全 文 ：热带亚热带植物学报 2005，l3(3)：205-210
Journal ofTropical and Subtropical Botany
鼎湖山针阔混交林旱季能量平衡研究
王 旭1,2，尹光彩s，周国逸 ，闫俊华 ，SUN Ge ，王春林 ，2
(1．中国科学院华南植物园，F-~H 510650；2．中国科学院研究生院，北京 100101；3．广东省工业大学，F-~H 510643；
4．Southern Global Change Program,USDA Forest Service，920 Main Campus Drive，Venture Center Ii，Suite 300，Raleigh，NC 27606)
摘要：运用涡度相关(Eddycovariance，EC)法开路系统、常规微气象观测系统及土壤热通量板等设施对鼎湖山季风常绿
阔叶林旱季(2003／1／9—2003／1／23)的能量分量进行测定。结果表明，平均净辐射通量(Net radiation，Rn)为53．14 W ITI。，与下
行短波辐射具有相同的变化趋势。林冠上层Ec法潜热通量(Latent he LE)、显热通量(Sensible he Us)实测平均值分别
为57．18 w m_2、43．40 Wm-2，林冠下层分别为I2．6I WIT1-2、7．61 Wm。。白昼EC法所测得的LE和 Hs数据与利用波文比．
能量平衡法(Bowen ratio and energy balance，BREB)计算出的数据相比，略偏低，而夜间及凌晨数据差异较大。土壤热通量
日变化曲线呈“S”形，平均土壤热通量为．1．50Wm。，表面土壤总热通量(Gt)仅为5 cm处土壤热通量的84．0％，可见表层
土壤尽管很薄，但其热储量不能忽略。将 LE、Hs之和与可供能量fen—GO进行闭合，回归直线斜率为0．9128，相关系数达
0．85l7，与许多研究结果的60％一90％的区间相符，这说明鼎湖山涡度相关法通量观测数据是非常可靠的。
关键词：能量平衡；涡度相关法；潜热通量：显热通量；鼎湖山
中图分类号：$718．5l2．2 文献标识码：A 文章编号：l005—3395(2005)03—0205—06
Dry Season Energy Balance of a Coniferous and Broad—leaved
Mixed Forest at Dinghushan Mountain，Southern China
WANG Xu ’2， YIN Guang—cai ， ZHOU Guo—yi ‘， YAN Jun-hua ， SUN Ge 一， WANG Chun一1 in 工
(1．South China Botanical Garden，the Chinese Academy ofSciences，Guangzhou 510650，China；2．Graduate School of
the Chinese AcademyofSciences，Beijing100010，China；3．GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou 510643，China；
4．Southern Global Change 啪 am,吣 Forest Service，920 Main Campus Drive，Venture Center II，Suite 300，Raleigh，NC 27606)
Abstract： Net radiation and heat fluxes in a coniferous and broad—leaved mixed forest were monitored by a
microclimate monitor system，an eddy covariance(EC)open—path system，and soil heat flux plates during January
9-23，2003 in Dinghushan Mountain，Southern China．The average net radiation(Rn)above the canopy was
53．14 W m。．The average latent heat flux(LE)and sensible heat flux(Hs)above the canopy were 57．18 W m and
