基于地表能量平衡模型的海南橡膠林蒸散發(fā)研究

摘" 要：蒸散發(fā)作為能量平衡和水文循環(huán)的重要組成部分，不僅在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和水資源管理中發(fā)揮重要支撐作用，更是衡量農(nóng)業(yè)用水效率的關(guān)鍵指標。獲取高時空分辨率的數(shù)據(jù)可以揭示蒸散發(fā)的動態(tài)變化規(guī)律，對分析生態(tài)及水文過程具有重要意義。以海南省儋州市橡膠林為研究區(qū)域，本研究基于通量塔觀測氣象數(shù)據(jù)日值及對應(yīng)時期的Landsat 8遙感影像10景，通過地表能量平衡模型方法（surface energy balance system， SEBS）對2022年橡膠林日蒸散發(fā)進行反演，并利用渦度相關(guān)法對反演結(jié)果進行精度驗證。結(jié)果表明：橡膠林日蒸散發(fā)的SEBS模擬值與渦度相關(guān)實測值具有較好的相關(guān)性（R2=0.88， RMSE=0.55， RE=18.95%）。研究區(qū)日均蒸散量干濕季差異明顯，表現(xiàn)為濕季顯著高于干季，其中7月31日的日均蒸散發(fā)最大為4.40 mm，1月28日和3月9日的日均蒸散發(fā)值最小，均為1.38 mm。由于Landsat 8遙感影像反演的蒸散發(fā)受植被覆蓋程度及空間異質(zhì)性等的影響，距通量塔不同距離范圍的橡膠林蒸散發(fā)具有不同的反演精度結(jié)果，總體表現(xiàn)為SEBS模型對距通量塔1.5 km區(qū)域面積的橡膠林蒸散發(fā)反演精度最高（RMSE=0.53， RE=18.08%），對距通量塔1.0 km區(qū)域面積的橡膠林蒸散發(fā)反演精度最低（RMSE=0.65， RE=22.26%）?？傮w而言，本研究揭示了人工橡膠林蒸散發(fā)變化規(guī)律，研究結(jié)果為蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集時空分辨率的提高提供參考，有助于橡膠林水資源合理規(guī)劃與調(diào)控政策的制定。

關(guān)鍵詞：蒸散發(fā)；橡膠林；SEBS；渦度相關(guān)；Landsat 8中圖分類號：S794.1" " " 文獻標志碼：A

Evapotranspiration from Rubber Plantations in Hainan Based on the SEBS Model

CHENG Qiwen1，2， WANG Jingjing1*， WU Bingsun2， WU Zhixiang2， YE Huichun3，4， YANG Chuan2， WANG Zixuan1，2， CAI Fengzheng1，2， YANG Jun5

1. School of Tropical Agriculture and Forestry， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China; 2. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China; 3. Key Laboratory of Earth Observation of Hainan Province， Hainan Aerospace Information Research Institute， Sanya， Hainan 572029， China; 4. Key Laboratory of Digital Earth Science， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China; 5. Tropical Horticulture Research Institute， Hainan Academy of Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571100， China

Abstract： Evapotranspiration as a key component of the energy balance and hydrological cycle， not only plays an important supporting role in ecosystem stability and water resource management， but is also a crucial indicator for evaluating agricultural water use efficiency. Obtaining high spatiotemporal resolution data can reveal the dynamics of evapotranspiration， which is of great significance for analyzing ecological and hydrological processes. The region studied is rubber plantations in Danzhou city， Hainan province. Based on daily meteorological data from flux tower observations and ten corresponding scenes of Landsat 8 satellite imagery for the same period， the daily evapotranspiration of the rubber plantations in 2022 was estimated using the surface energy balance system （SEBS） model， and the results were validated for accuracy using the eddy covariance method. The results showed that the SEBS estimated daily evapotranspiration values from rubber plantations had a good correlation with the eddy covariance measured values （R2=0.88， RMSE=0.55， RE=18.95%）. The daily evapotranspiration exhibited significant seasonal variation， showing that the wet season was significantly higher than the dry season. The maximum daily evapotranspiration occurred on July 31， reaching 4.40 mm， while the minimum daily evapotranspiration occured on January 28 and March 9， both at 1.38 mm. The accuracy of evapotranspiration derived from Landsat 8 imagery was influenced by factors such as vegetation cover and spatial heterogeneity. Therefore， the accuracy of the evapotranspiration varied with distance from the flux tower. Overall， the SEBS model showed the highest accuracy for rubber plantations within 1.5 km of the flux tower （RMSE=0.53， RE=18.08%）， while it had the lowest accuracy for areas situated 1.0 km from the tower （RMSE=0.65， RE=22.26%）. In conclusion， this study would provide a reference for improving the spatiotemporal resolution of evapotranspiration datasets， reveal the seasonal variability and spatial patterns of evapotranspiration in rubber plantations， and contribute to the development of effective water resource management and regulation policies in rubber plantation ecosystems.

