冠层温度是指植物不同高度叶片、枝干等器官表面温度的平均值。冠层温度是植物活动层与周围环境进行能量交换的结果,其作为一项重要参数,可用于研究土壤、作物及大气之间的水热交换[1]。现有研究表明,橡胶林对气象变化非常敏感,张一平等[2]发现橡胶林冠面上、冠面层、冠面下气温相互制约。祁栋灵等[3]发现橡胶树茎粗生长与气象因子有关,其中气温影响最大,降水影响最小。因此,研究橡胶人工林冠层温度与微气象因子的关系对于了解森林大气层结状态,解析森林小气候环境特征非常重要。
自1963年Tanner[4]首次使用红外测温仪对植物的温度进行测定之后,关于冠层温度及微气象要素的一系列研究大都是围绕经济作物小麦[5]、水稻[6]、玉米[7]、棉花[8]等草本与禾本科植物开展的,关于木本植物的相关研究直到近些年才有一定进展。由于木本植物具有生长周期长、体积大、根系发达等特点,绝大多数又为多年生植物,所以对其冠层温度的研究需要连续、长期的监测。目前,对于木本植物的研究还处于起步阶段,而对于橡胶林冠层温度的研究,除了马友鑫等[9]将云南橡胶林冠面温度与林冠上方1.5 m处气温进行比较,Song等[10]将橡胶林与热带雨林红外冠层温度进行比较外,鲜有报道。本研究利用2017年全年不间断观测获得的海南岛西部橡胶人工林冠层温度数据及同步观测的冠层微气象资料,分析冠层温度的变化规律及其影响机制,以期为进一步深入研究橡胶人工林生态系统水热传输特征提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 研究地区概况
研究地点选择在海南省儋州市那大镇旁的中国热带农业科学院试验农场第三作业区,位于农业农村部儋州热带作物科学观测试验站内（19°32′ N,109°28′ E）。研究地点位于海南省西部,平均海拔114 m,地形平坦,占地1.48 hm2,属于热带雨林北部边缘,典型的热带海岛季风气候,一年分为干湿两季,其中5—10月是湿季,1—4月及11—12月是干季。年平均气温21.5~ 28.5 ℃,全年日平均气温≥10 ℃的积温为8500~ 9100 ℃;太阳辐射约4.857×105 J/cm2,全年日照时长约2100 h;年平均降雨量约1607 mm,主要分布在7、8、9月,占全年降雨量的70%以上;年平均相对湿度约83%;常年平均风速2~2.5 m/s（数据来自中国热带农业科学院气象站）。土壤为花岗岩砖红壤,多为砂质黏壤土[11]。
供试橡胶林品系为‘热研7-33-97’,树龄18 a,平均冠层高度19 m左右,群落结构简单,宽行密植模式,株行距为3.0 m×7.0 m,林下以多年生草本及当年生草本植物为主。
1.2 观测内容与方法
微气象观测铁塔位于研究地中心,塔高50 m,分别在1.5、6、10、15、33、41、50 m高处,安装三杯式风速仪（Met 010C-1,美国Met One公司）和温湿度计（HMP45C,芬兰Vaisala公司）,构成风速和温湿度垂直梯度观测系统;在塔顶安装风向仪（Met 020C-1,美国Met One公司）;在2、4、8、12、16 m处安装了1 m长、10点杆状的PAR传感器（LQS70-10,美国Apogee公司）,观测光合有效辐射的垂直变化;在25 m处设置有太阳辐射和反射辐射（长、短波）及净辐射观测的传感器（CNR-1,荷兰Kipp & Zonen公司）。另外,在铁塔30 m处设置了红外温度传感器（IRR-P,美国Apogee公司）,对植物冠层表面温度进行监测;数据由1.5 m和30 m两处数据采集器（CR3000,美国Campbell公司）收集、存储[19]。所有数据均由微气象观测铁塔的小气候监测系统测定,每10 min、30 min、24 h分别输出一组平均值,24 h自动观测。
1.3 数据处理
分析所用数据的观测时间尺度均采用30 min,并以10 min及日变化数据作为参考,将30 min内一些缺漏数据和偏差较大的错误数据利用人工计算,求10 min内数据的平均值进行修正和补充。对整个观测期内湿季（5—10月）与干季（1—4月、11—12月）各月及相应时刻冠层温度（Tc）、1.5 m高度大气温度（Ta）观测值分别进行平均,得到各月及干湿季Ta、Tc的日变化曲线,进一步结合整个观测期内16 m高度的光合有效辐射（PAR）进行分析,来探究Tc与Ta之间的变化关系。
