的生长都没有不利影响。Balsiger等[15]的研究也表明，开割胶园最大LAI可达6～7 m2/m2。陈帮乾等[16]研究了从HJ-1A/1B CCD多光谱遥感影像中反演橡胶林LAI的方法，表明自回归神经网络NARX模型在LAI时间序列预测方面具有不错的预测效果。本研究拟以海南最大的植胶基地——儋州地区的橡胶林为例，基于长期定点观测的LAI数据，分析海南橡胶林LAI的动态变化规律，为今后橡胶林长势监测、产量预测和灾害评估等提供基础数据，促进天然橡胶产业的健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在中国热带农业科学院试验农场（简称“试验场”），地理坐标为19°30′N，109°29′E，位于儋州市境内（图 1）。试验场海拔130～200 m，属热带海洋性季风气候，全年温暖湿润，年平均气温23～27℃；年平均降雨量1 800 mm，每年5～10月为雨季，约占全年总降水量的80%。该试验场拥有土地面积3 299 hm2，其中橡胶种植面积1 529 hm2[16]。于2012年在试验场随机布置30个橡胶林段，空间分布如图1所示。林段面积在1.16～14.48 hm2。林段树龄最小为7龄，最大30龄，平均16.2龄，其中<10、11～15、16～20、21～25和>25龄的林段个数分别为7、8、7、3和5个。橡胶品系主要为热研7-33-97（18个林段），其余部分为PR107、RRIM600和热研7-20-59。

1.2 LAI数据测量

LAI-2000冠层分析仪被用于测量橡胶林LAI。LAI-2000测量的结果实为有效叶面积指数，此处简称为LAI。野外数据测量从2012年3月开始，以月为步长测量至2014年3月（2年整），随后在2014年5月和7月各测量1次，之后因仪器故障中断。测量时间为每月25号左右，选择无云的早上（8：30以前）和下午（4：30以后）或全阴天进行测量。每次测量时，在林段外的开阔地（离水平面30度视角范围内无高大遮挡物）连续测量8个A值代替冠层上方辐射值，然后在待测林段根据面积大小测量24～36个B值（冠层下方辐射值），结束后快速返回开阔地再次测量8个A值，保证每个实验林段拥有2个A值，尽量控制每个林段的测量时间在15 min以内。测量B值时，沿橡胶林行对角线进行测量，至少2个重复，每2个B值采样距离不低于5 m。为防止边界效应，确保测量方向内离边界有2倍树高的最小距离。若有太阳光，应利用身体阴影挡住鱼眼镜头。

1.3 LAI数据处理与分析

测量原始数据采用FV-2200分析软件进行处理。FV-2200能够同时处理LAI-2000和LAI-2200的数据。理想情况是同时使用2台仪器测量，1台用于在林段外空旷地连续测量A值，另1台在林段内同步测量B值，这样保证每个B值拥有一个相应的A值。由于本实验过程只有1台仪器，因此假定在每个林段的测量时间内冠层上空的辐射（A值）呈线性变化[17]，通过首尾A值插值的方法来为每个B值生成一个A值，这样可以提高测量精度。数据处理前，将每个林段测量的2次A值分别进行平均，以平均值代表测量前后的A值。已有研究表明，去掉LAI-2000最后2个环（47～58°和61～74°）测量数据后计算的LAI更适合阔叶物种[17-19]，因此，本研究也只使用前3个环的观测数据来计算橡胶林LAI。

使用FV-2200完成LAI计算后，统计全部试验样地林段LAI的平均值和标准差，分析橡胶林LAI月动态；以10年为步长，分析不同年龄段橡胶林LAI月动态。统计分析在Excel 2013中进行，图形绘制在Origin Pro 9.0中完成。

2 结果与分析

2.1 橡胶林LAI月动态

图2 所示为海南儋州两院试验农场30个橡胶林段LAI月动态，误差线为标准差。连续2年多的数据表明，2月LAI最低，2013年平均LAI接近1 m2/m2，2014年1月和2月的LAI均低于1 m2/m2，其中2月LAI均值为（0.54±0.14）m2/m2。从2月底至3月底，橡胶林LAI迅速增加，在2013年和2014年分别增至（3.87±0.81）和（3.90±0.71）m2/m2，但2012年3月LAI值偏小，为（2.17±0.63）m2/m2。此外，4月份LAI也有一个较快的增长，进入5月后增长速度趋于平缓。2012和2013年最大LAI值均出现在9月底，数值分别为（4.23±1.06）和（5.27±0.79）m2/m2，随后逐渐下降， 2013年LAI下降速度明显快于2012年。在2014年，7月的平均LAI（4.44±0.52）m2/m2明显低于5月数值（4.89±0.58）m2/m2。

表1为2012和2013年生长季内每月LAI以及2年平均值占全年最大LAI的累计百分比。数据表明，3月末平均LAI占全年最大LAI的62.40%，但年际差异较大，2012年为51.42%，2013年为73.38%，相差幅度为21.96%。至4月底，第一篷叶抽叶基本结束，平均LAI已增至全年最大LAI的77.75%，年际差异（70.12%～84.90%）进一步缩小。5月后海南开始进入雨季，同时橡胶林开始抽第二篷叶，持续至6月底或7月初。至7月底平均LAI已达全年最大LAI的91.71%，9月底均达到最大值。