Keywords： evapotranspiration; rubber plantations; SEBS; eddy covariance; Landsat 8

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2025.07.024

天然橡膠是重要的戰(zhàn)略資源和工業(yè)原料，橡膠樹（Hevea brasiliensis）所分泌的膠乳是天然橡膠的主要來源，在國防、交通、醫(yī)療等方面得到廣泛應(yīng)用[1]。橡膠樹主要栽種于海南、云南和廣東等地。近年來，全球升溫現(xiàn)象日益明顯，人類可利用的水資源儲蓄量逐漸減少，而有效的水分供給是確保橡膠樹健康生長及實現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)膠的關(guān)鍵因素。海南干濕季分明，研究表明，區(qū)域范圍內(nèi)的極端溫度和降水可能導(dǎo)致天然橡膠生產(chǎn)力嚴重下降[2]，水資源短缺已經(jīng)嚴重威脅到橡膠種植園的生態(tài)價值與經(jīng)濟價值，因此探究人工橡膠林的水量平衡以及生態(tài)水文效應(yīng)具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

蒸散發(fā)反映了大氣、土壤和植被變化條件下水和能量之間的相互作用，是區(qū)域水量和能量平衡的關(guān)鍵構(gòu)成，蒸散發(fā)不僅在能量循環(huán)和水文環(huán)境中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，更是連接生態(tài)與水文過程的必要橋梁，同時是評價農(nóng)業(yè)水資源利用效率的關(guān)鍵指標[3]。近年來，天然橡膠供不應(yīng)求，其價格持續(xù)增長，人工橡膠林面積在熱帶地區(qū)不斷快速增加[4]。然而，橡膠種植園是以犧牲熱帶雨林為代價，從熱帶雨林轉(zhuǎn)向單一橡膠種植的土壤利用模式，對當?shù)厮科胶夂退难h(huán)產(chǎn)生了一定的負面影響。研究表明，天然橡膠作為一種商業(yè)樹種，其年蒸散量比熱帶雨林高28%～30%[5]。相對于森林樹種，橡膠林的耗水量更大，這是由于橡膠樹的木質(zhì)導(dǎo)管較大，根系較長，因此可以在更大范圍的土壤中吸收水分[6]。GUARDIOLA- CLARAMONTE等[7]研究表明，與傳統(tǒng)植被覆蓋相比，橡膠樹占主導(dǎo)地位的區(qū)域通過蒸散發(fā)損失的水分更多。此外，作為我國熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，人工橡膠林對植膠區(qū)的水循環(huán)具有一定的調(diào)節(jié)功能，然而該調(diào)節(jié)功能是否對種植區(qū)的水文過程產(chǎn)生不利影響，造成水資源減少、土壤水分流失等負面水文效應(yīng)，仍存在爭議。如秦鐘等[8]研究揭示了海南橡膠林蒸散損失的水分占降雨量的70.40%。張曉娟等[9]利用渦度相關(guān)法研究發(fā)現(xiàn)，橡膠林年蒸散量占降雨總量的56.67%。劉珉等[10]也研究發(fā)現(xiàn)海南儋州橡膠林年蒸散量約占降雨量的52.65%。以上研究結(jié)果均表明橡膠種植區(qū)內(nèi)的自然降雨量足以維持橡膠的正常生長發(fā)育。然而也有部分學者持不同觀點。如TAN等[11]研究發(fā)現(xiàn)相較于其他森林植被，橡膠林蒸散量顯著增高，這可能對當?shù)厮沫h(huán)境造成不利影響。GIAMBELLUCA等[12]也研究表明橡膠林年蒸散量遠高于其他森林。LING等[13]利用Hydrus-1D模型對橡膠園的蒸散發(fā)進行估測模擬研究，結(jié)果表明，在干旱季節(jié)橡膠林會過度吸收利用種植區(qū)的土壤水分，導(dǎo)致水資源出現(xiàn)緊缺現(xiàn)象。LING等[14]研究表明，橡膠林蒸散發(fā)約為旱季降水量的114%～140%。以上不同研究結(jié)果表明，關(guān)于橡膠林水分需求及其對環(huán)境的影響仍需進一步探討。因此，進一步明確橡膠林蒸散發(fā)的季節(jié)變化特征，探究橡膠林種植對水資源影響的區(qū)域性特點及變化規(guī)律，對優(yōu)化橡膠林的管理策略，確保水資源的有效利用及提升產(chǎn)膠量具有重要的指導(dǎo)作用。

