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。     

间断加热模式下热扩散技术在侧柏树干液流测定中的适用性

为了评估热扩散式探针法中的间断加热模式在侧柏树干液流速率测定中的适用性,提高树木蒸腾耗水测定的准确性,本研究选取侧柏为对象,以整树容器称重法测定值为基准,采用热扩散树干液流测定技术,设置3种不同的加热模式: 60 min/0 min(持续加热模式)、30 min/30 min(30 min加热30 min冷却的间断加热模式)、10 min/50 min(10 min加热50 min冷却的间断加热模式),分析不同加热模式处理下温差的梯度特征。同时构建间断加热模式下Granier校正公式,并进行有效性验证分析其误差大小。结果表明: 间断加热模式计算的液流速率与整树容器称重法测定的蒸腾速率日变化规律一致,且间断加热模式能够迅速升温、降温并趋于稳定。Granier原始公式计算的液流量较小,与称重法相比,降低了61.3%;经拟合后,10 min/50 min校正液流速率公式: F_d=0.0177K^0.9457(R²=0.88),30 min/30 min校正液流速率公式: F_d=0.0378K^1.3146(R²=0.85)。利用新的公式重新计算的侧柏液流速率较称重法测定的蒸腾速率差异较小,且10 min/50 min校正公式计算的液流速率较蒸腾速率的误差更小,降低了5.9%,可以表达出真实的液流速率。在实际应用中,采用10 min/50 min的间断加热模式能够降低自然温差的影响,减少功耗,准确反映侧柏的真实液流速率。     

三倍体毛白杨不同方位树干边材液流特性研究

利用热扩散式边材液流探针(TDP)和多种气象、土壤因子传感器组成的全自动气象站,于生长季对三倍体毛白杨速生纸浆林不同方位树干边材液流及环境因子进行了系统观测分析,以揭示不同方位三倍体毛白杨边材液流的差异性、相互关系及其对环境因子的响应.结果表明,(1)不同方位树干边材液流速率日变化规律相似,晴天呈"双峰型",阴天和雨天呈"单峰型";晴天和阴天树干东、南、西、北4个方位间树干液流速率差异不显著(P>0.05),而雨天东向液流速率(0.906 cm/s)显著大于南向(0.267 cm/s);(2) 三倍体毛白杨各方位液流速率间呈极显著正相关,通过东、西、北3方位与南方位建立的回归方程也达到极显著水平;(3) 三倍体毛白杨边材液流变化受太阳辐射、空气温度、空气相对湿度、风速和土壤温湿度等环境因子的影响,但不同天气条件、不同时段和不同方位影响的主导因子不同;(4) 三倍体毛白杨具有明显的夜间液流特性,晴天、阴天、雨天夜间累计液流密度分别占全天累计液流密度的18.84%、19.13%、40.77%.     

黄土高原半干旱区侧柏(Platycladus orientalis)树干液流动态

应用热扩散式树干茎流计(TDP)于2008年4～10月对黄土高原安塞县侧柏人工林树干液流速率进行了连续测定,并对周围气象、土壤水分等多个环境因子进行了同步测定.结果表明:侧柏在不同月份晴天树干液流速率变化具有明显的昼夜节律性,呈单峰曲线;且各月液流速率日均值受土壤供水水平限制总体上呈下降趋势,即4月份最大,为0.00135 cm · s-1;10月份最小为0.00011cm · s-1;树干液流速率与光合有效辐射、大气温度、水汽压差呈极显著正相关,与相对湿度呈负相关,其相关程度:光合有效辐射＞水汽压差＞大气温度＞相对湿度,并可用线性表达式来估算;侧柏边材面积和地径呈幂指数关系,并以此结合密度估算出样地侧柏人工林的边材面积为4.65m2,最终估算出侧柏人工林生长季总耗水量为1159.6 t · hm-2.     

白桦树干液流的动态研究

应用热扩散原理,采用ICT－2000TE（Transpiration-Environment)自动监测系统,对东北东部山区的先锋树种白桦的树干液流及主要环境因子进行一个生长季的同步测定。结果表明,在整个生长季的晴天,白桦树干液流的日变化呈现明显的单峰曲线。液流速率的峰值出现在8月中旬,为84.72L/d。在白桦树叶脱落后,仍有较高的液流速率,而到10月中旬急剧下降,值为3.84L/d。在不同生长时期白桦每小时的液流速率与相应的环境因子逐步回归分析结果表明,影响白桦液流速率的主要环境因子是空气温度、空气相对湿度和辐射强度,在不同时期三者的作用是不同的。     

