应用Granier热消散探针（TDP）法测定树木的木质部液流：理论与实践

Granier热消散探针法是目前研究树木生理生态和森林水文最常用的测定整树水分利用的方法之一。然而,已有的相关综述文献中,还没有专门介绍利用Granier热消散探针研究木质部液流的综述文章。本文重点介绍了Granier热消散探针测定系统的理论基础,对有关该探针的校准和改进的最新研究进展进行了综述,并还深入探讨了零液流信号值的确定、自然热梯度、损伤效应、液流的逆格型和将木质部液流密度外推至整树蒸腾耗水量等重要的实际问题。     

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。     

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。     

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.     

Granier树干液流测定系统在树木蒸腾研究中常见问题的解决方案

Granier树干液流测定系统基于电热平衡原理可精确、灵敏和连续地测定树干液流.然而在实际安装,测量和维护过程中的很多细节问题会直接影响数据的可靠性.对多年来在野外实际应用Granier测定系统过程中遇到的问题和解决方案进行阐述,重点介绍Granier树干液流测定系统的组成、工作原理及探针安装和维护过程中需要注意的事项,为其他使用者提供参考和帮助.     

基于侧柏液流的测定对Granier原始公式系数进行校正

为研究Granier原始公式计算单株树木蒸腾耗水量的准确性,以侧柏作为研究对象,采用热消散方法测定在15、30、50、70和90cm水柱高度形成不同压力梯度下的树干液流通量密度,并以称重法作为对照,利用回归分析方法拟合称重法测定的液流通量密度与热消散法测定的树干液流温差系数(K值),进而建立校正公式.结果表明:基于侧柏校正的Granier公式为Fd=0.0115K0.5581(R2=0.8319).与称重法测定的液流通量密度相比,校正的Granier公式计算的结果略高(6.70±0.02)％,而Granier原始公式计算的则低估(78.53±0.04)％.由此可知,采用校正的Granier公式计算侧柏的液流通量密度具有较高的精度.     

不同长度热消散探针测定粉单竹(Bambusa chungii)液流的差异分析和原位验证

由于竹壁较薄,测定液流时安装常规长度(20 mm)的TDP探针易穿破竹壁。与木材的热传导不同,暴露于竹腔内的部分上探针的热量以辐射形式消散,加之竹壁水分传导分子的分布不均匀,导致液流密度的测定值不准确。因此,不少学者主张选用较短的探针,然而,对于改短探针的应用缺乏必要的户外原位验证。本文分析自制的5、8和10 mm的TDP探针原位测定粉单竹液流的适用性和理论依据。结果表明:新建立的液流密度公式与Granier原始经验公式的参数α值的差异较大,主要原因是竹腔的储热效应导致上探针周围温度偏高,竹秆水分含量较低,热消散系数(h0)较小,上探针周围的热量囤积致使上下探针的温差较大;此外,探针的安装方式也影响液流密度的测定结果,是导致相同长度探针测定粉单竹液流密度值明显差别的重要因子。本文通过分析探针周围介质的h0的变化,较合理地解释了这些差异的原因。     

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.     

热消散法(TDP)在5种竹子蒸腾耗水测定中的适用性评价

为评价热消散法在竹子蒸腾耗水测定中的适用性,利用室内离体竹段注水变压法结合野外整株容器称重法对Granier 公式进行了验证和系数校正,同时观察了5 种竹子(毛竹Phyllostachys edulis、粉单竹Bambusa chungii、青皮竹B. textilis、茶秆竹Arundinaria amabilis、龙头竹B. vulgaris)的茎秆维管束结构。结果表明,茎秆维管束分布不均,维管束发育程度从竹壁外向内逐渐成熟,输水能力也逐渐增强。液流密度(F_d)和液流指数(K)呈幂函数关系,相关系数R²>0.83,说明热消散探针方法能较好地估算竹类的液流密度。用整株容器称重法对推导出的液流密度公式进行校正,校正后的液流密度公式与原始Granier 公式中各系数均不同,尤其是α 值。分别采用校正前后公式计算的竹子日蒸腾量差异显著,尤其是一天中液流高峰时段(午间)的差异最大。因此,只要对热消散探针方法准确验证、校正Granier 原始公式系数,TDP 技术是估计竹类植物水分利用的一种适宜方法。     

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。     

基于热扩散方法测定树木蒸腾的潜在误差分析

蒸腾作为植被蒸散的主要分量,是植物水分生理生态学研究的核心内容,其测定方法的研究备受关注.热扩散方法是测量树木蒸腾的最优方法之一.大量研究表明,应用热扩散方法测定的单株树木蒸腾量以及扩展到林分尺度蒸腾耗水量均相对准确,但在测定过程以及测定值与蒸腾真实值之间存在着潜在误差.本文综述了热扩散方法在树干液流通量密度测定以及从温差测定点到单株、从单株到林分尺度扩展过程中存在的潜在误差,展望了我国开展热扩散方法潜在误差分析的主要研究方向,并提出了解决其潜在测量误差的方法.     