43-40 W m0．while the LE and Hs below the forest canopy were 12．6l W m。。and 7．61 W m～．respectively．The LE
and Hs flux es estimated by the EC and by the Bowen ratio energy balance method were very similar in daytime．
but very diferent in the rest of the day．The diurnal changes of soil heat flux (Gt)were in an“S”shape．The
average Gt was一1．50 W m。，which suggested that soil was one ofthe heat sources．The total Gt was only 84．0％ Of
the soil heat flux at 5 cm depth． which indicated that the heat stored by the soil should not be ignored in spite of
the thin soil layers．A signifcant corelation r=0．85 1 71 between the amount of heat flux(LE+Hs)and available
energy(Rn-Gt)with a slope of 0．9128 suggested that the LE and Hs measured by EC at the research site were
within the reasonable range reported in the literature．
Key words：Energy balance；Eddy covariance；Latent heat flux；Sensible heat flux；Dinghushan
能量作为森林生态系统演替的驱动因子，是生
态系统一切功能过程的原动力，并与水循环等生态
过程紧密相联。能量平衡是森林生态学研究的基础
和重点问题之一，但一直以来，由于森林，尤其是自
收稿日期：2004—07—14 接受日期：2004—11—02
基金项目：中嘲科学院重要方 向项 目 (KSCX2-SW-120)；国家重点基础研究发展计划 (2002CB11l5)；中国科学院重大项目(KZCX1．
SW-0l-01A3)；广东工业大学博士基金项 目(043027)资助
通讯作者 Corresponding author
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热带亚热带植物学报 第 13卷
然林层次较多、结构复杂、地形多变，受观测技术和
设备的限制，很多理论和方法均直接来源于农田生
态系统。然而，森林作为顶极生态群落，与干扰剧烈
的农田生态系统在结构和功能上存在着显著差别，
从而导致了森林能量平衡研究相对滞后的现状。
对于南亚热带森林生态系统的能量平衡，前人
已经开展过一些探索，但对于一些分项，特别是潜
热通量、显热通量(有时还包括土壤热通量)等还是
通过来源于农田能量平衡研究的相关估算方法得
出【I]。由于森林生态系统与农田生态系统的显著差
异，很多在农田上的假设不能应用于森林 ，导致 了
相关数据的精确度较低和时间尺度上的模糊性 。
鼎湖山森林生态系统定位研究站从2002年 10月
开始，设置了通量观测塔，将常规微气象观测设备
与EC法通量观测系统相结合，对南亚热带针阔混
交林的能量平衡过程进行了长期定位研究，本文报
道初步的观测研究结果，为南亚热带森林生态系统
的能量平衡研究提供参考。
I研究地概况
研究地设于广东省肇庆地区境内的鼎湖山自然
保护区(23。10 N，ll2。34 E)，主要为丘陵和低山，海拔
在 100—700 m之间，属南亚热带季风湿润型气候，年
太阳辐射约4 665 MJ m。a． ，年平均日照时数 l 433 h，
年平均温度2l℃，最热月7月，最冷月为 1月，极端
最高温为38℃，极端最低温为．0．2~C。多年平均降雨
量为 l 900mm，4月一9月为雨季，l0月一3月为旱季，
年平均蒸发量为 ll l 5 mm，年平均相对湿度为 82％。
鼎湖山由下向上垂直分布着赤红壤、黄壤和山
地灌丛草甸土，其中赤红壤分布在 300 m 以下的丘
