河北平山主要树种的耗水特征分析研究方法
刘春鹏 学号：2008486
1目的意义
水在植物生命活动中有着极其重要的作用 ,植物的一切正常生命活动都必须在细胞具有一定含水量的情况下进行 ,可以说没有水就没有生命 。植物根系吸收土壤中的水分 ,通过树干运输到叶片中 ,其中约 95%的水分通过蒸腾作用散失到大气中 ,仅有极少部分被植物吸收储存于细胞中 ,用于各种代谢活动或其他过程。植物体表面水分的直接蒸发 物理过程 和从气孔、皮孔进行的蒸腾作用生理过程 构成了植物水分利用的两个主要过程 ,正是由于植物的这两个水分利用过程使得植物在不断地从根部将水分运输到叶片的同时也将从土壤中吸收的植物生活所必需的矿物质带到了植物体的各个部位。蒸腾作用还与光合作用息息相关 ,因此研究植物的水分利用尤其是蒸腾作用对于了解植物的生命活动过程及植物与环境之间相互作用的生态关系至关重要。
2国内外研究现状
在自然界,土壤-植物-大气连续体构成的水流路径中,树干液流量制约着树冠的蒸腾量。植物耗土壤-植物水分循环中最为重要环节, ,而水资源缺乏已经成为当今全球日益突出的问题,在水资源规划与需水量计算上,更需要林分水平的耗水信息。这有2种方法来实现:一是直接测定,如利用微气象手段来获得林分水平的水分耗散,林地蒸散通常包括灌木、树木蒸腾和土面蒸发,很难分清树木的准确蒸腾量;二是由单木进行推导,即空间尺度扩大。要进度扩大,面临的一个非常关键的问题就是:如何将有限的几株单木的水分测定推算到整个林分的耗水量人做过很多尝试,Ladefoged(1963)利用单木液流量与冠幅、单木面积(胸径处的横
截面积)之间的关系进算,但是发现它们之间的相关性不显著; Cermark等(1987)利用液流量与树干基部面积之间的关系估算耗水,也没有发现很强的相关性。Werk(1988)利用叶面积进行估算,同样未获成功。Hatton等(1990)利木占地面积推算林分的耗水,这种方法与利用微气象法测定的结果比较一致。Grier等(1977)利用边材与液流之间的关系进行推算,获得了较为可信的结果。Hatton等(1995)认为,木质部输导断面积、叶面径和基于生态地域理论的单木占地都是比较理想的空间推导纯量,叶面积是实现单木到林分耗水尺度最为可信的变量,并且提出了非线性关系的理论模型来反映液流量和叶面积的关系。Hatton等(1995一步推导出胸径这样易于准确测定,并且与叶面积、边材面积等相比具有较小误差的纯量,而且胸径与之间的相关性也比较高。根据Hatton的研究,边材面积与蒸腾量之间、胸径与蒸腾量之间均为线性关系国在这方面的研究起步较晚,马李一等(2001)对油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)单林分耗水转换进行了初步研究;翟洪波等(2004)通过标准比导率推算了油松、栓皮栎(Quercus variabilis林的耗水量。（张小由 康尔泗 司建华 周茂先---胡杨蒸腾耗水的单木测定与林分转换研究---林业科学）测定蒸腾的方法有风调室法、稳态气孔计法、光合测定系统、称重法、同位素示踪法等,不同测定方法的测定结果并不一致。进入20世纪90年代以来,随着热脉冲技术的日益完善,这一技术逐渐被应用到树木的蒸腾耗水上来。，在后来国内外专家逐渐采用热扩散探针法来研究树木的蒸腾作用。热扩散技术是在基本保持树木自然生活状态不变的条件下,将微型热电偶传感器插入边材木质部中,根据电热转换和能量平衡原理测定树干边材液流的运移速率(Lintonet al.,1998),进而利用被测部位的边材横断面积求得单木整株液流量(Granieret al.,1994;Wullschlegeret al.,1998;马履一等,2002)。因为这种方法简便易行、测量精度高,所以国内外越来越多的学者投入到边材液流的研究中(王瑞辉等,2006)(樊 敏 马履一 王瑞辉----刺槐春夏季树干液流变化规律----林业科学)
