海南岛橡胶林生态系统水汽通量及其影响因子研究

张晓娟 吴志祥 杨川 管利民

摘  要  以海南岛儋州地区橡胶林为研究对象，基于涡度相关法对橡胶林水汽通量进行长期观测，获得2010年全年橡胶林水汽通量观测数据，分析全年水汽通量变化特征及其影响因子。结果表明：（1）橡胶林全年水汽通量基本为正值，水汽由生态系统进入环境，即橡胶林为水汽源;水汽通量日变化特征为单峰型，在12：00～14：00达到最大值，夜间水汽通量保持平稳，且接近0;白天水汽通量雨季（橡胶林主要生长季）远大于旱季，且变化规律性强;2010年全年总降雨量为1 763.8 mm，蒸散总量为999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%;雨季8～10月降雨量远大于蒸散量，降水严重剩余;旱季蒸散量接近降雨量的2倍。（2）水汽通量与净辐射呈现正相关，且达到显著水平;雨季相关性最好，5～10月R2为0.760 4，其次是旱季，11～12月R2为0.614 3，1～4月相关性最差（R2为0.290 3）。（3）橡胶林水汽通量与气温呈现正相关，雨季相关性高于旱季。（4）水汽通量与饱和水汽压差正相关，雨季相关性最好，R2为0.362 1。（5）不同月份，影响橡胶林水汽通量的主要环境因子不同，净辐射、饱和水汽压差是水汽循环最主要的驱动力，无论在旱季还是雨季都是影响水汽通量最主要的影响因子。

关键词  涡度相关;影响因子;橡胶林;海南岛

中图分类号  P422.4          文献标识码  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

水对维持森林生态系统稳定性具有重要的作用，是保证森林物质循环、能量流动顺利进行的重要非生物因素之一，因此森林水循环过程一直是森林水文研究的重点[1-4]。水汽通量是指单位时间内通过单位面积的水汽量，既是森林水循环过程的重要环节，又是森林潜热输送的载体，在森林物质循环与能量流动中都起着重要作用，森林水汽通量主要包括森林植被蒸腾、植被截留降水蒸发以及土壤水分蒸发三部分[5]。近年来，涡度相关法在陆地生态系统物质循环和能量流动中得到广泛应用，由于其能较准确地、长期连续地对地表--大气间的湍流进行观测，且对环境及生态系统干扰小，因此该方法已成为国际通量观测网（FLUXNET）通量观测的标准方法[6-10]，中国学者也利用此方法对多种森林生态系统水汽循环过程进行观测研究[10-15]。

橡胶树人工林作为中国热带重要的人工林生态系统之一，在海南、云南、广东等地的种植面积超过106 hm2[16]。水作为橡胶树正常生长必不可少的物质，也是保证橡胶树正常产胶必要条件，学者们对橡胶林水循环、水量平衡做了许多研究[17-19]，但对于橡胶林水汽通量的研究尚未见报道，因此，本研究基于海南岛儋州热带作物科学观测实验站通量塔2010年水汽通量定位观测数据，研究水汽通量全年变化特征以及各环境因子对水汽通量的影响，为橡胶高产栽培提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验地位于海南省儋州市农业部儋州热带作物科学实验站内，地理位置为19°32′47″N，109°28′30″E，海拔138 m左右。研究地地形较平坦，高差在20 m以内，为单一橡胶人工林，橡胶树品系为7-33-97，群落结构单一，上层为橡胶林，下层主要为多年生草本植物及当年生草本植物。研究地气候类型为热带海岛季风气候，年平均气温为21.5～28.5 ℃，全年干湿季分明，湿季为5～10月份，干季为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，降雨量超过全年总降雨量72%（中国热带农业科学院气象站1954～2010年气象数据）。土壤为砖红壤，多为砂质粘壤土。

根据2010年全年降雨实际情况，将全年分为旱季和雨季进行研究，雨季即为橡胶林的主要生长季。其中旱季分为：1～4月份为年初旱季，11～12月份为年末旱季;雨季为5～10份月份。

