全 文 ：基于侧柏蒸腾量分析 Granier经验公式的测量精度*
刘庆新1 摇 孟摇 平1,2**摇 张劲松1,2 摇 高摇 峻1,2 摇 孙守家1,2 摇 贾长荣3
( 1中国林业科学研究院林业研究所, 北京 100091; 2国家林业局林木培育重点实验室, 北京 100091; 3济源市国有大沟河林
场, 河南济源 454650)
摘摇 要摇 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.
关键词摇 热扩散法摇 整树称重法摇 液流摇 侧柏
文章编号摇 1001-9332(2012)06-1490-05摇 中图分类号摇 S715. 4摇 文献标识码摇 A
Measurement accuracy of Granier calibration based on transpiration of Platycladus oriental鄄
is. LIU Qing鄄xin1,MENG Ping1,2, ZHANG Jin鄄song1,2, GAO Jun1,2, SUN Shou鄄jia1,2, JIA Chang鄄
rong3 ( 1Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2Key
Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration Beijing 10091, China;
3Dagouhe National Forest Farm, Jiyuan 454650, Henan, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23
(6): 1490-1494.
Abstract: In order to understand the accuracy of Granier爷s thermal dissipation method in measur鄄
ing tree water consumption, a comparative study was made from May to June, 2010. The sap flow
density of potted Platycladus orientalis was measured with thermal dissipation probe, which was
compared with the whole鄄plant gravimetric measurement. There were significant linear relationships
(R2>0. 825) between the sap flow velocity in both north and south directions of P. orientalis meas鄄
ured by thermal dissipation probe and the transpiration rate measured by gravimetric method. The
average daily sap flux in the north and south directions of P. orientalis were 10. 6% and 15. 1%
lower than the daily average transpiration of P. orientalis, respectively, but the differences were not
significant. Therefore, Granier爷 s method had high reliability in the measurement of P. orientalis
transpiration at daily scale, though the large temperature fluctuation between day and night could
result in a lower daily sap flux than daily transpiration.
Key words: thermal dissipation method; whole鄄tree weighing method; sap flow; Platycladus orien鄄
talis.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD38B06)和国家林业局
林业科技创新平台项目(2012鄄LYPT鄄DW鄄004)资助.
**通讯作者. E鄄mail: mengping@ caf. ac. cn
2011鄄11鄄24 收稿,2012鄄03鄄13 接受.
摇 摇 目前,热扩散方法已经被广泛应用于树木蒸腾
量的定量评价. 但研究表明,热扩散方法的技术本
身,以及测定值与蒸腾真实值之间存在着潜在误
差[1],如采用 Granier 经验公式计算树木的液流
量[2-3],树干液流存在的径向[4]、方位[5]、轴向[6-7]
变异,自然环境的温差[8],以及边材面积的确定[9]
等因素都会影响其测量结果.因此,一些学者以整树
盆栽称重法作为对照,分析了 Granier热扩散方法测
量树木液流量的精度. Mcculloh 等[10]对 3 ~ 4 年生
的 Pseudobombax septenatum 和 Calophylum longifoli鄄
um研究表明,两个树种的日液流量与日蒸腾量的平
均值相差小于 3% ;Lu 等[11] 对 2 年生的芒果树
(Mangifera indica)研究表明,该树种的日流量与日
蒸腾量相差 5% ;香蕉树(Musa paradisiaca)幼苗的
日夜流量与日蒸腾量具有良好的线性关系(R2 =
0郾 92) [12],两者平均相差 4% [13];而 6 年生大叶女贞
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 6 月摇 第 23 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2012,23(6): 1490-1494
树(Ligustrum lucidum)的日液流量与日蒸腾量的平
均相对误差则达到 8郾 7% [14] . 以上研究结果均表
明,采用热扩散法测定热带树种及阔叶树种的日蒸
腾耗水量具有一定的可靠性.然而,由于选择的试验
树种林龄较小,其结果可能具有一定的局限性.
