热扩散探针(TDP)茎流计在测算树干液流中的应用

对树木个体蒸腾耗水的研究方法较多,如热技术法、同位素示踪法、风调室法、盆栽称重法、整树容器法和蒸渗仪法等。其中热技术法中的热扩散具有保持树木在自然生长条件下基本不破坏树木正常生长状况,可以连续测定树干液流的优点,而且易于野外操作及远程下载数据。目前利用热扩散探针(TDP)茎流计测量树干液流开始向精准化、普及化和系统化的方向发展。

应用热扩散技术对亚热带红壤区湿地松人工林树干边材液流的研究

使用TDP热扩散技术在2003年5月21日1554至6月6日904对亚热带红壤丘陵区湿地松人工林液流速率进行连续测定和分析。结果表明1)测量时间内湿地松日均液流速率表现出稳定的昼夜变动规律,平均液流速率为82.43cm.d-1;2)对湿地松液流速率影响最明显的4个环境因子是空气温度、土壤温度、太阳辐射和空气相对湿度;3)对TDP液流数据质量控制可以通过特定时段的液流最大速率和平均速率之比及其置信区间分析,以及相关分析、配对t检验来进行。

大连4种城市绿化乔木树种夜间液流活动特征

夜间液流有助于树木物质运输及其体内水分的补充(water recharge),它不仅对植物的生长发育具有重要的生理生态学意义,而且对大尺度植物蒸腾耗水的估算可能产生重要影响。2008年6月1日至8月31日,以热扩散探针(thermal dissipation probe,TDP)技术对大连市劳动公园内的雪松(Cedrus deodara)、大叶榉(Zelkova schneideriana)、丝棉木(Euonymus bungeanus)和水杉(Metasequoia glyptostroboides)4种乔木树种的不同径阶样木树干边材液流进行了测定,并结合同步土壤水分与小气候观测结果分析了树木夜间(18:00至次日5:00)液流特征。实验结果表明,树木普遍存在可感夜间液流,夜间液流总量占观测期液流总量的比例在样木个体间呈现显著差异,其变化范围为0.44%–75.96%;观测期雨天夜间液流波动活跃,显著高于晴天,其单日夜间液流总量可持平,甚至高于日间液流。相关分析表明:水汽压亏缺(vaporpressuredeficit,VPD)和风速的变化与夜间蒸腾显著相关,它们能够较好地解释液流变化(R2>0.6);树木夜间液流主要用于夜间蒸腾和自身水分补充,夜间液流现象主要发生在前半夜,后半夜液流平稳且极接近0,夜间液流量与相应的日间流量(R2=0.356,p=0.00)及胸径(R2Spearman>0.80)显著相关,说明植物本身的结构和生理特点也是影响树木夜间液流的重要因子。单株样木夜间液流占全天总蒸腾量的比例低于14.4%,如不考虑夜间液流的影响,根据日间液流通过尺度扩展推算的森林生态系统年蒸腾量可能偏低。

黄土高原半干旱区辽东栎的树干液流动态

利用Granier树干液流测定系统,长期监测黄土高原半干旱区延安市南郊天然辽东栎林优势木的树干液流,并同步监测环境因子(空气温度、湿度、太阳辐射、土壤含水量)。分析3株优势木边材液流在生长季内各月份的日变化特征以及液流通量密度与环境因子的关系。结果显示:辽东栎液流日变化总体上与太阳辐射和空气水气压亏缺呈相同趋势,但液流峰值出现时间较早,通常为10:00左右。随着生长季内物候变化,液流通量密度总体表现为前期(4—6月)较低、中后期(7—9月)较高、末期(10月)迅速下降的变化趋势。采用指数饱和曲线函数对液流通量密度和空气水气压亏缺进行拟合,有效地反映了各月份液流通量密度对空气水气压亏缺的响应特征。各月份的曲线特征和拟合参数的差异表明,蒸腾耗水过程也受到土壤水分状况等其他因素的影响。

江西千烟洲湿地松生长旺季树干液流动态及影响因素分析

运用Granier热扩散式探针对湿地松树干液流密度进行长期连续测定,并对其周围多个环境因子进行同步测定。样木解析结果表明:处于低龄期的湿地松,整个木质部都可看作边材,边材面积和胸径的关系可用二次函数很好地拟合。液流速率平均值、最大值均与胸径呈幂函数关系,相关关系的判定系数在0.99以上。湿地松生长旺季不同月份晴天液流密度日变化规律基本一致,但液流启动、到达峰值的时间以及开始升高、开始下降的时间间隔存在差异。湿地松各月液流密度日均值总体上呈逐渐减小的趋势,即6月份最高,其次为7月和8月。生长旺季边材液流密度主要受冠层温度、冠层相对湿度和光合有效辐射的影响。采用一元线性回归方程拟合液流密度与单个气象因子的相关关系,并建立液流密度与上述3个因子的多元线性回归方程,所有方程和回归系数的相关性检验均达到极显著水平。各气象因子与液流密度相关程度为冠层相对湿度>光合有效辐射>冠层温度。

