基于树干液流测定值的马占相思(Acacia mangium)冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思(Acacia mangium)的树干液流(sapflow)进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现:马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明:环境变量对模型精确度的影响程度依次为:水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

树高对马占相思整树水分利用的效应

利用Granier热消散探针,于2004年观测了华南丘陵坡地常见绿化先锋树种马占相思(22年生)的树干液流,同时监测林冠上方的光合有效辐射、气温、相对湿度和0～30 cm的土壤体积含水量.结合树木的形态特征、液流密度和简化的Whitehead & Jarvis公式,分别计算了整树蒸腾、冠层气孔导度和叶面积/边材面积比值,分析了树高对整树蒸腾、冠层气孔导度和叶面积/边材面积比值的影响.结果表明：土壤水分充足时,马占相思整树蒸腾随树高呈二次多项式增加(P<0.01),冠层气孔导度日变化均呈“单峰”格型;在所有光合有效辐射范围内,高树的参比冠层气孔导度和冠层气孔导度对水汽压亏缺的敏感性均高于矮树;叶面积/边材面积比值为（1.837±0.048） m²·cm^-2,并与树高呈幂函数关系.随着树木高度的增加,马占相思没有发生明显的水力限制和补偿.     

基于树干液流测定值的马占相思（Acacia mangium）冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思（Acacia mangium）的树干液流（sap flow）进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现：马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明：环境变量对模型精确度的影响程度依次为：水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

华北山区侧柏冠层气孔导度特征及其对环境因子的响应

冠层气孔导度(g_s)是衡量冠层-大气界面水汽通量的重要生物学常数,研究其特征及对环境因子的响应,能为开展森林冠层水汽交换过程的机理性研究提供理论依据.于2014年利用SF-L热扩散式探针测定了侧柏的树干液流密度(J_s),同步监测光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、气温(T)等环境因子,计算侧柏的冠层气孔导度特征并分析其对各环境因子的响应.结果表明: 侧柏液流密度的日变化总体呈双峰曲线,生长季高于非生长季,且胸径越大液流密度越大;冠层气孔导度日变化与单位叶面积冠层蒸腾(E_L)趋势相近,均呈双峰曲线,生长季的冠层气孔导度和蒸腾较非生长季略高.侧柏冠层气孔导度与空气温度呈抛物线关系,在10 ℃左右冠层气孔导度达到峰谷;光合有效辐射以400 μmol·m^-2·s^-1为界,小于该阈值两者呈正相关关系,大于该阈值则冠层气孔导度受其影响较小;与饱和水汽压差呈负对数函数关系,随饱和水汽压差增大而逐渐降低.较高的空气温度和光合有效辐射、较低的饱和水汽压差有利于侧柏形成较大的冠层气孔导度,进而促进冠层蒸腾.     

黄土高原油松冠层气孔导度和蒸腾变化特征与模拟

油松是黄土高原重要的造林树种,模拟其冠层气孔导度和蒸腾对区域水量平衡计算和人工林可持续经营具有重要意义。基于2015-2018年TDP （Thermal dissipation probes）方法所测得液流数据,分析了黄土高原地区油松冠层平均气孔导度（g_c）与冠层蒸腾（Tr）的变化特征与影响因素,并采用Penman-Monteith公式和Jarvis型气孔导度模型模拟了其g_c和Tr的变化过程,结果表明：（1）该地区油松g_c和Tr日内变化均呈现单峰型,日均蒸腾耗水量为（1.25±0.57） mm/d,生长季（4-10月）总蒸腾耗水量均值为195.47 mm。（2）g_c的日内变化受太阳辐射（Rad）驱动（偏相关系数为0.65）,当Rad高于300 W/m²时,驱动作用减弱;g_c的日内变化受水汽压亏缺（VPD）控制（偏相关系数为-0.41）,随VPD的增加而降低;g_c的日际变化受土壤水分限制（偏相关系数为0.46）,当根区相对有效含水率（REW）低于0.45时,限制作用明显。（3）结合Penman-Monteith公式与Jarvis型模型能有效模拟黄土高原油松g_c与Tr变化,小时尺度g_c与Tr模拟的纳什效率系数（NSE）分别为0.80和0.78,日尺度Tr模拟的NSE为0.76。     

