全 文 ：收稿日期： 2013–07–22　　　　接受日期： 2013–09–29
基金项目： 国家自然科学重大基金项目(61190114); 国家“973”重点基础研究发展规划项目(2011CB302705, 2010CB950702, 2010CB428503);
　国家自然科学基金项目(41171324); 科技部重大国际合作项目(20073819)资助
作者简介： 孙成(1987 ~ )，男，硕士研究生，主要从事森林生态系统碳循环研究。E-mail: suncheng0115@126.com
* 通讯作者 Corresponding author. E-mail: jianghong_china@hotmail.com
热带亚热带植物学报　2014， 22(1)： 38 ~ 44
Journal of Tropical and Subtropical Botany
我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度
分析
孙成1, 江洪1,2*, 陈云飞1, 刘玉莉1, 张金梦1
(1. 浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，杭州 311300; 2. 南京大学国际地球系统科学研究所，南京 210093)
摘要： 为探讨我国亚热带毛竹林(Phyllostachys edulis)生长季的能量平衡关系，利用开路涡度相关法，对 2011 年毛竹林生长季
的能量通量的变化特征进行了研究，并应用能量平衡比率法和线性回归 2 种方法，分析了能量闭合的特点。结果表明，我国亚
热带毛竹林生长季的净辐射总量为1738.2 MJ m–2，显热通量为354.3 MJ m–2，潜热通量为1146.0 MJ m–2，土壤热通量为58.9 MJ m–2，
土壤为热汇，显热通量占净辐射的 20.4%，潜热通量占 65.9%，土壤热通量占 3.4%。毛竹林生长季的能量闭合度为 0.89，月平均
闭合度为 0.91，但仍有 11% 的能量不闭合。可见，毛竹林生长季以潜热能量散失形式为主，各能量分量均以净辐射变化为基础，
且日变化基本呈单峰型曲线。
关键词： 能量通量； 能量闭合度； 涡度相关法； 毛竹林
doi: 10.3969/j.issn.1005–3395.2014.01.007
Energy Flux and Energy Balance Closure Analysis of Phyllostachys edulis
Forest in Subtropical China during Growing Season
SUN Cheng1, JIANG Hong1,2*, CHEN Yun-fei1, LIU Yu-li1, ZHANG Jin-meng1
(1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang Agriculture and Forestry
University, Hangzhou 311300, China; 2. International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China)
Abstract: In order to understand the energy balance closure of Phyllostachys edulis forest in subtropical China
during growing season, the changes in energy flux of P. edulis forest were studied from April to September in 2011
by using open-path eddy covariance method, and the characteristics of energy closure were analyzed by using
EBR (Energy balance ratio) and OLR (Ordinary linear regression). The results showed that total net radiation
of the forest in growing season was 1738.2 MJ m–2, and the sensible flux heat, latent heat flux, and soil heat flux
were 354.3 MJ m–2, 1146.0 MJ m–2, and 58.9 MJ m–2, respectively. It was suggested that soil was a heat sink. The
sensible and latent heat fluxes were accounting for 20.4% and 65.9% of the net radiation, respectively. The enrgy
balance closure of P. edulis forest in growing season was 0.89, and the monthly average was 0.91, but there was
11% of energy imclosure. Therefore, the latent heat flux was the main form of energy loss. Diurnal variation in
energy components all showed single peak curves based on net radiation, and energy closure was at high level.
