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90 cm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。

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。

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。

基于实测白榆蒸腾速率校正计算液流速率的Granier原始公式

【目的】验证Granier原始公式在计算白榆树干液流速率上的适应性,分析误差大小,并据此对Granier公式校正,以提高对白榆蒸腾速率的估计准确性。【方法】以白榆为对象,采用热扩散式探针法(TDP)测定树干温差并通过Granier原始公式计算树干液流速率。以整树容器称重法为验证基准,即以称量测定的蒸腾速率为因变量,以热扩散式探针法测定的温差系数K为自变量,进行曲线拟合,得到Granier校正公式。【结果】Granier原始公式计算的液流速率日变化规律与整树容器称重法的测定值一致,呈“单峰型”特征,但Granier公式计算的液流速率比称重法测定值低80%以上;对Granier原始公式校正(Fd=0.0596K0.9164,R2=0.7049)以后重新计算的液流速率(Fd)与称重法测定值的差异率基本维持在-30%~30%之间。白榆Granier校正公式的残差在-2^+2之间,表明此拟合方程是有效的。【结论】原始公式计算的白榆液流速率明显低于称量测定的蒸腾速率真值,不能准确表达真实蒸腾速率,造成的误差较大;但校正后的Granier公式能表达真实液流量。因此,应采用校正的Granier原始公式,以准确估计白榆的真实液流速率。

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Fd=0.0135K0.6952(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。

马占相思树干液流特征及其与环境因子的关系

运用Granier热消散式探针法对华南丘陵退化荒坡植被恢复先锋树种马占相思(Acaciamangium)树干液流密度进行长期连续观测,并对其周围环境因子如空气温度、空气相对湿度、土壤相对湿度、光合有效辐射和总辐射进行同步观测。通过分析发现马占相思边材厚度与胸径存在显著线性相关关系;马占相思树干液流密度最大值与边材面积具显著相关关系;马占相思树干东、南、西、北4个方位测得的液流密度具显著差异,且各方位相互之间均有显著相关关系;马占相思树干液流每天到达峰值与光合有效辐射和水蒸气压亏缺到达峰值存在一定的时滞,这两个时滞与树高无关,个体间时滞差异在湿季较小,干季较大;干湿季液流平均值和最大值具显著差异,湿季蒸腾水量大于相同时间内干季蒸腾水量;液流的变化与空气温度、空气相对湿度、光合有效辐射、总辐射、水蒸气压亏缺等环境因子的变化具显著相关关系,按相关程度排序为:光合有效辐射>总辐射>水蒸气压亏缺>空气相对湿度>空气温度。

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(Acaciamangium)林14棵样树的树干液流(Sapflow),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(Gc)。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(Js)和整树蒸腾(Et)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。Js和Et的日变化主要受光合有效辐射(Qo)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Et的影响大于胸径较小的树木,个体之间Js和Et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。Gc与主要环境因子的关系与E相似,如果θ长期偏低,Gc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。

马占相思树干液流与光合有效辐射和水汽压亏缺间的时滞效应

应用Granier热消散探针测定华南丘陵马占相思的树干液流,将液流与对应的光合有效辐射和水汽压亏缺数据列分别进行逐行错位分析和时间序列分析,探讨树干液流与蒸腾驱动因子之间的时滞效应,并对结果进行互相验证.结果表明:马占相思树木蒸腾主要驱动因子是光合有效辐射和水汽压亏缺,树干液流的变化更多地依赖光合有效辐射的变化,而且干季的依赖性比湿季更强;无论是干季还是湿季,树干液流都滞后于光合有效辐射,提前于水汽压亏缺;时滞效应季节差异显著;不同径级马占相思的时滞效应差异不显著;树高、胸径、冠幅并不能解释树干液流与光合有效辐射、水汽压亏缺之间的时滞效应;干季树干液流与水汽压亏缺之间的时滞效应与夜间水分补充量显著相关,湿季则相反.