當前關(guān)于蒸散發(fā)的研究主要集中于農(nóng)田[15]、作物[16]及果蔬[17]等方面，且估算方法主要依靠基于小區(qū)域與點尺度的傳統(tǒng)蒸散發(fā)測量方法，例如蒸滲儀法、渦度相關(guān)法和波文比能量平衡法等。其中渦度相關(guān)法是測算地表與大氣之間氣體交換通量的技術(shù)，通過利用某物理量和風速脈動的協(xié)方差來估算湍流通量[18]，該方法是目前唯一不需要任何假設(shè)就能實現(xiàn)連續(xù)觀測碳水通量的方法，同時在測定過程中能保持生態(tài)系統(tǒng)的完整性，避免破壞植被及自然環(huán)境[19]。由于該方法可以對地表的蒸散發(fā)量進行長時間高精度非擾動性地非移動監(jiān)測，并具有高頻率的測量和測量周期較短的優(yōu)點，利用渦度相關(guān)法測量蒸散發(fā)是已經(jīng)被眾多學者公認的實用方法，無論是在研究地表–大氣水循環(huán)過程方面，還是在研究人類活動對蒸散發(fā)的影響方面，該方法的精確性和可靠性使其成為不可或缺的研究工具。然而，以上觀測手段具有一定局限性和地域的非均勻性，難以實現(xiàn)大面積蒸散發(fā)連續(xù)觀測。遙感技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題帶來了可能，衛(wèi)星遙感可以提供更為精細的蒸散發(fā)變化表征參數(shù)，這些參數(shù)能夠與地面觀測的氣象、水文及田間觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而實現(xiàn)區(qū)域大面積的蒸散估算，具有快速、宏觀、動態(tài)和空間連續(xù)觀測等優(yōu)點[20]，為遙感在橡膠林蒸散估算中奠定良好基礎(chǔ)?；诖?，出現(xiàn)了很多用于估算蒸散發(fā)的空間遙感模型，如地表能量平衡模型（surface energy balance system， SEBS）、陸面能量平衡算法、地表能量平衡系統(tǒng)等。其中，SEBS模型是地表能量平衡方法中單層模型的一種，該模型充分考慮干、濕2種極端狀況，減少了復(fù)雜近地表大氣所帶來的不確定性，有效提高了蒸散量遙感估算精度[21]，在國內(nèi)外多項蒸散發(fā)估測反演中得到廣泛應(yīng)用。例如，竇祥洲等[22]利用SEBS模型結(jié)合中分辨率成像輻射光譜儀遙感數(shù)據(jù)以及實測氣象數(shù)據(jù)對農(nóng)田及作物蒸散發(fā)進行遙感反演估算，結(jié)果表明遙感反演得到的玉米日蒸散發(fā)量與彭曼公式計算值的相關(guān)性最高，其決定系數(shù)為0.72。董祥旺等[23]利用SEBS模型結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)反演研究區(qū)的蒸散量，結(jié)果表明模型蒸散量反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的相對誤差小于15%，具有較高的準確性。WANG等[24]基于遙感影像和氣象數(shù)據(jù)，利用SEBS模型進行蒸散發(fā)反演，結(jié)果表明SEBS模型在涇河流域具有良好的適用性，其決定系數(shù)在0.57～0.77之間。XIAO等[25]采用SEBS模型結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)估算塔里木流域蒸散發(fā)量，結(jié)果表明，陸地和水面模擬蒸散發(fā)與實測值均具有較好的相關(guān)性，其均方根誤差分別為0.92和1.63。

海南島干濕季分明，橡膠樹作為經(jīng)濟作物在海南大面積種植，橡膠產(chǎn)量與膠園水量平衡密切相關(guān)。然而當前對橡膠林蒸散發(fā)研究不夠深入，且研究方法大多基于小區(qū)域與點尺度，未考慮到區(qū)域大面積估算。因此，本研究選擇海南省儋州市為研究區(qū)域，以橡膠林為研究對象，結(jié)合Landsat 8衛(wèi)星遙感影像和氣象數(shù)據(jù)，采用SEBS模型估算橡膠林的地表日蒸散量，并且利用精度較高的渦度相關(guān)法計算橡膠林日蒸散發(fā)實測值用于模型精度驗證，以評估SEBS模型在橡膠林中的適用性，分析橡膠林蒸散發(fā)的時空變化規(guī)律，為提高橡膠林水分利用效率，優(yōu)化水資源管理提供理論依據(jù)，從而增強橡膠林的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