Key words: Energy flux; Energy balance closure; Eddy covariance method; Phyllostachys edulis forest
气候变化是通过近地层能量的改变来实现的，
不同的气候背景和下垫面条件下的能量传输过程
存在着很大的差异[1]。森林作为地球上最大的陆地
生态系统，在全球水循环和能量再分配中都发挥着
第1期 39
重要的作用。陆面过程实验中，能量不闭合是地表
通量观测中经常遇到的问题，国际上已经开展了大
量的相关研究[2–3]。21 世纪初开展的 EBEX-2000
试验专门针对地表能量平衡问题进行观测研究[4]，
分析能量不闭合的潜在因素。地表土壤热通量是
能量平衡的重要组成部分，精确估算地表土壤热通
量的大小也是能量平衡分析中的关键问题。已有
用多层土壤温度和湿度观测资料来估算土壤热通
量的研究报道[5]，还有的研究提出考虑热扩散和热
对流的计算方法[6]。目前，应用涡动相关技术研究
生态系统碳水通量是国际上公认的标准方法[7–8], 根
据涡度相关技术观测的基本假设，FLUXNET 许
多站点都把能量平衡闭合状况分析作为观测系统
性能和数据质量评价的一个有效途径[9]。目前，利
用涡度相关技术对毛竹林生态系统能量通量进行
研究的报道较少。
毛竹(Phyllostachys edulis)高达 13 ~ 20 m，胸径
达 12 ~ 18 cm，节间短，壁厚，笋期 3 – 5 月，连年出
笋能力强，是我国重要的森林资源之一，也是我国
竹林中分布最广、面积最大的一种竹类。根据全国
森林资源普查的数据，在南方陆地森林生态系统
中，竹林面积从第五次普查的 4.21×106 hm2，增加到
第七次的 5.38×106 hm2。竹林有着较高的经济效益
和生态效益，在亚热带地区的种植面积不断扩大，
而毛竹林兼具森林和农田的特点。研究毛竹林生
长季的能量过程，有助于了解和分析各能量分量的
分配特征，并为揭示生态系统的水分和能量平衡过
程提供分析依据。本研究在浙江省安吉县山川乡
利用涡动相关系统观测塔于 2011 年获得的毛竹林
生长季的能量通量和气象观测数据，对毛竹林能量
通量进行研究分析，探讨毛竹林生长季的能量通量
变化特征，旨在为毛竹林生产和区域模型模拟提供
基础数据，并为准确评估毛竹林生态系统与大气间
的物质和能量交换提供依据。
1 研究区概况
实验区位于浙江省湖州市安吉县山川乡，地理
位置为 30°28′34.5″ N，119°40′25.7″ E。属亚热带
季风气候，年平均气温为 16.6℃，1 月温度最低，7
月温度最高，生长季平均气温 21.8℃，年降水量为
761 ~ 1780 mm，降雨主要集中在夏季，6 – 7 月份
为梅雨季节，年平均相对湿度在 70% 以上。实验
区竹林面积 2155 hm2，其中毛竹林面积 1693 hm2，
占竹林总面积的 78.6%，分布很广。观测塔站点建
在海拔 380 m 处，坡度约为 11°，坡向北偏东，毛竹
群落平均高度 15.8 m，平均胸径 14 cm，以 4 ~ 6 年
生(2、3 度)竹为主，林下灌草层稀少。每年的 3 月
下旬为初春季节，随着温度和湿度逐渐升高，毛竹
开始出笋，4 月是出笋旺盛期，到 5 月上旬基本结
束。5 月底毛竹开始抽叶，6 月份开始大量展开。
因此，本文毛竹林的生长季时间段为 4 – 9 月份，其
中 4 月份为出笋旺盛期，6 月份为大量展叶期，9
月份为生长季。
2 方法
2.1 观测方法
实验区建有高 40 m 的微气象观测塔，开路涡
动相关系统的探头安装在距地面 38 m 的高度上，
由三维超声风速仪(CSAT3, Campbell Inc., 美国)和
开路 CO2/H2O 红外分析仪(Li-7500, LiCor Inc., 美
国)组成，原始采样频率为 10 Hz，所有数据储存到
