金艷, 廖立國, 張穎, 劉玥, 劉嘉慧, 譚正洪

西雙版納熱帶季雨林通量分配及能量平衡問題

金艷, 廖立國, 張穎, 劉玥, 劉嘉慧, 譚正洪*

(海南大學生態(tài)與環(huán)境學院，?？?570228)

為了探討我國西雙版納熱帶季雨林的能量分配和平衡問題，利用渦度相關系統(tǒng)和常規(guī)氣象儀器的連續(xù)監(jiān)測結果，分析了不同季節(jié)的能量通量特征和閉合特點。結果表明，西雙版納熱帶季雨林全年的凈輻射、潛熱通量、顯熱通量、土壤熱通量和熱儲存量分別是4 546.07、2453.24、492.22、-10.47和45.93MJ/m2，土壤為熱源，潛熱年總值占凈輻射的54.0%，顯熱占10.8%，能量以蒸發(fā)散為主要的耗損形式。輻射和能量有明顯的日變化和季節(jié)動態(tài)，各能量分量的日變化幾乎都呈白天高夜間低的單峰趨勢，反照率整體為0.10～0.12，波動不大；波文比季節(jié)差異明顯，為0～0.8。熱帶季雨林的全年閉合度為0.67，未考慮熱儲量時，閉合度為0.51～0.79，考慮熱儲量為0.53～0.80?？梢?，在林冠茂密的熱帶季雨林中，熱儲量對能量閉合度的貢獻不大，忽略熱儲量并不是導致能量不閉合的主要原因。

熱帶季雨林；渦度相關系統(tǒng)；熱儲量；能量

森林作為陸地上結構最復雜、物種最豐富的生態(tài)系統(tǒng)，對區(qū)域和全球碳水循環(huán)及物質能量交換具有影響[1–2]，而熱帶雨林作為森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生物群系之一，其輻射和能量通量的變化可直接引起下墊面溫度、水分傳輸和生產力的變化[3]，因此在能量分配和平衡問題方面?zhèn)涫荜P注[4–5]。渦度監(jiān)測方法的興起為輻射和能量閉合研究提供了平臺，可以直接測量生態(tài)系統(tǒng)和大氣間物質能量交換，被廣泛運用到不同生態(tài)系統(tǒng)的研究中，旨在了解時空尺度上二氧化碳、水蒸氣和能量交換的機制[6]。

云南省分布著大片熱帶雨林，占全國熱帶雨林總面積的59.4%，其中西雙版納勐臘縣的熱帶雨林分布面積最廣，有1.21×105hm2[7]。西雙版納的熱帶雨林分為2部分，高海拔地區(qū)(海拔770m以上)的熱帶山地常綠闊葉林和位于溝谷和低丘(海拔低于770m)的熱帶季節(jié)雨林[8]，同其他熱帶雨林相比,熱帶季節(jié)雨林具有獨特的氣候模式和物候特征[9]。自2002年以來，西雙版納先后設置了3處渦度通量塔, 分別對碳水通量、輻射特征、溫度變化等開展了研究，探討了熱帶季雨林的小氣候和能量轉換特征[10]，但專門針對地表能量平衡閉合的研究仍然不足。能量閉合研究對區(qū)域通量的定量估計有重要意義，能側面反映碳通量、水熱通量的數據精確度[11]。本研究選用勐臘縣補蚌村20 hm2大樣地內的通量塔監(jiān)測數據，此通量塔于2014年設置在海拔為653.4 m的熱帶季雨林中，通量監(jiān)測時間不長, 我們選取了有限時間范圍內幾乎連續(xù)的觀測數據(2014.11—2016.8)，對該區(qū)域的能量分配及閉合情況展開分析。