成熟马占相思林的蒸腾耗水及年际变化

利用Granier测定系统对华南丘陵植被恢复先锋群落马占相思林的树干液流进行了连续4a(2004—2007年)的监测研究,以了解已过生长高峰的马占相思林(20—22林龄)的水分利用特征。结果显示,液流密度(Js)日变化为单峰型曲线,具有明显的季节差异,湿季Js日变化幅度和峰值Jsmax均大于干季。Js与光合有效辐射(PAR)和水汽压亏缺(VPD)的偏相关分析显示,Js与PAR或VPD正相关,干季的相关性较湿季显著;线性回归分析显示PAR和VPD对Js日变化共同影响的程度达62.7%—82.7%。马占相思整树和林分的蒸腾强度和耗水量均表现出明显的干湿季差异,湿季明显高于干季。偏相关分析表明降雨量对蒸腾活动没有显著的直接影响,而PAR与蒸腾量显著相关,是影响林分蒸腾量的最重要环境因子。2004—2007年各年马占相思成熟林的蒸腾耗水量为238.64、136.39、217.45mm和273.85mm,分别占当年降雨量的24.7%、11.7%、9.8%和22.8%,年平均蒸腾耗水量为243.31±28.49 mm(n=3),降水对林分蒸腾的影响不仅仅取决于降雨量的大小,较多的降雨频次往往会削弱蒸腾的强度。研究的马占相思林处于生长后期,群落叶面积指数和蒸腾已有明显的下降,反映出该阶段林分已不能充分利用当地的辐射和水分资源,必要的林分改造可提高造林后期的生产效益。

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。

马占相思整树蒸腾的日变化和季节变化特征

为深刻揭示华南丘陵退化荒坡植被恢复树种的水分利用特征,运用Granier热消散式探针法对马占相思的树干液流进行了连续测定,并同步测定样树周围环境因子如光合有效辐射、总辐射、空气温度、空气湿度、土壤湿度等.结果表明,马占相思树干东、南、西、北各方位测得的液流密度存在显著差异,并显著相关;以北方位液流密度为自变量,其他各方位液流密度作为因变量进行回归分析,发现回归系数随时间和个体的变化而变化.对9月和2月的液流和光合有效辐射及水蒸气压亏缺的日变化作了对比,发现存在较大差异,分析认为是由于环境因子如温度低、雨雾多及落叶较多造成的.相关分析得出各样树间整树液流季节变化格型一致.分析了液流与环境因子的相关关系后发现树干液流与光合有效辐射、总辐射、温度、水蒸气压亏缺在不同时间尺度上(日内、日间、年内)均具有显著相关关系;与土壤湿度则在任何时间尺度(日内、日间、年内)不存在相关关系.此外,精确计算得出马占相思整树全年的平均蒸腾量为9 380.9 kg,最大整树蒸腾量为14 076.6 kg,最小整树蒸腾量为6 229.8 kg,个体间差异较大.

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(P<0.05);(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。

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。

大兴安岭北部兴安落叶松树干液流规律及影响因子分析

利用Granier热扩散植物液流技术(TDP),于2012年5—9月连续对大兴安岭北部兴安落叶松蒸腾进行测定,结合同步观测的环境因子,分析兴安落叶松树干液流规律及其与环境因子的关系。结果表明:1)兴安落叶松蒸腾速率具有明显的昼夜变化规律,晴天和阴天均为单峰曲线,雨天为双峰曲线,且晴天和阴天的蒸腾速率高于雨天。夜间液流通量占整日液流通量的百分比为晴天(5.91%)>雨天(4.88%)>阴天(2.57%),在高温无雨情况下,液流通量呈现随高温无雨日数的增加而逐渐降低的趋势。2)6—8月兴安落叶松蒸腾量占观测期总耗水量的80%,液流密度日峰值较高,其中7月最高达23.62cm3/(cm2·h),5月次之,9月最低为2.03cm3/(cm2·h)。3)边材液流密度与环境因子存在良好的相关性,多元回归模型决定系数为0.79;影响兴安落叶松树干液流的主要影响因子为蒸汽压亏缺和光合有效辐射。4)生长季内兴安落叶松林蒸腾耗水量为566.49t/hm2,即56.65mm,占同期降雨量的12%。

