基于热扩散技术的梭梭树干液流特征研究

利用TDP热扩散式茎流计,结合自动气象站,对古尔班通古特沙漠南缘原生梭梭的树干液流及环境因子进行连续监测,分析了梭梭树干液流对环境要素的响应,建立了生长季梭梭树干液流与环境因子的关系,估算出梭梭群落的日、季耗水量。结果表明:(1)液流速率日变化主要为单峰曲线,夏季偶有出现双峰曲线,不同季节间的液流速率大小差异显著,夏季树干液流启动早,峰值出现早,夜间持续有微弱的液流;(2)梭梭树干瞬时液流速率与风速、净辐射、空气温度、饱和水汽压亏缺值等因素呈显著正相关,与实际水汽压和空气湿度呈极显著负相关,影响梭梭树干瞬时液流速率变化的关键因子是净辐射和饱和水汽压亏缺值是导致树干液流速率瞬时变化的关键因子;(3)梭梭树干日均液流速率与净辐射、空气温度、实际水汽压、土壤含水率和土壤温度等呈极显著正相关,与空气湿度等呈极显著负相关,与风速相关性不显著,影响梭梭日均液流速率变化的关键因子是净辐射、饱和水汽压亏缺和空气温度。     

辽西北沙地樟子松树干液流的变化特征及其影响因素

树干液流是量化植物蒸腾耗水的基本指标。本研究于2015年5—10月采用FLGS-TDP热扩散式树干液流计对辽西北半干旱区的沙地樟子松树干液流进行连续观测,同时结合林内小气候观测系统,探讨樟子松树干液流的动态变化特征及其影响因素。结果表明:树干液流速率和日累积量均为晴天阴天雨天,树干液流速率变化均呈"倒U"型,晴天时出现"光合午休"现象;不同月际间(5—10月),树干液流速率与月累积量为7月6月8月5月9月10月;不同季节间,树干液流启动时间夏季比秋季早1 h左右,且树干液流速率夏季秋季。树干液流受气象因子的影响较大,其中光合有效辐射、空气温度、饱和水汽压差(VPD)和风速与树干液流呈显著正相关,空气相对湿度则相反;土壤温度和含水量对树干液流的影响较为复杂,随时间(月际)、天气状况(阴天、晴天和雨天)和土层深度(5、10、20、40和100 cm)的变化而变化,其中,生长季期间和不同月际间(5—10月)、表层土壤温度(0~10 cm)与树干液流均呈显著正相关,深层土壤(20~100 cm)则相反;生长季前(5月)和生长季末期(10月),树干液流随土壤水分的增多而增加,生长季期间(6—9月)则相反,树干液流随土壤含水量的增加而减弱。     

毛红椿人工林树干液流动态变化对坡位的响应

2012年7-10月,采用液流测定系统监测了位于浙江省开化县的毛红椿人工林上下坡位的树干液流,并同步监测生态环境因子,分析了毛红椿人工林树干液流与土壤含水量、温度和水势等环境因子的关系.结果表明: 研究区上、下坡位树干液流日变化均呈典型的“昼高夜低”单峰曲线;下坡位毛红椿树干液流速率平均值显著高于上坡位;上坡位土壤温度显著高于下坡位,而下坡位土壤含水量和土壤水势显著高于上坡位;下坡位土壤含水量和土壤水势是影响毛红椿树干液流速率的主要因子,而上坡位土壤温度和土壤水势对毛红椿树干液流速率有较大影响.     