過去的研究中，生態(tài)系統(tǒng)的能量普遍存在不閉合情況，一般湍流能量(顯熱通量Hs+潛熱通量LE)只占有效能量(凈輻射Rn-土壤熱通量G-熱儲量S)的70.0%～90.0%[12]，正確估算各熱儲量分量可有效改善能量不平衡的問題，從目前情況來看, 未充分考慮下墊面與大氣間的能量儲量是造成能量不閉合的主要原因之一[13–14]，McCaughey[15]的研究表明在冠層較高的生態(tài)系統(tǒng)中(植物高度大于8 m),熱儲量應該被考慮。此外值得注意的是，該區(qū)域是有名的靜風區(qū)，湍流交換較弱，在多霧的天氣狀況下濃霧覆蓋會起到一定的保溫作用以及下墊面凋落物分解會產生部分熱量。那么在大氣相對穩(wěn)定的靜風區(qū)，湍流發(fā)育不完全，物質能量交換不充分，如果在該區(qū)域開展渦度通量監(jiān)測, 會出現怎樣的結果？在林冠高大茂密的森林，忽略熱儲量導致能量不閉合的問題是否會更加突出？冠層能量儲量變化對能量閉合度的貢獻有多大？因此, 研究西雙版納熱帶季雨林的能量分配和閉合過程, 揭示以上問題的答案，有助于理解生態(tài)系統(tǒng)的物質能量交換和水熱平衡。這是對西南方熱帶季雨林通量觀測的一個很好的補充，為深入了解我國西南方熱帶季雨林生態(tài)系統(tǒng)物質和能量交換提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇云南省西雙版納勐臘縣補蚌的熱帶季雨林作為觀測樣地(21°37′4″ N , 101°34′56″ E)，2014年該觀測樣地內修建了森林塔吊(最大工作高度為81 m，臂長有60 m)，渦度協(xié)方差系統(tǒng)和常規(guī)氣象儀器分層安裝在森林塔吊固定不移動的主體部分(以下簡稱塔吊)，對小氣候、能量通量以及一些生態(tài)過程開展長期動態(tài)監(jiān)測。該區(qū)域處于東南亞熱帶北緣，屬于熱帶季風氣候，常年受西南季風影響，有著獨特的氣候模式，夏季以印度洋暖濕氣團為主，冬季以亞熱帶大陸氣團為主，具有很強的季節(jié)性[16]，多年氣象監(jiān)測數據顯示年均溫為21.7 ℃。降水分配極不均勻。一年可劃分干濕兩季[17]，干季(從11月至次年4月)在亞熱帶大陸氣團影響下, 多霧少雨，降水量約為194.1 mm，干季又可劃分為干熱季(3—4月)和霧涼季(11—2月)。干熱季日間溫度較高(日間最高溫度可達38 ℃)，霧容易散開，霧涼季的特點是溫度低(17.5 ℃)，全天大部分時間被濃霧籠罩[18]。季風通常和西南風以及來自印度洋的潮濕海洋氣團平流有關，這是雨季常有的現象，這一時期大約從5月持續(xù)到10月。溫度高且濕潤，降雨量占全年降水(1 429.03 mm)的79.1%左右。

觀測樣地為原生熱帶季雨林，所在區(qū)域的海拔不高，地形起伏較大，樣地共有3條溝谷，底部地勢平緩，坡面較陡峭。熱帶季雨林主要分布在谷底及兩側坡面，以望天樹()為主，樣地內物種豐富，優(yōu)勢種還有假海桐()、短刺錐()、蟻花()、毛猴歡喜()等[9]，上層林冠高達50～60 m。塔吊設置在海拔約為653.4 m的山間溝谷(圖1)。干濕季水分條件差異導致物候有明顯變化，霧涼季葉片輕微凋落, 干熱季水分虧缺，不足以維持葉片生長，出現集中落葉現象，雨季水分充足、溫度適宜，植物重新展葉[19]。

圖1 渦度通量塔周圍地形概況

1.2 儀器設置

觀測區(qū)域的林冠高度普遍在30～35 m，林冠種可高達60 m。在最大工作高度為81 m的塔吊上安裝開路渦度系統(tǒng)和常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)。開路渦度相關系統(tǒng)安裝在塔吊68.1 m處，包括快速響應紅外氣體分析儀(Li-7500, Li-Cor Inc., USA)、三維超聲風速儀(CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)和數據采集系統(tǒng)(CR3000, Campbell Scientific Inc., USA)，通量數據以10 Hz頻率采集存儲。

