热脉冲技术3种方法组合在测量树干液流中的应用

利用树干液流方法获取树木蒸腾特征对理解树木水分生理、森林生态和森林系统水分交换具有重要意义.利用广泛应用于土壤热参数和土壤蒸发测量的
三针热脉冲探头,基于热比率法(HRM)、最大温度法(T_Max)和单针热脉冲法(SHPP)同时实现了旱柳液流密度的测定,并与热扩散探针(TDP)测量结果进行对比分析.结果表明： 三针热脉冲探头安装约5周后进入稳定测量阶段,3种方法初期测量结果比稳定测量阶段高135%~220%,HRM、T_Max和SHPP法与TDP测量结果具有显著的线性相关性,R2分别为0.93、0.73和0.91,SHPP与HRM法测定结果的R²达到0.94.HRM在低速和逆向液流时测量具有较高的精度;SHPP探头配置简单、测量精度高,但无法甄别液流方向,是测定液流非常有前途的方法;T_Max测量液流误差较大,无法测量<5 cm³·cm^-2·h^-1的液流,不建议单独用于液流测量,但其能够准确测定树干热扩散系数,并可用于其他方法液流计算.建议根据试验目的,选取不同方法或者几种方法组合进行树干液流测量.     

树干液流径向分布格局研究进展

树干液流径向分布的不均匀性是引起热技术估算单株乃至林分蒸腾误差的主要来源。因此, 了解树干液流径向分布格局并将其定量化, 成为利用热扩散和热脉冲技术准确估算森林蒸腾的必要条件。该文详细介绍了树干液流径向分布格局的研究方法, 总结了目前4种常见的树干液流的径向分布格局, 分析了影响树干液流径向分布格局的内部结构因素和外部环境因素, 阐明了树干液流径向分布格局的时间动态特征及其影响因素, 并提出目前研究中存在的问题和可能的解决方法。     

民勤绿洲荒漠过渡带梭梭树干液流的时滞特征

应用Granier热扩散探针测定民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林的树干液流,将液流与饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)数据分别进行逐行错位分析,探讨树干液流与环境因子之间的时滞效应.结果表明: 梭梭日液流速率呈现明显的季节变化,6月平均液流速率最大,8月平均液流速率最小.生长季(5-9月)梭梭树干液流与光合有效辐射、饱和水汽压差存在明显的时滞,树干液流滞后于PAR 80 min,提前于VPD 114 min,且不同月份的时滞长短存在差异.尽管梭梭树干液流在日尺度上更加依赖于PAR的变化,但在白天,树干液流与饱和水汽压差间有更紧密的关系.梭梭生长季树干液流与VPD或PAR之间的时滞与树形因子(株高、地径、50 cm处直径、枝下高、冠幅)及夜间液流量的相关性均不显著.     

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。     

热消散探针在粉单竹液流研究中的应用

通过对计算树干液流密度的Granier经验公式进行试验验证和校正,比较不同长度的热消散探针(TDP)测量粉单竹液流的结果,探讨TDP在粉单竹液流研究中的适用性,并与邻近生长的常见树种荷木的液流日变化进行比较分析.结果表明:由于粉单竹的竹壁较薄、解剖结构异质性较高,10 mm探针可能低估粉单竹的液流密度,8和5 mm探针监测的液流密度值较准确.粉单竹液流密度平均值和日变化格局的偏度均大于荷木,而夜间荷木的液流活动比粉单竹活跃,说明粉单竹的夜间补水不如荷木.以TDP探针研究竹子的液流是可行的,但应用于不同竹种之前,必须对Granier经验公式进行有效的验证和校正.     

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.     

民勤绿洲荒漠过渡带梭梭东、西方位树干液流特征及相关性分析

采用Grainer热扩散式探针法( TDP )连续测定了6月份至11月份民勤绿洲荒漠过渡带梭梭﹝Haloxylon ammodendron ( C. A. Mey.) Bunge﹞东、西方位的树干液流速率,并同步测定了相关环境因子;在此基础上,对晴天、阴天和雨天东、西方位树干液流速率的日变化以及实验期间东、西方位树干液流速率和各环境因子的变化进行了分析,并对不同天气和时间尺度东、西方位树干液流速率间的相关性及其与部分环境因子的相关性进行了分析。结果表明：在生长旺盛期(6月份至8月份),晴天时梭梭东、西方位树干液流速率的日变化均表现为明显的“宽峰型”曲线;在整个观测期内,不同天气的树干液流速率存在一定差异,东、西方位的树干液流速率也存在一定差异,并且其差异在夜间较白天更明显;总体来看,东方位的树干液流速率高于西方位。相关性分析结果表明：不同天气和时间尺度东、西方位的树干液流速率间存在极显著正相关性,其相关系数均在0.90以上并略有差异。总体来看,晴天梭梭东、西方位树干液流速率间的相关性高于阴天和雨天,并且,日尺度东、西方位树干液流速率间的相关性最强。晴天东、西方位树干液流速率与各环境因子的相关性高于阴天和雨天,并且,小时尺度东、西方位树干液流速率与环境因子间的相关性高于日尺度。西方位树干液流速率与环境因子的相关性略高于东方位,说明西方位的树干液流速率对环境因子变化的反应更敏感。晴天和阴天东、西方位树干液流速率与参考作物蒸散量( ET0)的相关性极显著,其相关系数均在0.70以上,说明根据梭梭东、西方位树干液流速率计算其耗水量具有一定的可行性。研究结果显示：梭梭树干液流速率与天气、环境因子、时间尺度和树干方位等均有一定关系。     