1.2  方法

1.2.1  通量观测方法   橡胶林中建有50 m高观测塔，观测塔分为多层，每层都安装有相应的观测仪器。与本研究相关的主要包括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。其中OPEC安装在距地面25 m高处，包括三维超生风速仪CSAT-3（Campbell Scientific Inc， USA）、开路红外CO2/H2O气体分析仪Li-7500（Li-Cor， USA）、数据采集器CR3000（Campbell Scientific Inc， USA）三部分，CSAT-3与Li-7500采样频率为10 HZ。RMET系统分梯度对净辐射、风速、空气温湿度、土壤温湿度等气象因子进行观测，分别安装在铁塔上7层和地下3层，并安装有2个CR3000采集数据。铁塔数据原始数据采集及处理用Campbell公司提供的Loggernet软件完成。铁塔仪器安装及其他资料详见文献[20]。此外，试验地内设有雨量筒，用于记录降水量信息。

1.2.2  计算公式   水汽通量（E）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：

E=■

式中，ρ为干空气密度，q为比湿脉动，w为垂直风速，横线为一段时间内的平均值;撇号表示脉动。且规定若水汽由生态系统进入大气，则值为正，反之为负[21]。

通过潜热通量（LE）计算蒸散量（ET）计算公式为[11]：

ET=■

式中，LE单位为w·m-2，（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

数据为通量观测30 min平均值，数据处理采用英国爱丁堡大学研究的EdiRe软件，处理过程主要包括野点剔除、延迟时间校正、二次坐标旋转等。在此基础上，还对数据进行了筛选：剔除了降雨前后1 h的数据;剔除传感器异常数据;剔除湍流混合较弱的数据（即摩擦风速u*<0.1 m/s）;剔除30 min记录不完整（缺测>3%）的数据[22]。

对于缺失数据的插补，有研究表明平均日变化法（Mean Diurnal Variation， MDV）与非线性回归方法适合用于较小窗口的数据插补[22-25]，由于本研究中数据缺失最大窗口为2 d，因此选择2种方法结合对缺失数据进行插补。

对于缺失窗口≤2 h的利用平均日变化法插补，即缺失的数据用邻近几天同时刻的平均值插补。对于平均时段长度的选择，根据已有研究，白天取14 d、夜间取7 d的插补结果最好，偏差最小[25-26]。对于>2 h的利用与净辐射的非线性回归方程进行插补。

数据统计分析用Microsoft Office Excel以及SAS软件。

2  结果与分析

2.1  橡胶林生态系统水汽通量变化特征

通过对海南橡胶林2010年全年水汽通量数据插补计算，得到全年逐日逐半小时水汽通量数据，并对旱季雨季每天同时刻水汽通量求平均得其平均日变化，结果见图1。

由图1可知，橡胶林全年水汽通量基本为正值，水汽由橡胶林进入空气，即橡胶林为水汽源。从整体趋势看，水汽通量呈单峰型变化，夜间水汽通量保持平稳，且接近0，早上7：00左右水汽通量开始增大，在中午12：00左右达到最大值，此后逐渐减小，至19：00左右又接近0。因为夜间温度较低，光照强度弱，水分蒸发和植物蒸腾作用非常弱。而白天，随着太阳升起，温度与光照强度逐渐增大，水汽通量开始增加，中午12点左右达到最大值，下午温度与光照强度减小，水汽通量也随之减小，直至晚上太阳落下。

旱季雨季相比，雨季5～10月份曲线更平滑，白天水汽通量明显大于旱季，且越接近中午，相差越明显。因为雨季是橡胶林主要生长季节，温度与光照强度都高于旱季，生物生命活动活跃，植物蒸腾、水分蒸发作用强，生态系统蒸散强度大。旱季1～4月份曲线波动最明显，因为1～4月份气候状况不稳定，温度、湿度等会发生突变，对水汽通量有一定的影响，从而导致水汽通量变化规律性差，这与吉喜斌等[27]的研究相符。另一方面，1～4月份橡胶树叶面积等生物因素也不稳定。