陵谷地。马尾松林 ．针阔叶混交林．季风常绿阔叶
林演替序列是南亚热带森林演替过程的典型代表。
通量观测塔所在的林分处于针阔混交林演替后期，
优势树种为荷木(Schima superb 、锥栗(Castanopsis
chinensis)和马尾松(Pinus massoniana)，平均树高约
l7 m，郁闭度为0．7，是目前保存下来的最为典型、
完整的南亚热带针阔混交林生态系统。
2研究方法
2．1微气象资料的收集
微气象资料观测设施分为地上 7层和地下 5
层，地上部分安装于通量观测塔上，其中净辐射(Net
radiation，Rn)的 4个分量：下行短波辐射(Down．
weling shortwave radiation，RSd)、上行 短波 辐射
(Upweling shortwave radiation，Rsu)、下行长波辐射
(Downweling shortwave radiation，RLd)和上行长波辐
射(Upweling longwave radiation， 均由安装于塔
顶部 38 m处的CNR．1PRT．L210辐射观测系统
(KIPP&ZONEN Ltd，USA1测定；地上各层次的温度
和湿度分别由HMP45温度计(Campbel Scientifc
Ltd，USA)和 IRTS-P湿度计(Apogee Ltd，USA)进行
测定，风速用 A100R风速仪(Vector Ltd，USA)~0定；
地下各层的温度和湿度分别用 105．T土壤温度计
(Campbel Scientifc Ltd。USA)、107．L土壤湿度计
(Campbel Scientifc Ltd。USA)~0定。所有的气象资
料均采用 CRIOX数据采集器(Campbel Scientifc
Ltd。USA)直接记录。
2．2显热通量和潜热通量的测算
2．2．1 LE和 Hs的测定
运用涡度相关法(EC)开路系统直接测定潜热
通量和显热通量。目前，涡度相关法已成为测定森
林潜热通量(LE)和显热通量(Hs)最为直接、有效的
方法，相关公式为：
，J p q (1)
Hs=p T’ (2)
式中，p为空气密度，C 为空气的定压比热， 、
q 分别为温度和水汽含量的脉动量。
EC开路系统分别安装在27 m高的第5层 (林
冠上层)和9 m高的第2层(林冠下层)，CO：和潜热
通量、显热通量由开路系统 C02／H：0分析仪(Li．cor
Ltd，USA)测定，传感器的频率为 l0 Hz，用 SDM 数
据采集 (Campbel Scientifc Ltd。USA)直接记录。
潜热通量数据和显热通量数据均经过~VPL[3I校正
和 TR坐标转换[41处理。
2．2．2 LE和 Hs的估算
利用BREB法计算冠层显热通量和潜热通量圈，
LE和 Hs的计算式分别为：
R
×
n -Gt
_
×
Hs Rn-Gt (4)
-州 × ×
式中：△ 为林冠作用层上0．5—2．0 m气温差；
△e为林冠作用层上 0．5—2．0 m气温差；P为测点气
压；Po为标准大气压。
2．3土壤热通量的测定
土壤表面热通量(G￡)可表示为5 cm深度处土
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第 3期 王旭等：鼎湖山针阔混交林旱季能量平衡研究 207
壤热通量(G 口rI)和 0—5 cm土壤层贮热(S)之和，即：
Gt=G5 S (5)
其中，G 采用多个埋设于距土表 5 cm深度
处的土壤热通量板(Delft Ltd，Holand)进行测定，取
其平均值。而土壤贮热(S)为：
S=C 8z (6)
其中，G 是土层平均的容积热容量(J m。K )，
8 8￡是该层土壤温度随时间的平均变化率(K s )，
8Z是土层厚度(m)。
本研究选取的观测资料为2003年 1月9日至
23日。所有数据均为0．5 h内观测数据的平均值，观
测期问没有降水，平均气温 14．7℃，平均相对湿度
55．1％，具有南亚热带旱季气候的特征。
3结果和分析
3．1净辐射通量
净辐射通量的日变化均呈较规则的倒 “U”形，
日均净辐射通量为 19．4—70．0 Wm～；向下(指向地
面 ，为正值、的 日最 大净辐 射通量变 幅为 346—
457．7 wm～，相差 1 1 1．7 wm一，达到极值的时间段集中
在 12：00—14：30，其中有10 d的最大值出现在 13：00；
向上(指向天空，为负值)的日最大净辐射通量变幅为