在77.7 m采用CNR4 (Kipp & Zonen, Netherlands)凈輻射儀測定太陽輻射、反射輻射和凈輻射，同時在1.4、62.1、68.1、77.7、81.6 m監(jiān)測空氣溫濕度(HMP45C, Vaisala, Helsinki, Finland)、風速(A100R, Vector Instruments, Denhighshire, UK)和光合有效輻射(LQS70-10, Apogee, USA)。在地表下5、10、20、40、60、80、100 cm處安裝傳感器, 監(jiān)測土壤溫度(105T/107L, Campbell Scientific, USA)和濕度(CS616L, Campbell Scientific, USA)。地表下5 cm處放置了2塊熱通量板(HFP01, HukseFlux, Netherlands)測定土壤熱通量，氣象數據資料以0.5 Hz頻率采集。

1.3 數據處理和計算

1.3.1 異常值剔除

本文選用2014年11月至2016年8月的連續(xù)監(jiān)測數據進行分析。數據采集系統(tǒng)收集到的數據, 根據渦度原理及相關計算，每30 min輸出1個通量和氣象因子平均值。為了消除水平和垂直平流項, 根據Aubinet和Grelle等的方法，對測出的30 min通量數據進行3D坐標軸旋轉[20]，WPL校正[21]，然后利用旋轉垂直風速與水汽濃度、氣溫和CO2濃度的協(xié)方差計算潛熱LE、顯熱Hs和CO2通量。在實際的觀測中，由于渦度系統(tǒng)是開路，受降雨、風速等因素的影響，會引起部分數據異常，因此根據中國通量觀測網絡(ChinaFLUX)的篩選標準[22–23]以及觀測地的實際氣候特征對通量數據進行有條件的篩選，同時也剔除某點與連續(xù)5點平均值之差的絕對值大于5點方差2.5倍的異常數據。常規(guī)氣象監(jiān)測儀幾乎不受天氣影響，故輻射值和土壤熱通量只進行異常突出值剔除。若連續(xù)缺失數據少于4個(<2 h), 用線性內插法對剔除后的數據進行插補; 連續(xù)缺失數據超過4個(>2 h)，則用多重插補法插補數據。

1.3.2 能量平衡

由能量守恒定律可知，能量無論如何轉換，總量保持不變。在渦度系統(tǒng)中，能量平衡表示為湍流通量(潛熱通量LE、感熱通量Hs)和有效能量(凈輻射Rn、土壤熱通量G、熱儲量S)之間的平衡。地表能量平衡[24]：LE+Hs=Rn–G–S–Q，其中，Q為附加能量，因其值很小常常被忽略；S為總熱儲存量, 包括土壤熱通量板與地表之間的土壤熱儲量Ss、冠層下方空氣顯熱Sa、潛熱儲量Se、冠層熱儲存量Sc、樹木枝干熱儲存量St和光合作用耗能Sp, 總熱儲量S=Ss+Sa+Se+Sc+St+Sp。本數據集缺少枝干的監(jiān)測數據，故計算時忽略St; Tajchman[25]認為Sp的影響微乎其微，因此忽略其對熱儲量的貢獻。各熱儲存量參照Blanken等[26]和Oliphant[27]的方法計算。

對于能量平衡閉合的判定方法，通常有4種方法：普通最小二乘法(Ordinary Least Squares, OLS)、簡化主軸法(Reduced Major Axis, RMA)、能量平衡比率(Energy balance ratio, EBR)和能量平衡相對殘差[12]。其中OLS和RMA方法沒有太大差別[12,20]，反映的是瞬時的能量閉合狀況[28]。是從能量殘余量的角度去反映能量閉合程度，殘余量越多，能量閉合度越低，而EBR是在一定的觀測周期內去分析能量平衡閉合，相比較而言，EBR更能反映一段時期內的整體情況，減少了隨機儀器測量的誤差和其他不確定性，也減弱了不同能量分量之間的滯后效應[29]，且更方便與其他地區(qū)的研究結果進行對比。因此在本次研究中，借助能量平衡比率EBR來評價能量閉合情況。EBR=Σ(LE+Hs)/Σ(Rn-G-S)，EBR越接近1，說明該系統(tǒng)能量閉合度越高, 渦度通量數據越可靠，受干擾程度越小。

1.3.3 能量殘余量[12,30]