3植物蒸腾作用的主要研究方法
3.1 风调室法 （ventilatedchambermethod）
风调室法最早是由 Greenwood 等 1979 年应用 ,是将选定的样地置于一个透明的风调室内 ,通过测定进出风调室气体的水汽含量差以及室内的水汽增量来计算蒸散量 。该法不能在大面积上应用 ,而且室内的各项环境指标尤其是水蒸气压亏缺不同于自然状态 ;通过该法所得到的结果只代表蒸散的绝对值 ,不能代表实际情况 ,极大地限制了该方法的应用。
3.2 稳态气孔计法( LI-1600Steady state porometermethod )
该方法使用 LI21600 稳态气孔计测定叶室条件下的蒸腾速率。将测定时环境相对湿度设定为仪器叶室的平衡湿度 , 用通入干燥空气的方法保持叶室相对湿度的稳态 ,选树冠中层正常生长的叶片夹入叶室 ,分别测定上、下两个表面的蒸腾速率 ,两者之和即为叶的蒸腾速率 ,重复 n 次 ,用平均蒸腾速率与树冠叶面积换算树冠蒸腾耗水量 。公式为:
Tr =(ρc-ρa)F/A
式中, Tr 为蒸腾量; ρc为叶室水汽密度; ρa为干空气水汽密度; F为干空气流量; A 为叶面积 。气孔计法操作方便 ,精度高 ,可进行不离体无损伤测定 ,适用于室内外不同树种、不同处理、不同时空的蒸腾比较研究 ,还可用于同一叶的上、下两个表面蒸腾的比较 。但由于估计蒸腾有效叶面积时存在很大误差 ,叶室内的环境也不同于自然环境 ,因此不是最理想的选择。
3.3 称重法（ weighingmethod ）
称重法分为整体称重法和离体称重法 ,顾名思义 ,整体称重法就是将植物的整株进行称重 ,离体称重法是从植物体上剪下某一部位进行称重 ,通常剪取叶片或小枝进行研究。通过比较间隔一定时间 n 次重复称重结果 ,分析得出植物的蒸腾速率 。陆光明等 在研究林-果-农复合系统中乔木蒸腾作用时运用离体称重法并用以下公式进行计算:
Et =(W1 – W2) ×60/W1*称重间重间隔时( 分)
式中, Et( g /h )为蒸腾速率; W1 为第1次称重值; W 为第2次称重值;称重间隔时间为3 min左右。该方法测定蒸腾耗水量 ,因其投资较少 ,简便易行 ,且有一定准确性 ,故目前仍有学者应用 ,但该方法只能进行间断测定 ,对植物的伤害也较大 。运用离体称重法时叶片离体失水后蒸腾迅速下降 ,使测值通常偏低。此外 ,该方法只在便于计算或估算叶片数量和蒸腾有效叶面积时适用 ,由于高大乔木的蒸腾有效叶面积很难估算 ,故该方法具一定的局限。
3.4 热脉冲法 （heat pulsevelocitymethod）
热脉冲法 HPV 最早由德国的植物生理学家 Huber于 1932 年首次用于测量木质部液流速率 ,是在树干上间隔一定距离各装三个探针 ,其中上下两个探针是热敏探头 ,中间是热脉冲发生器加热丝。其原理是用热脉冲加热树液 ,上下两个探针测定温度变化 ,并转换为液流速率 ,断面流速再积分成为断面流量 。热脉冲法能基本保持树木的自然生活状态不变而获得对树木蒸腾指标的度量 ,曾被 Zimmerman 称
为“最美妙的测定液流速率的方法” ,但该方法在液流量比较小时测得的结果误差较大 ,热脉冲探针价格也较昂贵 ,未见是最佳的方法。
3.5热扩散式液流探针法
3.5.1热扩散式液流探针（TDP）的原理