． 123．4～81．4wm一，相差仅 42．0Wm ，出现极小值的
时间段较长，为20：00至次日3：00。夜间净辐射值变化
相对平缓，这是森林生态系统的一个普遍特性阎。
就平均净辐射通量的日变化过程(图 1)而言，
一 一 一 一 净辐射 Net radiation
— — ·一 下行短波辐射Downwelling shortwave radiation
——·——下行长板辐射Downweling long,waveradiation
——·一 上行短波辐射 Upwelling shortwave radiation
⋯ "QI一~qY长波辐射 Upwelling long,waveradiation
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2O 22
时闷 Tifnt、o J‘a day
图 1辐射通量H均变化总图 (2003年 1月 9 H一23 H1
Fig．1 Average diurnal changes in radiation fluxes from 9 Jan．to 23 Jan．
从 0：00—7：30，净辐射稳定在 ．93．4—88．6 W 1TI 之
间，随后急剧上升，到9：00左右净辐射通量变为正
值，到 13：00达到最大值 483．3 W 1TI～，随后开始持
续下降，到 17：30变为负值，至22：30左右达到最小
值．96．7 w mt。净辐射为下行辐射与上行辐射之
差。由于夜间各分量的变化幅度均较平稳，而白昼
下行短波辐射的变化幅度大且与其它辐射分量的
变化节律基本一致，故可认为下行短波辐射是影响
森林净辐射的主要因素。分别对Rn与下行短波辐
射 R 和下行总辐射 Rf进行回归分析可得：
Rn=O．gg49R d一91．5g3，F=52194．1，P=0．0001，相
关系数 r=0．9931；
Rn=O．886Rt一346．39，F=148684，P=0．0001相关
系数 r=0．9976。
相关性均达极显著水平，可认为净辐射具有与
下行短波辐射相同的变化。
3．2潜热通量和显热通量
3．2．1不同方法测值的差异
将EC法所测得的潜热通量(图2 A】和显热通量
(图2 B)数据与利用BREB法计算的数据相比较，发
现在白昼(9：00—1 7：00)数据吻合情况较好，EC法实测
的潜热通量和显热通量平均值分别为：147．4 W m-2、
1 37．6 Wm～，而BREB法相应的值分别为1 56．5 Wm‘2、
149．2 W1TI～，前者分别是后者的94．21％和92．22％，
EC法实测值的结果偏低，这与Black等人的研究结
果一致171。夜间及凌晨数据差异较大，BREB法计算数
据在夜问常有突然增大或减小的情况，且在一些情况
下无法得到结果，这与实际情况不符，可能的原因有：
(1)BREB法成立的理论假设之一是潜热扩散系数
(Kw)与显热扩散系数(K0之比为 l，而很多研究表明在
森林地区这一假设仅在白昼的中性大气层状态下成
立，目前，在粗糙的森林表面，对于BREB的直接应用
还没有公认的看法暇 ；(2)BREB法的精度主要取决于
辐射通量的观测精度和13(At／Ae)值的确定，而在早晚
及夜间，B多在一l附近变动，这时计算出的潜热通量
值不稳定，结果误差大，不能应用，且当 B=．1时方程
无意义。同时，由于夜间湍流较弱，摩擦风速很小，EC
法实测值也出现较大偏差，使得两种估算方法的夜间
结果难以比较。
3．2．2潜热通量与显热通量的日变化
从图3可见：林冠上层潜热通量在0：00—8：30处
于较平稳的状态，随后开始显著上升，到 10：30达到
第一个峰值(217．98 W m‘2)，在 12：30达到另一个峰
∞加∞∞∞∞∞o∞∞∞∞∞ 7 6 5 4 3 2● d 0 0 4
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热带亚热带植物学报 第 13卷
-一 ： 翊 ·．_·．_
． 50 0 50 100 l50 200 250 300 350 400 -50 0 50 100 150 200 25 0 3oo 350 4OO
BREB法LE估算值 BREB~I-Is估算值
LE calculated by BR鹏 (、Ⅳm。) Hs calculated by BREB(、Ⅳm‘ )
图2不同测算方法的潜热通量和显热通量值的比较
