基于涡度相关系统的橡胶林生态系统蒸散研究

张晓娟 ，吴志祥 ，杨 川

（1. 农业部儋州热带作物科学观测实验站/中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737；2. 海南大学 环境与植物保护学院，海南 海口 570228）

基于涡度相关系统的橡胶林生态系统蒸散研究

张晓娟1，2，吴志祥1，2，杨 川1

（1. 农业部儋州热带作物科学观测实验站/中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737；2. 海南大学 环境与植物保护学院，海南 海口 570228）

基于农业部儋州热带作物观测实验站橡胶林涡度相关系统2013—2014年定位观测资料，分析了海南岛西部儋州地区橡胶林生态系统不同时间尺度蒸散量及其环境影响因子。结果表明：（1）橡胶林生态系统全年日蒸散变化特征为单峰型，雨季平均日蒸散量大于旱季，雨季平均日蒸散为3.69 mm/d，旱季平均日蒸散为1.45 mm/d。2013—2014年不同年份相同月份月累积蒸散量相差不大，2013年总蒸散量大于2014年。2013年1—2月，2014年1—3月降雨量远远小于蒸散量，橡胶林严重缺水。（2）日尺度上，蒸散与净辐射(Rn)、气温(Ta)、饱和水汽压差(VPD)呈正相关。相关性分析表明，日尺度上，净辐射(Rn)、气温(Ta)、饱和水汽压差(VPD)、5 cm土壤含水率(VWC)均是影响蒸散的主要环境因子。（3）月尺度上，蒸散随气温(Ta)升高先略有减小，再增大；蒸散随净辐射(Rn)、饱和水汽压差(VPD)的增大而增大。相关性分析发现，净辐射(Rn)、5 cm土壤含水率(VWC)为影响蒸散的主要环境因子。（4）年尺度上，橡胶林生态系统水分供应充足。尤其在橡胶林的主要生长季（5—10月），降雨量远大于蒸散量。年尺度上，环境因子对蒸散影响规律不明显。

蒸散；涡度相关；橡胶林；海南岛

蒸散（Evapotranspiration, ET）是陆地生态系统水循环的重要环节，是能量平衡的主要构成[1]，同时蒸散还是影响区域气候的主要因素[2]，它受环境（地形、温度、光照、土壤、降雨等）及生物（植被种类、群落结构等）多方面因素的影响[3]。了解各种影响因素对蒸散的作用机制有助于了解生态系统与气候的相互作用关系，从而为预测全球气候变化对生态系统生产力的影响提供依据[4-5]。森林是在陆地生态系统的主要构成部分，第八次全国森林资源清查结果显示全国森林面积为2.08×108hm2，人工林面积0.69×108hm2，人工林占全国森林面积1/3[6]，我国人工林是森林生态系统重要组成部分，也为区域气候调节起着重要的作用。因此学者们对人工林做了多方面的研究，包括能量平衡[7-10]、水量平衡等方面[11-14]。

蒸散研究方法有水量平衡法、能量平衡法、波文比法、蒸渗仪、涡度相关法等[9,15]，其中涡度相关法作为植被与大气间物质及能量交换长期连续观测最有效方法[16-18]，因此也逐渐成为森林蒸散研究主要方法之一[19-22]。由于我国不同地区气候条件不同，森林种类多，因此涡度相关法对森林蒸散研究结果也不同。但对于橡胶林生态系统蒸散，以往较多的是利用水量平衡法[23]，利用涡度相关法对橡胶林蒸散研究较少[24]。

橡胶林一方面作为我国热带地区重要的经济作物，另一方面也是热带地区主要人工林之一，对区域小气候形成具有重要作用。因此对橡胶林蒸散与环境因子相互作用机制的研究，既可以更好的了解橡胶林对区域气候的作用，又可以预测气候变化对橡胶林生产力影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

研究所选地点为农业部儋州热带作物观测实验站（19°32′47″N，109°28′30″E）。实验站位于海南省儋州市，当地地形相对平坦，高差较小，气候类型为典型的热带海岛季风气候。全年旱季雨季分明，雨热同期。年平均降雨量1 607～2 000 mm，降雨主要集中在5—10月份，尤其7—9月降雨最多，由于此时段为台风多发月。全年温差小，年均温21.5～28.5 ℃。土壤类型为砖红壤，且多为砂壤土。