不同径级马占相思(Acacia mangium)整树蒸腾的湿、干季变化

利用Granier树干液流测定系统对广东鹤山丘陵地马占相思(Acacia mangium)林进行长期监测,并同步监测环境因子(空气温度、相对湿度、光合有效辐射、土壤体积含水量),选择胸径具有代表性的样树,结合马占相思的形态学参数,计算马占相思的整树蒸腾.通过对光合有效辐射(PAR)分级,建立不同辐射强度等级的湿季(土壤水分θ≥33%)整树蒸腾与水汽压亏缺(VPD)的相关方程,以干季(θ≤24%)的VPD代入对应PAR等级的湿季的拟合方程,求出干季的潜在蒸腾,以潜在蒸腾和干季实际蒸腾之差分析不同径级整树蒸腾在不同季节的实际变化.在所有的PAR分级内,干季整树蒸腾显著低于湿季,仅占湿季蒸腾的10%～20%,就蒸腾减少的绝对量而言,优势木>中间木>劣势木.土壤水分下降缩小了不同径级树木之间液流密度的差异,土壤水分亏缺限制了树木的蒸腾,对马占相思的生长造成一定程度的水分胁迫.     

马占相思夜间树干液流特征和水分补充现象的分析

研究马占相思树干的夜间水分补充现象有助于提高总蒸腾量、冠层气孔导度估算的准确度,同时可以深化对冠层蒸腾与树干液流所代表的日蒸腾之间时滞现象的认识。在广东鹤山马占相思林,采用热扩散探针法测定液流密度,同步测定主要的环境因子,从不同的时间尺度分析其树干夜间水分补充现象。结果表明:与白天相比较,夜间马占相思液流密度较小;夜间液流密度的变化幅度旱季比雨季大,树干夜间水分补充的主要时间段是前半夜;年内各个月份夜间水分补充量之间没有显著差异,它与环境因子之间相关关系不显著,但与胸径、树高、冠幅的回归曲线拟合较好;干季夜间补充的水分对总蒸腾量的贡献与白天蒸腾量、总的蒸腾量、水蒸气压亏缺(VPD)、光合有效辐射(PAR)以及大气温度(T)显著相关;湿季夜间补充的水分对总蒸腾量的贡献与白天蒸腾量、总蒸腾量显著相关。     

马占相思夜间树干液流的分配及其对整树蒸腾估算的影响

采用Granier热消散探针测定了马占相思(Acacia mangium)的树干液流,结合Li-6400光合测定系统测定的夜间叶片气孔导度和蒸腾,将夜间液流区分为夜间树干水分补充和叶片气孔蒸腾。叶片的蒸腾作用微弱,因此,夜间液流主要用于补充贮水部位的水分亏缺。马占相思夜间水分补充量年内和年际的变化不明显,树形特征的差异是解释夜间水分补充量变化的重要因子,夜间水分补充量对于整树蒸腾量的贡献因季节和树木径级的不同而有明显变化,但对整树总蒸腾量计算造成的误差可以忽略。     

荷木整树蒸腾对干湿季土壤水分的水力响应

降雨在时间上的非均匀分配导致森林土壤含水量呈现明显的干、湿季变化,并可能在干季形成水分胁迫,引起植物蒸腾变化。在监测环境因子的同时,利用Granier热消散探针连续监测荷木(Schima superba)的树干液流,以液流密度值计算整树蒸腾,并结合水力导度与叶片/土壤的水势差,探讨环境因子和水力导度对荷木整树蒸腾的协同控制。结果表明,华南地区的季节性降雨形成的干、湿季并未引起荷木蒸腾在季节上的显著差异,但对产生蒸腾的水力生理产生了显著影响。荷木蒸腾在干、湿季均与主要驱动环境因子(光合有效辐射PAR和水汽压亏缺VPD)呈显著正相关。在水热充足的湿季,荷木蒸腾主要受气孔导度调节;在干季,当空气水汽压亏缺达2.132 MPa时,水力导度与气孔导度协同控制蒸腾。整树水力导度对整树蒸腾的水力补偿出现在15:00—17:00,平均补偿值为0.08 g/s。利用蒸腾的估测值与实测值之间的差值量化荷木的水力补偿效应,是对水力导度与气孔导度协同控制树木蒸腾机理的深入探索。研究结果对于掌握季节性降雨不均背景下华南地区主要造林树种需水和耗水规律,有效发挥森林保水功能具有重要意义。     

