海南島橡膠林生態系統水汽通量及其影響因子研究

張曉娟 吳志祥 楊川 管利民

摘 ?要 ?以海南島儋州地區橡膠林為研究對象，基于渦度相關法對橡膠林水汽通量進行長期觀測，獲得2010年全年橡膠林水汽通量觀測數據，分析全年水汽通量變化特征及其影響因子。結果表明：（1）橡膠林全年水汽通量基本為正值，水汽由生態系統進入環境，即橡膠林為水汽源;水汽通量日變化特征為單峰型，在12：00～14：00達到最大值，夜間水汽通量保持平穩，且接近0;白天水汽通量雨季（橡膠林主要生長季）遠大于旱季，且變化規律性強;2010年全年總降雨量為1 763.8 mm，蒸散總量為999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%;雨季8～10月降雨量遠大于蒸散量，降水嚴重剩余;旱季蒸散量接近降雨量的2倍。（2）水汽通量與凈輻射呈現正相關，且達到顯著水平;雨季相關性最好，5～10月R2為0.760 4，其次是旱季，11～12月R2為0.614 3，1～4月相關性最差（R2為0.290 3）。（3）橡膠林水汽通量與氣溫呈現正相關，雨季相關性高于旱季。（4）水汽通量與飽和水汽壓差正相關，雨季相關性最好，R2為0.362 1。（5）不同月份，影響橡膠林水汽通量的主要環境因子不同，凈輻射、飽和水汽壓差是水汽循環最主要的驅動力，無論在旱季還是雨季都是影響水汽通量最主要的影響因子。

關鍵詞 ?渦度相關;影響因子;橡膠林;海南島

中圖分類號 ?P422.4 ? ? ? ? ?文獻標識碼 ?A

Water Vapor Flux Exchange and Its Environmental

Factors in a Tropical Rubber Plantation

Ecosystem in Hainan Island

ZHANG ?Xiaojuan1，2， WU Zhixiang1，2 *， YANG Chuan2， GUAN Limin2

1 College of Environment and Plant Protection， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

2 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Danzhou Investigation &

Experiment Station of Tropical Crops， Ministry of Agriculture， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract ?A rubber plantation in Danzhou， Hainan was used as the study object with the eddy covariance（EC）technique for long-term water vapor flux observations in 2010. The water vapor flux dynamic characteristics and the responses on the environmental factors were analyzed in the research. The results showed as follows：（1）The water vapor flux of rubber forest ecosystem was a positive value. The characteristic for water vapor flux diurnal variation was a single-peak， the maximum value was all around 12：00-14：00. The water vapor flux was close to 0 and remained stable at night. During the day， the water vapor flux in the rainy season（the main growing season of the rubber plantation）was larger than in the dry season. In 2010， the annual precipitation was 1 763.8 mm， the annual evapotranspiration was 999.6 mm. The annual evapotranspiration of rubber forest accounted for 56.67% of the annual precipitation. The precipitation of August to October was larger than the evapotranspiration， the precipitation was seriously surplus. The evapotranspiration was approximately twice the precipitation in the dry season， and the moisture controled the rubber treesgrowth.（2）There was a high correlation between water vapor flux and net radiation（Rn）， and the square of correlation coefficients（R2）was 0.760 4 in rainy season. The correlation coefficient was small in dry season， in the January to April R2 was 0.290 3， in the November to December the R2 was 0.614 3.（3）The water vapor flux was positively correlated with air temperature（Ta）， and the correlation coefficient of rainy season was larger than dry season.（4）The water vapor flux was positively correlated with vapor pressure deficit（VPD）. The R2 was 0.362 1 in the rainy season.（5）In different month， the main environmental factors which affecting the water vapor flux were different， net radiation（Rn）and vapor pressure deficit（VPD）were the most important factors， and they were the main driving force of water circulating.