热扩散式探针法的原理是:由于树干的边材部分是树木水分运输的通道 ,因此边材部分的水分流量即可看作是整树蒸腾耗水的量。Cohen 等研究表明 ,应用茎流（ sapflow） 技术测定的蒸腾耗水量相当于树木实际的蒸腾耗水量。恒定供热给插入树干边材的探针 ,由于树干液流的向上运输 ,会将部分热量带走 ,在加热探针下方的同一垂直线上间隔一定距离安装一参照探针(不加热） ,两探针与数据自动采集仪相连 ,输出结果为两探针间的温差电势。温差与树干液流密度 (sap flux densty) 相关 ,Granier 给出了一个树干液流密度
与最大温差和瞬时温差关系的标定方程:Js =119 *1000000*[(ΔTm-ΔT)/ ΔT]1.231( 式中 , Tm 是探针测到的昼夜最大温差; ΔT 是探针测到的瞬时温差;Js 为瞬时液流密度（ gH O·m-2 ·s-1）） ,由此可计算树干液流密度。因此通过分析两探针间的温差数据和边材面积即可得树干液流量。该方法是将电能转换为热能 ,然后以温差电势形式输出 ,属于间接测定法中的热平衡法。它的热敏探头感应的是沿探针长度上的温度的平均值 ,这就克服了植物维管组织结构引起的误差。
3.5.2热扩散式液流探针法的优点
①不仅可以灵敏反应瞬时蒸腾量 ,还可以进行长期连续观测 ,能较好的满足蒸腾作用研究的要求;②数据采集具有准确和稳定的特点 ,由于可以连续不间断地读取数据 ,数据具有系统性; ③该法还具有系统误差小 ,操作简便等优点 ,置于野外定期获取数据即可; ④热扩散式探针的价格远低于热脉冲探针的价格 ,较为经济; ⑤该方法在树干钻取小洞 ,不会伤害到树木的生长 ,无破坏性; ⑥该法在树干液流量较小时也能准确测定液流密度 ,优于热脉冲法。
4 实验计划
4.1边材面积的测定
边材面积的确定边材面积是计算液流及蒸腾的关键参数。本试验采用最普遍的方法即生长锥法测定边材厚度，对于灌木则直接用锯子于其地径处锯断，观察量取其边材厚度，进而计算边材面积，为了消除生长锥伤害对标准木的影响，本试验采用标准曲线法，选取标准木外其它单株10棵，用生长锥来获取完整长芯，建立胸径-边材宽度标准曲线，由样木胸径进一步计算出其边材面积。
4.2树干液流的测定
4.2.1树种之间的耗水特征比较
本试验采用热扩散式液流探针（TDP）对试验材料进行测定，首先选取树干通直,生长良好,无病虫害的各树种的三棵,用罗盘选定样树的正南方向，并于乔木树种的树干的胸高处 （约1.3m高处），灌木树种的地径处， 上下垂直，在两点相距（约10～15cm） 间削去一小片树皮，大小便于探针插入即可 (注意不伤到边材 ,有树皮或伤到韧皮部都会影响到数
据的准确度) 。然后用直径为2.5mm的钻头依靠打孔板于乔木钻30mm深 , 于灌木钻10mm深，分别插入30探针和10探针，为避免自然环境的影响 ,每组探针外用大小合适的泡沫盒子罩上，然后与数据采集器和电源连接，并设置每10min进行平均并储存数据。并于实验地附近空旷处安装自动气象站进行同步监测,从而讨论树干液流与环境因子的关系,用spss软件拟合出各树种树干液流与各环境因子的回归方程.结合气象因子比较各树种之间的耗水特性.
4.2.2 同一树种不同方位液流的比较
选取一树种按同样的方法于树干的东南西北四个方向安装探针,比较不同方位的树干液流之间的差异.调查该树的冠形,根系分布等,对不同方位树干液流之间差异作出合理的解释.
4.2.3 不同水分梯度下树干液流的研究
选取同一树种的8棵树(梨树)的南侧安装探针,要求胸径相差不大,生长情况相差不大,选取两棵作对照,其余6棵以人工灌溉的方式采采取三个不同梯度,分别为全灌(灌透),2/3全灌,1/3全灌.用TDR测量其根系深度的土壤含水量.测定该8棵树的果实产量,并进行分析,评定出最适灌水量.
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