荔枝树干液流速率与气象因子的关系

采用热扩散茎流仪于2011—2012年连续监测‘桂味’荔枝树干液流速率,将所得数据和果园内自动气象站观测数据一起进行对比分析,建立了液流速率与气象因子的关系模型。实验结果表明:(1)树干液流速率日变化呈现"昼高夜低"的规律。季节变化有呈现"先高后低"的趋势,整体上以果实发育期和成熟期(5—7月)液流速率较高。2011年年平均液流速率明显大于2012年;(2)树干液流速率日变化在晴天时多呈单峰曲线,且振幅较大;在雨天呈多峰曲线,且振幅较小。总体上,晴天平均液流速率约是雨天的两倍;(3)回归分析表明,在一定范围内,树干液流速率与太阳辐射强度、空气温度呈正相关,与空气湿度呈负相关。影响液流速率最重要的气象因子在晴天是空气温度,在雨天是太阳辐射。     

南方红壤区杜仲 (Eucommia ulmoides)树干液流动态

采用根据热平衡原理设计的热扩散探针(Thermal dissipation sap flow velocity probe,TDP),于2004年7月到10月对南方红壤区的杜仲人工林的树干液流进行连续监测,结合所测定的相关因子,分析杜仲液流的变化规律及其与各因子的关系。结果表明,在不同月份,杜仲液流速率的日变化规律基本一致,呈单峰曲线,但是树干液流在启动时间、峰值出现时间上存在差异;从7月到10月份,杜仲树干液流速率逐渐增大,10月份液流速率达到1.818 g/(cm2.h);杜仲液流速率与太阳辐射、空气相对湿度、温度、风速等气象因子相关性显著,但是太阳辐射和空气相对湿度是影响杜仲液流的重要因子,其中7月到9月份,太阳辐射是主要影响因子,而10月份,空气相对湿度占主导地位;树干液流与胸径、冠层厚度以及胸径平方与树高之积呈现出显著的相关性。     

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。     

油松、栓皮栎树干液流速率比较

应用TDP(ThermalDissipationProbe)技术对油松和栓皮栎树干液流进行了初步研究,经过野外近1a的实地定位观测,研究结果显示:栓皮栎月平均树干液流速率在整个生长期都较油松的月平均树干液流速率要高。前者大约是后者的5~10倍。栓皮栎在土壤干旱时期能够在白天产生明显的树干液流。在土壤干旱时期油松白天不产生树干液流而在晚上产生明显树干液流。在土壤相对湿润时期,油松和栓皮栎树干液流速率的波形与太阳总辐射的波形变化一致,但不同的是油松的树干液流速率波形呈明显的单峰状,而栓皮栎树干液流速率波形呈明显的多峰状。在土壤相对湿润时期太阳总辐射很低时能对油松树干液流速率产生明显的降低作用,而对栓皮栎树干液流则没有明显影响。在土壤干旱时期,油松和栓皮栎树干液流速率的峰值分别大约为0.0001cm/s和0.0006cm/s左右;在土壤水分充足时期,油松和栓皮栎树干液流速率的峰值分别大约相等约为0.0015cm/s左右,分别是油松和栓皮栎在干旱日期的液流速率峰值的10倍和2.5倍。     

土壤温度对油松(Pinus tabulaeformis)树干液流活动的影响

为了弄清土壤温度对油松树干边材液流活动的影响作用,利用热扩散式边材液流测定系统（TDP-30）和自动气象站对油松边材液流速率和土壤温度等环境因子进行了为期一年的同步测定。结果表明,土壤温度对树干液流活动的影响,一方面与靠近植物最适吸水温度的土层有关,另一方面,与树种的根系分布特征有关。春季表层土壤温度对液流速率的影响最为显著,夏季深层土壤最大,秋季的最大影响土层间于春夏之间。10．0—14．9℃的土壤温度对油松树干边材液流活动的作用最为明显。土壤温度开始对油松液流活动起显著作用的温度阈值约为10℃左右。     

基于侧柏蒸腾量分析Granier经验公式的测量精度

为了解Granier热扩散法测定树木蒸腾耗水量的精度,2010年5-6月采用热扩散探针测定盆栽侧柏的液流量,并以整树盆栽称重法作为对照.结果表明:热扩散法测定侧柏南、北两个方位的树干液流速率与称重法测定的蒸腾速率均具有良好的线性关系(R2 ＞0.825).侧柏南、北两个方位的树干平均日液流量分别比平均日蒸腾量低10.6％和15.1％,但未达到显著水平.尽管昼夜温差较大会造成侧柏日液流量小于日蒸腾量,但采用Granier热扩散法测定侧柏的蒸腾量在日尺度上具有较高的可靠性.     