休眠前期玉兰树干液流的变化及其对环境因子的响应

2011年9月26日-11月5日,利用热平衡技术连续测算了引种北京4年的红花玉兰[抗寒型(HK)和非抗寒型(HF)]、黄玉兰(HY)和二乔玉兰(EQ)的树干液流,结合同步观测的环境因子数据,分析休眠前玉兰的树干液流和综合环境因子的变化,以及在0.5h尺度和日尺度下液流对各环境因子的响应.结果表明:休眠前,玉兰的树干液流呈明显的逐日下降趋势.影响玉兰树干液流的7个环境因子可分为气象因子(MI)和土壤因子(SI)两类.树干液流与MI具有同步的单峰节律性变化规律,与SI呈同步降低趋势.MI和SI对树干液流的共同影响程度为69.8％ ～73.2％.0.5 h尺度和日尺度下,玉兰树干液流与总辐射(Rs)、空气水汽压亏缺(D)、相对湿度(RH)、气温(Ta)和风速(w)极显著相关;在0.5h尺度下与土壤温度(Ts)和土壤含水量(SWC)的相关性不显著,在日尺度下与Ts、SWC和昼长(Z)极显著相关,相关系数在0.8左右.日尺度下进入各回归模型的环境因子有Rs、Z和D,而0.5h尺度下除SWC和Ts外其余环境因子均进入模型,且日尺度逐步回归决定系数(0.92 ～0.96)大于0.5h尺度(0.77 ～0.87)(除HF外).除HF外,其余玉兰的液流变化规律与各单一环境因子间的相关程度一致,这与HF无法正常越冬而其余玉兰在北京顺利越冬的实际情况相一致.     

黄土高原水蚀风蚀复合区几种树木蒸腾耗水特性

利用PT茎流仪、LI-6400光合测定系统和LI-1400气象工作站对黄土高原水蚀风蚀复合区河北杨、小叶杨和山杏3种树木生长季节树干液流特征、叶片蒸腾速率及其环境因子进行测定.结果表明:典型天气3种树种树干液流昼夜节律明显,夜晚有微弱的稳定的树干液流存在,单双峰规律不明显,3树种树干液流启动和停止时刻基本一致,树干液流速率启动时间为7:00左右,停止时间为20:40左右;3树种平均树干液流速率分别为(3.65±0.40)kg · h-1、(2.22±0.21)kg · h-1、(1.63±0.13)kg · h-1,日单株蒸腾耗水量分别为(49.29±5.42)kg、(30.64±2.92)kg、(22.19±1.73)kg;阴雨天气对树木蒸腾耗水影响较大;树干液流与环境因子日变化规律相吻合,树干液流启动和停止特征时刻滞后于各环境因子对应的特征时刻,但滞后时间长短不一,而峰值特征时刻则早于各环境因子对应的特征时刻;树干液流与光合有效辐射、大气温度、土壤温度及风速呈显著正相关,与大气相对湿度呈显著负相关,环境因子与树干液流速率相关性依次排序为:光合有效辐射＞大气温度＞大气相对湿度＞土壤温度＞风速.     

晋西黄土区苹果树边材液流速率对环境驱动的响应

为明确环境因子对树木蒸腾过程的驱动机制,以晋西黄土残塬沟壑区的苹果树(红富士)为对象,利用热扩散式液流技术监测生长季苹果树树干液流的动态变化,并同步监测了气象和土壤水分等环境要素的季节动态.结果表明: 在众多环境因子中,太阳净辐射(R_n)、大气水分亏缺(VPD)与液流速率(J_s)间的相关性最强.在小时或日尺度,环境因子主成分分析中前3个主成分的累积方差贡献率均在86%以上.其中,第一主成分主要包含VPD、R_n等因子,方差贡献率达52%(小时尺度)和63%(日尺度)以上,可归为蒸发需求因子(EDI),是影响该地区果树树干液流的关键综合环境要素集;第二主成分主要包括土壤含水率(SWC)等因子,归为土壤水热供给因子;第三主成分主要包括风速等因子,归为大气水热散失动力因子.在小时或日尺度上,J_s对两种环境因子综合变量(EDI或潜在蒸发散ET₀)的响应都呈显著的指数增长关系,在小时尺度上,基于EDI模拟苹果J_s的指数模型精度更高(R²=0.72),在日尺度上,基于ET₀模拟苹果J_s的指数模型模拟精度更高(R²=0.88).研究结果对于明确苹果树水分传输对环境驱动的响应规律,根据气象要素估算苹果树蒸腾耗水量,并指导果园水分管理均具有重要意义.     