研究地點位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗農(nóng)場三隊（19°32′47″N， 109°28′30″E）。研究區(qū)為典型熱帶季風氣候，年平均氣溫為23.5～ 24.1 ℃，年日照時數(shù)為2100 h，年均風速為2.0～ 2.5 m/s，平均海拔高度為144 m，相對高差在10 m內(nèi)。該地區(qū)位于海南的橡膠種植適宜地帶，橡膠種植規(guī)模較大，膠園管理模式規(guī)范，具有一定的代表性。

1.2" 數(shù)據(jù)來源

1.2.1" Landsat 8數(shù)據(jù)" Landsat 8是美國國家航空航天局與美國地質(zhì)調(diào)查局共同發(fā)射的一顆遙感衛(wèi)星，搭載陸地成像儀和熱紅外傳感器，衛(wèi)星重返周期為16 d，高度為705 km，其波段信息如表1所示。選取的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（https：//earthexplorer.usgs.gov/），條帶號和行編號分別為124、047，分別下載覆蓋研究區(qū)域的2022年共10個時期的Landsat 8影像數(shù)據(jù)（2月和8月由于云遮檔無法使用）。使用ArcGIS 10.1與ENVI 5.3軟件對Landsat 8遙感影像進行剪裁、輻射定標和大氣校正等預(yù)處理。

1.2.2" 研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)" 從地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）下載覆蓋本研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，其投影為UTM/WGS84，空間分辨率為30 m，垂直精度為20 m，水平精度為30 m，用研究區(qū)邊界的矢量數(shù)據(jù)裁剪原始數(shù)據(jù)，獲得研究區(qū)數(shù)字高程模型（圖1）。

1.2.3" 氣象數(shù)據(jù)" 氣象數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州熱帶農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點野外科學觀測試驗站安裝的森林梯度通量塔觀測系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)，觀測鐵塔高約50 m，觀測頻率為30 min，主要觀測內(nèi)容包括氣象數(shù)據(jù)，如日尺度溫度、濕度、風速、降雨量、凈輻射量等，以及通量數(shù)據(jù)，如潛熱通量、顯熱通量、蒸散發(fā)等，其中氣象數(shù)據(jù)部分作為SEBS模型的氣象輸入?yún)?shù)，渦度系統(tǒng)觀測到的通量數(shù)據(jù)作為模型蒸散發(fā)的驗證數(shù)據(jù)。

1.2.4" 技術(shù)路線" 通過結(jié)合Landsat 8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和通量塔所觀測的氣象數(shù)據(jù)，運用SEBS模型反演得到橡膠林蒸散發(fā)，并利用渦度相關(guān)法對模型結(jié)果進行驗證，探究SEBS模型在橡膠林蒸散發(fā)反演中的適用性，并揭示橡膠林不同季節(jié)蒸散發(fā)的時空變化特征。本研究的技術(shù)路線如圖2所示。

1.3" SEBS模型原理及通量計算

SEBS模型是單層地表能量平衡系統(tǒng)模型，該模型結(jié)合了由衛(wèi)星遙感技術(shù)提取的地表信息以及地面觀測氣象數(shù)據(jù)，以此來估算地表通量，進而推算出區(qū)域的實際蒸散發(fā)量。其模型方程和基本通量的表達式如下，具體參數(shù)的計算方法參考文獻[26]。

1.3.1" SEBS模型方程" ，式中，Rn為地表凈輻射通量（W/m2）；G0為土壤熱通量（W/m2）；H為顯熱通量（W/m2）；λ為水的汽化潛熱系數(shù)，通常取2.49×106 J/kg；E為蒸散率[kg/（m2·s）]；λE為潛熱通量（W/m2）。

1.3.2" 凈輻射通量" 凈輻射通量為地面吸收與射出輻射的差值，其計算公式如下： ，式中，α為地表反照率；Rswd為太陽下行短波輻射（W/m2）；εa為大氣比輻射率；εs為地表比輻射率，σ為斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan- Boltzmann）常數(shù)，取值為5.67×10–8 W/（m2·K4）；Ta為大氣溫度（K）；T0為地表溫度（K）。

1.3.3" 土壤熱通量" 土壤熱通量指地表能量在交換傳輸?shù)倪^程中，單位面積土壤在單位時間內(nèi)的熱交換量，是由于傳輸導(dǎo)致的儲存植被和土壤中的熱量的比率，取決于地表特征和土壤含水量等，其計算公式如下：，式中，?c為植被覆蓋度，在全植被覆蓋下，?c=1，土壤熱通量與凈輻射通量的比值Γc=0.05；在裸地情況下，?c=0，土壤熱通量與凈輻射通量的比值Γs=0.315。