数据采集器(CR1000, Campbell Inc., 美国)，同时在
线计算并存储 30 min 的 CO2 通量(FC)、潜热通量
(LE)和显热通量(H)等统计量。
气象数据的观测，包括 3 层风速传感器(010C，
metone，美 国)、3 层 大 气 温 度 和 湿 度 传 感 器
(HMP45C，Vaisala，Helsinki，芬兰)，安装高度分别
为 1 m、7 m 和 38 m；2 个 SI-111 红外温度观测仪
分别置于 2 m 和 23 m，分别用于采集地表和冠层温
度；1 台净辐射仪传感器(CNR4，Kipp & Zonen，荷
兰)安装高度为 38 m，用于采集下行的长 / 短波辐
射、上行的长 / 短波辐射、净辐射的数据；土壤温度
传感器(CS109，Campbell，美国)，分别位于距土表
5 cm、50 cm 和 100 cm 深度处。林内分布 4 个自
动雨量筒，林外空地处 1 个，降雨量来自林外空地
雨量数据。土壤热通量利用土壤热通量板(HFP01,
Hukseflux, 荷兰)进行测定，选取具有很好代表性的
点，挖开土壤剖面，水平插入，分别距土表 3 cm 和
5 cm 深。根据相关研究报道[10–12]，本站点土壤热通
量采用 5 cm 深度观测数据，同时，3 cm 深度的数
据用于插补和校正。
2.2 数据处理
在实际观测中由于受到降水、凝水、昆虫以及
孙成等：我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析
40 第22卷热带亚热带植物学报
随机电信号异常等的影响，需要对通量数据进行
有条件的剔除。开路涡动相关系统据此计算的显
热通量(H，MJ m–2)、潜热通量(LE，MJ m–2)、CO2
通量必须进行剔除处理。显热和潜热通量根据三
维超声风速仪观测的风速、风向与虚温计算得到，
CO2 通量数据质量与显热、潜热通量数据具有一致
性，因此本文以 CO2 通量数据质量为标准来判断相
应时刻下的能量通量数据。分别经过二次坐标旋
转校正，水汽校正(WPL)，再根据阈值剔除异常通
量值[13]。常规气象仪器受天气影响较小，观测的太
阳净辐射(Rn，MJ m
–2)、土壤热通量(G，MJ m–2)可
不做剔除处理。由于每天的能量数值变化较小，单
位用 W m–2 表示，而每个月的能量积累量的数值较
大，用 MJ m–2 表示。在长期通量观测中，由于仪器
故障、系统校正以及天气、风向等因素影响，往往造
成观测数据丢失和异常，对于各能量分量缺失值要
进行插补，缺失 1 d 内数据采用线性插补法，缺失
超过 1 d 的数据，利用该能量分量与该月净辐射回
归关系进行插补。在实际分析时，经过数据质量控
制和数据插补后的数据都处理成半小时平均资料。
对每个月插补以后的相同半小时时刻下的数据作
平均处理，以表征该月能量通量的日变化进程。
2.3 能量平衡研究方法
所谓的能量平衡闭合是指利用涡动相关仪器
直接观测的显热和潜热通量之和与净辐射通量、土
壤热通量、冠层热储量等之和之间的平衡。生态系
统观测中，能量平衡方程表达式为[14]：
Rn – G – S – Q = H + LE (1)
式中：Rn 为净辐射；G 为土壤热通量；S 为植被冠层
热储存量；Q 为附加能量项的总和。由于 S 和 Q 项
小而常被忽略，此时能量平衡方程可表示为：
Rn – G = H + LE (2)
式中(Rn – G)简称为有效能量，(H + LE)简称为湍
流能量。当有效能量与湍流能量相等时，称为能量
平衡闭合，否则称为能量平衡不闭合。
国际上常用的能量闭合状况的方法有最小
二 乘 法(Least squares method, LS)、压 轴 回 归 法
(Reduced major axis regression, RMA)、能量平衡比
率法(Energy balance ratio, EBR)和能量平衡残差频