Key words ?Eddy covariance; Factors; Rubber plantation ecosystem; Hainan Island

doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.08.012

水對維持森林生態系統穩定性具有重要的作用，是保證森林物質循環、能量流動順利進行的重要非生物因素之一，因此森林水循環過程一直是森林水文研究的重點[1-4]。水汽通量是指單位時間內通過單位面積的水汽量，既是森林水循環過程的重要環節，又是森林潛熱輸送的載體，在森林物質循環與能量流動中都起著重要作用，森林水汽通量主要包括森林植被蒸騰、植被截留降水蒸發以及土壤水分蒸發三部分[5]。近年來，渦度相關法在陸地生態系統物質循環和能量流動中得到廣泛應用，由于其能較準確地、長期連續地對地表--大氣間的湍流進行觀測，且對環境及生態系統干擾小，因此該方法已成為國際通量觀測網（FLUXNET）通量觀測的標準方法[6-10]，中國學者也利用此方法對多種森林生態系統水汽循環過程進行觀測研究[10-15]。

橡膠樹人工林作為中國熱帶重要的人工林生態系統之一，在海南、云南、廣東等地的種植面積超過106 hm2[16]。水作為橡膠樹正常生長必不可少的物質，也是保證橡膠樹正常產膠必要條件，學者們對橡膠林水循環、水量平衡做了許多研究[17-19]，但對于橡膠林水汽通量的研究尚未見報道，因此，本研究基于海南島儋州熱帶作物科學觀測實驗站通量塔2010年水汽通量定位觀測數據，研究水汽通量全年變化特征以及各環境因子對水汽通量的影響，為橡膠高產栽培提供理論基礎。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗地概況

試驗地位于海南省儋州市農業部儋州熱帶作物科學實驗站內，地理位置為19°32′47″N，109°28′30″E，海拔138 m左右。研究地地形較平坦，高差在20 m以內，為單一橡膠人工林，橡膠樹品系為7-33-97，群落結構單一，上層為橡膠林，下層主要為多年生草本植物及當年生草本植物。研究地氣候類型為熱帶海島季風氣候，年平均氣溫為21.5～28.5 ℃，全年干濕季分明，濕季為5～10月份，干季為11月份至翌年4月份，年平均降雨量1 607 mm，降雨多集中在7～9月份，降雨量超過全年總降雨量72%（中國熱帶農業科學院氣象站1954～2010年氣象數據）。土壤為磚紅壤，多為砂質粘壤土。

根據2010年全年降雨實際情況，將全年分為旱季和雨季進行研究，雨季即為橡膠林的主要生長季。其中旱季分為：1～4月份為年初旱季，11～12月份為年末旱季;雨季為5～10份月份。

1.2 ?方法

1.2.1 ?通量觀測方法 ? 橡膠林中建有50 m高觀測塔，觀測塔分為多層，每層都安裝有相應的觀測儀器。與本研究相關的主要包括開路渦度協方差系統（Open Path Eddy Covariance， OPEC）以及常規氣象觀測系統（Routine Meteorological System， RMET）兩部分。其中OPEC安裝在距地面25 m高處，包括三維超生風速儀CSAT-3（Campbell Scientific Inc， USA）、開路紅外CO2/H2O氣體分析儀Li-7500（Li-Cor， USA）、數據采集器CR3000（Campbell Scientific Inc， USA）三部分，CSAT-3與Li-7500采樣頻率為10 HZ。RMET系統分梯度對凈輻射、風速、空氣溫濕度、土壤溫濕度等氣象因子進行觀測，分別安裝在鐵塔上7層和地下3層，并安裝有2個CR3000采集數據。鐵塔數據原始數據采集及處理用Campbell公司提供的Loggernet軟件完成。鐵塔儀器安裝及其他資料詳見文獻[20]。此外，試驗地內設有雨量筒，用于記錄降水量信息。