2010年全年水汽通量各月最大值在0.058 5～0.174 8 g/（m2·s）之间，最大值都出现在中午11：00至14：00期间，因为此时间段温度高，蒸腾、蒸发作用都比较旺盛。雨季6～7月份白天水汽通量明显高于其他各月，因为这2个月温度高，降雨相对较少，植物蒸腾作用强，土壤水分蒸发量大。

各月水汽通量最小值在-0.008 0～0.002 8 g/（m2·s）之间，各月最小值出现的时间点不同，但多出现在夜间或者凌晨，因为此时间段温度相对白天低，光照强度弱，植被蒸腾作用几乎停止，蒸发量也比白天小。8和10月份水汽通量的最小值出现在晚上8：00左右，可能因为这2个月下午降雨多，影响生态系统水汽输送过程。

2.2  橡胶林生态系统蒸散量与降雨量特征

根据2010年全年降雨量与蒸散量绘制柱形图，见图2所示。雨季5～7月份蒸散量基本相当，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月份降雨量都明显大于蒸散量，尤其8和10月份降雨量远大于蒸散量。8～10月份蒸散量均小于5～7月份。因为8～10月份降水多，增大了空气和土壤湿度，从而导致蒸散量较小;另一方面，降雨也会使温度降低，使蒸散量减小。

旱季4月份降雨量稍大于蒸散量，11月份降雨量与蒸散量基本持平，其余各月蒸散量都明显大于降雨量，说明12月到翌年3月橡胶林降水明显不足以维持橡胶林正常需水量，橡胶林缺水严重。

2010年全年总降雨量为1 763.8 mm，蒸散总量为999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%（表2）。旱季蒸散量明显大于降雨量，蒸散量接近降雨量的2倍，因此，旱季水分是橡胶林正常生长的制约因素。雨季5～7月份降雨量与蒸散量基本持平，而降雨集中在8～10月份，其降雨量占年总降雨量的67.6%，蒸散量仅占总蒸散量的27.4%，因此，8～10月份有过多的降水未被生态系统利用。

2.3  环境因子对水汽通量的影响

2.3.1  净辐射与水汽通量   海南旱季雨季净辐射与橡胶林水汽通量的相关性见图3。由图3可知，水汽通量与净辐射成正相关，但当净辐射增大到一定值后，水汽通量增加速率减小。因为净辐射增大到一定值，植物叶片气孔关闭，蒸腾量减小，进而水汽通量减小。

雨季5～10月份相关性最好，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。雨季相关性好于旱季，因为雨季是橡胶林的生长季，此时期净辐射大，且较稳定，植物生命活动旺盛，叶面积大，植物叶片蒸腾作用强;此外，净辐射大，导致温度高，也促进了水分的蒸发和植物的蒸腾作用，因此雨季水汽通量与净辐射相关性高。

旱季1～4月份相关性最差，从非生物因素方面讲，海南1～4月份气候条件不稳定，天气多变，水汽通量受其他因素的影响较多，导致其与净辐射相关性差;另外，从生物因素方面讲，橡胶树在此期间有叶片全部脱落和长新叶过程[28]，净辐射会通过影响植物叶片蒸腾作用来影响水汽通量，因此水汽通量与净辐射相关性不高。

2.3.2  气温与水汽通量   气温升高，可以促进水的汽化，从而影响水汽的传输过程。此外，温度地变化也会影响气压等环境因子，间接地影响水汽的输送。通过2010年橡胶林逐半小时水汽通量与距地1.5 m气温进行多项式拟合分析，结果见图4所示。