率分布图法。本文采用能量平衡比率法和线性回
归(Linear regression, LR)来分析毛竹林生长季能量
平衡状况。EBR 是指用涡度相关系统直接测定的
湍流能量与有效能量的比值；用 LR 方法求出回归
斜率和截距，在理想状况下有效能量和湍流能量的
回归直线的斜率为 1，并通过原点，但通常二者线性
关系的斜率达不到 1，截距也不能通过原点。
3 结果和分析
3.1 环境因子的变化
由图 1 可以看出，生长季毛竹林的气温、地温
和 5 cm 深土壤温度呈现明显的单峰曲线。4 月
份的 3 个温度均最低，分别为 15.2℃、17.3℃和
13.6℃，出现地温高于气温的现象，这可能是由于 4
月份毛竹大量出笋，推测是呼吸加强所致。其余月
份温度非常接近；3 个温度的最大值均出现在 7 月
份，分别为 26.9℃、26.6℃和 25.7℃，同时也为全
年最高值；6 月份三者均升幅较缓，而降雨量则为
整个生长季的最高，这是由于该地区 6 月份为梅雨
季节，有大量阴雨天而导致的。生长季的降雨量为
1285.2 mm，占全年降雨量的 83.3%，其中 6 月份的
降雨量最大，为 453.0 mm，8 月份次之，为 416.5 mm，
夏季(6 – 8 月)降雨量为 1062.2 mm，占全年降雨量
的 68.8%，占生长季降雨量的 82.6%，可见降雨量较
集中。而 6 月份的降雨量大也是导致温度升幅较
缓的主要原因。
图 1 毛竹林的降雨量(P)、气温(Ta)、地温(Ts)和土壤 5 cm 处温度(Ts-
5)的变化
Fig. 1 Changes in precipitation (P), air temperature (Ta), surface soil
temperature (Ts) and soil temperature at 5 cm depth (Ts-5) in Phyllostachys
edulis forest
3.2 能量通量的日变化
由图 2 可以看出，毛竹林生长季各能量分量的
日变化，均呈明显的单峰型曲线。净辐射进入生态
第1期 41孙成等：我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析
系统，记作正值，反之，记作负值。夜间，净辐射全为
负值，基本稳定在 –50 W m–2 左右，受日出时间影响，
6 月份在 5：00 – 5：30 变为正值，9 月份在 6：30 –
7：00 变为正值，此后逐渐增加，中午(约在 11：00 –
12：00)达到峰值，然后逐渐降低，日落后转变为负
值，并逐渐趋于平稳。净辐射最大值出现在 4 月份，
为 497.9 W m–2，受降雨的影响，6 月份净辐射的最
大值为 306.8 W m–2。显热通量和潜热通量与净辐
射具有类似的日变化特征，但日变化曲线均比净辐
射曲线平缓。显热通量的最大值出现在 4 月份，为
214.0 W m–2，夜间通量值基本稳定在 –25 W m–2 左
右，显热通量的波动较大，可能与间歇性湍流和夜
间湍流的低估有关[15]。潜热通量最大值出现在 6
月份，为 220.2 W m–2，夜间通量值也都为正值，但数
值很小。
毛竹林吸收的净辐射除了以显热、潜热的形
式传播到大气中，还有一部分能量向下传导到土壤
中去，即土壤热通量。土壤热通量为正值表示热量
由植被-大气辐射进入土壤，土壤为热汇；土壤热通
量为负值表示热量由土壤辐射到植被-大气，土壤
为热源。土壤热通量在数值上比其他能量分量小 1 ~
2 个数量级，毛竹林 4 月份的土壤热通量为 –7.2 ~
56.6 W m–2，6 月 份 为 –1.7 ~ 32.8 W m–2，9 月 份
为 –8.9 ~ 29.1 W m–2，正负发生转变的时间要比净
辐射延迟 1.5 ~ 2.5 h。因不同月份土壤理化性质
不同，土壤热导率也不同，影响土壤吸热散热在延