當生態(tài)系統(tǒng)的能量不閉合時，就會有部分能量殘余，殘余量Res=Rn–G–LE–Hs–S。

2 結果和分析

2.1 氣溫、降雨量和土壤含水量的變化

西雙版納勐臘縣補蚌的熱帶季雨林年總降雨量為1 429.03 mm，霧涼季降雨最少，平均降雨量為41.48 mm。進入干熱季后開始增加，月降雨總量在8月達到峰值(352.43 mm)，降雨量主要集中在夏季，占全年的79.1% (圖2)。土壤含水量整體呈單峰變化，3層土壤含水量變化趨勢基本一致，含水量隨土層深度增加而增大。降雨量和土壤含水量在時間序列上變化趨勢保持一致性，均呈現出夏季最大，霧涼季最小的特點。全年的日均溫為15 ℃～ 26 ℃，霧涼季氣溫低，干熱季霧減少，太陽輻射增強，氣溫回升快，夏季氣溫變化不大，保持在25 ℃上下波動。

2.2 能量通量的變化

2.2.1 日變化

地表輻射和能量受天氣影響，在不同氣候狀況下，會有明顯的日變化特征。對不同季節(jié)各能量分量數據求日平均(圖3)，可見能量通量存在明顯的日變化和季節(jié)變化。Rn、LE和Hs有相似的變化趨勢，日出后隨太陽高度角增大而迅速升高，午后達到峰值便迅速開始下降，日落后相對穩(wěn)定，白天的變化幅度大于夜晚。Rn呈單峰變化，在13:00—13:30達到峰值510.5 W/m2，干熱季地面獲得的輻射量最多,達604.8 W/m2，雨季和霧涼季分別達到496.8和488.0 W/m2。夜間凈輻射值為負，雨季從清晨7:30開始轉為正值，比干熱季和霧涼季提早1 h左右, 傍晚由正變負的時間為19:30，比其他季節(jié)延遲1 h。3個季節(jié)均在日落1 h后出現最小值。

圖2 熱帶季雨林中氣溫、降雨量和不同深度土壤含水量的月變化

LE和Hs都呈單峰變化，白天高于夜間。一天中Hs (W/m2)最大值出現時間與Rn同步，日總量為干熱季(751.4)>霧涼季(631.1)>雨季(360.3), 白天為正值，夜間轉為負值，最小值出現在18:30—19:30。雨季降雨量多，植物生長不受水分限制，氣孔張開進行光合作用，水分蒸騰也加劇, LE上升速度快。干熱季溫度高降水少，水分不可避免地通過蒸發(fā)蒸騰方式耗散，故日累計LE (W/m2)呈現雨季(4 672.0)> 干熱季(3 985.9)>霧涼季(2 725.4)，全天LE均為正值。

圖3 不同季節(jié)能量通量日變化。Rn: 凈輻射; LE: 潛熱通量; Hs: 顯熱通量; G: 土壤熱通量。

2.2.2 反照率和波文比的月變化特征

地表和大氣間的輻射平衡可以用反照率表示,月均反照率變化呈現出下圖特點(圖4)。熱帶季雨林的反照率整體處于0.10～0.12，波動不大，存在明顯的季節(jié)變化，3—4月反照率最高，雨季逐漸下降, 在10月最小(0.103)，霧涼季維持在一個平緩水平。推測是因為干熱季水分虧缺，植物調節(jié)氣孔大小減少蒸騰，上下水勢差不足以將足夠的水分運輸至林冠去維持葉片生長，集中落葉的物候現象使該時段葉綠素含量減少(葉面積指數的月變化見表1)，反照率增加。進入雨季后降雨量增加，植物重新展葉, 前期嫩葉葉面積小，葉綠素含量少，反照率變化不大，后期隨著太陽高度角增加，且葉片完全伸展成熟, 反照率減小。

波文比反映的是地表和大氣間的水熱通量交換情況，根據LE和Hs的日總量計算波文比(圖5)。全年波文比為0～0.8，LE占比高于Hs，季節(jié)差異明顯，霧涼季>干熱季>雨季，年均波文比為0.31。