喀斯特区天峨槭(Acer wangchii)树干液流特征及其与环境因子的相关分析

采用TDP(Thermal Dissipation Probe)热扩散探针法,于2012年2月—2014年3月,对喀斯特地区天峨槭(Acer wangchii)树干液流速率进行了长期连续的监测,并同步监测了林分空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、太阳辐射(Solar)、风速(WS)、降雨量(Rainfall)、土壤含水量(SWC)等环境因子,探讨了不同时间尺度下天峨槭树干液流特征及其与环境因子的关系。结果表明:1)不同天气条件下的树干液流为晴天阴天雨天,且均呈明显的"昼高夜低"变化规律;2)天峨槭树干的日平均液流量为5.08kg/d,不同季节表现为夏季((8.38±5.32)kg/d)秋季((5.16±3.99)kg/d)春季((4.86±3.77)kg/d)冬季((1.94±1.40)kg/d);3)月平均液流量为153.64 kg,年平均液流量达1838.40 kg;4)小时尺度下,影响晴天、阴天、雨天全天树干液流的主要环境因子都是Solar,但各环境因子对树干液流的影响程度又因昼夜、季节及降雨量的不同而存在差异;5)从年度范围来看:小时尺度下,Solar、Ta、RH、SWC_(10cm)和WS可以共同解释树干液流的63.50%;日尺度下,Solar、Ta、SWC_(10cm)和Rainfall可共同解释其68.50%;月尺度下,单个因子Ta就能解释其74.80%;且随着时间尺度的缩小,各环境因子入选回归方程的个数有增加的趋势,而对树干液流的解释程度(R2)则有降低的趋势。对比其他地区研究结果,其环境因子对树干液流的影响差异都很大;但总的来说,无论在何种时间尺度上,Solar(或光合有效辐射(PAR))和Ta基本上都是影响树干液流的主要环境因子,且各环境因子对雨天树干液流的解释程度都不高,本研究亦如此;因此,以环境因子对雨天树干液流进行预测的时候可能会存在误差,应特别注意土壤含水量对其的影响。     

皇甫川流域中国沙棘树干液流日变化及其相关因子

运用热耗散(TDP)法对皇甫川流域中国沙棘(Hippophae rhamnoides L.subsp.sinensis Rousi)的树干液流速率进行测定,用自动气象站同步连续监测太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度、风速、10 cm处土壤温度等环境因子,用LI-6400系列光合仪同步测定每日6:00-18:00的沙棘叶蒸腾速率.结果表明:非降雨时段,沙棘树干液流速率日进程变化呈现明显的昼高夜低的起伏趋势,白天液流速率变化有波动,夜间液流速率变化缓慢;降雨时,在降雨的开始时段,沙棘树干液流速率明显增大,降雨中后期,液流速率明显减小并趋于平缓;以环境因子作自变量,以单位叶干质量的液流量为因变量,经过逐步回归,建立了多元线性模型,回归方程显著.     

不同环境因子对兴安落叶松树干液流的时滞效应复杂性及其综合影响

基于2005年兴安落叶松(1969年造林)树干液流及其环境因子观测数据（30 min频率）,采用错位分析方法对不同季节（春、夏、秋、冬季各20 d）及全年树干液流时滞效应进行主成分分析和时滞矫正分析,探讨其综合影响.结果表明： 不同季节、不同环境因子对兴安落叶松树干液流影响的时滞效应不同,光合有效辐射对树干液流的时滞影响集中在提前0.5～1 h,气温和空气湿度集中在提前或滞后0～2 h,土壤温度和土壤湿度的时滞时间较长或不能判定.当把基于短期数据（20 d）获得的不同环境因子时滞时间用于全年数据的时滞校正时,并没有明显改变各因子与树干液流线性拟合方程的斜率和截距,甚至降低了决定系数,但对逐步回归方程各因子系数的影响明显且一致：时滞校正使空气湿度对树干液流的影响增强,但光合有效辐射、气温和土壤温度对树干液流的影响有所下降.使用主成分分析方法简化多个环境因子共同作用下的时滞效应,对5个环境因子提取第1、第2主成分（>75%信息量）进行错位分析,发现冬季不存在时滞效应,其他季节2个主成分均存在1～1.5 h的时滞时间（提前）.     