实验站内为2001年种植的单一橡胶人工林，品系主要为7-33-97，林分结构单一，分为上下两层，上层为橡胶树构成的乔木层，下层为当年生及多年生草本构成的草本层。该研究选用实验站2013—2014年连续观测数据，对橡胶林不同时间尺度的蒸散量及其影响因子进行研究。

1.2 方 法

1.2.1 通量观测方法

实验站内建有微气象观测塔，塔高50 m，且分为多层，每层装有相应的观测仪器。本研究涉及的仪器主要由开路涡度协方差系统（Open Path Eddy Covariance, OPEC）以及常规气象观测系统（Routine Meteorological System, RMET）两部分组成。OPEC观测系统安装在25 m高处，系统包括三部分，分别为：采样频率都为10 Hz的三维超生风速仪CSAT-3（Campbell Scienti fic Inc, USA）和开路红外CO2/H2O气体分析仪Li-7500（Li-Cor, USA），以及数据采集器CR3000（Campbell Scienti fic Inc, USA）。RMET系统分为地上7层（分别为1.5、6、10、15、33、41、50 m）和地下3层（分别为5、20、50 cm），对地上不同高度以及地下不同深度的常规气象数据进行长期观测。铁塔原始数据的采集及处理采用Campbell公司提供的Loggernet软件完成。铁塔仪器安装等详细资料见参考文献[25]。

1.2.2 计算公式

潜热通量（LE）用实时测定的垂直风速与水汽浓度的协方差求得。计算公式为：

式中：ρ为空气密度，Cp为空气定压比热，q′分别为气温和水汽含量的脉动量[26]。

蒸散（ET）计算公式为[7]：

式中，LE单位为w/m2，（597-0.564T）为水的汽化热，单位为cal/g，0.43为单位转换系数，ET单位为mm/d。

1.3 数据处理

采用英国爱丁堡大学研究的EdiRe软件对通量观测10 Hz原始进行处理，最终得30 min平均值。处理流程为：（1）野点去除；（2）坐标旋转；（3）通量校正；（4）数据质量控制。经过处理的数据存在数据缺失，因此要经过数据插补才能得到最终的通量数据。对于缺失窗口≤2 h的数据插补采用平均日变化法（Mean Diurnal Variation,MDV），对于＞2 h的缺失窗口，用非线性回归法进行插补[27-29]。利用Microsoft Of fice Excel以及SAS软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 环境因子变化特征

图1为橡胶林2013—2014年各月降雨量、气温(Ta)、饱和水汽压差(Vapor Pressure De ficit，VPD)、净辐射(Rn)以及5 cm深土壤体积含水率(Volume Water Content，VWC)的变化特征图。总体讲，2013—2014年各环境因子与以往观测结果比差异不明显。研究地降雨集中在5—10月，2014年9月份降雨量异常高，由于当月受台风影响多，台风带来降雨异常多。全年各月平均气温呈单峰型变化，都在15℃～30℃，5月平均气温最高，12月平均气温最低。雨季5—10月气温变化波动较小。饱和水汽压差(VPD)也基本呈单峰型变化，先增大后减小，5月饱和水汽压差最大，由于该月温度高，降雨较少，空气湿度较小。净辐射变化趋势为单峰型，两年均5月净辐射最大。5 cm深土壤体积含水率(VWC)变化规律性差，由于其受到降雨的影响大。旱季1—3月VWC小，由于此时间段为橡胶林最缺水月份，降雨少，土壤水分得不到补充，且蒸散作用不断消耗土壤存储的水分。

图1 2013—2014年橡胶林环境因子变化Fig.1 Variations of environmental factors at rubber plantation in 2013 and 2014