1.3.4" 顯熱通量" 顯熱通量是指單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量傳遞，且這種熱量傳遞導(dǎo)致溫度的變化，使大氣與下墊面間發(fā)生湍流形式的熱交換，在輻射交換過程中散失到空氣中的能量稱為顯熱通量，其計算公式如下：，式中，ρ為空氣密度，取值為1.293 kg/m3；Cp為空氣定壓比熱，取值為1005 J/（kg·K）；θ0和θa分別為地表和參考高度的虛溫（K）；γa為空氣動力學阻抗（s/m）。

1.3.5" 潛熱通量" 潛熱通量（λE）指單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量交換，這部分熱量并不導(dǎo)致物體溫度的變化，而是用于引起水的相變，地表和植被以及大氣之間因為水的相變而交換的熱量被稱為潛熱通量?；诒砻婺芰科胶夥匠炭傻茫?。

1.3.6" 日蒸散量的擴展" 利用SEBS模型可以估算衛(wèi)星過境瞬間的蒸散發(fā)量，然而在實際應(yīng)用中，將通過遙感反演得到的瞬時蒸散擴展到長時間尺度的蒸散量更具有實際意義和研究價值。因此，本研究采用蒸發(fā)比不變法獲得日蒸散量，即假設(shè)在一天內(nèi)蒸發(fā)比保持不變，此時衛(wèi)星過境瞬間的蒸散比等同于日均蒸發(fā)比。因此日蒸散量的計算公式如下：

式中，Λ為蒸發(fā)比；ET24為日實際蒸散發(fā)量（mm）；Rn24為日凈輻射通量（W/m2）；G024為日土壤熱通量（W/m2），ρw為水的密度，取值為1000 kg/m3。

2" 結(jié)果與分析

2.1" SEBS模型的日蒸散發(fā)精度驗證

為評價SEBS模型在橡膠林中的適用性，本研究采用研究區(qū)橡膠林內(nèi)安裝的渦度相關(guān)系統(tǒng)監(jiān)測所得2022年1月至2022年12月的蒸散發(fā)實測數(shù)據(jù)進行日尺度驗證，驗證結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，SEBS模型模擬蒸散發(fā)與渦度相關(guān)實測蒸散發(fā)在年內(nèi)的季節(jié)性變化趨勢基本保持一致，且模型反演出的日均蒸散發(fā)均低于實測蒸散發(fā)?？傮w而言，SEBS模型對橡膠林蒸散發(fā)具有較高的預(yù)測精度，其平均均方根誤差（RMSE）為0.43，平均相對誤差（RE）為14.78%。其中對9月1日的蒸散發(fā)估算精度最高（RMSE=0.09， RE= 2.65%），對1月28日、3月9日、4月10日、5月28日和7月31日的蒸散發(fā)同樣具有較好的預(yù)測精度（RMSE≤0.39， RE≤12.27%），對11月28日的蒸散發(fā)估算精度最低（RMSE=1.05， RE= 35.38%）。如圖3所示，SEBS模型模擬的蒸散發(fā)與渦度相關(guān)實測蒸散發(fā)具有較好的相關(guān)性（R2= 0.88， RMSE=0.55， RE=18.95%），模擬值與實測值的擬合直線接近1∶1線，研究結(jié)果表明SEBS模型在橡膠蒸散發(fā)反演中具有較好的適用性。

2.2" 日蒸散發(fā)時間變化趨勢

橡膠林10個不同時期的SEBS模型反演的日蒸散發(fā)統(tǒng)計值如圖4所示，在年內(nèi)存在明顯的時間差異性，總體表現(xiàn)為先增后降的趨勢。其中7月31日的日均蒸散發(fā)最大，為4.40 mm；1月28日和3月9日的日均蒸散發(fā)最小，均為1.38 mm；此外，3月9日、4月10日、6月29日和10月11日的日最小蒸散發(fā)值最低，均為0 mm；9月1日的日最大蒸散發(fā)值最高，為11.67 mm。海南島干濕季分明，橡膠林日均蒸散發(fā)同樣存在明顯的干濕季差異特征。其中日均蒸散發(fā)較高值主要集中于5—10月的濕季，該時期處于研究區(qū)的主要降水期，且為橡膠林的主要生長發(fā)育期，該時期7月31日的日均蒸散發(fā)最大，10月11日的日均蒸散發(fā)最小，僅為1.88 mm。而1—4月和11—12月為干季，該時期橡膠林日均蒸散發(fā)普遍較低，該時期4月10日的日均蒸散發(fā)最大，為2.01 mm，1月28和3月9日的日均蒸散發(fā)最小，均為1.38 mm。