侧柏树干边材液流空间变化规律

利用热扩散探针配合自动气象站,于2005年在北京林业大学妙峰山试验林场对侧柏树干边材液流指标空间变化规律进行了研究.结果表明:侧柏树干不同高度边材液流速率随树干高度的升高而增加,而且高层液流峰值的出现时间要比低层早,高层液流曲线尖窄,曲线斜率大,低层液流曲线变化缓慢,曲线斜率小.不同高度的平均液流速率峰值:6.6m处为0.015cm·s-1,4.6m处为0.009cm·s-1,2.6m处为0.006cm·s-1,0.6m处为0.003cm·s-1;无论是液流速率还是连日耗水量,不同直径的单株均表现出沿直径的增加而增加,但液流速率随直径的变化并不是线性的;土壤的含水量限制了树木的耗水能力,日平均液流通量与土壤含水量呈现良好的S型关系,其中与土层20～40cm层关系更为密切;不同气象因子对树干的液流影响方式不同,太阳辐射强度、大气温度和风速与液流指标呈正相关,并且属于第一主分量,对液流的影响较为直接,空气相对湿度和土壤温度与液流指标呈负相关,属于第二主分量,对液流的影响较为缓慢.通过多元线性回归,得出各气象因子和液流相关性均比较高,说明通过气象因子对树干液流进行预测是切实可行的.     

马占相思林冠层气孔导度对环境驱动因子的响应

利用Granier热消散探针在2003年10月测定了广东鹤山丘陵地马占相思林14株样树的树干液流,同时监测林冠上方的光合有效辐射、空气湿度和气温,结合树木的形态和林分的结构特征,计算马占相思的整树蒸腾(E)、林分总蒸腾(E_t)以及冠层平均气孔导度(g_c),分析树形特征与整树水分利用的关系、冠层气孔导度对光合有效辐射(PAR)和空气水汽压亏缺(D)的响应.结果表明,整树蒸腾与胸径(P＜0.0001)、边材面积(P＜0.0001)和冠幅(P=0.0007)以自然对数的形式、与树高(P=0.014)以幂函数的形式呈现显著正相关.冠层气孔导度最大值(g_cmax)随D的上升呈对数函数下降(P＜0.0001),对光合有效辐射的响应则呈双曲线函数增加(P＜0.0001).液流测定系统能提供连续和准确的整树和林分蒸腾速率值,经严格数学推导公式计算,最终可求出冠层气孔导度,是研究森林水分利用与环境因子相互关系的有效方法.     

Granier树干液流测定系统在马占相思的水分利用研究中的应用

介绍了Granier热消散探针在树干液流测定中的工作原理,并利用该系统长期监测广东鹤山马占相思林14株样树的液流密度,分析了树木个体内和个体之间液流密度的差异、整树和林段水分利用的量化特征.由于树木边材结构以及周围微环境的差别,树木内和个体间的液流密度差异非常明显,变异系数的平均值分别为15.51%-37.26%、37.46%-50.73%.尽管液流密度的差异较大,但同一株树木不同方位的液流密度之间却呈现明显的线性相关（p＜0.0001）,这是重要的特征值,使得只需测定某一方位的液流密度经尺度外推计算整树和林段蒸腾成为可能.树木液流对环境因子响应的变化规律取决于所参照的时间尺度,日变化主要受光辐射、水汽压差等气候因子的控制,而土壤水份对液流的季节变化影响较大.形态特征明显影响树木的液流,高大树木由于边材较厚、树干粗壮和冠幅较宽而承载较多的辐射能量,因而水分蒸腾较高.对树木液流密度在径向和方位上进行适当的整合,可较准确地计算整树和林段蒸腾.由液流估测的马占相思整树和林段蒸腾的结果显示,该群落的水分利用在时间和空间上均有明显的分化.     

