海南岛西部橡胶人工林冠层温度变化及其与微气象要素的关系

邓聪 吴志祥 谭正洪 廖立国 崔乙斌 程娟 赵林林

摘  要：冠层温度是表征植物生理生态过程及能量平衡状况的重要参数之一。为探讨热带森林冠层温度在不同时间尺度下的变化规律并且初步分析环境因素与冠层温度的关系，本研究利用红外温度传感器测定了海南岛西部橡胶人工林2017年全年的冠层温度数据以及同步得到的冠层微气象资料，对干季和湿季下海南岛西部橡胶人工林冠层温度（T_c）与大气温度（T_a）特征进行了分析，同时结合微气象因子进行了讨论。结果表明：橡胶人工林冠层温度全年各月日变化都为单峰曲线，相比T_a，T_c具有明显的位相前移、变化加剧的特点。白天林冠边界层处于不稳定状态，林冠为

土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的热源;夜晚林冠边界层为逆温层结，呈稳定状态，林冠为SPAC的冷源。湿季冠层温度高于干季。若仅考虑T_a，T_c与T_a之间具有很好的线性关系，其线性方程为T_c= 1.033T_a?0.656;若同时考虑大气温度（T_a）、净辐射（R_n）、相对湿度（RH）与风速（V）等微气象因子，其复相关系数表明全年均呈极显著相关，偏相关系数表明干季冠层温度变化主要受T_a、R_n和RH的影响，其次受V的影响;湿季主要受T_a与RH的共同作用，R_n与V对其的影响相比可忽略不计。此研究结果初步揭示了橡胶人工林冠层温度的全年变化规律及其与众多微气象因子之间的关系，为进一步探究冠层温度变化及其影响机制提供科学依据。

关键词：冠层温度;橡胶林;微气象;日变化中图分类号：Q148      文献标识码：A

Variations of Canopy Temperature ina Rubber Plantation inWestern Hainan Island and TheirRelations with Micrometeorological Factors

DENG Cong^1，2，3， WU Zhixiang^2，3*， TAN Zhenghong^1，3， LIAO Liguo¹， CUI Yibin¹， CHENG Juan¹，ZHAO Linlin¹

1. Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China; 2. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Rubber Tree Biology， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Haikou， Hainan 571101， China; 3. Danzhou Investigation & Experiment Station of Tropical Crops， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract： Canopy temperature is one of the most important parameters to characterize the physiological， ecological processes and energy balance of plants. In order to investigate the variation of the canopy temperature in tropical forests at different time scales and to preliminarily analyze the relationship between environmental factors and canopy temperature， an infrared temperature sensor was used to measure the canopy temperature of a rubber plantation in Western Hainan Island in 2017. Based on the annual canopy temperature data and synchronous canopy micrometeorological data， the characteristics of canopy temperature （T_c） and air temperature （T_a） of a rubber plantation in dry and wet seasons were analyzed， and the micrometeorological factors were discussed. The daily change of canopy temperature in a rubber plantation was a single-peak curve every month. Compared with T_a， T_chad obvious characteristics of phase forward and intensified change. During the day， the canopy boundary layer was unstable， and the canopy was the heat source of SPAC （Soil-Plant-Atmosphere Continuum）， at night， the canopy boundary layer was inversion stratification， which was stable， and the canopy was the cold source of SPAC. The canopy temperature in wet seasons was higher than that in dry seasons. If only T_awas considered， T_cand T_ahad a good linear relationship， and the linear equation was T_c= 1.03T_a?0.656. If the micro-meteorological factors such as atmospheric temperature （T_a）， net radiation （R_n）， relative humidity （RH） and wind speed （V） were taken into account， the multiple correlation coefficients showed that the annual correlation was very significant. Partial correlation coefficients showed that the change of canopy temperature in dry seasons was mainly affected by T_a， R_nand RH， and secondly by V. Wet seasons were mainly affected by T_aand RH， the influence of R_nand V was negligible. The results preliminarily revealed the annual variation of canopy temperature in rubber plantation and its relationship with many micro-meteorological factors， providing a scientific basis for further exploring the change of canopy temperature and its influencing mechanism.

Keywords： canopy temperature; rubber plantation; micrometeorology; daily variation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.07.028

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4.857×10⁵J/cm²，全年日照時长约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（CR 3000，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（T_c）、1.5 m高度大气温度（T_a）观测值分别进行平均，得到各月及干湿季T_a、T_c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T_c与T_a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T_c之间的关系，本研究分别就T_a、净辐射（R_n）、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T_c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。

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T_c与T_a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，T_c较之T_a有变化加剧、位相提前的特点，尤其是在3—9月。

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，為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，T_a与T_c基本一致，两曲线近乎重合。在PAR升高1个小时之后，T_a与T_c均迅速升高，尤其在2—9月T_a的升高速度明显快于T_c。而后T_a在13：00—15：00之间达到最高值。干湿季进行对比发现，干季T_a基本都在15：00达到峰值，比较稳定;相比湿季T_a峰值出现时间波动就比较大。T_c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。T_a和T_c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T_a为32.1 ℃、Tc为34.9 ℃，由此可以看出，T_c振幅相比T_a明显变大。

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;

T_a：大气温度;T_c：冠层温度。

A： January; B： February; C： March; D： April; E： May; F： June; G： July; H： Aguest; I： September; J： October; K： November; L： December;

T_a： Air temperature; T_c： Anopy temperature.