1.2.2 ?計算公式 ? 水汽通量（E）用實時測定的垂直風速與水汽濃度的協方差求得。計算公式為：

E=■

式中，ρ為干空氣密度，q為比濕脈動，w為垂直風速，橫線為一段時間內的平均值;撇號表示脈動。且規定若水汽由生態系統進入大氣，則值為正，反之為負[21]。

通過潛熱通量（LE）計算蒸散量（ET）計算公式為[11]：

ET=■

式中，LE單位為w·m-2，（597-0.564T）為水的汽化熱，單位為cal/g，0.43為單位轉換系數，ET單位為mm/d。

1.3 ?數據處理

數據為通量觀測30 min平均值，數據處理采用英國愛丁堡大學研究的EdiRe軟件，處理過程主要包括野點剔除、延遲時間校正、二次坐標旋轉等。在此基礎上，還對數據進行了篩選：剔除了降雨前后1 h的數據;剔除傳感器異常數據;剔除湍流混合較弱的數據（即摩擦風速u*<0.1 m/s）;剔除30 min記錄不完整（缺測>3%）的數據[22]。

對于缺失數據的插補，有研究表明平均日變化法（Mean Diurnal Variation， MDV）與非線性回歸方法適合用于較小窗口的數據插補[22-25]，由于本研究中數據缺失最大窗口為2 d，因此選擇2種方法結合對缺失數據進行插補。

對于缺失窗口≤2 h的利用平均日變化法插補，即缺失的數據用鄰近幾天同時刻的平均值插補。對于平均時段長度的選擇，根據已有研究，白天取14 d、夜間取7 d的插補結果最好，偏差最小[25-26]。對于>2 h的利用與凈輻射的非線性回歸方程進行插補。

數據統計分析用Microsoft Office Excel以及SAS軟件。

2 ?結果與分析

2.1 ?橡膠林生態系統水汽通量變化特征

通過對海南橡膠林2010年全年水汽通量數據插補計算，得到全年逐日逐半小時水汽通量數據，并對旱季雨季每天同時刻水汽通量求平均得其平均日變化，結果見圖1。

由圖1可知，橡膠林全年水汽通量基本為正值，水汽由橡膠林進入空氣，即橡膠林為水汽源。從整體趨勢看，水汽通量呈單峰型變化，夜間水汽通量保持平穩，且接近0，早上7：00左右水汽通量開始增大，在中午12：00左右達到最大值，此后逐漸減小，至19：00左右又接近0。因為夜間溫度較低，光照強度弱，水分蒸發和植物蒸騰作用非常弱。而白天，隨著太陽升起，溫度與光照強度逐漸增大，水汽通量開始增加，中午12點左右達到最大值，下午溫度與光照強度減小，水汽通量也隨之減小，直至晚上太陽落下。

旱季雨季相比，雨季5～10月份曲線更平滑，白天水汽通量明顯大于旱季，且越接近中午，相差越明顯。因為雨季是橡膠林主要生長季節，溫度與光照強度都高于旱季，生物生命活動活躍，植物蒸騰、水分蒸發作用強，生態系統蒸散強度大。旱季1～4月份曲線波動最明顯，因為1～4月份氣候狀況不穩定，溫度、濕度等會發生突變，對水汽通量有一定的影響，從而導致水汽通量變化規律性差，這與吉喜斌等[27]的研究相符。另一方面，1～4月份橡膠樹葉面積等生物因素也不穩定。

2010年全年水汽通量各月最大值在0.058 5～0.174 8 g/（m2·s）之間，最大值都出現在中午11：00至14：00期間，因為此時間段溫度高，蒸騰、蒸發作用都比較旺盛。雨季6～7月份白天水汽通量明顯高于其他各月，因為這2個月溫度高，降雨相對較少，植物蒸騰作用強，土壤水分蒸發量大。

各月水汽通量最小值在-0.008 0～0.002 8 g/（m2·s）之間，各月最小值出現的時間點不同，但多出現在夜間或者凌晨，因為此時間段溫度相對白天低，光照強度弱，植被蒸騰作用幾乎停止，蒸發量也比白天小。8和10月份水汽通量的最小值出現在晚上8：00左右，可能因為這2個月下午降雨多，影響生態系統水汽輸送過程。