侧柏(Platycladus orientalis)是现今应用最广泛
的园林绿化针叶树种之一,具有喜光、耐干旱、耐瘠
薄等特点.目前,采用 Granier 热扩散法测量侧柏液
流量的精度还没有相关文献报道. 本文采用热扩散
法对盆栽侧柏南、北两个方位的树干液流进行测定,
同时以称重法作为对照,分析 Granier热扩散法测量
侧柏蒸腾耗水量的精度,旨在为利用此方法更加精
确地测定单株树木及林分蒸腾耗水量提供理论依
据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验地点位于河南省济源市境内的黄河小浪底
森林生态系统定位研究站(35毅01忆 N,112毅28忆 E),
地处太行山南麓,黄河流域北缘.该地区属暖温带大
陆性季风气候,年均气温 14郾 3 益,极端最高气温
43郾 4 益,极端最低气温-20郾 0 益,多年平均降水量
641郾 7 mm,其中 6—9 月降水占全年降水量的
68郾 3% ,多年平均日照时数为 2367郾 7 h.土壤以石灰
岩风化母质淋溶性褐色土和棕壤土为主,土层厚度
为 50 ~ 80 cm.乔木以侧柏、栓皮栎(Quercus variabi鄄
lis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)为主,灌木以荆条
( Vitex negundo var郾 heterophylla )、 小 花 扁 担 杆
(Grewia biloba var郾 parviflora)和酸枣(Ziziphus jujuba
var郾 spinosa)为主, 草本植物以三穗苔草(Carex tris鄄
tachya)、风毛菊(Saussurea japonica)、太行菊(Opis鄄
thopappus taihangensis)等为主.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 供试材料摇 2009 年 3 月,在试验区的南山上
选择生长于相同立地条件的 15 年生侧柏 10 株,分
别移栽于研究站内圆形铁桶( r = 30 cm,h = 50 cm)
中,保持侧柏原有朝向不变,采取灌溉措施保障其成
活. 2010 年 5—6 月,先后挑选生长良好的 3 株侧柏
进行试验.每株侧柏在测定前 8 h 进行充分灌水,然
后用透明的塑料布将铁桶严密包裹,防止桶内土面
蒸发.并将其放置于精度为 2 g 无顶玻璃罩内的
MIS2 型电子天平(Sartorius,Germany)上,利用热扩
散法和称重法同步测量其蒸腾量. 无顶玻璃罩由钢
架结构和透明玻璃构建成等边六菱形(边长 1郾 2 m、
高 4郾 5 m),每个玻璃面上间隔 25 cm打半径为 1 cm
的圆形孔,以利于微风通过,降低罩内温、湿度.侧柏
的基本特征如表 1 所示.
1郾 2郾 2 树干液流与称重测量摇 距离桶内土面 20 cm
处, 分别刮掉侧柏南、北两个方位 2 cm伊5 cm 区域
的树皮,使用配套钻头在上、下间隔 5 cm 处垂直树
干打 2 个深为 10 mm的圆孔,插入涂抹硅胶的长度
为 10 mm的热扩散探针(Dynamax,USA),用专用塑
料泡沫固定好探针尾部,最后用防辐射铝铂包裹整
个外部,防止太阳照射引起探针测量误差.将探针与
CR10X数据采集器(Campbell Scientific Inc郾 ,USA)
连接,2 min采集 1 次数据,每 10 min 输出 1 组温差
平均值.利用下式分别计算侧柏树干液流通量密度
( Fd, cm3 · cm-2 · h-1 ) 和 液 流 速 率 ( Fs,
kg·h-1) [15-16]:
Fd = 0郾 0119 伊 {(驻Tmax-驻T) / 驻T} 1郾 231伊 3600
(1)
Fs =Fd伊 As伊 1000 (2)
式中:驻T为某时刻温差值(益),驻Tmax为 1 日内最大
温差值(益);As为边材面积(cm2).
每天 7:00—19:00 期间,每整时记录天平数据,
进而计算侧柏的蒸腾速率及蒸腾量. 去除降水和大
风天气对天平测量影响的日数,保证每株侧柏的测
量时间为 7 d.