鼎湖山针阔叶混交林优势种树干液流特征及其与环境因子的关系

运用Granier热扩散式探针法,于2010年干湿季对鼎湖山自然保护区针阔混交林4种优势树种马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的树干液流密度进行连续监测,并同步观测气温、相对湿度和光合有效辐射等环境因子的变化,研究其树干液流特征及其对环境因子的响应.结果表明:在干湿季,4种优势树种的树干液流速率日变化均呈“昼高夜低”的典型单峰曲线,阔叶树锥栗、木荷和广东润楠的平均液流速率和峰值以及日液流量均显著大于针叶树马尾松;马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的最大树干液流密度分别为29.48、38.54、51.67、58.32g H2O·m-2·s-1.优势树种树干液流速率的变化与环境因子的昼夜变化存在时滞;液流速率变化与光合有效辐射、水汽压亏缺和气温等环境因子的变化呈显著正相关,其中湿季以光合有效辐射为主导因子,干季以气温为主导因子.     

北京山区元宝枫夜间液流活动特征及影响因素

树木夜间会维持部分气孔开放,从而能够在一定环境驱动因子的情况下进行夜间蒸腾。夜间液流作为储存水的重要来源,能够补充植物白天的水分亏缺,使其恢复水分储备,对植物生长发育有重要意义。采用TDP热探针法测定了位于八达岭林场的元宝枫树干液流密度,同步监测了主要环境因子,以深入揭示树木夜间蒸腾耗水规律和植被应对环境胁迫的调控机制,为山区植被建设、森林健康经营和挑选节水树种提供理论依据。结果表明:以0:00为界区分前半夜和后半夜,元宝枫夜间液流速率前半夜较后半夜活跃,且前半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的53.85%—64.10%,而后半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的35.9%—46.15%。5月的夜间累积液流量最大,平均夜间液流通量为5月6月8月9月7月。存在水分胁迫的条件下降雨之后夜间液流会增大,而当土壤水分条件较好,土壤水分不再是夜间液流的限制因子时,夜间液流通量并不高。不同树木形态的夜间液流通量有显著差异,在一定范围内,胸径树高冠幅越大的样木,夜间液流通量越大。用于夜间蒸腾的夜间液流通量与饱和水汽压差、温度、空气相对湿度、风速相关,其中夜间蒸腾存在于前半夜,表现为前半夜夜间液流通量与环境因子的相关性相较后半夜相关性较为显著,后半夜则以补水为主,补水量取决于土壤含水量和日蒸腾强度。存在干旱胁迫的条件下,夜间液流既用于夜间蒸腾,又有一部分用来补水;而土壤水分条件好时夜间液流则主要用于补水,此时夜间树干液流与环境因子相关性不高。元宝枫夜间液流通量的日蒸腾贡献率5、6月份大于7、8月份,即干季比湿季贡献率更高。夜间液流通量的日蒸腾贡献率与白天总蒸腾量相关性较高,并与累积太阳辐射成负相关。     

鼎湖山针阔叶混交林优势种树干液流特征及其与环境因子的关系

运用Granier 热扩散式探针法,于2010年干湿季对鼎湖山自然保护区针阔混交林4种优势树种马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的树干液流密度进行连续监测,并同步观测气温、相对湿度和光合有效辐射等环境因子的变化,研究其树干液流特征及其对环境因子的响应.结果表明： 在干湿季,4种优势树种的树干液流速率日变化均呈“昼高夜低”的典型单峰曲线,阔叶树锥栗、木荷和广东润楠的平均液流速率和峰值以及日液流量均显著大于针叶树马尾松;马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的最大树干液流密度分别为29.48、38.54、51.67、58.32 g H₂O·m-2·s-1.优势树种树干液流速率的变化与环境因子的昼夜变化存在时滞;液流速率变化与光合有效辐射、水汽压亏缺和气温等环境因子的变化呈显著正相关,其中湿季以光合有效辐射为主导因子,干季以气温为主导因子.     

