海南儋州地區橡膠林生態系統水汽通量變化特征及其對環境因子的響應

耿思文，吳志祥*，楊 川

(1.中國熱帶農業科學院 橡膠研究所，海南 海口 571101；2.農業農村部 儋州熱帶作物科學觀測實驗站，海南 儋州 571737；3.海南大學 林學院，海南 海口 570228)

森林生態系統水文過程研究是探究流域或區域水文過程的基礎和關鍵，有重要的研究價值[1]。水汽通量是指在單位時間內通過單位面積的水汽量，森林生態系統水汽通量主要包括植被蒸騰、冠層截留降水蒸發以及土壤水分蒸發三部分通量之和[2]，是森林生態系統物質循環與能量流動過程中的重要環節和重要載體，在森林物質循環與能量流動中都起著重要作用。蒸散和水汽通量是重要的水分狀況指標，是地球陸地表面水分的重要來源[3]，研究水汽輸送過程對于了解森林生態系統的水分循環特征、物質流動和能量分配、深入理解其結構和進程等有重要的意義[4,5]。近年來，渦度相關法由于能較準確、長期連續地對地表—大氣間的湍流進行觀測，能同時測定氣象因子以及各能量組分[6]，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通量觀測的標準方法，在陸地生態系統物質循環和能量流動中得到廣泛應用[7,8]，國內學者也利用此方法對多種陸地生態系統水汽循環過程進行了觀測和研究[9-11]。

熱帶天然橡膠(Hevea brasiliensis)人工林在海南、云南、廣東等地大面積推廣種植，是旱地建立的最好生態系統之一[12]。本研究以海南儋州地區橡膠林為對象，利用渦度相關觀測技術研究其2017-2018年間水汽通量的變化特征，結合降雨量探究水分收支情況，為橡膠林的水分管理提供一定理論支持，從而達到提升栽培管理效率和產量的目的。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于海南省西北部中國熱帶農業科學院實驗農場第三試驗區，農業部儋州熱帶農業資源與生態環境重點野外科學觀測試驗站內(19°32′47″N，109°28′30″E)，海拔高度114 m，地形平坦，年均溫23.5℃～24.1℃，屬典型熱帶海島季風氣候，受熱帶季風影響旱雨季分化明顯，5-10月份是雨季，11至翌年4月為旱季，年均降水量約1 800 mm。樣地所在的橡膠林品系為熱研7-33-97，2001年種植，2008年試割，2009年正式開割[13]，栽植密度(3 m×7 m)。試驗區土壤為砂質黏壤土，土層厚度約100 cm，通透性好，蓄水保肥能力較差。膠林結構單一且分層明顯，上層為橡膠林喬木層，林冠高度20 m，下層為林下草本層，高度0.5 m。樣地林下間種鶴望蘭(Strelitziareginae)，其余自生草本植物主要有弓果黍(Cyrtococcumpatens)、山麻桿(Alchornearugosa)、露籽草(Ottochloanodosa)、竹節草(Chrysopogonaciculatus)、杯莧(Cyathulaprostrata)、含羞草(Momosapudica)等[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 通量觀測方法 試驗地中設有50 m高的觀測塔，塔上分層設置相應的觀測和數據收集儀器。與研究相關的主要包括開路渦度協方差系統(open path eddy covariance,OPEC)和森林常規氣象梯度觀測系統(routine meteorological system,RMET)。其中OPEC安裝高度為25 m，包括三維超聲風速儀CSAT-3、開路紅外CO2/H2O氣體分析儀Li-7500、數據采集器CR3000共3部分，取樣頻率為10 Hz；RMET系統沿觀測塔垂直分布在地上和地下兩部分，所采集的氣象因子包括凈輻射(25 m處)、風速、空氣溫濕度(1.5、6、10、15、41、50 m處)、冠層、地表溫度(1.5、30 m處)等，并配有2個CR3000(2、30 m處)采集數據。鐵塔數據的原始采集以及處理采用Campbell公司提供的Loggernet軟件完成[13]。另外降雨等氣象數據參考兩院地面氣象記錄報表。