黄土高原苹果园蒸腾导度大气驱动规律比较

植物蒸腾导度是表征土壤-植物-大气连续体（SPAC）中植物-大气间水汽传导过程、反映植物水分调控能力的一类重要变量，常见有冠层导度（G_c）、冠层气孔导度（G_s）与叶片气孔导度（g_s），明确三者在反映冠层蒸腾过程时的异同或关联性对于理解植物水分利用机制具有重要意义。本研究基于对黄土高原果园苹果树生长季内树干液流（J_s）及环境因子的连续观测，计算了G_c、G_s及脱耦联系数（Ω）等变量，并与短期连续观测的叶片气孔导度（g_s）比较，分析了G_c、G_s和g_s在反映冠层蒸腾特征方面的异同及其关系。结果表明，日变化过程中G_s、g_s呈"单峰"型曲线，而G_c则呈"先增后减，午后抬升"的"双峰"型曲线。g_s与G_s存在较紧密的线性关系（R²=0.80），但与G_c的线性关系较弱（R²=0.02）。G_c、G_s均随大气水汽压亏缺（VPD）的变化呈现确定的规律，其中，上边界函数呈递减的对数函数关系，平均值则符合先增后减的Log-Normal函数关系（R²>0.95），拐点对应的VPD值分别为1.33和1.16 kPa。在一日内，G_s对VPD变化的响应过程与g_s对VPDL （基于叶片温度计算的水汽压亏缺）变化的响应过程总体一致，其一致性高于G_c对VPD变化的响应。整个生长季（4-10月）中果树的Ω平均值为0.12，随着Ω递减，G_c与G_s的线性相关性愈趋紧密，其斜率呈递增趋势，G_c越来越趋近于G_s。研究结果表明，在北方地区，基于树干液流的监测能较准确的推导整株并估算林分的冠层蒸腾导度。与实测g_s的变化过程比较，G_s比G_c具有更高的一致性，G_s可以作为描述苹果树水分利用过程响应大气驱动的更为恰当的变量。     

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.     

基于树干液流测定值进行尺度扩展的马占相思林段蒸腾和冠层气孔导度

应用Granier热消散探针,长期监测华南丘陵地马占相思(Acacia mangium)林14棵样树的树干液流(Sap flow),由此计算整树和林段的蒸腾速率,结合同步记录的环境因子,求算冠层平均气孔导度(G_c)。Granier探针的灵敏度较高,能精确测定即使是微弱的液流活动。观测结果显示,树木个体之间的液流密度(J_s)和整树蒸腾(E_t)受树形特征影响较大。马占相思林径级大的树木个体数较少,但占据林段边材总面积和林段蒸腾的比例较大。J_s和E_t的日变化主要受光合有效辐射(Q_o)和空气水蒸气压亏缺(D)的控制,土壤含水量(θ)对较大胸径树木E_t的影响大于胸径较小的树木,个体之间J_s和E_t的差异随θ的下降而缩小。一年中,林段蒸腾(E)在光照和水热条件较好的7月最高,9~12月,由于土壤水分供应的减少致使E值降低,E对D的敏感性下降。G_c与主要环境因子的关系与E相似,如果θ长期偏低,G_c会明显下降,是造成E降低的主要原因。成熟马占相思林在光照充足、水热条件较好的情况下的蒸腾活动旺盛,但对土壤水分胁迫的忍受力较低。     

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。     

Transpiration and canopy conductance in a pristine broad-leaved forest of Nothofagus: an analysis of xylem sap flow and eddy correlation measurements

Summary Tree transpiration was determined by xylem sap flow and eddy correlation measurements in a temperate broad-leaved forest of Nothofagus in New Zealand (tree height: up to 36 m, one-sided leaf area index: 7). Measurements were carried out on a plot which had similar stem circumference and basal area per ground area as the stand. Plot sap flux density agreed with tree canopy transpiration rate determined by the difference between above-canopy eddy correlation and forest floor lysimeter evaporation measurements. Daily sap flux varied by an order of magnitude among trees (2 to 87 kg day^–1 tree^–1). Over 50% of plot sap flux density originated from 3 of 14 trees which emerged 2 to 5 m above the canopy. Maximum tree transpiration rate was significantly correlated with tree height, stem sapwood area, and stem circumference. Use of water stored in the trees was minimal. It is estimated that during growth and crown development, Nothofagus allocates about 0.06 m of circumference of main tree trunk or 0.01 m² of sapwood per kg of water transpired over one hour.Maximum total conductance for water vapour transfer (including canopy and aerodynamic conductance) of emergent trees, calculated from sap flux density and humidity measurements, was 9.5 mm s^–1 that is equivalent to 112 mmol m^–2 s^–1 at the scale of the leaf. Artificially illuminated shoots measured in the stand with gas exchange chambers had maximum stomatal conductances of 280 mmol m^–2 s^–1 at the top and 150 mmol m^–2 s^–1 at the bottom of the canopy. The difference between canopy and leaf-level measurements is discussed with respect to effects of transpiration on humidity within the canopy. Maximum total conductance was significantly correlated with leaf nitrogen content. Mean carbon isotope ratio was –27.76±0.27 (average ±s.e.) indicating a moist environment. The effects of interactions between the canopy and the atmosphere on forest water use dynamics are shown by a fourfold variation in coupling of the tree canopy air saturation deficit to that of the overhead atmosphere on a typical fine day due to changes in stomatal conductance.This paper is dedicated to Prof. Dr. O.L. Lange on the occasion of his 65th birthday     