2.3" 日蒸散發(fā)空間區(qū)域精度驗證

所選研究區(qū)域為距離通量塔3.0 km區(qū)域面積，即覆蓋海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗農(nóng)場三隊所有橡膠林的區(qū)域面積，然而受當?shù)胤N植模式、環(huán)境條件及人類活動等因素的影響，橡膠林并未完全覆蓋，這對模型反演橡膠林蒸散發(fā)精度造成一定影響。因此，通過區(qū)域調(diào)查，再選取距離通量塔1.5 km橡膠林完全覆蓋的區(qū)域面積以及距離通量塔1.0 km通量塔理論覆蓋面積分別進行日蒸散發(fā)精度驗證，驗證結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，除7月31日的SEBS模型反演距離通量塔1.0 km的區(qū)域蒸散發(fā)精度（RMSE=0.25， RE=5.20%）高于距離通量塔1.5 km的區(qū)域蒸散發(fā)精度（RMSE=0.40， RE=8.32%），其余9期的SEBS模型反演距離通量塔1.5 km的區(qū)域蒸散發(fā)精度均高于距離通量塔1.0 km的區(qū)域蒸散發(fā)精度。在距離通量塔1.0 km區(qū)域內(nèi)，SEBS模型對3月9日的日均蒸散發(fā)反演精度最高（RMSE=0.05， RE=3.33%），5月28日次之（RMSE=0.06， RE=1.56%）；對6月29日的日均蒸散發(fā)反演精度最低（RMSE=1.25， RE=33.61%）。在距離通量塔1.5 km區(qū)域內(nèi)，SEBS模型對5月28日的蒸散發(fā)反演精度最高（RMSE=0.01， RE=0.32%），3月9日次之（RMSE=0.04， RE=2.49%）；對11月28日的日均蒸散發(fā)反演精度最低（RMSE=1.00， RE=33.74%）。總體而言，SEBS模型對距離通量塔1.5 km區(qū)域內(nèi)橡膠林的蒸散發(fā)反演精度較高。

3" 討論

3.1" SEBS模型在橡膠林蒸散發(fā)反演中的適用性評價

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用遙感影像分析地表信息，并與物理模型相結(jié)合估算區(qū)域蒸散發(fā)已成為研究熱點。如ISLAM等[27]利用Landsat 8和Sentinel 2衛(wèi)星影像，結(jié)合SEBAL模型確定了小麥的實際蒸散量。BABOLI等[28]通過采用GEE（Google Earth Engine）的SEBAL算法結(jié)合Landsat 8衛(wèi)星影像反演了小麥的蒸散發(fā)，其結(jié)果與溶出儀數(shù)據(jù)相比具有較高的一致性（R2= 0.94， RMSE=0.98）。王冉冉等[29]基于Landsat遙感影像與SEBS模型分析了綠洲地區(qū)2010—2022年蒸散發(fā)的時空變化，并分別用蒸發(fā)皿和彭曼模型實測數(shù)據(jù)進行了精度驗證，結(jié)果表明，蒸散發(fā)的SEBS模擬值與蒸發(fā)皿觀測值和彭曼公式觀測值的相關(guān)系數(shù)分別達到0.93和0.90，均方根誤差分別為0.96和0.64，具有較高的可靠性。以上研究均表明模型結(jié)合遙感信息估算蒸散發(fā)具有較高的反演精度。因此本研究利用研究區(qū)內(nèi)Landsat 8遙感影像、DEM數(shù)據(jù)、通量塔監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)等，結(jié)合SEBS模型反演2022年海南省儋州市橡膠林蒸散發(fā)，并通過渦度相關(guān)法進行驗證，結(jié)果表明，SEBS模型反演蒸散發(fā)具有較高的可靠性（R2= 0.88， RMSE=0.55），與前人研究結(jié)果[30]一致。然而，前人研究中大多利用MODIS數(shù)據(jù)和Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算農(nóng)田作物的蒸散發(fā)，例如ZORAT-IPOUR等[31]利用SEBS和SEBAL模型準確估算了小麥的日蒸散量，與彭曼公式相比SEBS模型和SEBAL模型的R2分別達到0.87和0.79。蔣博武等[32]研究表明，利用Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用SEBS模型可以準確估算冬小麥不同生育期的日蒸散量。張文發(fā)[33]基于Landsat 8遙感影像結(jié)合SEBS模型反演了研究區(qū)域不同農(nóng)作物的蒸散發(fā)，研究結(jié)果同樣表明基于遙感數(shù)據(jù)和SEBS模型能夠準確反演不同農(nóng)作物的空間尺度的日蒸散發(fā)量。然而將該方法應(yīng)用于冠層高大的林木中的研究仍較少。在本研究中，將該方法嘗試應(yīng)用于橡膠林中，研究結(jié)果表明，利用Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合SEBS模型對冠層高大的橡膠林蒸散發(fā)同樣具有較好的估測精度（RMSE≤1.05， RE≤35.38%）。這可能是由于SEBS模型包含一個新的參數(shù)剩余阻抗（KB–1），該參數(shù)考慮了冠層結(jié)構(gòu)、氣候適應(yīng)性和土地覆蓋變化的影響[34]，能夠更準確地確定熱量粗糙長度。此外，SEBS模型有效區(qū)分了大氣邊界層和大氣近地面層，可以根據(jù)不同尺度選擇總體相似理論或者莫寧-奧布霍夫相似性理論對大氣的穩(wěn)定度進行修正，提升了模型在不同區(qū)域尺度的適用性[26]。然而，對10—12月海南儋州橡膠林蒸散發(fā)的反演，SEBS模型模擬蒸散發(fā)與實測蒸散發(fā)的精度存在一定誤差（RMSE≥0.74， RE≥20.77）。這可能是由于SEBS模型作為典型的單層能量平衡模型，其適用于量化均一下墊面對地表通量的影響，然而在實際研究中，下墊面并非均勻單一，這會對蒸散發(fā)的估測造成影響，從而存在一定程度的誤差[35]。此外，SEBS模型在蒸散發(fā)反演中的精確度還受限于輸入氣象數(shù)據(jù)及地表參數(shù)的準確性。同時，研究區(qū)內(nèi)通量塔觀測提供的蒸散發(fā)實測數(shù)據(jù)存在一定限制，導(dǎo)致模型反演結(jié)果精度驗證的不確定性。以上原因均會導(dǎo)致模型反演蒸散發(fā)的精度降低。此外，SEBS模型對10—12月橡膠林蒸散發(fā)量還存在一定程度的低估，這可能由于在長時間序列分析中，所選取的研究區(qū)內(nèi)遙感影像會被少量云層覆蓋，導(dǎo)致凈輻射的下降速度變快，因此模型反演的蒸散發(fā)結(jié)果較小[36]。