2.2 橡胶林生态系统蒸散变化特征

图2为2013—2014年橡胶林生态系统蒸散（ET）的变化特征。由图可以看出，橡胶林生态系统每年蒸散变化特征为单峰型，与气温、净辐射的变化趋势相似。雨季平均日蒸散为3.69 mm/d，旱季平均日蒸散为1.45 mm/d。5月份开始，生态系统降雨量、净辐射、气温都增大，导致日蒸散明显增大。全年5—8月份日蒸散最大，日平均蒸散达4.29 mm/d，一方面由于此时影响植被蒸腾及土壤蒸发的环境因子净辐射、气温、降雨量等都较大，另一方面由于此时为橡胶林的主要生长期，生态系统生物生命活动旺盛，生态系统耗水较多。雨季9—10月份较雨季其他月蒸散较小，日平均蒸散仅为2.44 mm/d，由于气温、净辐射等较5—8月份减少，植被蒸腾及土壤蒸发活动也因此较弱，另外，由于此时为海南台风多发月，对涡度相关仪器观测影响较大，可能会导致蒸散测定结果偏小[30-31]。

图2 2013—2014年生态系统蒸散（ET）的变化特征Fig.2 Variation characteristics of ecosystem evapotranspiration (ET) at rubber plantation in 2013 and 2014

2.3 橡胶林生态系统累积蒸散

图3为2013—2014年橡胶林生态系统累积蒸散及月蒸散，由图可以看出，2013年蒸散量高于2014年。两年1—3月份的累积蒸散曲线基本重叠，即两年1—3月份蒸散量基本相当；从4月份开始，两年累积蒸散曲线逐渐开始分开，2013年累积蒸散量高于2014年。结合月蒸散图可以看出，旱季1—3月份两年各月蒸散量基本相同，4月份及12月份两个月2013年蒸散量高于2014年，11月份2014年蒸散量较大；雨季5—7月份2013年蒸散量较大，8—10月份2014年月蒸散量较大。不同年份相同月份蒸散量的差异，主要取决于当年环境因子的差异，也因此导致两年累积蒸散曲线间距离变化。

图3 2013—2014年橡胶林生态系统累积蒸散及月蒸散Fig.3 Accumulative ecosystem evapotranspiration and monthly evapotranspiration at rubber plantation in 2013 and 2014

表1为2013—2014年橡胶林月降雨量与蒸散量，两年各月蒸散量对比可以看出，虽然不同年份相同月份蒸散量有差异，但相差不大。由于不同年份相同月份影响蒸散的环境因子存在差异，但总体在一定范围内波动，因此蒸散量也在一定的范围内变化。两年旱季各月蒸散量小于雨季，且雨季5—8月份蒸散量最大，均占到年总蒸散量的50%以上，此时不仅温度、光照、降雨量等各种因素都较大，而且生态系统生物生命活动最活跃，蒸散耗水较多；雨季9—10月份蒸散量相对较少，由于此时气温、净辐射都减小，生物生命活动也相对减弱，从而导致生态系统蒸散减少。

表1 2013—2014年橡胶林生态系统月降雨量及蒸散Table 1 Precipitation and evapotranspiration of rubber plantation ecosystem in 2013 and 2014

结合降雨量对比两年蒸散，对于旱季，2013年1—2月份，2014年1—3月份降雨很少，降雨量远远小于蒸散量，为橡胶林严重缺水月份。2013年气候较特殊，从3月份开始降雨增多，降雨量开始大于蒸散量。对于雨季，两年的降雨均集中在5—10月份，与以往的研究结果一致，除2014年6月份降雨量稍小于蒸散量外，其他各月均降雨量均大于蒸散量，尤其2014年9月份，降雨量达1 192.1 mm，因为该月台风天气多次出现，使得当月降雨量异常大。

2.4 环境因子对橡胶林生态系统蒸散的影响

图4为橡胶林日蒸散及月蒸散对环境因子的响应曲线，由图可以看出，除月蒸散随气温升高先略有减小，再增大外，其他都与净辐射(Rn)、气温（Ta）、饱和水汽压差（VPD）呈正相关。蒸散与气温相关性最好，其次是净辐射，饱和水汽压差相关性最差。不同年份间对比可以看出，2013年蒸散量随环境因子变化曲线斜率较大，即2013年蒸散对环境因子变化的响应更敏感。