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。     

基于热消散探针法的植物水分运输的研究进展

液流是分析树木耗水特性、研究树木水分传输机制的重要途径之一,热消散探针法已广泛用于树干液流变化的监测.热消散探针法是目前研究不同时空尺度上植物蒸腾耗水特性较为灵活、可靠、经济的一种方法.但由于物种特性的差异,可能造成试验过程中出现测量值与实际值相比偏低的状况.此外,相当一部分植物依赖树干储存水进行蒸腾,因此木材含水量的...     

基于热比率法的青海云杉林蒸腾量估算

流域上游森林蒸腾量的准确估算对于干旱区水资源管理至关重要。该文采用热比率法的树干液流技术对青海云杉(Picea crassifolia)单木和林分蒸腾量进行了估算和转换, 目的在于通过该研究为不同尺度森林蒸腾量估算提供一个系统的解决方案。研究结果如下: 第一, 青海云杉胸径与边材面积间存在显著指数函数关系, R² = 0.94, p < 0.000β1; 第二, 热比率法的青海云杉蒸腾量测量中, 理论值与观测值间的比例系数为1.09, 观测值偏小; 第三, 基于单木平均液流速率和林分总边材面积的林分蒸腾量计算中, 不同胸径样树液流速率的异质会导致液流速率被高估或低估近1/3; 第四, 基于单木胸径与液流量间关系的林分液流估算技术能够更合理地对青海云杉蒸腾量进行估算。根据该文研究结果, 基于探针式液流测量技术可以更为科学地对单一树种研究区不同尺度的蒸腾量进行估算。     

基于整树称重法的Granier经验公式对毛白杨树干液流测定的适用性

为了评估Granier经验公式在树干液流测定中的适用性,以毛白杨为对象,利用热扩散式探针法(TDP)测定树木的液流速率,以整树称重法进行同步测定,对比分析Granier经验公式在毛白杨树干液流测定中是否存在误差,并对整树称重法测定的蒸腾速率与热扩散法测定的温差系数K进行幂指数回归拟合,建立校正的Granier公式。结果表明:与整树称重法测定的蒸腾速率相比,通过Granier经验公式计算的液流速率低估了67.7%;建立了毛白杨的Granier校正公式F_d=0.0135K^0.6952(R²=0.77),校正后Granier公式的计算结果与整树称重法测定的蒸腾速率相比仅降低了3.4%,具有较好的一致性。因此,采用Granier经验公式计算毛白杨树干液流速率需进行校正。     

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。     

热消散液流测定系统研究竹子蒸腾的问题和解决思路

旺盛的蒸腾是竹子迅速生长的重要代谢保障,对林区生态系统水循环和水量平衡发挥关键作用,如何准确估测竹林的蒸腾耗水是迫切需要解决的方法难题。目前研究树木水分生理和森林水文广泛采用的热消散液流测定方法(TDP)却少有在竹林中应用,而仅有的几项研究报道由于缺乏严谨的实验验证,结果误差较大而缺少说服力。作者认为,竹壁结构异质性和竹竿中央空腔造成热量的不均匀分布是基于热通量交换的液流测定系统测量竹子蒸腾不准确的主要原因,提出以自行设计的注水变压液流特性测定法和传统的整树容器称重法,验证热消散液流测定系统估测竹子水分利用的适用性。本文还结合竹子的种群结构和无次生生长的特点,提出竹株借助相互连接的地下茎进行水分再分配,异株补偿水力限制,蒸腾主要受年龄而不是竹形大小影响的观点,建议通过分析竹子蒸腾的年龄效应,研究不同种植密度竹林水分利用的变化规律,为竹林生产和集水区水源管理提供有效的林型设计和措施。     