2.2 ?橡膠林生態系統蒸散量與降雨量特征

根據2010年全年降雨量與蒸散量繪制柱形圖，見圖2所示。雨季5～7月份蒸散量基本相當，5月份降雨量略大于蒸散量，6～7月份降雨量小于蒸散量。8～10月份降雨量都明顯大于蒸散量，尤其8和10月份降雨量遠大于蒸散量。8～10月份蒸散量均小于5～7月份。因為8～10月份降水多，增大了空氣和土壤濕度，從而導致蒸散量較小;另一方面，降雨也會使溫度降低，使蒸散量減小。

旱季4月份降雨量稍大于蒸散量，11月份降雨量與蒸散量基本持平，其余各月蒸散量都明顯大于降雨量，說明12月到翌年3月橡膠林降水明顯不足以維持橡膠林正常需水量，橡膠林缺水嚴重。

2010年全年總降雨量為1 763.8 mm，蒸散總量為999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%（表2）。旱季蒸散量明顯大于降雨量，蒸散量接近降雨量的2倍，因此，旱季水分是橡膠林正常生長的制約因素。雨季5～7月份降雨量與蒸散量基本持平，而降雨集中在8～10月份，其降雨量占年總降雨量的67.6%，蒸散量僅占總蒸散量的27.4%，因此，8～10月份有過多的降水未被生態系統利用。

2.3 ?環境因子對水汽通量的影響

2.3.1 ?凈輻射與水汽通量 ? 海南旱季雨季凈輻射與橡膠林水汽通量的相關性見圖3。由圖3可知，水汽通量與凈輻射成正相關，但當凈輻射增大到一定值后，水汽通量增加速率減小。因為凈輻射增大到一定值，植物葉片氣孔關閉，蒸騰量減小，進而水汽通量減小。

雨季5～10月份相關性最好，R2=0.760 4;其次是11～12月份，R2=0.614 3;最差的是1～4月份，R2=0.290 3。雨季相關性好于旱季，因為雨季是橡膠林的生長季，此時期凈輻射大，且較穩定，植物生命活動旺盛，葉面積大，植物葉片蒸騰作用強;此外，凈輻射大，導致溫度高，也促進了水分的蒸發和植物的蒸騰作用，因此雨季水汽通量與凈輻射相關性高。

旱季1～4月份相關性最差，從非生物因素方面講，海南1～4月份氣候條件不穩定，天氣多變，水汽通量受其他因素的影響較多，導致其與凈輻射相關性差;另外，從生物因素方面講，橡膠樹在此期間有葉片全部脫落和長新葉過程[28]，凈輻射會通過影響植物葉片蒸騰作用來影響水汽通量，因此水汽通量與凈輻射相關性不高。

2.3.2 ?氣溫與水汽通量 ? 氣溫升高，可以促進水的汽化，從而影響水汽的傳輸過程。此外，溫度地變化也會影響氣壓等環境因子，間接地影響水汽的輸送。通過2010年橡膠林逐半小時水汽通量與距地1.5 m氣溫進行多項式擬合分析，結果見圖4所示。

對于橡膠林水汽通量與溫度成正相關，旱季的相關性較雨季稍差。雨季5～10月份R2為0.445 9;旱季1～4月R2為0.146 7，11～12月份R2為0.292 9。雨季5～10月份相關性好，因為溫度升高會影響植被蒸騰、水面蒸發速率，從而影響水汽通量，5～10月份全年平均氣溫高，且溫度變化幅度小，因此水汽通量與溫度的相關性高。1～4月份天氣多變，溫度變化幅度大，影響水汽通量變化的因素較多，因此擬合相關性差。