渦度相關法是直接測定大氣與植物群落氣體交換量的通用標準方法[8,15-17]。本試驗區內下墊面平坦，林相均勻整齊，符合相關觀測要求。通過相關渦度系統實時測得的相關數據，可以求得水汽通量和蒸散量[9]。

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：

(1)

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為通量值符號為正，反之為負[18]。

通過潛熱通量(LE)計算蒸散量(ET)的公式為：

(2)

式中，LE單位為w·m-2,(597-0.564T)為水的汽化熱/(J·g-1)，T為冠層高處的空氣溫度，0.43為單位轉換系數。蒸散量(ET)通過一日之內各0.5 h尺度的值相加得到/(mm·d-1)[9]。

1.3 數據處理

所用數據為通量觀測的30 min尺度平均值。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(異常值或奇異點)剔除、延遲時間校正、三維坐標旋轉校正垂直風速等[19]。在此基礎上，還對數據進行了篩選：剔除了惡劣天氣、傳感器異常等原因造成的不合理數據；剔除湍流混合較弱的數據(即摩擦風速u*<0.1m·s-1)；剔除30 min記錄不完整(缺失>3%)的數據[20]。對于缺失數據的插補，有研究表明平均日變化法與非線性回歸方法適合用于較小窗口的數據插補[20-22]，由于本研究中數據最大缺失窗口為2 d，因此選擇2種方法結合對數據進行插補：對于缺失窗口≤2 h的利用平均日變化法插補，及使用鄰近幾天同時刻的平均值插補[23-24]。

數據統計分析用 Microsoft Office Excel 以及SAS 9.2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

對海南橡膠林2017-2018年的水汽通量數據插補計算，得到海南儋州人工橡膠純林生態系統2 a間逐日逐0.5 h水汽通量數據，并分別對旱季(1-4月、11-12月)雨季(5-10月)每天同時刻的水汽通量求平均值得其月平均日變化(圖1)。

橡膠林水汽通量總體特征為：2017-2018年絕大部分時間內水汽通量為正值，且旱季遠高于雨季。全年最高日出現在7月，最低在2月。由圖1可知，橡膠林全年水汽通量基本為正值，即水汽由橡膠林向大氣釋放，為水汽源。水汽通量日變化整體趨勢呈單峰形，夜間水汽通量保持平穩，且基本為0；6:30-7:00水汽通量開始增大，在12:00-13:00到達峰值，而后逐漸減小，至17:30-19:00又趨近于0。因為夜間溫度較白天低，光照強度弱，水分蒸發和植物蒸騰作用都比白天弱。而白天，隨著日出，光照強度增大，溫度逐漸升高，水汽通量隨之開始增加，當太陽達到正午太陽高度前后時，水汽通量達到最大值，下午溫度與光照強度減小，水汽通量也隨之減小，直至日落，水汽通量再次趨近于0。

圖1 2017-2018年橡膠林生態系統不同季節水汽通量平均日變化Fig.1 Mean diurnal dynamics of water vapor flux in rubber plantation ecosystem in different seasons during 2017-2018

由于旱季日照時間長，日出早、日落晚，因此水汽通量也明顯早于雨季開始升高，遲于雨季復位，且始終明顯高于雨季，最大值約為雨季的2～3倍。雨季是橡膠林的主要生長季，溫度、光照強度和降雨等都高于旱季，雨熱同期加劇了橡膠林的生物活動，植物蒸騰、水分蒸發作用都更劇烈，生態系統蒸散強度大。另外雨季曲線較平滑，旱季曲線呈現鋸齒狀波動，是由于旱季氣候多變，溫度、濕度經常波動，水汽通量的變化相應發生變化。另一方面，老葉脫落和新葉萌發都發生在旱季，導致葉面積等生物因素的不穩定，同樣影響水汽通量的穩定。