2.2.3能量熱儲量和殘余量變化趨勢

為探究熱帶季雨林熱儲存量對能量平衡的貢獻，對各熱儲量分量進行了計算(圖6)。不同季節(jié)空氣顯熱儲量Sa均呈現單峰單谷變化，白天變化劇烈，夜間和清晨變化緩慢。8:00前太陽輻射值小, 溫度升高緩慢，溫差小, Sa變化不大; 8:00之后, 太陽高度角增加，下墊面和冠層開始儲量快速增大，在正午前后達到峰值，霧涼季和雨季受天氣和降水影響，Sa低于干熱季(14.31W/m2)。通過對各監(jiān)測層的溫度數據分析，發(fā)現在10:30—12:30期間氣溫變化率最大，所以正午前后積累的Sa達到最大值。午后14:30—16:30出現最高氣溫，溫度變化率減小，故Sa減小，在傍晚18:00前后達到谷值,雨季<霧涼季<干熱季。

表1 葉面積指數(LAI)的月變化

圖4 反照率的月變化趨勢

圖5 波文比的月變化趨勢

圖6 不同季節(jié)熱儲存量日變化。S: 總熱儲存量; Ss: 土壤熱儲量; Sa: 冠層下方空氣顯熱儲量; Se: 冠層下方空氣潛熱儲量; Sc: 冠層熱儲存量。

各個季節(jié)的潛熱儲量Se都呈現雙峰變化，白天變化劇烈，夜間變化幅度小。對各層水汽壓監(jiān)測數據分析表明，夜間沒有輻射能量收入，溫度下降，空氣中形成大量霧滴，水汽壓減小，在7:30達到最低點，之后8:00—12:00間水汽壓快速增加,在10:30前后Se達到第1個峰值，此后太陽輻射增強，溫度升高，霧氣消散，空氣中水分含量減小致使Se下降，在14:00左右達到谷值(霧涼季、干熱季、雨季分別為-2.88、-7.70、-2.54 W/m2)。下午氣溫最高，空氣可容納水分子的能力增大, 加之下墊面蒸散過程，在18:30—19:00達到第2個峰值(5.58、11.48和1.16 W/m2)。干熱季空氣濕度低, 植物對氣候的調節(jié)作用小，水汽壓變化較快，導致干熱季Se波動大，雨季下午降水頻繁，空氣濕潤, 飽和水汽壓值減小，熱儲量值變化幅度平緩。

冠層熱儲量Sc的變化規(guī)律同Sa，呈單峰單谷趨勢，同其他熱儲量相比，Sc波動小，上午出現峰值，傍晚出現谷值，雨季出現峰值和谷值的時間比其他季節(jié)提前和延遲，整體在-4～4 W/m2波動。土壤熱儲量Ss為單峰型，干熱季受林冠遮蔽少,太陽輻射抵達林下的比例大，土壤獲得的能量，正午最大值達15.45 W/m2，雨季土壤含水量豐富, 蒸發(fā)量大，蒸發(fā)將能量傳向大氣，Ss較小，約為4.39 W/m2，霧涼季處于中等水平(5.28 W/m2)。

總熱儲量S的變化有明顯的季節(jié)差異，日間最大值為干熱季(36.99 W/m2)>霧涼季(23.75 W/m2)>雨季(14.68 W/m2)，變化劇烈。

不同季節(jié)Res均呈現出晝高夜低的特點，霧涼季、干熱季和雨季均在午后達最大值，分別是203.26、256.93和143.63 W/m2，雨季Res比干熱季低56%。夜間沒有太陽輻射，有效能量小于湍流能量，Res為負值(圖7)。

2.3 能量分配特征

為了解進入地面的能量去向，計算了各能量通量分量占Rn的比例(表2)。發(fā)現在西雙版納熱帶季雨林，進入生態(tài)系統(tǒng)的能量主要通過潛熱蒸散的方式返回到大氣，其次是通過顯熱完成能量傳輸，Hs占Rn的14.3%～15.8%，G和S所占的比重很小。

圖7 不同季節(jié)能量殘余量的日變化

表2 不同季節(jié)熱帶季雨林能量分配模式

LE: 潛熱通量; Rn: 凈輻射; Hs: 顯熱通量; G: 土壤熱通量; S: 總熱儲存量。

LE: Latent heat flux; Rn: Net radiation; Hs: Sensitive heat flux; G: Soil heat flux; S: Total heat storage.