北方四种城市树木蒸腾耗水的环境响应

2008年6-8月,以大连市劳动公园内雪松、大叶榉、水杉和丝棉木4种树木作为研究对象,采用热扩散探针（TDP）法对其树干边材液流进行了连续动态测定,并同步测定了土壤水分与小气候等环境因子.结果表明：观测季节内,树木所处立地条件下不存在水分胁迫,树木液流与土壤湿度相关性不显著（R²<0.05,P>0.211,n=1296).4种样木白天液流速率与太阳辐射变化存在“时滞”现象,液流速率的相关系数(R²)在0.624～0.773(P=0.00,n=1296),其影响主要集中在5：00-8：00和18：00-20:00辐射骤变期间（R² >0.700,P<0.05).水汽压亏缺(VPD)是影响样木夜间蒸腾的主要因子(R²>0.660,P<0.05,n=1872),与全天液流速率的R²值在0.650.～0.823(P=0.00,n=1296),以VPD建立的统计模型可以解释90%以上全天液流的变化(P=0.00).风速与树木液流呈极显著相关关系,但R²值 小于前两者(R²<0.380,P=0.00,n=1296).此外,树木液流的环境响应存在饱和现象.     

液流径向变化对尾巨桉单株日蒸腾量估算的影响

采用Granier热扩散方法(TDP)测定了尾巨桉2个径向深度(0～2和2～4 cm)的液流速率,探讨液流径向变化对树木蒸腾估算产生的影响、不同个体大小的估算误差以及估算误差与光合有效辐射(PAR)和水汽压亏缺(VPD)的关系.结果表明: 尾巨桉的日蒸腾量在单点径向深度0～2 cm条件下估算值最大,两点综合估算值次之,单点径向深度2～4 cm最小,单点径向0～2 cm和径向2～4 cm所得的日蒸腾量分别较两点综合估算值高估了32.9%和低估了58.7%;用单点径向0～2 cm估算蒸腾量时所产生的误差随胸径的递减而减少,胸径为17.7、12.9和9.8 cm的树木产生的估算误差分别为51.7%、33.0%、18.0%,而单点径向2～4 cm所产生的估算误差则没有明显的径级差异;PAR和VPD都与单点径向0～2 cm估算误差有较好的正相关性,相比较VPD而言,PAR与单点径向0～2 cm估算误差的相关性更好.相比传统的仅用单一深度液流速率估算单株蒸腾耗水量的方法,两点估算方法一定程度上提高了日蒸腾量计算的精度,为尾巨桉人工林森林耗水量估算提供了可靠依据.     

Evaluation of the heat pulse velocity method for measuring sap flow in Pinus patula

Information on the water use of Pinus patula plantations isrequired to predict the impact of forest plantations on waterresources in South Africa. The heat pulse velocity (HPV) methodis a promising technique for measuring water use by trees, andhas been shown to measure sap flows accurately in a varietyof hardwood trees. This method has not been sufficiently verifiedfor pine trees where the presence of a strongly-defined ringstructure in the sapwood gives rise to a complex radial patternof sap flow. The purpose of this study was to compare wateruptake by cut trees to simultaneous HPV sap flow measurementsin the same tree. Fourteen trees were used for this comparison.Results showed that HPV sap flow estimates consistently overestimatedcut-tree uptake by an average of 49%. The bias is attributedto heat averaging across non-conducting latewood rings. Wateruptake was found to be highly correlated to the product of under-barkcross-sectional area and wound-corrected mean HPV, and it issuggested that this empirical relation provides a more appropriateway of estimating water use by this species. Key words: Heat pulse velocity, sap flow, Pinus patula, transpiration     

黄土山地苹果树树体不同方位液流速率分析

精准确定果园蒸腾耗水规律是进行果园水肥管理的基础.论文采用热扩散式边材液流茎流探针和微型自动气象站组成的测定系统,对陕北黄土山地苹果树树干液流及相关指标进行了连续观测,分析了不同方位探针树干液流速率的测定结果.结果表明:果树不同生长阶段,液流速率变化较大,白天蒸腾速率较大,蒸腾量占全天蒸腾量均在86.29％以上;不同方位探针测定结果差异明显,东、西向探针测定结果较为接近,南、北向测定结果差异较大;不同方位探针测定边材液流量与参考作物蒸散量的线性模型表明,东、西向探针测定液流量与参考作物蒸散量关系密切,决定系数分别达0.74和0.83,方差分析均方比分别为78.21和137.85,其相关性明显优于南、北方向;比较以水量平衡计算得出的苹果树耗水量,东、西向探针测定的苹果树蒸腾量与水量平衡计算结果较为接近,均方比分别达到14.11和14.57,显著性水平分别达到0.020和0.019,明显高于南北方向探针测定结果.测定苹果树液流量时,选择东面或西面安装液流计探针,可有效减小试验误差.     

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%.