日周期內水汽通量變化趨勢呈明顯的單峰形，夜間水汽通量趨近于零且保持平穩，6:30-7:00隨日出水汽通量開始增大，到達正午時日照、溫度達到最強，水汽通量也逼近峰值，隨后峰值逐漸減小，至17:30-19:00隨日落又趨近于0，此后在夜間基本保持在0左右的正值，19:00-0:00相比0:00-6:00時的波動更加明顯。5～10月(即雨季)的水汽通量曲線開始增大較旱季更早，曲線回落較旱季更晚，這與雨季的日照時長更久有關。日間水汽通量在10:15-14:15到達峰值，旱季的峰值區間在0.030 2～0.068 8 g·m-2·s-1，雨季的區間為0.113 6～0.159 3 g·m-2·s-1。因為此時段的日照最強，氣溫達到當日最高，植物蒸騰、地表和截留蒸發活動都比較劇烈。

對比橡膠林旱、雨季的日間水汽通量，發現雨季遠大于旱季，且曲線平滑。因為雨季對應橡膠林的主要生長季，生物活動頻繁，植物蒸騰作用強；并且雨季降水量充沛，溫度、光照都強于旱季，因此各類截留雨量的蒸發量也導致總體蒸散強度增大。在旱季由于橡膠林生物活動微弱，蒸騰相應減弱；且旱季降水量少，蒸發量減少，蒸騰量成為影響蒸散的主要成分，而影響蒸騰的環境因素比影響蒸發的要更為復雜，旱季氣候條件不穩定，導致曲線相對不平滑，且水汽通量較小，但總體依然表現為水汽源。

由表1可見，2017-2018年水汽通量各月最大值在0.030 2～0.159 3 g·m-2·s-1，旱季最大值出現時間往往遲于雨季，但都出現在10:15-14:15，因為此時溫度、光照強度都是1 d內最高，蒸騰蒸發作用都非常旺盛。各月水汽通量最小值在-0.007 7～0.002 9 g·m-2·s-1，且均出現在夜間，因為此時溫度相對白天低，光照強度弱，蒸騰作用幾乎停止，蒸發量也遠小于白天。雨季的最小值出現時間多在傍晚，這可能是由于雨季下午降雨頻繁，伴隨著氣溫和凈輻射的回落，導致生態系統水汽向外輸送的效率降低。

表1 2017-2018年各月水汽通量最大值、最小值和平均值Table 1 The maximum,minimum and mean values of monthly water vapor flux in 2017-2018

2.2 橡膠林生態系統蒸散量與降雨量特征

2017、2018年全年總降水量分別為1 687.6、2 264.7 mm，蒸散總量為962.24、1 209.29 mm，分別占降水的57.02%、53.40%(表2)。降雨是森林生態系統的主要水分來源，是直接影響植被生長的因素，分析降雨的變化規律是研究水量平衡和森林水文過程的基礎。根據往年氣象資料顯示，試驗地的年均降水量約1 863 mm，雨季降水量占全年總降水的65%～75%，干濕季區分明顯。2018年降水量高于往年平均水平，蒸散總量也較高，但蒸散率較小，為53.39%；而2017年降水量雖較低，蒸散率高于2018年，為57.02%。雨季降雨量和蒸散量都明顯大于旱季，雨季降雨約為全年的80%，蒸散約為全年的78%。因此，水分是制約橡膠林在旱季正常生長的因素之一。蒸散的主要活躍時間在5-10月，基本與雨季重合。旱季常出現蒸散大于降雨的情況，由于此時降雨相對不足，橡膠林生長需要從土壤獲取水分，蒸騰作用劇烈。

表2 2017-2018年不同季節降雨量和蒸散量分配情況Table 2 The precipitation and evapotranspiration of different seasons in 2017-2018

由圖2可以看出，2018年降雨和蒸散量整體高于2017年，其中2018年5-8月的蒸散量基本相當，2017年受降雨不穩定的影響，6月和8月的蒸散量略低于雨季平均水平。雨季的6-9月中常出現降雨明顯大于蒸散的情況，降雨增加了空氣濕度，對蒸散過程產生一定抑制。而旱季中，2017年1、2、12月、2018年1月和5月的蒸散量基本與降雨量持平，蒸散明顯大于降雨量的有2018年2月、10月和11月。