利用热扩式边材液流探针（TDP）测定树木整株蒸腾耗水量的研究

 介绍了热扩散式液流探针的工作原理及利用液流探针测定树木边材液流速率的方法。利用边材液流探针和多种气象因子传感器及数据采集系统组成的微型气象站,通过对北京西山地区油松(Pinus tabulaeformis)、栓皮栎(Quercus variabilis)混交林林分平均木树干边材液流速率及风速、有效辐射和空气温度、空气相对湿度的日变化和连日变化的测定和分析,揭示了5月干旱季节两树种蒸腾耗水的日变化和连日变化规律,以及栓皮栎树干基部和树冠大枝边材液流的差异,并进行了理论推导,同时分析了液流速率的波动规律与主要气象因素波动的相关性。     

基于树干液流和土壤-叶片水势梯度分析荷木干湿季整树水分利用特征

运用Granier热消散探针连续监测荷木的树干液流,于2009年的湿季(8月)和干季(11月)选择天气晴朗的3d测定叶片水势,同步连续监测林冠上方光合有效辐射、土壤含水量、气温和空气相对湿度.结果表明:干湿季下荷木树干液流存在显著差异,此外,土壤水势和液流有较好的相关性,且干季时的相关性更好;荷木的叶面积/边材面积比值平均为(0.416±0.033)m2·cm-2,并与树高呈指数函数下降关系;随着11月土壤水势下降,荷木的整树水力导度和午间叶片水势也有所下降,但不明显;对叶片水势和整树蒸腾进行回归分析,二者之间呈二次多项式关系(P＜0.01),叶片水势并非无限制下降;结果还表明,大气水汽压亏缺(D)和叶片水势呈负相关,这是否空气温度和相对湿度或共同作用影响叶片水势,需要进一步研究.     

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.     

北京绿化树种油松、雪松和刺槐树干液流的空间变异特征

城市绿化树木具有多重生态效应, 其耗水量不容忽视。在不了解树干液流空间变异的前提下, 将点的测定值推广到整树或者林段尺度会产生很大的误差。为准确地确定整树耗水, 采用热消散探针法研究了夏秋季北京成年常绿树种油松(Pinus tabulaeformis)、雪松(Cedrus deodara)和刺槐(Robinia pseudoacacia)树干液流的空间变异特征及产生原因。各树种树干液流存在方位变异, 受树干靠南的方向受光较多、木材解剖特征和枝下高高度的影响, 油松和雪松液流密度与方位之间的关系较为固定, 而刺槐液流密度与方位之间的关系表现出随机性。不同方位每小时液流密度之间高度相关(p < 0.000 1)。因此, 可以基于这种关系准确地计算其他方位的液流(R² > 0.91, p < 0.000 1)。油松和雪松树干液流的径向变异显著, 较深处和较浅处树干液流的日变化格局相似, 但是较深处的液流明显滞后于较浅处的树干液流, 且较浅处树干液流对环境因子的响应远高于深处的液流。不同深度树干液流之间密切相关, 因此可以利用较浅处的液流外推其他深度的液流(R² > 0.89, p < 0.000 1)。然而, 同一棵树不同方位径向剖面特征不同, 雪松南向较深处的液流明显高于其他方位, 且滞后不显著, 这与树冠南向受光较多有关。结合误差分析, 采取北向15 mm和75 mm深处的液流密度均值来估算整树耗水较为准确。     

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.     

The compensation of natural temperature gradient at the measuring point during the sap flow rate determination in trees

The study summarizes the results of the influence of outer temperature gradient on the accuracy of sap flow rate measurements in tree trunks by means of thermic-based methods. Particularly it deals with those methods based on the continual accurate measurements of temperature differences between the heated part and the part with natural temperature, at the measuring point. The battery of thermometers significantly compensating the mentioned temperature gradient effect is described.     

Improvement of the heat pulse method for determining sap flow in trees

Abstract. The heat pulse method for determining sap flux in large woody sterns was modified for easier field operation. It uses the measurement of the time elapsed between heat pulse release by a line heater radially inserted in the stem, and the occurrence of maximum temperature 15 mm downstream of the heater. This spacing between heater and thermometer is critical to the reliability of the measurement. Calculations using uncorrected theory provide estimates of the sap flux density in stems with both uniform and non-uniform cross-sectional distribution of conducting tissues which are about 55% of the actual sap flux density. This factor results from insufficient thermal homogeneity between tissues where sap flow occurs and tissues where sap flow has been interrupted.
Sap flow in trunks of citrus trees was inferred from measurements of the cross-sectional distribution of sap flux density. Variability of sap flux density is specific to each trunk and is time-dependent and imposes multiple radial and angular measurements. The method was checked in a citrus trunk ramified into three branches. Instantaneous determinations of the flow in the trunk and in the branches differed by less than 5.7%. The daily values agreed within 2.8%.