3.2" 橡膠林蒸散發(fā)時間變化特征

蒸散發(fā)是植被及表層土壤向大氣輸送的水汽總通量，在地表水分循環(huán)和能量平衡中具有重要作用，為區(qū)域水資源的合理利用提供了重要參考。研究區(qū)內(nèi)干濕季分明，降水分布不均，雨季為5—10月，旱季為11—4月[37]。利用SEBS模型對橡膠林蒸散發(fā)的反演結(jié)果表明，雨季日均蒸散量顯著高于旱季日均蒸散量。在橡膠樹生長發(fā)育過程中，水分是制約橡膠樹在旱季正常生長的主要因素之一[38]，雨季蒸散量顯著高于旱季蒸散量的原因可能是由于5—10月處于研究區(qū)的主要降水期[39]，同時該時期也是橡膠樹生長發(fā)育的旺盛時期。海南島全年溫度較高，植物生長速度快，地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用較強[40]，在雨季時，降雨可以補充土壤中被蒸散的土壤水分。綜上，雨季橡膠林的蒸散發(fā)較高，而在旱季，降雨量較少，降雨無法及時補充土壤中被蒸散的土壤水分，橡膠林生長需要從土壤獲取水分，使土壤含水量持續(xù)下降[41]，而蒸騰作用劇烈，當土壤含水量接近土壤殘余含水量時，這可能造成土壤實際蒸散量小于土壤潛在蒸散量。此外，該時期研究區(qū)橡膠林植被開始枯萎，發(fā)生大面積落葉，蒸騰作用減弱[42]，研究區(qū)空氣溫度同時降低，整個區(qū)域日照時數(shù)變短，地表接受凈輻射通量較少，因此研究區(qū)蒸散發(fā)也相應(yīng)降低[43]。綜合以上因素，旱季橡膠林日均蒸散發(fā)呈現(xiàn)低值。