圖2 2017-2018年橡膠林生態系統降水蒸散動態Fig.2 Monthly dynamics of precipitation and evapotranspiration in 2017-2018

2.3 水汽通量對環境因子的響應

影響陸地生態系統水分傳輸過程的因素主要有水、熱兩部分。二者在橡膠林生態系統中主要影響因素具體為：凈輻射(Rn)、空氣溫度(Ta)、空氣濕度(RH)、飽和水汽壓差(VPD)、風速(Ws)、土壤熱通量(Gs)、土壤含水量(VWC)等。針對以上因素與水汽通量之間進行線性回歸以及相關性分析(表3)，得到一年中不同時期的主要影響因子。

1-4月回歸方程：

E=-0.024 4Ta+0.070 7RH-3.733 7VPD+0.010 4Ws+0.001 7Rn+0.373 5G-0.868 2VWC+17.889 8(R2=0.96**)(**表示P<0.01，下同),其中各環境因子均達到極顯著相關水平。

5-10月回歸方程：

E=-2.16×10-5Ta-1.533×10-4RH+0.001 5VPD+9.213×10-5Rn-1.852×10-4G+0.001 3VWC-0.009 4(R2=0.898 9**),各環境因子均極顯著相關，與旱季相比，風速與水汽通量無明顯相關。

11-12月回歸方程：

E=-6.854 6×10-4Ta+8.274×10-5Rn-5.222 8×10-4G+0.204(R2=0.982 7**)，影響因子最集中，氣溫呈顯著相關，凈輻射和土壤熱通量呈極顯著相關。

根據以上回歸方程以及表3中的偏相關分析可以看出，1-4月受環境因子的影響最為廣泛，所列出的7個環境因子均達到極顯著相關水平，其中凈輻射、土壤含水量和飽和水汽壓差相關性更高；5-10月風速不再是顯著影響水汽通量的環境因子，凈輻射、飽和水汽壓差和氣溫是相關性較高的因子；11-12月，顯著影響的因子僅有凈輻射和土壤熱通量。全年凈輻射是持續穩定對水汽通量變化產生極顯著相關的影響因子，旱季時土壤水分和土壤熱通量是限制水汽通量的主要因子，雨季時則受飽和水汽壓差和空氣溫度影響更大。

表3 不同季節各環境因子與水汽通量的偏相關分析Table 3 The partial correlation analysis results of water vapor flux and environmental factors in different seasons

大部分環境因子僅對森林生態系統水分傳輸產生階段性影響，但也有少數能夠持續性影響這一過程。劉晨峰等[25]指出，在土壤水分充足的條件下，植被蒸騰對水汽壓差的響應程度較低，而無論在干季還是濕季，蒸散過程都對凈輻射的變化反應敏感。因此對于橡膠林生態系統來說，水汽輸送過程受到凈輻射、溫度、濕度、風速等環境因素的共同作用，但這些環境因子并不都能持續性的存在顯著影響，不同季節的主要影響因素不同。而凈輻射和大氣溫度在不同氣候條件下的橡膠林生態系統中，都是顯著影響其水汽通量重要的因子[18,26]，是水汽向大氣輸送的主要驅動力[27]。因此選擇凈輻射和大氣溫度2個環境因子進行進一步的數據擬合分析和討論。

2.4 凈輻射對水汽通量的影響

由圖3可知，水汽通量與凈輻射呈正相關，但并不隨著凈輻射的增大而無限增大，凈輻射值升高，水汽通量的增速則會減緩。其中，雨季(5-10月)相關性最好，R2=0.698 3；其次是1-4月，R2=0.358 6；最差的是11-12月，R2=0.252 1，則雨季凈輻射對水汽通量的影響更為顯著。這與X.B.Ji et al.[27]的結論相符。

圖3 橡膠林生態系統水汽通量對凈輻射的響應擬合Fig.3 The response of water vapor flux to net radiation in rubber plantation ecosystem