北京市5种园林树木蒸腾作用模拟研究

通过对北京市园林5种常用乔木, 国槐(Sophora japonica)、银杏(Ginkgo biloba)、白蜡(Fraxinus chinensis)、杜仲(Eucommia ulmoides)和臭椿( Ailanthus altissima)等植物蒸腾作用与周围环境气象因子(温度、湿度、太阳有效辐射)及植株叶面积指数相关关系的研究, 利用Javis公式计算冠层气孔阻力, 同时采用PM公式计算冠层蒸腾速率和植株日蒸腾量, 并分析不同乔木的冠层气孔导度对环境主要驱动因子的响应规律。结果表明: 5种被观测乔木中, 国槐耗水量最大, 白蜡耗水量最小, 植株蒸腾量大小依次为国槐>银杏>杜仲>臭椿>白蜡(P<0.01)。植物叶片气孔导度及蒸腾量与环境驱动因子太阳辐射及水气压亏缺的相关关系表明, 在土壤水分条件较好时, 国槐长势优于其它4种乔木, 但是其对水分的利用不够经济, 在干旱的情况下不能有效节水。     

石羊河流域干旱荒漠绿洲区不同滴灌模式下葡萄茎液流变化及其与环境因子的关系

研究了石羊河流域干旱荒漠绿洲区交替滴灌（ADI）、固定滴灌（FDI）和常规滴灌（CDI）模式下葡萄茎液流的变化规律及其与气象因子和土壤含水率的相关关系.结果表明：研究区葡萄茎液流表现出与太阳辐射同步的昼夜变化节律;新梢生长期和开花期CDI处理的茎液流量显著大于其它两个处理;影响瞬时茎液流的主要气象因子是太阳辐射和气温,日茎液流量与平均气温和风速具有线性相关关系;不同灌溉方式下葡萄茎液流与气象因素的相关程度依次为：CDI>ADI>FDI;葡萄日茎液流量与参考作物蒸发蒸腾量（ET₀）呈显著线性相关关系.与CDI相比,ADI节省50%水量,而茎液流总量仅降低6.56%,且其葡萄茎液流和水分传导具有明显的补偿效应.     

元宝枫生长旺季树干液流动态及影响因素

利用热扩散式边材液流探针和多种气象、土壤因子传感器组成的全自动数据采集系统和美国产Licor-6400光合测定系统,于夏秋季节对北京西山地区低山成林元宝枫单株边材液流动态和叶片蒸腾作用进行了系统观测。元宝枫树干边材液流变化受天气的影响,环境胁迫或环境的改善都能改变边材液流的波动特征。在正常情况下,边材液流的日变化呈单峰曲线:日出后树干液流迅速上升,峰值在中午前后出现,然后下降,在次日早晨前达到坡谷。最热月7月液流启动和进入坡谷的时间比其他各月早1~4 h。6月树干上位液流速率大于中位和下位,其他各月树干下位液流速率大于上位和中位,这种差距在7月达2~3倍。多元回归分析表明,在整个生长旺季,元宝枫边材液流变化深受气温、太阳辐射、空气相对湿度、土壤温度和风速等环境因子的影响,但在不同的观测时段和观测部位其影响的主导因子不完全相同,只有空气温度在任何情况下都是影响液流的主导因子;元宝枫边材液流的变异规律较好地说明了其耐旱的生态策略。