图5 日累积及月累积蒸散量在不同土壤含水率取值范围的平均值及频率分布，无论日蒸散量还是月蒸散量，随着土壤含水率的增加，蒸散量先增大后减小由此可知，土壤含水率在一定范围内是橡胶林蒸散的限制因子。由频率分布图可知，对于橡胶林生态系统71%时间内，土壤日平均含水率保持在15%～24%范围内，且在此范围内日蒸散量也较大。

图4 环境因子对蒸散的影响Fig.4 Response of diurnal and monthly ET to environmental factors

图5 日累积及月累积蒸散量在不同土壤含水率取值范围的平均值及频率分布Fig.5 Average values and distributing frequency of diurnal and monthly ET over different value ranges of soil water content

表2为环境因子与蒸散相关性分析结果，并对各环境因子与蒸散量进行逐步回归分析，日尺度及月尺度回归方程均达到极显著水平，其回归方程如下：

日尺度回归方程为：ET=0.173Rn+0.142Ta+1.656VPD+0.088VWC-4.479，R2=0.716 6；

月尺度回归方程为：ET=0.783Rn+ 2.871VWC-111.411，R2=0.904 4。

由相关性分析及回归方程可知，日尺度上，净辐射、气温、饱和水汽压差、土壤含水率均是影响蒸散的主要环境因子；当时间尺度扩展到月尺度时，气温及饱和水汽压差对蒸散的影响作用减小。可能由于海南岛月平均温度及平均饱和水汽压差差异较小，从而也导致其对蒸散的影响小。

表2 环境因子与蒸散相关性分析†Table 2 Correlation analysis of environmental factors and evapotranspiration

表3为橡胶林生态系统2013—2014年蒸散量及环境因子变化情况，由表可知，两年的降雨量均大于蒸散量，即年尺度上橡胶林水分输入大于水分输出，尤其2014年降雨量是蒸散量的两倍多。由此得出，在年尺度上，橡胶林生态系统水分供应充足。对于橡胶林主要生长月份5—10月份的研究可以看出，两年此时段的蒸散量均达全年的70%以上，即橡胶林生长期耗水较多，但此时也是海南岛雨季，2013年5—10月降雨量占全年降雨量69%，2014年5—10月降雨量占全年降雨量85%，为橡胶林提供了足够的水分，保证橡胶树的正常生长。

2013年与2014年对比，无论是全年还是雨季，2013年蒸散量大于2014年，降雨量则2013年小于2014年。由图4可知，日尺度上蒸散与净辐射、气温、饱和水汽压差均呈正相关，月尺度上除气温外，蒸散随着净辐射、饱和水汽压差的增大而增大，表3的结果与此不符，可能由于时间尺度的变化会导致不同年份各环境因子间差异不明显，从而导致年尺度上环境因子对蒸散的响应不明显。

表3 2013—2014年橡胶林生态系统年蒸散及环境因子变化Table 3 Variation of evapotranspiration and environmental factors at rubber plantation in 2013 and 2014

2.5 橡胶林与其他森林生态系统对比

橡胶林生态系统年蒸散量与其他森林生态系统对比结果如表4所示。随着纬度的减小，森林生态系统年蒸散量整体呈增大趋势，因为随着纬度的减小，太阳辐射及温度等影响蒸散的主要环境因子逐渐增大，导致蒸散量的增大。相近纬度不同森林类型的年蒸散量有差异，由于森林的蒸散量既受环境因素的影响，也受生物因素影响，不同森林种植林木不同，不同树木生长需水量不同，影响蒸散的生物因子（林分结构、林分密度、叶面积指数等）也不同，例如，有研究表明降低林分密度可以减少蒸散量[3]；此外，不同森林形成不同的小气候，也会影响生态系统蒸散。

表4 不同类型森林生态系统年蒸散比较Table 4 Annual evapotranspiration in different forest ecosystems

表4中热带雨林蒸散量(1 545 mm)最大[36]，其次是热带季雨林(1 369.4 mm)[40]。一方面由于两种森林所处地理位置气候条件优越，生态系统植被蒸腾及水分蒸发作用强；另一方面由于两种森林均为天然林，天然林较人工林生态系统结构复杂得多，植物种类多，植物蒸腾作用旺盛，蒸腾作为蒸散的最大分量[3]，因此蒸散量也大。