水汽通量的峰值與凈輻射的變化趨勢類似，但并非完全一致。由圖4可以看出，在日變化中，當凈輻射達到午后次高峰時，特別是炎熱的夏季，葉片會關閉一部分氣孔，這被稱為葉片的“蒸騰午休現象”[28]。因此在這段時間內，水汽通量值降低，午后又會伴隨環境因子的波動出現小幅度的升高，但不會再超過午間出現的峰值，整體呈下降趨勢，直至夜間達到最低值。

圖4 生長季橡膠林水汽通量和凈輻射的典型日變化Fig.4 Diurnal change of water vapor flux and net radiation during growth season

2.5 大氣溫度對水汽通量的影響

圖5表明，水汽通量隨著氣溫升高而增大，與凈輻射不同的是，氣溫越高，水汽通量的增速越快。雨季(5-10月)的相關性最好，R2=0.677 9；其次是1-4月，R2=0.369 4；相關性最差是11-12月，R2=0.274 1，與凈輻射的順序一致。由圖6可知，1 d內水汽通量的峰值比氣溫峰值早出現2 h左右，同樣由于蒸騰午休現象，導致總體蒸散量降低。與圖5對比，水汽通量的峰值與凈輻射更為接近，但變化趨勢與氣溫更為相似。

圖5 橡膠林生態系統水汽通量對大氣溫度的響應擬合曲線Fig.5 The response of water vapor flux to air temperature in rubber plantation ecosystem

圖6 生長季橡膠林水汽通量和氣溫的典型日變化曲線Fig.6 Diurnal change of water vapor flux and air temperature during growth season

3 結論與討論

3.1 橡膠林生態系統水汽通量變化特征

橡膠林水汽通量總體特征為：2017-2018年，絕大部分時間內水汽通量為正值，說明人工橡膠林為水汽源，且旱、雨季呈現明顯不同，旱季遠高于雨季。全年最高出現在7月，最低為2月。日周期內水汽通量變化趨勢呈明顯的單峰形，夜間水汽通量趨近于0且保持平穩，對比橡膠林旱、雨季的日間水汽通量，發現雨季遠大于旱季，且曲線平滑。因為雨季對應橡膠林的主要生長季，生物活動頻繁，植物蒸騰作用強；并且雨季降水量充沛，溫度、光照都強于旱季，因此各類截留雨量的蒸發量也導致總體蒸散強度增大。在旱季由于橡膠林生物活動微弱，蒸騰相應減弱；且旱季降水量少，蒸發量減少，蒸騰量成為影響蒸散的主要成分，而影響蒸騰的環境因素比影響蒸發的要更為復雜，旱季氣候條件不穩定，導致曲線相對不平滑，且水汽通量較小，但總體依然表現為水汽源。

3.2 橡膠林生態系統蒸散量與降雨量特征

2017、2018年度總降水量分別為1 687.6、2 264.7 mm，蒸散總量為962.24、1 209.29 mm，分別占全年降水的57.02%、53.40%；屬于森林生態系統蒸散率的合理范圍[29]。對比不同森林生態系統，海南儋州橡膠林生態系統的全年蒸散水平高于千煙州人工針葉林[18]、太湖源雷竹林[30]、安吉毛竹林[24]、北京楊樹人工林[25]、湖南會同杉木人工林[31]等亞熱帶森林生態系統，也高于H.R.Darocha等[32]和Y.Malhi等[33]分別在亞馬遜熱帶雨林測得的蒸散數據(1 300 mm和1 123 mm)，但與其蒸散占年降雨的比例相差不大(60%和54%)。

蒸散量主要集中在5-10月，約占全年蒸散量的78%，最大值出現在7月(194.87 mm)，且雨季降雨遠大于蒸散。旱季蒸散量與降雨量基本持平或略大于降雨，與其他林種的蒸散研究對比結果相似，說明在旱季有缺水情況但并不嚴重，與張曉娟等[26]的研究結果略有差異。因此旱季的膠林生長受到一定降水不足的脅迫，但并不顯著。