3.3" 橡膠林蒸散發(fā)反演空間精度探究

渦度相關(guān)法可以進行高精度測量大時間尺度的觀測，在各類研究中已得到廣泛應(yīng)用。然而當前渦度相關(guān)法主要應(yīng)用于農(nóng)田、作物等區(qū)域，針對林木的蒸散發(fā)研究較為缺乏。此外，在當前利用渦度相關(guān)法測量蒸散發(fā)的研究中，針對源區(qū)的評估與研究尚顯不足。盡管渦度相關(guān)法能夠大致確定源區(qū)的位置，但對精確描繪通量源區(qū)的范圍及識別通量貢獻峰值點的具體位置仍面臨挑戰(zhàn)。本研究區(qū)域受當?shù)胤N植模式、環(huán)境條件及人類活動等因素的影響，橡膠林生長分布不均。因此，本研究采用SEBS模型反演距離通量塔半徑1.0、1.5、3.0 km研究區(qū)域的蒸散發(fā)，并分別與渦度相關(guān)法計算得到的蒸散發(fā)進行精度對比。結(jié)果表明，距離通量塔1.5 km研究區(qū)域的蒸散發(fā)與渦度相關(guān)實測蒸散發(fā)的一致性最好，距離通量塔3.0 km研究區(qū)域的蒸散發(fā)與渦度相關(guān)實測蒸散發(fā)的一致性適中，距離通量塔1.0 km研究區(qū)域的蒸散發(fā)與渦度相關(guān)實測蒸散發(fā)的一致性最差，這可能與研究區(qū)域存在空間異質(zhì)性有關(guān)[44]。首先，橡膠林地表的空間異質(zhì)性對地表水熱通量產(chǎn)生影響[45]，從而造成不同區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)橡膠林蒸散發(fā)的反演精度不同；其次，橡膠林內(nèi)部存在空間異質(zhì)性，如樹木密度、生長年齡、冠層結(jié)構(gòu)、土壤特性和水分條件等，這種異質(zhì)性在不同的空間范圍內(nèi)對通量塔測量的影響程度不同。在1.5 km區(qū)域面積內(nèi)，通量塔能涵蓋的橡膠林區(qū)域相對均勻，空間異質(zhì)性相對較低，能夠較好地反映橡膠林的主要生態(tài)特征與氣象條件，模型能夠更好地擬合實際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，因此反演精度最高。在3.0 km區(qū)域面積內(nèi)，隨著半徑增大，覆蓋區(qū)域內(nèi)的異質(zhì)性增加，環(huán)境和氣象條件的變化較大，可能包括不同的土壤類型、植被種類和水分條件，導(dǎo)致蒸散發(fā)的測量結(jié)果受到更大的干擾，進而導(dǎo)致反演精度降低。而在通常情況下，離通量塔越近的區(qū)域，模型精度應(yīng)該越高，但在本研究中，SEBS模型對距離通量塔1.0 km區(qū)域內(nèi)橡膠林的蒸散發(fā)反演精度最低。結(jié)合通量塔特征和遙感影像分辨率，造成該現(xiàn)象的原因可能是距離通量塔1.0 km的區(qū)域受到通量塔附近微環(huán)境的影響較大。例如地形、土壤濕度、植被覆蓋等可能具有較高的空間異質(zhì)性，這些局部因素可能導(dǎo)致蒸散發(fā)的空間分布與通量塔觀測的氣象數(shù)據(jù)不完全匹配，使得模型難以準確捕捉蒸散發(fā)的空間分布規(guī)律。此外，SEBS模型依賴于遙感數(shù)據(jù)，其分辨率可能對結(jié)果產(chǎn)生影響，在1.0 km范圍內(nèi)，像元可能包含多種地表類型，如橡膠林、裸土等，導(dǎo)致像元內(nèi)異質(zhì)性較高，從而造成模型精度降低。

本研究利用Landsat 8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合通量塔觀測氣象數(shù)據(jù)，采用SEBS模型對研究區(qū)橡膠林的日蒸散發(fā)進行反演，并利用渦度相關(guān)法對反演結(jié)果進行精度驗證。結(jié)果表明，SEBS模型對橡膠林日蒸散發(fā)具有較好的反演精度（R2= 0.88， RMSE=0.55， RE=18.95%），對2022年9月1日的蒸散發(fā)反演精度最高（RMSE=0.09， RE= 2.65%）。此外，研究區(qū)日均蒸散量干濕季差異明顯，表現(xiàn)為濕季顯著高于干季，其中7月31日的日均蒸散發(fā)最大為4.40 mm，1月28日和3月9日的日均蒸散發(fā)最小均為1.38 mm。由于Landsat 8遙感影像反演的蒸散發(fā)受植被覆蓋程度及空間異質(zhì)性等影響，距離通量塔不同距離范圍的橡膠林蒸散發(fā)具有不同的反演精度結(jié)果，總體表現(xiàn)為SEBS模型對距通量塔1.5 km區(qū)域面積的橡膠林蒸散發(fā)反演精度最高（RMSE=0.53， RE=18.08%），對距通量塔1.0 km區(qū)域面積的橡膠林蒸散發(fā)反演精度最低（RMSE=0.65， RE=22.26%）。綜上，本研究基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，利用SEBS模型實現(xiàn)了對橡膠林蒸散發(fā)的精準估測，在智慧林業(yè)中具有可操作性，對優(yōu)化橡膠林水資源管理及提升產(chǎn)膠量具有重要的指導(dǎo)作用。

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