研究地2013—2014年平均年蒸散量为939 mm，低于西双版纳热带季雨林(1 369.4 mm)[40]，虽然西双版纳纬度较高，温度及太阳辐射等影响蒸散的环境因子较小，但由于橡胶林为单一人工林，生态系统结构单一，生物种类少，耗水相对较少。橡胶林生态系统蒸散量远高于鼎湖山常绿针阔混交林(641.2 mm)[40]，可能由于两种生态系统蒸散受环境因子影响较多，虽然鼎湖山森林结构复杂，生物种类较多，但由于其生物蒸腾作用受环境因素的制约，导致其蒸散量小于橡胶林生态系统；也可能因为橡胶树生长需水量较多。

3 结论与讨论

3.1 橡胶林生态系统蒸散特征

橡胶林生态系统全年日蒸散变化特征为单峰型，与颜廷武等[19]在辽东山区次生林研究结果一致，与常博[41]等利用小型蒸渗仪对祁连山草地的研究结果也相似。雨季平均日蒸散为3.69 mm/d，大于华北低丘山地人工林夏季蒸散量2.19 mm/d[36]，旱季平均日蒸散为1.45 mm/d，由于海南雨季气候条件更优越，森林蒸散作用更强。雨季5—8月份平均日蒸散量最大，日平均蒸散达4.29 mm/d，5—8月份蒸散量占到年总蒸散量的50%以上，9—10月份较雨季其他月蒸散小，日平均蒸散仅为2.44 mm/d。海南岛是典型的热带岛屿季风气候，5—8月份光照强度、温度都高，因此蒸散耗水更多，9—10月份光照强度、温度等都有所下降，蒸散作用较弱。

2013—2014年相同月份蒸散量相差不大，旱季月蒸散量小于雨季。全年蒸散主要集中在雨季（橡胶林主要生长季），雨季蒸散量占全年总蒸散量的70%以上，颜廷武等[19]对辽东山区天然次生林的研究发现，生长季的蒸散量占全年蒸散的73.5%，与本研究结果一致。由于森林主要生长季气候条件好，光照、温度、水分等都供应充足，蒸腾作用及蒸发作用都旺盛。橡胶林不同年份相同月份月蒸散量不同，导致从4月份开始2013年累积蒸散量大于2014年，且两年累积蒸散差值不断变化，这可能是由于不同年份影响蒸散的环境因子存在差异，从引起蒸散量的不同。

旱季，2013年1—2月份，2014年1—3月份降雨很少，降雨量远远小于蒸散量，橡胶林严重缺水，其他月份降雨均能补充蒸散耗水；雨季，两年降雨量均较多，与以往的研究结果一致[23]，除2014年6月份降雨量稍小于蒸散量外，其他各月均降雨量均大于蒸散量，橡胶林水分供应充足。

3.2 橡胶林生态系统蒸散与环境因子

2013—2014年各环境因子与以往观测结果比差异不明显。日尺度上，蒸散与净辐射(Rn)、气温（Ta）、饱和水汽压差（VPD）呈正相关，与黄辉等对华北低丘山地人工林研究结果一致[36]；月尺度上，蒸散随气温升高先略有减小，再增大；蒸散随净辐射、饱和水汽压差的增大而增大。无论日尺度还是月尺度，蒸散与Ta相关性最好，其次是Rn，与VPD相关性最差。土壤含水率（VWC）在一定范围内是橡胶林蒸散的限制因子，观测的两年内有71%时间，橡胶林土壤日平均含水率保持在15%～24%范围内，且在此范围内日蒸散量也较大。

通过相关性分析得，日尺度上，净辐射(Rn)、气温（Ta）、饱和水汽压差（VPD）、5cm土壤含水率（VWC）均是影响蒸散的主要环境因子；月尺度上，仅净辐射(Rn)与5 cm土壤含水率（VWC）为影响蒸散的主要环境因子。由于海南岛为热带季风气候，导致月尺度上Ta、VPD差异不明显，从而导致其对蒸散的影响不明显。