在自然状况下,各气象因素对植物冠层温度的影响往往不是单独存在的,而是相互作用,共同影响着冠层温度的变化。为探究橡胶林冠层微气象与Tc之间的关系,本研究分别就Ta、净辐射（Rn）、33 m高度相对湿度（RH）和33 m高度风速（V）这4个微气象因子对Tc进行分析。
2 结果与分析
2.1 橡胶人工林冠层小气候状况
橡胶树属于落叶乔木的一种,具有明显的生长期和非生长期。由表1可以看出,3—11月试验农场气温相对较高,橡胶树的呼吸代谢加快,橡胶树处于生长与产胶的旺盛时期,这与祁栋灵等[3, 12]发现的橡胶树茎粗快速生长时间基本吻合。全年月平均相对湿度较高,均在75%以上,说明该橡胶人工林全年偏湿,其中6月平均相对湿度最低,为76.07%,与6月平均气温全年最高刚好相对应,说明6月相比其他月份橡胶人工林气候偏热、偏干;风向月变化呈现出明显规律,从1月开始由北风缓慢变成西北风,在8月变为东风,再由东风返回西北风,最后回到12月的北风,风向角度变化为90°→180°→90°;全年月平均风速总体不强,1月平均风速为3.61 m/s,达到微风级别,其余各月平均风速都不超过3.39 m/s,属于轻风级别,其中3、5、6、8、9月平均风速相对较低,但差别并不是很大。由以上可以看出,橡胶人工林小气候状况基本符合该地区干湿气候的划分。
表1 橡胶人工林全年冠层小气候状况Tab. 1 Canopy microclimatic status of rubber plantation throughout the year |
| 月份 Month | 平均气温 Mean temperature/℃ | 平均相对湿度 Mean relative humidity/% | 平均风速 Mean wind speed/ (m·s-1) | 平均风向 Mean wind direction/ degree |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 19.1 | 86.24 | 3.61 | 92.60 |
| 2 | 18.2 | 83.51 | 3.25 | 112.73 |
| 3 | 21.9 | 84.11 | 2.69 | 141.04 |
| 4 | 24.8 | 76.87 | 2.86 | 148.75 |
| 5 | 26.1 | 82.56 | 2.46 | 141.02 |
| 6 | 27.8 | 76.07 | 2.64 | 177.13 |
| 7 | 26.0 | 87.54 | 3.39 | 134.60 |
| 8 | 27.2 | 78.69 | 2.69 | 180.07 |
| 9 | 27.0 | 82.65 | 2.63 | 163.44 |
| 10 | 23.9 | 84.18 | 3.07 | 117.70 |
| 11 | 21.2 | 89.41 | 3.00 | 83.94 |
| 12 | 18.1 | 81.43 | 3.45 | 90.71 |
2.2 冠层温度日变化特征
2.2.1 各月冠层温度的月平均日变化 橡胶人工林1—12月各月平均冠层温度与观测点平均大气温度的关系如图1所示。可以看出,各月橡胶人工林Tc与Ta的月平均日变化具有明显的时间变化特征,均呈现单峰曲线变化,Tc较之Ta有变化加剧、位相提前的特点,尤其是在3—9月。
图1 2017年1—12月橡胶人工林冠层温度月平均日变化A：1月;B：2月;C：3月;D：4月;E：5月;F：6月;G：7月; H：8月;I：9月;J：10月;K：11月;L：12月;Ta：大气温度;Tc：冠层温度。 Fig. 1 Monthly mean daily variation of canopy temperature in rubber plantation from January to December in 2017 A: January; B: February; C: March; D: April; E: May; F: June; G: July; H: Aguest; I: September; J: October; K: November; L: December; Ta: Air temperature; Tc: Anopy temperature. |