Fig．2 Comparison ofthe values oflatent heat(LE)and sensible heat(Hs)fluxes measured by EC s~tem and by BREB method
值(215．85 W in‘ ，随后急剧下降，到 17：30开始保持
平稳波动；林冠上层显热通量的日变化呈单峰型，
0：00—8：00保持平稳波动，然后急剧上升 ，在
12：30达到一天中的最大值(252．85 W m。)，此后持
续下滑，到 19：30开始保持平稳波动。
从各层次潜热、显热通量日变化过程可以看
出：(1)林冠上层潜热通量均为正值，其平均值较同
层次Hs大，说明在旱季南亚热带针阔混交林林冠
上层蒸腾作用仍十分强烈。林冠下层的潜热通量仅
在4：30—18：00之间为正值，而其余时间正负交替，
这可能是因为林内小环境相对稳定、相对湿度较大
导致各层次植物蒸腾作用不剧烈；(2)林冠上层显热
通量在 9：00—19：00基本为正，其余时间为负，而林
冠下层在 9：00—18：00为正，其余时间正负交替，原
因可能是夜间林冠下层温度梯度不明显，阻碍了空
— ◆一林冠上层潜热通量 LE above the canopy
— Ix一林冠上层显热通量 Hs above the canopy
0 2 4 6 8 l0 12 14 16 l8 20 22
时问 Time(1l’a day
图3潜热通量和显热通量的日变化
Fig．3 Diurnal chan gesinLE andHs
气上下层次之间的显热交换；(3)清晨，林冠上层潜
热通量迅速增加的时间比显热通量约慢半小时，这
可能是因为日出后辐射增加，林冠层气温梯度迅速
加大，导致了显热的增加，而树体接受到环境信息，
发生一系列生理反应，表现在树液流开始萌动、蒸
腾增加有约半小时的延滞；(41无论是林冠上层还是
林冠下层，显热通量都呈现单峰型，这与气温的变
化一致，而潜热通量则分别于 10：30、12：30达到两
个峰值，并且均在 12：30达到最大值。(5)与林冠上
层相比，下层显热通量呈现萌动时间迟、结束时间
早的特点。
3．3土壤热通量
土壤热通量密度平均值为一1．50WITI～，总的热通
量为一1 939 751．1 J，说明在该时段，对整个系统而言，
土壤是热源，能量通过土壤向系统传送(图4)。
O O O O O O O O O O 5 5 5 53 3 2 2 1 1 ．
一 uI ^ ) la Jn∞器uI }j
趔嚣林*窭燃品
∞ ∞ ∞ ∞ o
4 3 3 2 2 1 1 ．
^uI邑 l uI m
趔一 ∞，I ∞
4 O 6 2 2 6 O H 之
— 日苴) 3【 。 【_}o5；嗣圈崧鼍F
∞ ∞ ∞ O
3 2 2 1 1 ．
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第 3期 王旭等：鼎湖山针阔混交林旱季能量平衡研究 209
将通量板实测值与加上5 cm深度以上土壤的
热贮量后的土壤热通量总值进行对比，可以看出两
者在趋势上相同，均成波浪形变化，但在数值上表
层土壤热通量总值仅为 5 cm处的土壤热通量的
84．0％ 。
5 cm处土壤热通量向下(地层深处)传递的最大
值为 8．75 W m (1月 18日 16：30)，向上(地表)传递
的最大值为一l1．81 W m (1月 l1日9：00)，相应地，
表层土壤热通量向下传递的最大值为 13．36 Wm
(1月 18日16：00)，向上传递的最大值为 一14．01 Wm
(1月 l1日 8：00)，负号表示热量 由下往上传递 。
5 cm处土壤热通量的极值均小于表层土壤，且存在
延滞现象。
对不同热通量板的实测值进行分析发现在整
体趋势上基本相同，均呈“S”形。热通量板埋设的
深度相同时造成的数值差异较大，可能是森林生态
系统土壤层本身异质性大，林冠状况、林下植被或
枯落物覆盖、坡度以及坡向的不同均会对土壤外部
的热状况产生影响，而土壤本身有机质含量等的差
异则会导致其导热性能的不同，这也许就是即使在
观测技术较为成熟的欧洲通量网(EuroFlux)中，对
土壤热通量观测未做统一、规范要求的主要原因『lo】。
3．4能量闭合情况
判别EC法观测数据可靠性的主要方法之一是
系统的能量平衡情况，将观测期问白昼时段(9：00—
17：00)的潜热通量与显热通量之~H(Hs+LE)与可供
能量(Rn—Gt)进行闭合，回归直线斜率为 0．9128，且
与理想曲线(斜率为 1)十分接近(图5)，相关系数达