沙地赤松树干边材液流速率的方位特征研究

[目的]确定优良固沙树种沙地赤松(Pinus densiflora)树干边材液流速率(J_s)方位变化规律,探讨环境因素对方位差异的影响。[方法]采用热扩散式树干液流计(TDP)连续监测树干液流并同步监测环境因素,比较分析不同方位树干液流速率的差异、季节动态及与降水、土壤体积含水率(θ)、太阳辐射强度(R_s)间的关系。[结果]表明:(1)在赤松树干东、南、西、北4个方位上,J_s的日变化与季节变化均呈现出基本一致的格局,且均与R_s间表现出紧密的协同变化关系;(2)在中等强度干旱和极端干旱情况下,各方位边材J_s均同步受到明显抑制,在土壤水分得到充分补充后又快速回升;(3)在典型晴日里,树干各方位边材J_s其午间峰值出现的时刻有差异,呈从早到晚分别是东侧、南侧、西侧、北侧这种顺时针的方位规律;(4)在整个生长季,J_s的日平均值大小一般为南侧>西侧>北侧>东侧,但方位间差异并不显著(P=0.35),北侧J_s的平均值最接近4个方位的平均值(约为平均值的1.01倍)。[结论]为降低观测成本,通过北侧一个方位的测定来估算赤松单株的液流通量具有较好的可靠性;影响赤松各方位液流过程明显变化的θ的阈值为7.5%。

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0.00135cm.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1159.6t.hm-2。

基于热扩散技术的三倍体毛白杨单木及林分蒸腾耗水研究

定量分析单木及林分的蒸腾耗水特征,是林木水分管理的关键环节。采用热扩散式边材液流检测技术,结合自动气象站,对三倍体毛白杨树干边材液流及环境因子进行了连续2年的动态观测。结果表明:(1)单株尺度上,三倍体毛白杨边材液流速率日变化在晴天表现为"单峰型",关键影响因子为水汽压亏缺(VPD)和太阳辐射(Qs),日平均液流速率在4—10月分别为0.65×10-3、2.12×10-3、2.09×10-3、1.78×10-3、1.84×10-3、1.76×10-3、1.04×10-3cm/s;(2)林分尺度上,三倍体毛白杨在2008、2009年(栽植第4年和第5年)的蒸腾耗水量分别为339.52和410.62 mm,主要影响因素为气孔导度(Gc)、相对湿度(RH),以及VPD;(3)多元线性回归模型可以较好的模拟三倍体毛白杨边材液流速率对环境因子的响应特征(P<0.01,2008年),模型预测值较实测值偏大6.39%(2009年),二者极显著线性相关(R2=0.910,Sig.=0.00054,n=1008)。

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。

黄土高原半干旱区人工林刺槐展叶期树干液流动态分析

应用热扩散式树干茎流计(TDP)于2008年4月26日至5月31日,在黄土高原半干旱区安塞县对人工林刺槐展叶期树干液流及其气象、土壤水分等6个指标进行连续测定。结果表明:刺槐展叶期可分为芽期、展叶初期、中期和全叶期。在芽期,刺槐树干液流速率日变化无明显昼夜波动;在展叶初期至全叶期日变化呈现出从微弱波动逐渐增大到趋于平稳的剧烈波动;在展叶中期以后液流速率表现为上升快、下降缓慢的单峰曲线;在全叶期平均峰值约为0.0027cm.s-1;树干液流速率与光合有效辐射强度、大气温度、水蒸气压亏缺和风速呈极显著正相关,与相对湿度呈负相关,其相关程度依次为光合有效辐射强度>大气温度>水蒸气压亏缺>相对湿度>风速,且可用光合有效辐射强度和大气温度线性表达式来估测;土壤水分在展叶期呈逐渐减少趋势,但对树干液流的胁迫不显著;在展叶期刺槐单株日蒸腾耗水量随直径的增大而增大并与胸径呈良好的线性关系,可用来估算展叶期刺槐人工林蒸腾耗水量。