对于橡胶林水汽通量与温度成正相关，旱季的相关性较雨季稍差。雨季5～10月份R2为0.445 9;旱季1～4月R2为0.146 7，11～12月份R2为0.292 9。雨季5～10月份相关性好，因为温度升高会影响植被蒸腾、水面蒸发速率，从而影响水汽通量，5～10月份全年平均气温高，且温度变化幅度小，因此水汽通量与温度的相关性高。1～4月份天气多变，温度变化幅度大，影响水汽通量变化的因素较多，因此拟合相关性差。

2.3.3  饱和水汽压差与水汽通量   饱和水汽压差（Vapor Pressure Difference， VPD）指当时温度情况下饱和水汽压与实际水汽压的差值。饱和水汽压与温度有关，水汽压能表示空气湿度，因此饱和水汽压最能代表水汽密度差异，反映大气的需水状况，作为植被蒸腾的驱动力[26，29]，通过控制叶片气孔与空气的水汽压梯度而控制蒸腾作用[13]。

选橡胶林不同月份水汽通量与饱和水汽压差做相关性分析，结果见图5所示。水汽通量与饱和水汽压差（VPD）成正相关，一方面，橡胶树叶片蒸腾作用与外界空气中水汽压差成正比，因而蒸腾作用与空气饱和水汽压差成正比[30];另一方面空气中饱和水汽压差与蒸发强度成正比。各月相关系数R2分别为：1～4月份为0.147 0;5～10月份为0.362 1;11～12月份为0.302 9。

1～4月份水汽通量随VPD增大先增大，但当VPD增大到一定程度，水汽通量基本保持不变，因为在此期间，1～2月份橡胶树叶子全部脱落[28]，蒸腾作用减弱，因此当水汽通量增大到一定值后，不再随着VPD增大而增大。3～4月份为橡胶树长新叶的时期，水分主要用于橡胶树生命活动，水汽通量也不会一直增大。这也是1～4月份相关性最差的原因。

2.3.4  各环境因子与水汽通量   对于森林生态系统来说，净辐射、温度（大气温度、土壤温度）、风速、水分（大气相对湿度、土壤含水率）等环境因素都会影响水汽输送过程，并且每种因素并非单独作用，而是共同作用。旱季雨季不同月份各环境因子与水汽通量相关性见表3所示。

1～4月份回归方程为：

E=1.7×10-4Rn-0.01VPD+0.003Ta+0.003VWC-0.001G-0.1（R2=0.91**），各因素都达到显著水平的相关。

5～10月份回归方程为：

E=2.8×10-4Rn-0.005VPD-0.002Ta-0.005VWC-1.4×10-4G-0.003Ws+0.15（R2=0.97**），各因子的偏相关系数分别为0.94、-0.23、-0.21、-0.42、-0.11、-0.22，且都达到显著水平的相关。

11～12月份回归方程为：

E=1.0×10-4Rn-0.003VPD+0.036Ws-0.01（R2=0.96**），各因子偏相关系数分别为0.96、0.66、-0.26，且都达到显著水平的相关。

由回归分析方程可知，不同月份由于气候条件及植物本身生命活动状况不同，影响水汽通量的主要环境因子也不同。对于旱季：1～4月份的主要影响因子有净辐射、饱和水汽压差、气温、土壤含水量、土壤热通量;11～12月份的主要影响因子有净辐射、饱和水汽压差、风速。对于雨季：5～10月份主要影响因子有净辐射、饱和水汽压差、气温、土壤含水量、土壤热通量、风速。

净辐射、饱和水汽压差无论在旱季还是雨季都会影响水汽通量，证明净辐射、饱和水汽压差是水汽通量的最重要影响因子，是水汽循环最主要驱动力。雨季5～10月份影响水汽通量的环境因子最多，因为5～10月无论是植被生长还是气候条件都比较稳定，各环境因子对水汽通量影响都比较重要，水汽通量是各环境因子综合作用的结果。

3  讨论与结论

3.1  橡胶林生态系统水汽通量变化特征

橡胶林水汽通量变化特征为：橡胶林全年水汽通量大部分为正值，即橡胶林大部分时间为水汽源。水汽通量整体变化趋势为单峰型，夜间水汽通量保持平稳，接近于0，白天水汽通量在11：00～14：00之间达到最大值，各月最大值在0.058 5～0.174 8 g/（m2·s）之间。因为此时间段温度高，蒸腾、蒸发作用都比较旺盛。