年尺度上，橡胶林生态系统水分供应充足。在橡胶林的主要生长期5—10月份，降雨量大于蒸散量，为橡胶树提供了足够的水分，保证其正常生命活动。年尺度上，环境因子对蒸散影响不明显，一方面由于尺度变化导致年间环境因子差异性较小，此外也可能由于观测的年限少，未能反应出规律性。

对于蒸散影响因子的研究，不同学者对不同森林的研究，得到的结果也存在差异。黄辉等[36]研究结果表明，影响蒸散主要环境因子为气温与饱和水汽压差，太阳辐射仅日尺度上影响蒸散。刘晨峰等[12]的研究结果则为，净辐射对杨树人工林蒸散的影响高于饱和水汽压差，且当水分供应充足时，饱和水汽压差不再影响蒸散。莫康乐[11]则认为影响永定河沙地杨树人工林蒸散的主要环境因子为饱和水汽压差、土壤水分以及降雨量，其中饱和水汽压差和土壤水分主要在日尺度上影响蒸散，且在缺水时，饱和水汽压差抑制蒸散。Hanson[42]发现，当水分供应充足时，蒸散主要决定于生态系统的可用能量，生态系统可用能量则由植被高度植被组成、植被盖度、反照率、净辐射、土壤湿度等多种因素决定[1,43]。

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Research of evapotranspiration in a rubber plantation ecosystem by eddy covariance

ZHANG Xiaojuan1,2, WU Zhixiang1,2, YANG Chuan1
(1. Danzhou Investigation & Experiment Station of Tropical Crops, Ministry of Agriculture/ Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Danzhou 571737, Hainan, China; 2. College of Environment and Plant Protection, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, China)

Based on the locating observations of the rubber plantation in Danzhou investigation & experiment station of tropical crops,ministry of agriculture. Using the eddy covariance system, got the observation data in 2013 and 2014. This research analyzed the evapotranspiration and environmental factors of the rubber plantation in the west of Hainan island, the results showed as follows: (1)Variation characteristics of daily evapotranspiration was a single-peak. The daily evapotranspiration in rainy season was greater than in dry season. The daily evapotranspiration was 3.69 mm/d in rainy season, and the dry season’s evapotranspiration was 1.45 mm/d. There was small difference in monthly evapotranspiration of the same month in 2013 and 2014. The annual evapotranspiration in 2013 was greater than in 2014. The precipitation was far less than the evapotranspiration of the rubber plantation from January to January in 2013 and from January to March in 2014, and the rubber plantation ecosystem was severe water shortage. (2) In daily scale, evapotranspiration and net radiation (Rn), air temperature (Ta), vapor pressure difference (VPD) were positively correlated, and the correlation analysis showed that net radiation (Rn), air temperature (Ta), vapor pressure difference (VPD), volume water content (VWC) of soil were the main environmental factors affecting evapotranspiration. (3) In monthly scale, evapotranspiration with air temperatures (Ta) decreased first, and then increased;and evapotranspiration with net radiation (Rn) and vapor pressure difference (VPD) increased. The result of the correlation analysis was that net radiation (Rn) and volume water content (VWC) of soil were the main environmental factors affecting evapotranspiration. (4) In annual scale, water supply was suf ficiently in rubber plantation. In the main growing season of rubber plantation (from May to October),precipitation was greater than evapotranspiration. The in fluence of environmental factors on annual evaporation is not obvious.

evapotranspiration; eddy covariance; rubber plantation ecosystem; Hainan island

S718.57；S794.1

A

1673-923X(2017)02-0076-09

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.02.013

2016-02-03

海南省自然科学基金“橡胶树生长水热运移耦合模拟研究”（807045）；中央级科研院所基本科研业务费专项“橡胶林生态系统长期定位观测研究”（1630022014011）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA05050601-01-25）

张晓娟，硕士 通讯作者：吴志祥，博士，副研究员；E-mail： zhixiangwu@21cn.com

张晓娟，吴志祥，杨 川. 基于涡度相关系统的橡胶林生态系统蒸散研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(2): 76-84.

[本文编校：吴 彬]