华北平原农田毛白杨防护林蒸腾变化规律及其与气象因子的关系

于2007年主要生长季(4—9月),采用热扩散(TDP)技术测算了华北平原农田24年生毛白杨防护林带的蒸腾速率,分析了毛白杨蒸腾变化规律及其与气象因子的关系。结果表明:(1)在晴天日和阴天日,毛白杨蒸腾速率的日内变化都为单峰曲线趋势,而在多云日受太阳辐射剧烈变化的影响,为多峰曲线趋势。在4、5、6、7、8、9月份晴天日的单株日平均蒸腾速率分别为5.44、7.84、8.05、7.87、7.26、7.17 L.h-1,在多云日分别为4.10、5.87、6.84、6.68、6.49、5.88 L.h-1,在阴天日分别为4.33、3.56、4.14、5.90、3.39、2.66 L.h-1。(2)毛白杨林带蒸腾量的日际变化或季节变化明显,从4月份开始逐渐升高,5月份由于受林网内农作物灌溉量加大的影响,蒸腾量与6、7月份基本持平,8、9月份逐渐降低。在2007年主要生长季(4—9月),林带蒸腾总量为488.016 mm,4—9月各月蒸腾量所占生长季总蒸腾量的比例分别为11.17%、18.71%、19.30%、19.29%、16.66%、14.88%。(3)主要生长期内,毛白杨蒸腾速率与同步观测得到的太阳辐射、空气温度、空气湿度和风速具有很好的复相关性,回归分析得到的相关模型可通过显著性检验(α=0.01);且计算偏相关系数表明,各月影响蒸腾速率的最主要气象因子均为太阳辐射。

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。

天目山柳杉树干液流的昼夜及季节变化

利用热扩散式液流探针,连续观测天目山古柳杉生长季树干液流速率,同步测定环境因子,测定柳杉液流昼夜变化、晴雨天气液流通量及不同月份的日均液流量变化特征,分析树干液流与环境因子的响应关系。结果表明:(1)柳杉树干液流量日变化幅度显著,日最大值和最小值分别为194.0 kg/d和5.4 kg/d;(2)晴天树干液流变化幅度比雨天要大,不同月份日均液流量最高为6月(66.85 kg),最低为8月(46.12 kg);(3)柳杉树干液流与空气温度、辐射强度呈极显著正相关,与空气湿度呈负相关。

半干旱地区城市环境下樟子松蒸腾特征及其对环境因子的响应

作为我国半干旱地区重要的造林绿化树种之一,樟子松在城市林业建设中被广泛使用,研究樟子松在半干旱地区城市环境下的蒸腾耗水及其环境响应对于城市森林建设具有重要的理论意义和应用价值。从2012年8月至10月,以位于内蒙古呼和浩特市树木园内的30年生樟子松为研究对象,按照其径阶分布,选定8株样木,采用热扩散探针法对其树干边材液流进行了连续动态监测,并采用小型自动气象站和土壤水分传感器同步连续测定小气候因子与土壤含水量动态变化。结果表明:在不同天气条件下,樟子松树干液流密度日变化存在差异,晴天时液流密度曲线表现为单峰曲线,且液流密度较大,阴天与雨天液流密度相对较小;液流密度的大小与供试树木胸径无显著相关关系(P>0.05);太阳辐射(r=0.731,P<0.01)和大气饱和水汽压亏缺(VPD)(r=0.877,P<0.01)是影响樟子松蒸腾的主要因子,风速与液流密度极显著相关(P<0.01),但相关系数仅为0.518;土壤水分并未显著影响液流密度(r=-0.071,P>0.05)。以太阳辐射Ra、VPD作为自变量建立的模型能够分别解释樟子松68%、71%的液流变化。

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.

辽东栎不同方位边材液流季节动态及其对蒸腾耗水测算的影响

利用Granier树干液流测定系统,对黄土高原半干旱区天然辽东栎树干不同方位的边材液流动态进行了长期监测,并同步监测环境因子(空气温度、湿度、太阳辐射等),分析了不同方位液流通量密度的相互关系、对液流通量和蒸腾耗水量测算的影响以及与环境因子的关系。结果显示,辽东栎东、西、南、北4个方位测得的液流通量密度存在显著差异,并显著相关。辽东栎生长季内(5-10月)单株日蒸腾耗水量分别与日总太阳辐射和日均白天空气水气压亏缺进行指数饱和曲线拟合,拟合效果较好。采用2个方位和1个方位树干液流通量密度测算的整株蒸腾耗水量与采用4个方位的测算值分别相差约18%和30%,说明不同方位之间的液流差异可能成为蒸腾耗水测算的重要误差来源。