2.4 能量平衡比率EBR的變化

EBR的變化趨勢見表3，通過對忽略S的能量閉合度和包含S的能量閉合度進行比較發(fā)現，S對能量閉合的貢獻僅為1.0%～2.0%。EBR季節(jié)間差異顯著，表現為雨季>干熱季>霧涼季，計算S后年均閉合度為0.670，能量仍不閉合。

3 結論和討論

3.1 能量分配的變化

太陽輻射作為生態(tài)系統(tǒng)的能量來源，驅動著一系列的生物化學反應。不同的生態(tài)系統(tǒng)，緯度、天氣特點和下墊面狀況各異，獲取的能量和能量分配也大不相同。神農架大九湖濕地公園[31]內泥炭濕地的全年凈輻射總值為3 146.9 MJ/m2，亞熱帶暖溫帶過渡帶的天然櫟林[32]全年獲得的總值為2 626.2MJ/m2, 海南島熱帶山地雨林[33]的凈輻射為2 800～3 000 MJ/m2,鼎湖山常綠闊葉林[34]為3 488.8 MJ/m2，西雙版納熱帶季雨林測得的凈輻射值達4 546.07 MJ/m2。西雙版納熱帶季雨林緯度偏低。在亞洲東部森林小氣候特征研究中，發(fā)現輻射具有明顯的緯度變化特征，輻射量與緯度成明顯的負相關關系[35]，在緯度、氣候和下墊面的作用下, 熱帶季雨林的輻射量高于其他植被類型。

表3 能量平衡比率的季節(jié)變化

LE: 潛熱通量; Rn: 凈輻射; Hs: 顯熱通量; G: 土壤熱通量; S: 總熱儲存量。

LE: Latent heat flux; Rn: Net radiation; Hs: Sensitive heat flux; G: Soil heat flux; S: Total heat storage.

輻射能的大小意味著下墊面收入能量的多少, 也決定著熱量轉化支出的多少。不同的生態(tài)系統(tǒng)除了獲得的輻射量各異，能量分配的方式和途徑也存在差異，能量分配不僅可以反映一個區(qū)域的能量閉合狀況，還能說明下墊面的干濕程度[36]。北亞熱帶季風氣候區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)有重要的水源涵養(yǎng)功能，能量主要分配給LE，Hs僅為LE的一半[31]; 半干旱季風氣候區(qū)的內蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)，Hs在能量分配中起主要作用[37]；西雙版納熱帶季雨林中蒸發(fā)散是能量的主要耗損形式, LE、Hs、G和S的全年累積量分別是2 453.24、492.22、-10.47和45.93 MJ/m2, LE年總值占Rn的54.0%，Hs占10.8%。該渦度通量觀測系統(tǒng)設置在山間溝谷, 地勢低洼，是一個集水區(qū)，且通量塔以東180 m是瀾滄江支流——南臘河，在河流和降雨對熱帶季雨林水分的補給下，植物的水分限制減少，光合作用加強，蒸騰作用顯著，在高溫的驅動下，下墊面大量水汽向空中轉移, 在能量轉換過程中，進入地表的輻射能量絕大多數以潛熱的形式返還大氣完成交換，LE比Hs高4.9倍。水相態(tài)轉變吸收能量，周圍溫度降低，分配給顯熱的能量少。Trenberth等[38]分析了全球能量收支, 認為地表吸收的能量有近一半消耗在潛熱, 能量分配與水分平衡受大氣水分供需影響。從波文比的月變化情況也能看出LE和Hs的動態(tài)關系，變化過程和環(huán)境條件狀況吻合，在霧涼季夜間23:00到次日11:00雨林中彌漫著濃霧，很大程度上縮短了日照時間和輻射強度，蒸散發(fā)也隨之減弱[39], LE減小，導致波文比在霧涼季處于高水平。干熱季天氣晴好, 降水很少，輻射值突增，植物在進行光合作用的同時，蒸騰加劇，波文比較霧涼季降低。雨季對流天氣頻率增多，降水量大，波文比進一步減小。從整體情況來看，在熱帶季雨林生態(tài)系統(tǒng)中土壤作為熱源向表層和大氣中輸出熱量，S所占比例小, S年總值僅為Rn的1.0%。