1郾 2郾 3 边材面积测定 摇 试验结束后,截取包括探针
测定部位在内的长 20 cm 的侧柏树干,刮掉树干近
地端处 5 cm宽度环形树皮,用密封胶带紧密缠绕去
表 1摇 样木的基本特征
Table 1摇 Basic characteristics of sample trees (mean依SE)
样木
Sample
tree
测定日期
Detection
period
林龄
Stand age
(a)
树高
Height
(m)
第一侧枝高
First lateral
branch height
(cm)
冠幅
Crown
width
(m)
基径
Basal
diameter
(cm)
边材面积
Sapwood
area
(cm2)
1 05郾 10—05郾 20 15 4郾 14 42郾 7 1郾 12伊0郾 89 4郾 4 9郾 18依0郾 05
2 06郾 05—06郾 11 15 3郾 74 40郾 5 0郾 99伊0郾 81 3郾 8 8郾 14依0郾 03
3 06郾 20—06郾 28 15 4郾 34 51郾 2 1郾 15伊1郾 08 4郾 6 9郾 84依0郾 06
19416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘庆新等: 基于侧柏蒸腾量分析 Granier经验公式的测量精度摇 摇 摇 摇 摇 摇
皮部位.然后用 1 m 长的塑料软管套住垂直向上的
树干近地端,将浓度为 0郾 1%的番红溶液注入软管,
在重力作用下,溶液从树干另一端流出. 8 h 后,截
取加热探针处的木盘,根据染色程度,利用游标卡尺
读取边材半径,计算出侧柏的边材面积(表 1).
1郾 3摇 数据处理
利用 SPSS 17郾 0 统计软件分别对侧柏液流速率
与蒸腾速率、日液流量与日蒸腾量进行 Pearson相关
分析和单因素方差分析(one鄄way ANOVA),显著性
水平设定为 琢=0郾 05.文中数据均采用平均值依标准
误表示.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 小时尺度上侧柏树干液流速率与蒸速率的比较
由图 1 可以看出,3 株侧柏南向和北向的树干
液流速率与蒸腾速率具有很好的线性关系. 相关分
析也表明,侧柏南、北两个方向的树干液流速率与蒸
腾速率具有极显著正相关关系(P<0郾 01),其相关系
数分别为 0郾 919 和 0郾 909.这说明侧柏南、北两个方
位的树干液流速率和蒸腾速率在小时尺度上具有很
好的趋同性.
摇 摇 本文主要分析不受天气影响而连续 7 天观测的
第 2 株侧柏的液流数据(图 2).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
测定的蒸腾速率具有相似的变化趋势. 6 月 5—11
日,侧柏南、北两个方位的树干平均液流速率
[(0郾 126依0郾 065)和(0郾 110依0郾 058) kg·h-1]分别
比平均蒸腾速率(0郾 138依0郾 082) kg·h-1低 9郾 5%和
25郾 4% .其中,7:00—10:00 期间,南、北两个方位的
平均液流速率与平均蒸腾速率分别相差 28郾 3%
和 33郾 1% ;11:00—14:00期间分别相差 9郾 8% 和
图 1摇 侧柏不同方位液流速率与蒸腾速率的关系
Fig. 1摇 Relationship between sap flow velocity and transpiration
rate in different directions of Platycladus orientalis (n=252)郾
玉:南向 South;域:北向 North郾 下同 The same below郾
图 2摇 侧柏不同方位液流速率与蒸腾速率的变化
Fig. 2 摇 Variation between sap flow velocity and transpiration
rate in different directions of Platycladus orientalis郾
芋:蒸腾速率 Transpiration郾 下同 The same below郾
14郾 5% ;15: 00—18: 00 期间分别相差 19郾 9% 和
27郾 2% .与上、下午时段相比, 中午时段侧柏南、北
两个方位的树干液流速率更接近于树木的蒸腾速
率.
2郾 2摇 日尺度上侧柏树干液流量与蒸腾量的比较
由图 2 可知,侧柏南、北两个方位的树干液流速
率均滞后于蒸腾速率.方差分析结果表明,每株侧柏
南向的树干液流速率与蒸腾速率均未达到显著差
异,而北向液流速率与蒸腾速率均达到显著水平.这
说明侧柏北向的树干液流速率较南向更加滞后于蒸
腾速率.