由于渦度相關法的預設前提是在生態系統能量收支閉合(energy balance closure)的基礎上，但實際測定潛熱和顯熱總量比常規測定的凈輻射輸入量小[34]，因此估算結果一般略低于實際蒸散量[26]。另外，環境因子如降雨、露水等也會導致觀測結果出現誤差，對原始數據的檢驗和修正等操作同樣可能導致蒸散量估算結果偏低。

3.3 環境因子對水汽通量的影響

水汽通量對環境因子的響應隨季節變化而發生變化，全年凈輻射對水汽通量變化產生持續穩定的影響，且一直呈極顯著相關。旱季時土壤水分、土壤熱通量和風速是影響水汽通量的主要因子，且均呈負相關，是脅迫水汽通量的因子；雨季時則受飽和水汽壓差和空氣溫度影響更大。說明旱季影響水汽通量主要因素在土壤層面，而雨季則是大氣層面。

凈輻射和氣溫是蒸散發生的先決條件，是水汽循環最主要驅動力。海南橡膠林水汽通量與凈輻射和氣溫均呈正相關，且雨季相關性高于旱季。但水汽通量隨凈輻射強度增大，水汽通量的增長速度減緩；而氣溫相反，溫度越高水汽通量增長速度越快。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；而氣溫越高，水分傳輸過程越活躍，則水汽通量增速越大。對水汽通量與二者進行回歸分析得，雨季相關性最好，其中，雨季(5-10月)相關性最好，其次是1-4月，最差的是11-12月，則雨季凈輻射和氣溫對水汽通量的影響更為顯著。因為雨季是橡膠林的生長季，此時生命活動旺盛，葉面積大，植物葉片蒸騰作用強；且雨季氣溫高于旱季，促使水分蒸發和植物蒸騰過程更加劇烈。旱季的相關性差，從生物因素來看，橡膠林在儋州等較為寒冷地區表現為落葉樹種，雨季的12月至翌年2月老葉大量脫落，且溫度、光照都不足，在旱季生物活動明顯減弱，影響了植物蒸騰；從非生物因素來看，旱季氣候多變，常冷熱交替，環境因子不穩定。兩方面結合，整體上影響水汽通量變化的不穩定因素變多，導致與凈輻射和氣溫的相關性較差。

橡膠林生態系統總體表現為水汽源，蒸散水平屬熱帶森林的平均范圍內，年蒸散率約為55.21%。通過對比可以看出，雖然人工橡膠林的總體蒸散水平高于西雙版納甚至亞馬遜熱帶雨林，但橡膠林的年蒸散總量依然小于年降水量，只是在旱雨季中水分分配比例不同，雨季降雨遠遠大于蒸散，旱季時降雨略小于蒸散或基本持平。因此從全年尺度來看，蒸散量占降水量的比例處于正常水平，2018年的年蒸散率甚至小于太湖源雷竹林、千煙洲人工針葉林等亞熱帶森林生態系統[18,30]。因此在海南儋州地區開展的本研究結果與Z.H.Tanetal[35]認為橡膠林是中國熱帶地區水泵的結果不同，本研究認為在年周期內不存在橡膠樹抽取大量地下水并交換到大氣的現象。

植膠區的地下水位降低、當地水資源短缺等現象，不能簡單地歸因于橡膠林的生理機制和生長過程，而更應該考慮土壤性質、氣候轉變、地下水的不合理使用以及地下水來源減少等其他可能因素。另外在不同時間尺度上看，旱季降水量極少，此時蒸散量大于降水量，因此在1-3月內確實可能出現短期的植膠區地下水位降低的現象，但這并不能證明橡膠林的生長會對當地水文生態造成破壞，應當從更長的時間尺度和更全面的角度得出合理結論。橡膠林是高產出、高效益的行業，能為人類社會做出巨大貢獻的行業；發展橡膠產業是人類開發利用自然資源的一種方式，它會產生強大的經濟、生態和社會服務功能價值[36]。因此橡膠種植園在環境友好的前提下，應該得到更加有效的經營和發展。