将1—12月冠层上（16 m）测得的PAR进行月平均日变化分析,其变化情况如图2所示。可以看出橡胶林PAR开始升高时间由1月逐渐提前,6月达到最早,为6：10左右,而后又开始推迟,12月最晚,在7：10左右;PAR降低至趋于稳定时间由1月的18：30左右逐渐推迟,7月达到最晚,为19：20左右趋于稳定,而后又开始提前至12月的18：00左右。结合图1可知,在PAR升高之前,Ta与Tc基本一致,两曲线近乎重合。在PAR升高1个小时之后,Ta与Tc均迅速升高,尤其在2—9月Ta的升高速度明显快于Tc。而后Ta在13：00—15：00之间达到最高值。干湿季进行对比发现,干季Ta基本都在15：00达到峰值,比较稳定;相比湿季Ta峰值出现时间波动就比较大。Tc在12：30—15：00之间达到最高值,尤其在湿季阶段其峰值出现时间在12：30—14：00之间,对比干季时间有所提前。Ta和Tc最大值均出现在6月,这与图2观察到的光合有效辐射出现最早的月份一致,其中Ta为32.1 ℃、Tc为34.9 ℃,由此可以看出,Tc振幅相比Ta明显变大。
总体而言,图2中各月PAR的变化趋势基本一致。早上7：00之前,光合有效辐射近乎于零;日出之后,光合有效辐射从接近零的水平开始增大,在12：30左右达最大值;随后逐渐减少,在日落之后1 h内,也就是19：30左右接近于零,这与吴志祥等[11]2009年12月对这片橡胶林研究的结论基本一致。对此分析图1可知,日落后直至翌日日出之前,橡胶人工林冠层大气为近中性状态,即Tc与Ta相近,其原因可能是在日落后至翌日日出前光合有效辐射接近于零,橡胶林冠层所能获得来自太阳辐射的能量接近于零。而日出后,随着太阳高度角不断增大,光合有效辐射不断增强,Tc与Ta都随之快速升高,其原因可能是随着光合有效辐射的增强,使空气与冠层获得的能量都有所增加;与此同时Tc的升高速度快于Ta,可能是冠层吸收光合有效辐射,获得的能量迅速得到反馈,冠层叶片等器官进行光合作用使冠层温度迅速上升,冠层呼吸作用的速度也随着Ta的升高而加快,光合作用与呼吸作用同时进行使冠层温度迅速升高。12：30之后,光合有效辐射达到最大值,而Ta与Tc峰值时间相比都有所滞后,其原因可能在于Ta受SPAC的负反馈调节不会随着辐射的减少而迅速降低,Ta的滞后是因为橡胶林冠层呼吸作用继续增加,从而使Tc也随着滞后,但是光合作用的减弱带来的影响越来越大,最终使Tc比Ta更早达到峰值,也就是位相提前。在此之后,随着太阳高度角减小,光合有效辐射减弱,橡胶林冠层的光合作用与呼吸作用都在降低致使Tc的降低速度快于Ta。
2.2.2 干季冠层温度的日变化 2017年干季（1—4月和11—12月）的Ta和Tc月平均日变化均表现为单峰曲线,具有比较明显的昼夜变化特征（图3）。干季夜间Ta比Tc略微高一点,但是基本相差不大,仅为0.12 ℃。白天Tc>Ta,冠气温差（Tc-Ta）不断改变,林冠边界层处于不稳定状态,林冠为SPAC的热源。其具体过程为,从8：00开始,林冠边界层出现不稳定层结,Tc的升温率明显高于Ta,林冠边界不稳定层结不断加强,正午时达到最强,冠气温差（Tc-Ta）达到最大值1.59 ℃。在此之后,冠层还在不断向大气及林内进行热量输送,致使林冠边界不稳定层结逐渐减弱,在19：00之后开始趋于稳定。在此过程中,Ta在15：00达到峰值24.2 ℃,Tc在14：00达到峰值25.3 ℃,由此可以看出,Tc具有明显位相前移、变化加剧的特点。
2.2.3 湿季冠层温度的日变化 2017年湿季（5—10月）的Ta和Tc月平均日变化均表现为单峰曲线,同样昼夜变化特征明显,夜间Tc<Ta,与干季差别不大（图4）。冠气温差（Tc-Ta）最小值出现在日出之前,为-0.1 ℃。这与干季的Ta与Tc变化趋势极为相似,都是由于日落后至翌日日出之前,Tc一直低于Ta,林冠边界层为逆温层结,呈稳定状态,林冠为SPAC的冷源。白天Ta和Tc的变化与干季一致,冠层都为不稳定层结状态。两者不同的是,相同时刻下湿季白天的Ta与Tc整体上均高于干季,说明湿季更适合橡胶树生长。与此同时,冠气温差（Tc-Ta）最大值出现时间为12：30,与干季一样也在正午左右,与图2中PAR最高值出现时间基本一致,说明湿季太阳辐射是Tc升高的一个主要影响因子,此时林冠面所获得的能量主要来源于太阳辐射,Tc对太阳辐射反应迅速。Ta和Tc最高值均出现在13：30,分别为30.0 ℃和31.6 ℃。这与PAR的高峰出现时刻相比有一定的滞后性,其原因可能在于植物在吸收辐射能量之后,中午时分的高温与高光照致使气孔关闭,蒸腾作用减弱,散热减少,导致Tc持续上升一段时间。因此,可以看出太阳辐射对冠层温度的变化不管是湿季还是干季都有一定影响,具体关系如何,有待进一步判断。