0．8517。能量平衡的各项指标与许多研究报道的范
围相符，甚至优于部分国外较为成熟的通量网络森
700
600
500
400
一 300
200
lOO
O
～ lOO
0 1oo 2o0 300 400 500 600 700
Rn～Gt (胃JIr )
图 5白昼能最闭合情况
Fig．5 Energy balance closure in daytime
林台站的相关研究结果⋯31。这说明鼎湖山涡度相
关法通量观测数据是十分可靠的。尽管林分为自然
林且地处丘陵地带，但地形起伏不大，且该林分处
于针阔混交林演替后期，林分结构已基本稳定，并
具有一定的同质性，故该观测区域具有足够的风浪
区长度，基本满足研究范围为足够大的均一下垫面
的要求。同时，通量观测塔的选址经过周密论证，
EC开路观测系统的高度正好位于与风向方向上的
均匀下垫面长度之比小于 1／100的地方，故数据质
量 良好。
LE+Hs小于Rn—Gt，这一结果说明EC法测定
的显热通量与潜热通量之和小于可供能量，存在能
量不平衡性，这一普遍现象已为大多数研究所证
实[14,15】，可能的原因是：(1)LE的测量值可能偏低，当
涡度相关法测定水汽浓度的能量谱与频率比小于
一 2／3时，传感器测定水汽浓度值比实际值偏小；(2)
在测定土壤热通量时，很多研究测定的是地下一定
深度土层的热通量，而忽略该深度以上土层所存储
的热量；(3)忽略了系统内生物体热量的变化，这对
地上部分生物量较大的南亚热带针阔混交林的影
响可能更为明显；(4)忽略了光合作用所消耗的热
能；(5)忽略了通量观测高度及尺度效应的影响。具
体的原因及解决办法还有待于进一步研究。
4讨论
森林的能量平衡问题一直是森林生态学研究
的热点之一，但长期以来，受技术设备限制，主要分
项只能通过BREB等方法进行估算。由于这些方法
大多来自于农田生态系统，在直接应用于层次繁
多、地形复杂的森林生态系统时，就必然出现较大
误差甚至错误，利用 EC法通量观测系统等先进的
设备进行观测，可以有效地减小误差。
一 般认为白昼的标准是光合光量子通量密
度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)≥
30 Ixmol 1TI S ，是用 EC法和BREB法测算 LE和
Hs的理想时段。然而，该标准仅是从光照的角度定
义，并未考虑地形和气象因素。研究发现，昼夜交替
时，两种方法测算出的LE和Hs均出现剧烈的变动，
与实际情况明显不符，可能是受山谷风的影响，不能
反映真实情况。故本研究采用9：00-17：00作为白昼时
段，相应地，其白昼标准为PPFD~>130 txmolm。2S～。如
何根据气象因子确定适合相关测算方法的时段，仍
有待于进一步研究。
EC法作为直接测定植被潜热通量和显热通量
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210 热带亚热带植物学报 第 13卷
的方法，并作为其它理论计算方法的检验标准，目
前已得到大多数研究者的认可【 伽，但在地形复杂、
下垫面情况不够理想的森林中的准确应用仍存在
一 些疑问[4J。能量闭合情况，与BREB法计算结果比
较以及数据本身的变化趋势均表明鼎湖山EC法通
量观测系统测得的LE和 Hs数据是可靠的，如实反
映了南亚热带针阔混交林的相关能量通量。能量不
平衡的原因，除了LE和Hs测定过程中受能量谱和
频率的影响所产生的系统误差，晚间大气稳定，湍
流较弱降低测定的精确性以及忽略了光合耗热等
问题外[】8-2Ol，结合鼎湖山针阔混交林的实际情况，可
能主要是由于忽略了系统贮热的变化。
就平均日变化过程而言，林冠上层 LE均为正
值，其平均值较Hs大，说明即使在旱季，南亚热带
针阔混交林冠上层蒸腾作用也十分强烈，并未明显
受到水分胁迫的影响。与林冠上层相比，下层显热
通量呈现萌动时间迟、结束时间早的特点，这与南
亚热带针阔混交林较为郁闭，太阳辐射难以穿透以
及系统相对封闭有关。
即使将土壤热通量板放置于距土壤表层 5 cm
深度处，其上层土壤的热储量仍不能忽略，甚至占
总土壤热通量的相当比例。由于林地地形复杂、土
壤异质性大和植被覆盖均一l生差等原因，在测定林
地土壤热通量时，应综合考虑包括坡向、坡位在内
的多种因素，设置若干有代表性的点埋设热通量
板，尤其是在对时空尺度有较严格要求的时候。
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