橡胶林水汽通量雨季白天远大于旱季，且变化规律性强，曲线平滑。因为雨季是橡胶林主要生长季节，温度与光照强度都高于旱季，生物生命活动活跃，植物蒸腾、水分蒸发作用强，生态系统蒸散强度大。此外，雨季天气状况稳定，突变较少，因此水汽通量波动较小。

3.2  橡胶林生态系统蒸散量与降雨量特征

蒸散是陆地生态系统水循环的最重要环节之一。有研究结果表明，到达陆地生态系统的降水有2/3左右都通过蒸散返回到大气中[31]，同时也为地表大气75%的能量转移做贡献[32]。

2010年全年总降雨量为1 763.8 mm，蒸散总量为999.6 mm，蒸散量占降雨量的56.67%。本研究用涡度相关法估算橡胶林蒸散率结果在森林生态系统蒸散率（40%～80%）范围内[33]。但涡度相关法估算结果比实际蒸散低，因为涡度相关技术测定生态系统能量收支存在能量不闭合，测定显热和潜热输出总量较常规测定的净辐射输入量少10%～30%[34]，导致水汽通量的估算较实际小，进而导致蒸散量偏小。此外，降雨以及露水会对水汽通量观测的影响[35]，原始数据的处理过程[21，26]，也可能导致蒸散量估算偏低。

旱季蒸散量远大于降雨量，旱季水分是橡胶林正常生长的制约因素。雨季8～10月份蒸散量明显小于降雨量，降水严重过剩。因此，在实际生产中，可以考虑在雨季收集雨水，用于旱季橡胶树的灌溉。

3.3  环境因子对水汽通量的影响

海南橡胶林水汽通量与净辐射正相关，且雨季相关性高于旱季，但水汽通量不随着净辐射增大无限增大。因为净辐射增大到一定值，植物叶片气孔关闭，蒸腾量减小，进而水汽通量减小。对水汽通量与净辐射进行回归分析得，雨季5～10月份相关性最好，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。在一元二次拟合方程中，除1～4月份外，其他各月拟合R2都高于千烟洲人工林晴天（R2=0.554）[21]，高于太湖源雷竹林夏季拟合（R2=0.603）[36]，也高于安吉毛竹林夏季拟合（R2=0.611 1）[26]。1～4月份橡胶树生理状况以及天气条件都不稳定，因此相关性最差。

橡胶林水汽通量与气温也成正相关，但相关性弱。水汽通量与气温进行回归分析，雨季5～10月份R2为0.445 9;旱季1～4月份为0.146 7，11～12月份为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年的拟合结果（R2=0.640 8）[13]。因为海南属于热带地区，全年气温相对较高，气温变化不很明显，因此水汽通量受气温影响相对较弱。

水汽通量与饱和水汽压差正相关。相关系数R2分别为：1～4月份为0.147 0;5～10月份为0.362 1;11～12月份为0.302 9。雨季5～10月份相关性最高，大于低丘南段次生林2008年相关性（R2=0.348 3）[13]，小于安吉毛竹林主要生长期6月的相关性（R2=0.425 1）[26]。可能因为海南岛空气湿度较大，从而导致水汽通量与饱和水汽压差相关性弱。

不同月份影响水汽通量的主要环境因子也不同，但净辐射、饱和水汽压差是水汽通量的最重要影响因子，是水汽循环最主要驱动力。雨季影响因子最多，因为雨季气候条件稳定，水汽通量是各环境因子综合作用的结果。

致  谢  感谢中国科学院寒区旱区环境与工程研究所王介民研究员和北京天诺基业甄晓杰工程师在涡度相关仪器维护以及EdiRe数据处理程序完善等方面提供的无私帮助。

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