2.3 冠层温度与冠层微气象因子的关系
Tc = 1.033Ta-0.656（r = 0.968,n = 15 168）
由图5可以看出,当温度较低时（Ta<18 ℃）,Tc与Ta相关性更紧密;当温度Ta≥18 ℃时,Tc与Ta相关性更弱。由此可以推断在温度较低的干季,Tc更依赖于Ta的变化;而在温度较高的湿季,其他微气象因子如净辐射（Rn）、湿度（RH）、风速（V）等可能对Tc的变化也有比较大的影响。
为进一步探讨干湿季及各月Tc与冠层微气象因子的关系,分别就Tc与Ta、Rn、RH、V这4个微气象因子进行多元回归分析和多元相关分析（表2）。结果表明,2017年全年任何时间Tc与冠层微气象因子的复相关均达极显著水平（P<0.001）。在偏相关分析中,除3月和4月外,Tc与Ta在其他月份均呈极显著正相关,说明Ta是影响Tc变化的主要气象因子之一;Rn在干季各月及干季总体上均表现为极显著正相关,其偏相关系数甚至一度超过当月大气温度偏相关系数,说明在干季,Rn对Tc的影响大于Ta,是除Ta之外的另一个影响Tc变化的主要气象因素。然而,Rn在湿季的各月表现差异很大,其原因可能是湿季橡胶林处于生长与产胶期,橡胶林冠层对周围气象环境及土壤条件更加敏感,受其各月敏感程度的差异,致使Rn对Tc的影响有所差异;RH在干季与湿季总体上均与Tc呈极显著负相关,但其在各月的偏相关系数差异很大,主要表现在2、3、5、6、10月,这5个月呈显著负相关,其余月份均无显著相关性,说明相比周围环境各月份RH的影响作用并不是很突出,但在总体上RH对Tc的影响表现为负作用,即RH的升高会导致Tc的下降,其原因可能在于水的比热容较大,受温度及风力的作用,植物的蒸腾作用加快,使植物体内水分蒸发速度加快,从而导致Tc的下降,同时蒸腾作用也使空气湿度增加,所以RH与Tc之间表现为负相关,说明RH也是影响Tc变化的主要气象因子之一。对于V而言,除1月和2月外,其他各月V与Tc均无显著相关性,在干季与湿季总体上与Tc也无相关性,其很大原因可能在于1月左右的风力最大,对植物蒸腾等作用的影响较大,从而会对Tc造成较大的影响,其他各月风力较小,对Tc的影响小。这也证实全年Tc主要受Ta与RH的影响,在干季,Rn也是Tc变化的一个主要影响因子,但是V对Tc的变化仅有微弱影响,主要集中在1—2月;在湿季,Tc主要受Ta与RH的作用,Rn对Tc的影响能力较弱,而V对Tc几乎不产生影响。
表2 橡胶人工林2017年各月冠层温度与气象因子的多元回归方程Tab. 2 Multi-regression equations between canopy temperature of rubber plantation and meteorological factors in months of 2017 |
| 气候划分 Climate division | 月份 Month | 回归方程 Regression equation | 偏相关系数Partial correlation coefficient | 复相关系数 Correlation coefficient | 样本数 Sample number | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 大气温度 Air temperature (Ta) | 净辐射 Net radiation (Rn) | 相对湿度 Relative humidity (RH) | 风速 Wind speed (V) | |||||
| 干季 | 1 | Tc= 6.188 + 0.872Ta + 0.002Rn- 0.035RH -0.208V | 0.882** | 0.930** | -0.345 | -0.636** | 0.9998** | 1200 |
| 2 | Tc= 6.877 + 0.883Ta + 0.003Rn- 0.044RH -0.330V | 0.959** | 0.969** | -0.608** | -0.626** | 0.9998** | 1344 | |
| 3 | Tc= 22.942 + 0.356Ta + 0.009Rn- 0.129RH + 0.621V | 0.262 | 0.868** | -0.464* | 0.367 | 0.9981** | 1104 | |