整树水力导度协同冠层气孔导度调节森林蒸腾

冠层气孔导度决定森林的蒸腾效率,它对驱动水汽移动的水汽应力的响应受树木水力结构的影响,并随水汽压亏缺上升和水力导度下降而降低,维持水势在最低阈值之上,避免出现水力灾变,调控冠层蒸腾。由于叶形和树冠结构的特点,部分脱耦联反映了湿润地区阔叶林冠层与大气的水汽交换特征,单纯以气孔导度的变化难以完整描述水分通量的调节规律,因而,需要考虑冠层气孔导度与水力导度协同控制冠层蒸腾的潜在机理。通过整合叶片气孔气体交换、树干液流、冠层微气象和其他环境因子的野外观测值,估测不同时间尺度的森林冠层气孔导度与大气的脱耦联系数和变异范围,以基于树干液流的冠层蒸腾,结合叶片/土壤水势梯度计算的水力导度,分析水力导度影响冠层气孔导度响应水汽压亏缺的敏感性,可以揭示和阐明水力导度和冠层气孔导度联合调节森林蒸腾的机理,对准确估测全球变化背景下森林对水资源利用的潜在生态效应有明显的理论意义。     

Regulation of water flux through trunks, branches, and leaves in trees of a lowland tropical forest

We studied regulation of whole-tree water use in individuals of five diverse canopy tree species growing in a Panamanian seasonal forest. A construction crane equipped with a gondola was used to access the upper crowns and points along the branches and trunks of the study trees for making concurrent measurements of sap flow at the whole-tree and branch levels, and vapor phase conductances and water status at the leaf level. These measurements were integrated to assess physiological regulation of water use from the whole-tree to the single-leaf scale. Whole-tree water use ranged from 379 kg day⁻¹ in a 35 m-tall Anacardium excelsum tree to 46 kg day⁻¹ in an 18 m-tall Cecropia longipes tree. The dependence of whole-tree and branch sap velocity and sap flow on sapwood area was essentially identical in the five trees studied. However, large differences in transpiration per unit leaf area (E) among individuals and among branches on the same individual were observed. These differences were substantially reduced when E was normalized by the corresponding branch leaf area:sapwood area ratio (LA/SA). Variation in stomatal conductance (g _s) and crown conductance (g _c), a total vapor phase conductance that includes stomatal and boundary layer components, was closely associated with variation in the leaf area-specific total hydraulic conductance of the soil/leaf pathway (G _t). Vapor phase conductance in all five trees responded similarly to variation in G _t. Large diurnal variations in G _t were associated with diurnal variation in exchange of water between the transpiration stream and internal stem storage compartments. Differences in stomatal regulation of transpiration on a leaf area basis appeared to be governed largely by tree size and hydraulic architectural features rather than physiological differences in the responsiveness of stomata. We suggest that reliance on measurements gathered at a single scale or inadequate range of scale may result in misleading conclusions concerning physiological differences in regulation of transpiration. Received: 1 October 1997 / Accepted: 6 March 1998     

Time constant for water transport in loblolly pine trees estimated from time series of evaporative demand and stem sapflow

 The use of stem sap flow data to estimate diurnal whole-tree transpiration and canopy stomatal conductance depends critically upon knowledge of the time lag between transpiration and water flux through the stem. In this study, the time constant for water movement in stems of 12-year-old Pinus taeda L. individuals was estimated from analysis of time series data of stem water flux and canopy transpiration computed from mean daytime canopy conductance, and diurnal vapor pressure deficit and solar radiation measurements. Water uptake through stems was measured using a constant-heat sapflow probe. Canopy transpiration was correlated to stem uptake using a resistance-capacitance equation that incorporates a time constant parameter. A least-squares auto-regression determined the parameters of the resistance-capacitance equation. The time constants for ten loblolly pine trees averaged 48.0 (SE = 2.0) min and the time lag for the diurnal frequency averaged 47.0 (SE = 2.0) min. A direct-cross correlation analysis between canopy transpiration and sap flow time series showed maximum correlation at an approximately 30 min lag. Residuals (model-predicted minus actual stem flow data) increased with increasing soil moisture depletion. While the time constants did not vary significantly within the range of tree sizes studied, hydraulic resistance and capacitance terms were individually dependent on stem cross-sectional area: capacitance increased and resistance decreased with stem volume. This result may indicate an inverse adjustment of resistance and capacitance to maintain a similar time constant over the range of tree sizes studied.