2.3.3 ?飽和水汽壓差與水汽通量 ? 飽和水汽壓差（Vapor Pressure Difference， VPD）指當時溫度情況下飽和水汽壓與實際水汽壓的差值。飽和水汽壓與溫度有關，水汽壓能表示空氣濕度，因此飽和水汽壓最能代表水汽密度差異，反映大氣的需水狀況，作為植被蒸騰的驅動力[26，29]，通過控制葉片氣孔與空氣的水汽壓梯度而控制蒸騰作用[13]。

選橡膠林不同月份水汽通量與飽和水汽壓差做相關性分析，結果見圖5所示。水汽通量與飽和水汽壓差（VPD）成正相關，一方面，橡膠樹葉片蒸騰作用與外界空氣中水汽壓差成正比，因而蒸騰作用與空氣飽和水汽壓差成正比[30];另一方面空氣中飽和水汽壓差與蒸發強度成正比。各月相關系數R2分別為：1～4月份為0.147 0;5～10月份為0.362 1;11～12月份為0.302 9。

1～4月份水汽通量隨VPD增大先增大，但當VPD增大到一定程度，水汽通量基本保持不變，因為在此期間，1～2月份橡膠樹葉子全部脫落[28]，蒸騰作用減弱，因此當水汽通量增大到一定值后，不再隨著VPD增大而增大。3～4月份為橡膠樹長新葉的時期，水分主要用于橡膠樹生命活動，水汽通量也不會一直增大。這也是1～4月份相關性最差的原因。

2.3.4 ?各環境因子與水汽通量 ? 對于森林生態系統來說，凈輻射、溫度（大氣溫度、土壤溫度）、風速、水分（大氣相對濕度、土壤含水率）等環境因素都會影響水汽輸送過程，并且每種因素并非單獨作用，而是共同作用。旱季雨季不同月份各環境因子與水汽通量相關性見表3所示。

1～4月份回歸方程為：

E=1.7×10-4Rn-0.01VPD+0.003Ta+0.003VWC-0.001G-0.1（R2=0.91**），各因素都達到顯著水平的相關。

5～10月份回歸方程為：

E=2.8×10-4Rn-0.005VPD-0.002Ta-0.005VWC-1.4×10-4G-0.003Ws+0.15（R2=0.97**），各因子的偏相關系數分別為0.94、-0.23、-0.21、-0.42、-0.11、-0.22，且都達到顯著水平的相關。

11～12月份回歸方程為：

E=1.0×10-4Rn-0.003VPD+0.036Ws-0.01（R2=0.96**），各因子偏相關系數分別為0.96、0.66、-0.26，且都達到顯著水平的相關。

由回歸分析方程可知，不同月份由于氣候條件及植物本身生命活動狀況不同，影響水汽通量的主要環境因子也不同。對于旱季：1～4月份的主要影響因子有凈輻射、飽和水汽壓差、氣溫、土壤含水量、土壤熱通量;11～12月份的主要影響因子有凈輻射、飽和水汽壓差、風速。對于雨季：5～10月份主要影響因子有凈輻射、飽和水汽壓差、氣溫、土壤含水量、土壤熱通量、風速。

凈輻射、飽和水汽壓差無論在旱季還是雨季都會影響水汽通量，證明凈輻射、飽和水汽壓差是水汽通量的最重要影響因子，是水汽循環最主要驅動力。雨季5～10月份影響水汽通量的環境因子最多，因為5～10月無論是植被生長還是氣候條件都比較穩定，各環境因子對水汽通量影響都比較重要，水汽通量是各環境因子綜合作用的結果。

3 ?討論與結論

3.1 ?橡膠林生態系統水汽通量變化特征

橡膠林水汽通量變化特征為：橡膠林全年水汽通量大部分為正值，即橡膠林大部分時間為水汽源。水汽通量整體變化趨勢為單峰型，夜間水汽通量保持平穩，接近于0，白天水汽通量在11：00～14：00之間達到最大值，各月最大值在0.058 5～0.174 8 g/（m2·s）之間。因為此時間段溫度高，蒸騰、蒸發作用都比較旺盛。