2.2 不同树龄橡胶林LAI动态

图3为以10龄分组的不同树龄橡胶林平均LAI月动态。在2012～2014年3年间，老龄橡胶树（>20龄）的LAI在3月和4月最大，随后其平均值介于中龄橡胶树（11～20龄）和幼龄及初开割林（≤10龄）之间。幼龄及初开割林的LAI在5月后增长较快，并明显高于其它2个年龄段橡胶林的LAI。中龄橡胶林的平均LAI在全年几乎都是最小。在2013年2月和2014年1月，幼龄及初开割林的LAI均比其它年龄段橡胶林的LAI要大。此外，在2014年7月，不同树龄橡胶林的LAI均低于5月观测值，其中幼龄及初开割林的LAI下降最为显著。

海南橡胶林LAI在1～2月最低，其原因是在纬度较高的热带地区，橡胶林受干旱气候和冷空气影响，表现出落叶林的特征。海南橡胶林落叶主要集中在温度较低的1月和2月，多数年份集中在2月初至2月中旬，但不同年份落叶时间相差也较大（图2）。比如在2013年1月下旬，儋州两院地区大部分橡胶树几乎未表现出明显的落叶（图4-a），平均LAI为（3.27±0.85）m2/m2；但在2014年1月下旬，存于橡胶树上的叶量仅剩约10%～20%（图4-c），落叶几乎接近结束，平均LAI为（0.89±0.29）m2/m2。当橡胶树完全落叶后，影响LAI大小的主要因素是树干和枝条，称所测LAI为木面积指数（Woody Area Index， WAI）更为合理。2014年该地区橡胶树落叶最为完整，所以平均LAI明显低于2013年，为（0.54±0.14）m2/m2。2013年1、2月及2014年1月，均观察到幼龄及初开割林的LAI最高，其原因是幼龄及初开割林整体落叶时间要晚于其它年龄段的橡胶林，某些老叶甚至持续到4、5月才完全脱落。

如果无严重自然灾害，海南的橡胶树经过短暂的落叶休整后，多在2月底或3月初开始抽第一篷叶。第一篷抽叶对LAI的贡献度最大，至4月底平均LAI占年际最大LAI的77.75%（70.12%～84.90%，图4-b和4-d），这与何康等[20]的报道结果一致。在海南，橡胶林在3、5月初、7底至8月初有3次较明显的抽叶过程，其中第一篷叶抽叶占全年的80%左右[20]。至9月底抽叶基本结束，橡胶林LAI同时也达到最大值。本研究观测到的最大LAI为6.83 m2/m2，9月平均值为（5.27±0.79）m2/m2，这与Balsiger等[15]观测到橡胶林的最大LAI一致，但要高于Righi等[13]的观测结果。

不同树龄橡胶树的LAI月动态存在差异。老龄橡胶在3、4月的平均LAI最大，其原因是老龄橡胶林具有相对较大的冠层，在抽叶初期能充分利用光能实现迅速抽叶，实现LAI的快速增长。幼龄及初开割林，其落叶时间往往晚于其它年龄段的橡胶林，在一定程度上影响了整体抽叶，因此其LAI的增长速度及数值不及老龄橡胶林。幼龄及初开割林的冠层相对较小但枝条密集，不受或很少受割胶影响，其绝大部分养分能用于冠层和树干的增长[21]，因此老叶完全脱落之后的整体LAI比其它年龄段的橡胶林要高。11～20龄的橡胶树处于青状年期，也是许多品系的高产期，很大一部分养分将用于胶乳的生产，因此生长也趋于缓慢[21]，导致整体LAI不是很高。老龄橡胶树的产量逐渐降低，生物量的增长虽然缓慢，但累计生物量较大，冠层较大，所以LAI高于中龄橡胶树。

在图3不同树龄的LAI变化曲线中，生长季内有部分月份的LAI略低于前一月份，这可能是测量误差所致。尽管在测量过程中尽量保证仪器处于理想的工作环境中，但仍然有不少环境因素无法把控，比如测量途中天空中云量的突然增加。但是2014年7月LAI集体下降，是测量误差所不能解释的。按2012年和2013年的平均LAI曲线走势来看，2014年7月的LAI理应也呈增长趋势。引起LAI显著下降的原因是2014年7月18日在海南登陆的“威马逊”超级台风。威马逊是自1973年以来登陆华南地区的最强台风，所幸的台风重灾区海口和文昌种植橡胶很少，台风虽强但破坏区域半径不大，海南橡胶整体受损程度远不及2011年正面袭击的“纳沙”台风。尽管如此，强台风导致森林空间结构的改变[22]，如大量树叶和细枝的损失，刚好7月的LAI测量是在台风后的下旬进行，因此观测到了整体LAI的显著下降。幼龄及初开割林的LAI下降最为显著（图3），其原因是此时它们的LAI整体水平最高，所受台风影响也最大。Aosier等[23]之前的研究表明，LAI是从ASTER多光谱遥感影像中发现台风过后倒树的重要指标。根据本试验观测结果，建议将LAI作为衡量橡胶林台风灾害损失的重要指标，通过监测台风灾害前后LAI的变化，可从结构损失层面评估橡胶林台风灾害损失。

3 结论与讨论

本研究以海南儋州两院地区的橡胶林为例，利用LAI-2000连续2年多观察不同树龄橡胶林的LAI月变化，结果表明：橡胶林LAI在1～2月落叶季最低，随后快速增长，第一篷叶抽叶对全年LAI贡献度约80%。LAI在9月底达到峰值，最大观测值为（5.27±0.79），随后逐渐下降，12月或1月后急速下降。不同年龄的橡胶林LAI之间也存在较大差异，总体来说幼龄及初开割林的LAI最大，其次是老龄胶园，最后是中龄胶园。此外，橡胶林LAI还受自然灾害如台风的显著影响，严重自然灾害会有短暂的时间和大面积范围内显著降低橡胶林的LAI数值。本研究的结果能为研究橡胶林物候特征、生长状况、产量预测及灾害评估等提供基础数据。

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