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.     

桦汁的开发与利用

本文从桦汁的采集时间;采集方法;收尾工作;桦汁产量;采汁对树木生长的影响;采汁的经济及社会效益;桦汁的成份,可食性,毒理分析和保健作用;桦汁加工利用;桦汁真伪鉴别和桦汁保鲜;共十个方面介绍了国内外研究的最新成果,及其存在的问题,并对解决这些问题的思路设想及桦汁开发的发展方向,提出了一定的见解。     

鼎湖山针阔叶混交林4种优势树种树干液流特征

运用Granier热消散式探针法,对鼎湖山自然保护区针阔叶混交林4种优势树种(马尾松、木荷、锥栗和广东润楠)的树干液流密度进行了长期连续观测,并同步监测林分的环境因子(光合有效辐射(PAR)、空气温度(T)、空气湿度(RH)、土壤含水量)。结果表明:(1)4种优势树种的边材面积(As)与胸径(DBH)均存在显著相关关系(P0.05);(2)各优势树种树干液流均呈现"昼高夜低"单峰曲线,且液流速率存在明显的季节性差异;(3)无论湿季还是干季,光合有效辐射(PAR)和水汽压亏缺(VPD)均为控制蒸腾的主要驱动因子;(4)4种优势树种湿季平均日蒸腾量高于干季,马尾松、木荷、锥栗、广东润楠湿季平均日蒸腾量分别为29.52、39.29、30.40、9.41 kg H2O/d,干季分别为20.91、24.84、24.26、8.43 kg H2O/d,干季和湿季的平均日蒸腾量(kg H2O/d)大小均为木荷锥栗马尾松广东润楠,这种种间差异是由边材面积大小和树种本身的生物学特性共同决定的。     

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。     

北京城区常见树种生长季树干液流的时滞特征

2008年4-9月,应用热消散技术测定了北京市常见树种银杏、七叶树、玉兰、刺槐、油松、雪松的树干液流,并将液流与总辐射和水汽压亏缺数据进行逐行错位分析,探讨不同树种树干液流与蒸腾驱动因子之间的时滞效应.结果表明：6个树种树干液流(J_s)的变化与总辐射(R_s)和水汽压亏缺(D)显著相关,且J_s均滞后于R_s,提前于D;J_s与R_s之间最大相关系数(0.74～0.93)通常比J_s与D之间最大相关系数(0.57～0.79)高,表明日尺度上J_s在很大程度上依赖于R_s的变化.除油松外,其他树种J_s与R_s之间时滞范围(10～70 min)比J_s与D之间时滞范围(47～130 min)短,其中刺槐、油松和雪松种间差异显著;城市树种J_s与蒸腾驱动因子之间的时滞主要受树形（胸径、树高、冠层投影面积、边材面积）以及夜间水分补充量的影响,而与树种无关.     

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.     

黄土丘陵沟壑区中间锦鸡儿整株丛树干液流特征与环境因子的关系

运用Granier热扩散探针技术,测定了中间锦鸡儿整株丛树干液流日进程及其月动态变化,并分析了树干液流变化与同步测定的太阳辐射强度、空气温度、空气相对湿度、土壤温度等环境因子之间的关系。结果表明:中间锦鸡儿整株丛树干液流昼夜变化可分为4个明显的阶段:1)液流量迅速上升阶段;2)液流量最大的稳定阶段;3)液流量迅速降低阶段;4)液流量较小的稳定阶段。中间锦鸡儿整株丛树干液流量的月变化特征,除10月有明显下降外,其余各月的树干液流量并没有明显的差异;在5月、7月、9月树干液流的变化都滞后于太阳辐射而提前于水汽压亏缺,存在一定的时滞现象。从整株丛树干液流量和环境因子的相关关系来看,太阳辐射强度在该研究区是影响中间锦鸡儿整株丛树干液流的关键因子;在遇到突发性降雨时,中间锦鸡儿整株丛树干液流量会随着降水的增加而迅速升高,但时间上要滞后于降水量达到最大值的时间。