应用热扩散技术对柠条锦鸡儿主根液流速率的研究

运用热扩散技术对柠条锦鸡儿根部液流速率(Fs)进行连续测定,同步进行环境要素的实时监测。选择2008年4—10月30天典型晴天日观测数据。结果表明:1)Fs在晴天日表现出典型的宽峰型正态分布,可划分为4个特征差异明显的阶段,反映了大气环境因子对液流的直接驱动效应,以及柠条锦鸡儿叶片气孔行为对液流变化的调控作用。2)液流的变化受多个环境因子共同驱动,其中潜在蒸发散(ET0)综合性强、与Fs相关紧密,是分析液流特征更为可靠的复合型环境变量。Fs与主要环境因子间的耦合关系因时段而异,在早晨启动的液流上升阶段,Fs与太阳辐射、ET0间均呈线性关系,反映了太阳辐射等因子对液流的驱动与对光合作用的激活效应,而在峰值后的下降阶段基本呈Sigmoidal-Hill函数关系;Fs随大气水分亏缺(VPD)的变化与随太阳辐射、ET0的变化趋势相反,表明VPD在达到一定值后启动气孔调节行为以及抑制过度蒸腾耗水的效应。3)柠条锦鸡儿根部Fs与主要环境要素间的变化近似同步,试验期间没有出现典型的时滞现象。4)在整个生长季的大部分时间内观测到柠条锦鸡儿根部夜间持续存在着液流现象,夜间液流量平均占全天液流量的3.83%。试验结果可例证热扩散技术在根部测定液流并用来计算灌木树种单株耗水方法的科学性与优越性。

黄土塬区苹果园蒸散与环境因素的关系

【目的】分析不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾量与环境因子的关系,建立蒸腾量与环境因子的关系模型,研究蒸腾量、降水量、土壤储水量之间的关系以及不同林龄苹果林蒸腾占蒸散的比例,为果树生长重要时期提出减少土壤蒸发、控制果树蒸腾和提高果树水分利用效率的方法提供参考。【方法】在黄土高原沟壑区的典型代表长武塬,选取10龄和20龄苹果林生态系统为研究对象,用热扩散探针法对2015年苹果树生长季日、月尺度下苹果树干液流速率进行连续监测,用位于距样地50 m处的自动气象观测站连续监测获取气象数据,同时进行土壤水分含量以及土壤蒸发量的测定。【结果】1)日尺度下,苹果林蒸腾与空气温度和水汽压差均呈现正相关关系,但当VPD>1 kPa时,2个林龄的苹果林日蒸腾量均有所下降;月尺度下,与蒸腾相关的环境因子仍为空气温度和水汽压差。2)在月尺度下,按土壤储存与消耗的水量可以将试验期分为3个时期:土壤水分迅速耗水期(5—7月)、土壤水分平稳期(8月)、土壤水分缓慢消耗期(9—10月)。10龄苹果林蒸腾耗水主要集中在0~300 cm土层,而20龄苹果林蒸腾所需水分来源于0~600 cm土层,在极度缺水的7月份,300~600 cm土层的贡献更多。3)20龄苹果林Tr/ET为29.25%~67.51%,10龄苹果林Tr/ET为36.44%~62.06%,2个林龄的Tr/ET整体表现为先升高后降低。20龄苹果林Tr/ET在8月达到峰值后急剧下降,而10龄苹果林经过1个缓慢下降的过渡期后,从9月份开始急剧下降。【结论】随着时间尺度的增大,进入蒸腾量与环境因子回归方程的环境因子个数减少且水汽压差在日、月尺度下均为不同林龄苹果林蒸腾的主导因子。10龄苹果林蒸腾耗水主要集中在0~300 cm土层,而20龄苹果林蒸腾所需水分来源于0~600 cm土层,在极度缺水的7月份,300~600 cm土层的贡献更多。8月下旬之后,应对20龄苹果林采取适当的保墒措施以减少土壤蒸发,但对10龄苹果林而言,相应的保墒措施可以在9月份之后进行,以期为翌年苹果树健康生长提供优质的土壤水分条件。

华北石质山区4种乡土树种耗水特征

采用热扩散式液流探针(TDP)配合watchdog 900ET小型全自动气象站的方法,对华北石质山区乡土树种乔木山杏、刺槐和灌木酸枣、荆条的树干液流进行了连续监测,进而分析比较了它们的耗水特征。结果表明:①晴天时,乔木树种液流变化呈"几"字状,具有宽峰,而灌木树种则呈波动性变化,具有多峰;其液流速度大小为山杏>酸枣>荆条>刺槐,而液流通量大小为山杏>刺槐>酸枣>荆条;灌木树种液流启动、达峰值和终止时间均比乔木树种早。阴天时,乔灌木树种的树干液流变化比较平缓,而且液流速度较低,灌木树种液流启动、达峰值和终止时间也比乔木树种早。雨天时,乔灌木液流变化多次起落,但灌木树种对降雨敏感,液流速度显著增高。②乔灌木树种树干液流月变化呈现出5、6、10月份低,7、8、9月份高的规律。乔灌相比,10月份,灌木液流速度比乔木下降的程度大;5、6月份乔木耗水比率低于灌木。③影响乔木树干液流的主导环境因子是大气温度,土壤含水量和太阳辐射,而灌木树种为大气温度和土壤含水量;以环境因子作自变量,以乔灌木树种液流速度为因变量,经过逐步回归,建立了多元线性模型,回归方程极显著,调整R2依次为0.915、0.849、0.870、0.918,方程拟合良好。