辽西农林复合系统中杨树水分耗散规律

以辽西杨树-烟草复合系统为研究对象,采用Granier热扩散探针法,对杨树-烟草复合系统的杨树树干液流进行连续观测,并对环境因子(空气温度、空气湿度、净辐射、风速、土壤温度和土壤湿度)进行同步观测。结果表明:杨树液流速率具有明显的早晚低、中午高的单峰型日变化特征,并具有从6月到9月逐渐降低的季节性变化规律,6月液流速率月平均的日变化峰值为5.77×10-3cm/s,9月下降至2.34×10-3cm/s。相关分析表明:净辐射、空气温度、空气湿度是杨树液流速率的主要影响因子,风速和土壤温度次之,土壤湿度影响最小,并建立了依据环境因子估算液流速率的逐步回归模型。树干液流与环境因子之间的数量关系能很好地预测杨树的蒸腾耗水量。

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(Fd)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。

应用热扩散法测定香蕉树蒸腾速率

香蕉树植株高大,一般采用间接方法确定耗水量,但所得结果受土壤、大气和农艺措施等因素的影响较大.本文于2005年11月15日—12月5日在温室内采用热扩散法(即Granier法)测定香蕉树的茎液流,并与用数字天平(称重法)测定的香蕉树蒸腾速率进行对比试验.结果表明,Granier法测定的日茎液流量与称重法测定的日蒸腾量相差4%.Granier法测定的茎液流速率一般滞后于称重法确定的蒸腾速率1h左右.当日蒸腾量小于0.05L.m-2(活性叶面积)时,Granier方法不能测定茎液流量.Granier传感器一般在安装2～3d后即可正常工作,同时在多株植株上安装Granier传感器取其平均流速值计算蒸腾量可以明显减小测量误差.

青海云杉、华北落叶松边材液流变化规律及其与气象因子的关系

运用Granier热扩散式探针（TDP）法对青海大通黄土高寒区主要针叶树种青海云杉Picea crassifolia和华北落叶松Larixprincipis-rupprechtii夏季边材液流变化规律进行连续观测,利用自动气象站对周围气象因子太阳辐射（Rs）、空气温度（Ta）、空气相对湿度（RH）和风速（Ws）进行同步观测,并对气象因子与青海云杉、华北落叶松边材液流通量（Fs）的相关性进行分析.结果表明：（1）边材面积（As）与胸径（DBH）存在较高的相关性,两者可以用幂函数很好地拟合.（2）青海云杉、华北落叶松边材液流速率（Vs）变化规律主体表现一致,晴天变化幅度最大,阴雨天变化幅度最小.（3）华北落叶松边材液流通量（Fs）仅为0.75 kg.h^-1,而青海云杉高达1.84kg.h^-1,为华北落叶松的2.4倍;青海云杉日耗水量（W）在9.56－37.14 kg.d^-1之间,而华北落叶松日耗水量W在5.61－14.25kg.d^-1之间.（4）青海云杉、华北落叶松Fs与气象因子关系密切,但气象因子的作用过程表现复杂.复相关分析表明：青海云杉、华北落叶松Fs与Rs、Ta、Ws之间呈极显著正相关,与相对湿度RH呈极显著负相关.按相关程度排序为：Rs〉Ta〉RH〉Ws.

华南地区常见树种导管特征与树干液流的关系

为探讨树木结构与功能的关系,对华南地区常见8种树木边材的导管特征进行观察,并利用Granier热扩散探针法测量干、湿季树干的液流密度,分析导管特征与树干液流的关系。结果表明,除红锥(Castanopsis hystrix)有两种导管外,大叶相思(Acacia auriculaeformis)、荷木(Schima superba)、火力楠(Michelia macclurei)、藜蒴(C.fissa)、马占相思(A.mangium)、柠檬桉(Eucalyptus citriodora)、尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)的导管类型单一。导管特征在种间存在明显差异,且导管长度、密度和孔径之间存在明显相关性,它们与标准化的边材面积呈现显著相关。湿季液流最大值与导管特征无明显相关性,但整树最大蒸腾速率与导管特征呈显著相关;树木的日蒸腾量与导管特征也有明显相关性。因此,树木的液流速率并不受树干的导管影响;而树干的导管孔径与边材面积间的负相关权衡机制,可以降低树种间由于导管孔径差异引起的树干的水分输送速率的差异性。