| 4 | Tc= 23.936 + 0.502Ta + 0.004Rn- 0.152RH | 0.302 | 0.682** | -0.292 | — | 0.9938** | 1440 | |
| 11 | Tc= 0.657 + 0.970Ta + 0.001Rn- 0.027V | 0.995** | 0.970** | — | -0.213 | 0.9999** | 1440 | |
| 12 | Tc=-2.453 + 1.058Ta + 0.001Rn + 0.019RH -0.051V | 0.969** | 0.887** | 0.318 | -0.302 | 0.9998** | 1488 | |
| 1—4与11—12 | Tc= 23.085 + 0.435Ta + 0.004Rn- 0.138RH | 0.508** | 0.925** | -0.660** | — | 0.9994** | 8016 | |
| 湿季 | 5 | Tc= 27.327 + 0.606Ta -0.192RH- 0.322V | 0.549** | — | -0.607** | -0.270 | 0.9934** | 1488 |
| 6 | Tc= 26.894 + 0.838Ta -0.004Rn- 0.281RH | 0.730** | -0.382* | -0.500** | — | 0.9901** | 1248 | |
| 7 | Tc=-4.510 + 1.178Ta | 0.697** | — | — | — | 0.9923** | 384 | |
| 8 | Tc=-0.587 + 1.020Ta + 0.002Rn | 0.692** | 0.309 | — | — | 0.9868** | 1104 | |
| 9 | Tc= 1.636 + 0.933Ta + 0.002Rn | 0.700** | 0.383* | — | — | 0.9962** | 1440 | |
| 10 | Tc= 4.748 + 0.907Ta + 0.001Rn- 0.029RH -0.083V | 0.956** | 0.914** | -0.473* | -0.335 | 0.9998** | 1488 | |
| 5—10 | Tc= 28.398 + 0.560Ta -0.190RH- 0.368V | 0.476** | — | -0.549** | -0.281 | 0.9955** | 7152 | |
注：*表示差异显著（P<0.01）;**表示差异极显著（P<0.001）。 | |
Note: * means significant difference (P<0.01); ** means extremely significant difference (P<0.001). |
对比干季与湿季偏相关系数,可以发现干季各月橡胶人工林Rn高于湿季各月;而在干湿季总体上,干季Ta、Rn与RH对Tc的作用都要高于湿季,此时湿季Tc只与Ta、RH相关。由此可以看出,干季橡胶林由于气温偏低,处于非生长期,只需要吸收足够的能量维持自身的代谢即可,因此各个微气象因子都能对其产生一定影响;湿季橡胶林由于温度适宜,处于速生与产胶期,需要从周围环境中吸收足够的能量、水分及养料等来维持自身的生长,尤其是温度及水分的获取,对于橡胶树的生长与生产至关重要,因此在湿季各月,做好橡胶林的温度控制与水分保持具有重要意义。
3 讨论
橡胶人工林冠层温度在2017年各月日变化均表现为单峰曲线,相比大气温度其具有明显的位相前移、变化加剧的特点。在白天（8：00—19：00）,Tc>Ta,林冠边界层处于不稳定状态,林冠为SPAC的热源;而在日落至翌日日出时,林冠边界层为逆温层结,呈稳定状态,林冠为SPAC的冷源。湿季冠层温度整体上均高于干季温度,这与相同时刻下,湿季气温高于干季气温一致。此外,在距离文中观测点1.5 km处的另一观测点,其测出的结论和文中结论一致,由于篇幅问题,未展开讨论。
如果仅考虑大气温度对橡胶人工林冠层温度的影响,则冠层温度与大气温度之间具有很好的线性关系,其线性方程为Tc=1.033Ta-0.656（r= 0.968,n = 15 168）;如果考虑大气温度、净辐射、相对湿度、风速等微气象因子的影响,则其复相关系数表明全年均呈极显著相关,但是偏相关系数表明干季冠层温度变化主要受大气温度、净辐射和湿度的影响,其次受风速的影响;湿季主要受大气温度与相对湿度的共同作用,净辐射与风速的影响可忽略不计。