3.2 能量閉合度分析

前人[40–41]對高大植物群落內能量平衡問題的研究表明，觀測地能量不閉合現象普遍存在。大多數研究認為熱儲量S和附加能量源匯Q數值非常小，且不易測量，一般忽略不計[15]。西雙版納熱帶季雨林是有名的靜風區(qū)，觀測年份的平均風速為0.9 m/s，能量交換強度不大，濃霧天氣對下墊面的保溫作用以及干熱季大量落葉分解產生的熱量，在茂密林冠的遮擋下，冠層下方產生的熱量可能難以和大氣充分交換，渦度監(jiān)測設備難以監(jiān)測到全部的熱通量，導致能量閉合度被低估。我們推測熱儲量是該地區(qū)能量不閉合的主要原因。因此本文在月尺度上用EBR來探討生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合狀況，在不考慮S時，月均EBR為0.51～0.79,考慮了S后，EBR為0.53～0.80，年均閉合度為0.67。中國通量觀測網絡(ChinaFLUX)包含的8個站點的EBR分別為0.58～1.0，其中西雙版納勐侖鎮(zhèn)國家自然保護區(qū)內站點的年平均閉合度為0.58[12]。本次分析選取的補蚌村通量系統(tǒng)相較于勐侖鎮(zhèn)1 hm2樣地內的通量系統(tǒng)，該區(qū)域的能量閉合情況相對改善。在分析過程中考慮了S的影響，但發(fā)現結果與預期不符，S對EBR的貢獻率很小，熱儲量不是該地區(qū)能量不閉合的主要原因。

本研究結果表明，熱帶季雨林的能量平衡閉合存在明顯的季節(jié)差異，雨季>干熱季>霧涼季。西雙版納的干熱季和霧涼季，由于季風強度的減弱，低層大氣受干擾小，較為穩(wěn)定，且干燥少雨促進了霧的形成[37]。靜風的特點和霧的籠罩作用在一定程度上阻礙了大氣的交換，可能導致湍流通量的低估, 造成了EBR偏小。進入干熱季后，氣溫回升，在白天霧逐漸消散，但干熱季高溫少雨，部分葉片選擇凋落的生長對策來適應環(huán)境條件的變化，相較于雨季，下墊面接收到的凈輻射增加，LE比重減小，所以能量平衡閉合弱于雨季。雨季對流天氣頻率增多，降水量大，能量交換充分，能量閉合情況最好。

本研究結果表明，西雙版納勐臘縣補蚌熱帶季雨林的Res與不閉合度相匹配，與竇軍霞等[42]對西雙版納熱帶季節(jié)雨林定位觀測樣地的熱儲量研究結果相比，補蚌熱帶季雨林的冠層下LE、Hs偏低, 根據本文熱儲量計算方法，通量塔僅在林下1.4 m和冠層62.1、68.1、77.7 m處安裝溫度和水汽壓檢測儀器，缺少中間層數據，導致計算出的顯熱潛熱值被低估。但熱儲量僅占殘余量的小部分，除了忽略S會低估生態(tài)系統(tǒng)能量閉合度外，能量平衡還受其他因素影響。能量閉合可能與湍流強度有關，當湍流交換不足時，渦度相關系統(tǒng)監(jiān)測的結果會偏低，導致湍流通量一定程度的低估[43]。西雙版納是著名的靜風區(qū)，風速小，摩擦風速的大小決定著生態(tài)系統(tǒng)和大氣間物質和能量的傳輸，湍流強度隨摩擦風速的增大而增強，顯熱和潛熱的交換更加充分，能量閉合度就會增大。夜間摩擦風速絕大多數小于0.2 m/s，大氣層結穩(wěn)定，湍流強度弱，湍流通量和有效能量之間的差距大，能量閉合度不好。白天日出后，太陽輻射不斷加熱地面，溫度不均勻使得近地面層氣流交換加劇，穩(wěn)定層被打破[21]，白天的能量閉合度會高于夜間。地形因素也可能是造成能量不閉合的原因之一，Aubinet[19]和Lee[40]認為地形不平坦，起伏較大的地方能量難以閉合，Stoy等[11]分析了FLUX- NET中193個站點的數據，也認為能量閉合度與地形和植物類型的異質性有顯著關系。本研究的通量觀測塔處于山谷中，四周的地勢高，能量和水汽易向低處轉移，造成部分能量的流失，導致能量閉合度較差。在亞洲的水和能量通量研究中EBR約為0.5～0.99, 其中地形起伏的森林(0.77)和濕地(0.76)的EBR值小于相對平坦的農田(0.80)和草地(0.84)，亞洲大部分地形的不平坦造成了能量的普遍不平衡問題[44]。