图1  2017年1—12月橡胶人工林冠层温度月平均日变化

Fig. 1  Monthly mean daily variation of canopy temperature in rubber plantation from January to December in 2017

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T_c与T_a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，T_c与T_a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T_c的升高速度快于T_a，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T_a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T_a与T_c峰值时间相比都有所滞后，其原因可能在于T_a受SPAC的负反馈调节不会随着辐射的减少而迅速降低，T_a的滞后是因为橡胶林冠层呼吸作用继续增加，从而使T_c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T_c比T_a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T_c的降低速度快于T_a。

PAR：光合有效辐射;1～12分别代表1—12月。

PAR： Photosynthesis active radiation; 1-12 represents from January to December.

图2  2017年1—12月橡胶人工林光合有效辐射日变化

Fig. 2  Diurnal variation of photosynthesis active radiation in rubber plantation from January to December 2017

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T_a和T_c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T_a比T_c略微高一点，但是基本相差不大，仅为0.12 ℃。白天T_c>T_a，冠气温差（T_c?T_a）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，T_c的升温率明显高于T_a，林冠边界不稳定层结不断加强，正午时达到最强，冠气温差（T_c?T_a）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，T_a在15：00达到峰值24.2 ℃，T_c在14：00达到峰值25.3 ℃，由此可以看出，T_c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年濕季（5—10月）的T_a和T_c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T_ca

Note：^*means significant difference （P<0.01）;^**means extremely significant difference （P<0.001）.

0.001）。在偏相关分析中，除3月和4月外，T_c与T_a在其他月份均呈极显著正相关，说明T_a是影响T_c变化的主要气象因子之一;R_n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，R_n对T_c的影响大于T_a，是除T_a之外的另一个影响T_c变化的主要气象因素。然而，R_n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R_n对T_c的影响有所差异;RH在干季与湿季总体上均与T_c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T_c的影响表现为负作用，即RH的升高会导致T_c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T_c的下降，同时蒸腾作用也使空气湿度增加，所以RH与T_c之间表现为负相关，说明RH也是影响T_c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T_c均无显著相关性，在干季与湿季总体上与T_c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T_c造成较大的影响，其他各月风力较小，对T_c的影响小。这也证实全年T_c主要受T_a与RH的影响，在干季，R_n也是T_c变化的一个主要影响因子，但是V对T_c的变化仅有微弱影响，主要集中在1—2月;在湿季，T_c主要受T_a与RH的作用，R_n对T_c的影响能力较弱，而V对T_c几乎不产生影响。

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R_n高于湿季各月;而在干湿季总体上，干季T_a、R_n与RH对T_c的作用都要高于湿季，此时湿季T_c只与T_a、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），T_c>T_a，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T_c=1.033T_a?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關，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。

风速对植物冠层温度的影响表现为负相关关系，但其作用能力的大小在本研究中并不突出。此研究结果与Blonquist等^[13]研究草皮草和苜蓿冠层温度受风速的影响结果一致，可能成为支撑风速会减弱林冠边界层阻力，促进植物蒸腾作用，降低冠层温度的一个理论依据。根据魏丹丹^[14]所述，风速对冠层温度的影响与植物种类及地理位置等有关，而本研究中植物物种单一，试验区2017年全年风力较小，因此在未来的研究中，还需选取多个物种及不同类型位置进行监测，以便进一步探讨物种种类及地理位置与风力大小的关系。

温度及湿度对冠层温度的影响显著，尤其是在湿季，正处于橡胶林的生长与生产季节，温度与湿度是影响橡胶人工林最主要的两个因子。Nelson等^[15]发现空气温度的升高会带动植物的叶片温度随之增加;段永红^[16]分析出午时冬小麦冠层温度与气温和地温的定量关系;Geiser等^[17]利用作物冠层空气温差及空气相对湿度进行灌溉调度。由此可见，温度及湿度可以作为评价植物是否缺水、生长状况是否良好的一个指标。在本研究中，已经简单分析出橡胶树与温度及湿度的关系，但是否需要考虑土壤温度的影响，对于橡胶树栽培研究，指导灌溉有待进一步加深研究。

本研究结果初步揭示了橡胶人工林冠层温度的全年变化规律及其与众多微气象因子之间的关系。在此之前马友鑫等^[9]、Song等^[10]、杨振等^[18]等人也对橡胶林冠层温度进行过简单研究，但其观测时间过短，考虑微气象因子也仅仅停留在大气温度上，除此之外，尚未见类似报道。本研究对进一步开展冠层热储量估算，分析橡胶树不同时期生长状态差异，估算其产胶期与产胶量具有重要意义，同时由于冠层温度影响因子较多，机制十分复杂，在今后的研究中还应考虑更多的影响因子，包括土壤持水量等，以便进一步探究冠层温度变化及其影响机制。

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