迟时间上的差异[10–11]，因而在热源 / 汇上也有差
异[12]。
3.3 能量通量的分配特征
具体分析能量分量一方面可以了解能量闭合
状况，另一方面可依据净辐射的主要消耗项，分析
和判断下垫面的干湿状况。绘制毛竹林生长季的
净辐射、显热、潜热和土壤热通量的每月积累量图。
从图 3 可以看出，毛竹林各能量分量的变化都是以
净辐射的变化为基础的。由于太阳辐射时间和角
度不断增加，净辐射从 4 月份(297.2 MJ m–2)开始逐
渐增加，到 7 月份为最大值(343.7 MJ m–2)，而 6、8
月份由于大量阴雨天导致净辐射降低，这与同一地
区雷竹林[16]的研究结果一致。毛竹林生长季的净辐
射总量为 1738.2 MJ m–2。显热通量最大值出现在 5
月份，为 96.1 MJ m–2，生长季的总量为 354.3 MJ m–2，
占净辐射的 20.4%。潜热通量最大值出现在 7 月份，
为 284.6 MJ m–2，生长季的总量为 1146.0 MJ m–2，
占净辐射的 65.9%。土壤热通量变化比较稳定，最
大值出现在 7 月份，为 18.7 MJ m–2，生长季总量为
58.9 MJ m–2，占净辐射的 3.4%。土壤热通量占净辐
射的比重很小，因此，到达地面的辐射能量进入生
态系统后，主要以显热和潜热的形式加热大气。毛
竹林生长季能量在生态系统中的分配以潜热大于
显热，潜热约为显热的 3.2 倍，这与华北农田[17]的结
果相似。
图 2 毛竹林生长季能量通量的日变化。A: 4 月； B: 6 月； C: 9 月；
Rn: 净辐射； H: 显热通量； LE: 潜热通量； G: 土壤热通量。图 3 同。
Fig. 2 Diurnal changes in energy flux of Phyllostachys edulis forest
during growing season. A: April； B: June； C: September. Rn: Net
radiation； H: Sensible heat flux； LE: Latent heat flux； G: Soil heat
flux. The same is Figure 3.
42 第22卷热带亚热带植物学报
3.4 能量闭合度分析
根据热力学第一定律，生态系统内的能量应
当守恒，Wilson 等[18]通过分析 FLUXNET 站点能
量平衡的闭合状况，认为湍流通量观测中普遍存在
10% ~ 30%[18–19]不闭合度。
由图 4 可以看出，毛竹林生长季湍流通量(H +
LE)与有效能量(Rn – G)之比 EBR 值呈单峰型变化，
以 4 月份的最低，为 0.75，6 月份的最高，为 1.19，
6 月份出现过闭合现象；7 月份的闭合度为 0.94，是
生长季中能量闭合最好的月份。生长季月平均闭
合度为 0.91，生长季总闭合度为 0.89，高于草原区[20]
生长季能量闭合度(晴天为 0.83，阴天为 0.82)，毛竹
林生长季能量闭合状况良好。
表 1 是在半小时尺度上生长季的逐月线性回
图 3 毛竹林能量分量的月积累
Fig. 3 Monthly accumulation of energy components in Phyllostachys edulis forest
图 4 毛竹林能量分量的月积累与能量闭合度。Rn – G: 有效能量；H + LE: 湍流通量；EBR: 能量平衡比率。
Fig. 4 Monthly accumulation of energy components and energy closure in Phyllostachys edulis forest. Rn – G: Available energy; H + LE: Turbulent
flux; EBR: Energy balance ratio.