渦度相關系統(tǒng)是目前主要的通量監(jiān)測設備，可以長期連續(xù)觀測能量的變化，揭示下墊面與大氣間的能量和物質交換過程和分配特征。根據熱力學第一定律，能量平衡等式可以成立，但不同植物群落的渦度通量監(jiān)測結果顯示，能量難以閉合，這是普遍存在的現象。并且由于下墊面地勢多變，以及不同緯度帶氣候因子差異，不同生態(tài)系統(tǒng)的能量分配和能量平衡情況各異，能量不閉合問題和地氣之間的物質能量交換過程是研究人員一直致力于去解決的難題，之前的研究發(fā)現能量不閉合有多方面的原因，如冠層表面異質性、地形、時間尺度差異造成的高低頻損失和忽略下墊面熱儲量等。能量閉合研究對區(qū)域通量的定量估計有重要意義，在西雙版納熱帶季雨林，湍流交換不充分，在此開展通量監(jiān)測，會在一定程度上低估LE和Hs，并且低估的主要是LE (待發(fā)表)，導致能量閉合度低于平均水平[23]。在大多數區(qū)域，造成能量不閉合的原因中熱儲量占關鍵位置，考慮熱儲量后能量閉合情況有明顯改善。但在該地區(qū)，高大茂密林冠儲存的熱量對能量平衡閉合的貢獻不大，研究表明，摩擦風速是影響研究區(qū)能量閉合狀況的主要原因，閉合度最好的情況出現在摩擦風速較大的時候，但仍然有部分能量被低估(待發(fā)表)。氣象因素、大氣穩(wěn)定度和儀器誤差等也可能會影響數據的可靠性，因此, 對于研究區(qū)域的能量閉合問題研究還有待進一步深入。

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Studies on the Flux Distribution and Energy Closure in Xishuangbanna Tropical Seasonal Rainforest, China

JIN Yan, LIAO Liguo, ZHANG Ying, LIU Yue, LIU Jiahui, TAN Zhenghong*

(College of Ecology and Environment, Hainan University,Haikou 570228, China)

In order to explore the energy distribution and energy balance closure of the tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, China, the energy flux characteristics and closure features in different seasons were analyzed by using the continuous monitoring results of the eddy covariance system and conventional meteorological instruments. The results showed that the annual net radiation, latent heat flux, sensible heat flux, soil heat flux and heat storage were 4546.07, 2453.24, 492.22, -10.47 and 45.93 MJ/m2, respectively. It was suggested that soil was a heat source. The latent and sensible heat fluxes were accounted for 54.0% and 10.8% of the net radiation,respectively. The main form of energy dissipation was evapotranspiration. There was obvious diurnal variation and seasonal dynamics in radiation and energy, and the diurnal variation of each energy components almost showed a unimodal trendof high daytime and low nighttime.The overall albedo rangedfrom 0.10 to 0.12, with a little fluctuation, andthe seasonal variation of the Bowen ratio was significant, fluctuating from 0 to 0.8 throughout the year. The annual closure of tropical seasonal rainforest was 0.67, which varied from 0.51 to 0.79 when the heat storage was not considered, and from 0.53 to 0.80 when the heat storage was taken into account. Therefore, the contribution of heat storage to energy closure was small in tropical seasonal rainforest with dense forest canopies, and neglecting heat storage was not the main cause for energy non-closure.

Tropical seasonal rainforest; Eddy covariance system; Heat storage; Energy

10.11926/jtsb.4509

2021-08-21

2021-10-31

國家自然科學基金項目(4186010159, 41771099)資助

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 4186010159, 41771099).

金艷，碩士研究生，主要從事生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail: jinyan8197@163.com

E-mail:tan@ynu.edu.cn