橡膠林水汽通量雨季白天遠大于旱季，且變化規律性強，曲線平滑。因為雨季是橡膠林主要生長季節，溫度與光照強度都高于旱季，生物生命活動活躍，植物蒸騰、水分蒸發作用強，生態系統蒸散強度大。此外，雨季天氣狀況穩定，突變較少，因此水汽通量波動較小。

3.2 ?橡膠林生態系統蒸散量與降雨量特征

蒸散是陸地生態系統水循環的最重要環節之一。有研究結果表明，到達陸地生態系統的降水有2/3左右都通過蒸散返回到大氣中[31]，同時也為地表大氣75%的能量轉移做貢獻[32]。

2010年全年總降雨量為1 763.8 mm，蒸散總量為999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%。本研究用渦度相關法估算橡膠林蒸散率結果在森林生態系統蒸散率（40%～80%）范圍內[33]。但渦度相關法估算結果比實際蒸散低，因為渦度相關技術測定生態系統能量收支存在能量不閉合，測定顯熱和潛熱輸出總量較常規測定的凈輻射輸入量少10%～30%[34]，導致水汽通量的估算較實際小，進而導致蒸散量偏小。此外，降雨以及露水會對水汽通量觀測的影響[35]，原始數據的處理過程[21，26]，也可能導致蒸散量估算偏低。

旱季蒸散量遠大于降雨量，旱季水分是橡膠林正常生長的制約因素。雨季8～10月份蒸散量明顯小于降雨量，降水嚴重過剩。因此，在實際生產中，可以考慮在雨季收集雨水，用于旱季橡膠樹的灌溉。

3.3 ?環境因子對水汽通量的影響

海南橡膠林水汽通量與凈輻射正相關，且雨季相關性高于旱季，但水汽通量不隨著凈輻射增大無限增大。因為凈輻射增大到一定值，植物葉片氣孔關閉，蒸騰量減小，進而水汽通量減小。對水汽通量與凈輻射進行回歸分析得，雨季5～10月份相關性最好，R2=0.760 4;其次是11～12月份，R2=0.614 3;最差的是1～4月份，R2=0.290 3。在一元二次擬合方程中，除1～4月份外，其他各月擬合R2都高于千煙洲人工林晴天（R2=0.554）[21]，高于太湖源雷竹林夏季擬合（R2=0.603）[36]，也高于安吉毛竹林夏季擬合（R2=0.611 1）[26]。1～4月份橡膠樹生理狀況以及天氣條件都不穩定，因此相關性最差。

橡膠林水汽通量與氣溫也成正相關，但相關性弱。水汽通量與氣溫進行回歸分析，雨季5～10月份R2為0.445 9;旱季1～4月份為0.146 7，11～12月份為0.292 9。低于抑螺防病林晴天（R2=0.56）[37]，低于低丘南段次生林2007年的擬合結果（R2=0.640 8）[13]。因為海南屬于熱帶地區，全年氣溫相對較高，氣溫變化不很明顯，因此水汽通量受氣溫影響相對較弱。

水汽通量與飽和水汽壓差正相關。相關系數R2分別為：1～4月份為0.147 0;5～10月份為0.362 1;11～12月份為0.302 9。雨季5～10月份相關性最高，大于低丘南段次生林2008年相關性（R2=0.348 3）[13]，小于安吉毛竹林主要生長期6月的相關性（R2=0.425 1）[26]。可能因為海南島空氣濕度較大，從而導致水汽通量與飽和水汽壓差相關性弱。

不同月份影響水汽通量的主要環境因子也不同，但凈輻射、飽和水汽壓差是水汽通量的最重要影響因子，是水汽循環最主要驅動力。雨季影響因子最多，因為雨季氣候條件穩定，水汽通量是各環境因子綜合作用的結果。

致 ?謝 ?感謝中國科學院寒區旱區環境與工程研究所王介民研究員和北京天諾基業甄曉杰工程師在渦度相關儀器維護以及EdiRe數據處理程序完善等方面提供的無私幫助。

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