第1期 43孙成等：我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析
归系数。可见，生长季的截距为–5.58 ~ 16.03 W m–2，
斜率为 0.52 ~ 0.68，相关系数为 0.78 ~ 0.90。生长
季的平均截距为 4.43 W m–2，平均斜率为 0.59，平
均相关系数为 0.81。这些均低于黄土高原干旱草
地[21]的平均截距(17.22 W m–2)、平均斜率(0.69)和平
均相关系数(0.95)，与同一地区雷竹林[16]的平均截
距(4.71 W m–2)、斜率(0.59)和平均相关系数(0.84)结
果相差不大。而国际通量站点的能量闭合度系数
是：斜率在 0.55 ~ 0.99 之间，相关系数在 0.64 ~ 0.96
之间[18]；中国通量网中 8 个站点[22]的截距、斜率和
相关系数平均值分别为28 W m–2 (10 ~ 79.9 W m–2)、
0.67 (0.49 ~ 0.81)和 0.82 (0.52 ~ 0.94)。毛竹林生长
季的回归系数中，平均斜率和相关系数基本处于平
均水平，需要进一步提高剔除数据的质量，来提高
能量闭合度。而对毛竹林非生长季的能量闭合状
况以及回归系数分值的研究，能更准确地与其他站
点的数据进行比较，这也是下一步的研究方向和重
点。
4 结论和讨论
亚热带毛竹林生长季净辐射为 1738.2 MJ m–2，显
热通量、潜热通量和土壤热通量分别为354.3 MJ m–2、
1146.0 MJ m–2 和 58.9 MJ m–2；生长季以潜热通量为
主，而土壤为明显的热汇，可能由于生长季毛竹出
笋以及快速生长而使土壤呼吸明显加强所致。净辐
射、潜热通量、土壤热通量最大值均出现在 7 月份，
由于6月份梅雨季节，净辐射最小，为222.8 MJ m–2；
各能量分量日变化基本呈单峰型曲线，但显热通量
和潜热通量都不如净辐射平滑，这主要是湍流传输
的间歇性所致。在能量分配上，潜热通量占净辐
射的 65.9%，显热通量占 20.4%，土壤热通量仅占
3.4%，毛竹林生长季主要以潜热通量形式加热大
气，通过蒸发散耗能量。
利用能量平衡比率计算毛竹林生长季各月的
EBR 值，EBR 在 0.75 ~ 1.19 之间变化，4 月份最
小，6 月份最大，而梅雨季节使得毛竹林出现能量
过闭合的现象，闭合状况最好的出现在 7 月份，为
0.93；生长季月平均闭合度为 0.91，生长季总闭合度
为 0.89，表征毛竹林能量仍有 11% 的不闭合现象。
对毛竹林生长季的能量数据进行逐月线性回归分
析，平均截距为 4.43 W m–2，平均斜率 0.59，平均相
关系数 0.81，处于通量观测站点的平均水平。可见，
采用能量平衡比率计算的结果要高于线性回归法
计算的结果，这可能与两种不同计算方法有关，需
要长期的观测数据来进一步探索毛竹林能量平衡
度的计算。
理论上能量闭合是成立的，但不论下垫面性质
如何，出现能量不闭合的现象都比较严重。而导致
能量不闭合的原因有很多种，地表到土壤热通量板
之间的土壤储存热会对地表能量闭合度产生重要
影响[5,17]；土壤热通量的观测距离地表有一定深度，
土壤热通量的相位会随土壤深度的加深而延迟，导
致能量闭合度降低[23–24]；还有在复杂环境下，湍流
不充分和损失[25]以及冠层和空气热量储存项等，针
对毛竹林能量闭合状况的分析，还需要长期的数据
支持进行更进一步的研究。
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表 1 2011 年 4 – 9 月能量平衡的线性回归系数
Table 1 Linear regression (LR) coefficients of energy balance from April to September in 2011
月份
Month
(H + LE)/(Rn – G)
n
截距 Intercept 斜率 Slope 相关系数 Coefficient
4 16.027 0.571 0.801 815
5 5.948 0.595 0.808 821
6 –5.431 0.678 0.895 430
7 8.247 0.588 0.775 539
8 –5.584 0.594 0.792 322
9 7.386 0.521 0.890 794
44 第22卷热带亚热带植物学报
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