为消除液流速率与蒸腾速率在小时尺度上的差
异,进而对侧柏的日液流量与日蒸腾量的关系进行
分析,以便更好地揭示热扩散法测定侧柏蒸腾耗水
量在日尺度上的准确性.侧柏南、北两个方位的树干
日液流量与日蒸腾量的变化趋于一致(图 3). 侧柏
南、北两个方位的树干日液流量与日蒸腾量均有极
显著正相关关系 (P < 0郾 01),其相关系数分别为
0郾 985和0郾 970(n = 21) . 3株侧柏南、北两个方位的
图 3摇 侧柏日液流量与日蒸腾量的变化
Fig. 3摇 Trends in daily sap flux and daily transpiration of Platy鄄
cladus orientalis郾
2941 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 4摇 侧柏日液流量与日蒸腾量的关系
Fig. 4摇 Relationship between daily sap flux and daily transpira鄄
tion of Platycladus orientalis (n=21)郾
树干日液流量平均值[(1郾 590 依0郾 601)和(1郾 503 依
0郾 573) kg·d-1]分别比日蒸腾量的平均值(1郾 795依
0郾 718) kg·d-1)低 10郾 6%和 15郾 1% . 方差分析表
明,侧柏南、北两个方位的树干日液流量与日蒸腾量
均未达到显著水平.当日蒸腾量小于 1郾 000 kg·d-1
(4 d),侧柏南、北两个方位的树干日液流量与日蒸
腾量分别相差 8郾 9%和 10郾 0% ;日蒸腾量在 1郾 000 ~
2郾 000 kg·d-1之间(8 d),二者分别相差 9郾 9%和
13郾 0% ;日蒸腾量大于 2郾 000 kg·d-1(9 d),二者分
别相差 11郾 0%和 19郾 0% (图 4).这说明随着耗水量
的增加,侧柏树干的液流量与蒸腾量在日尺度上的
差异逐渐增大.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 侧柏液流速率滞后蒸腾速率的原因
研究表明,侧柏与香蕉树[13]、大叶女贞树[14]的
树干液流速率都滞后于蒸腾速率.太阳辐射、水汽压
亏缺等是驱动树干液流流动的主要气象因子[17-18] 郾
由于树干液流速率相对于太阳辐射等气象因子存在
明显的“滞后冶效应[19-21],从而导致侧柏液流速率滞
后于蒸腾速率.
由图 5 可以看出,侧柏南、北两个方位的树干液
流通量密度具有明显的一致性,但北向树干液流通
量密度小于南向,这也是北向树干液流速率更加滞
后于蒸腾速率的原因. 基于侧柏南向的树干液流速
率比北向更接近于蒸腾速率,且考虑到节约成本,建
议在被测样木树干的南向安装热扩散探针.
3郾 2摇 侧柏日液流量的测量精度
本研究表明,侧柏南、北两个方位的树干日液流
量与日蒸腾量的平均值分别相差 10郾 6%和 15郾 1% ,
而 Pseudobombax septenatum[10]、Calophylum longifoli鄄
um[10] 、芒果树[11] 、香蕉树[12-13]和大叶女贞树[14]的
图 5摇 侧柏液流通量密度的日变化
Fig. 5摇 Diurnal variation of sap flow density of Platycladus ori鄄
entalis郾
日液流量与日蒸腾量差值均小于 10% ,可能是由于
树种的木材结构不同造成的. 然而,侧柏南、北两个
方位的树干日液流量与日蒸腾量均未达到显著差
异,说明应用热扩散法测定侧柏的液流量在日尺度
上具有一定的可靠性. Bush 等[22]对两个针叶树种
(Populus fremontii和 Tilia cordata)的离体树干研究
表明,热扩散法与称重法测定的液流量几乎一致.基
于本文的研究结果,建议在测定样树南向树干液流
量的基础上,除以本文分析得到的平均差值即可得
到准确的侧柏蒸腾量.
3郾 3摇 侧柏日液流量低于日蒸腾量的原因
研究表明,侧柏的日液流量总是低于其日蒸腾
量,可能是由以下原因造成的:1)热扩散探针插在
树干边材的瑕疵(树结)部位,造成无液流通过或者
液流很少通过,导致液流量较小,但探针测定部位树
干边材染色均匀;2)染色显示边材厚度[(16郾 70 依
0郾 08) mm大于探针长度(10 mm),但当探针长度为
边材厚度的 1 / 2 时,液流通量密度的测定误差不超
过 6% [23];3)如果侧柏在晚间蒸腾较大,驻Tmax比液
流为零时的值低,也将导致液流量被低估,但称重法
测定结果表明,侧柏晚间平均蒸腾量仅占全天蒸腾
量的 4郾 3% ;4)由于昼夜交替和季节的变化,树干的
自然温差变化范围在 0郾 3 ~ 3郾 5 益,造成树木液流量
的测量误差在 100%以上[24] . 试验期间的平均昼夜
温差为(13郾 72依3郾 13) 益,势必影响侧柏树干的自
然温差.侧柏南、北两个方位的日液流量与日蒸腾量
差值为昼夜温差小于 10郾 0 益(9郾 0%和 11郾 7% ),比
昼夜温差大于 10郾 0 益(11郾 0%和 16郾 2% )时分别小
22郾 7%和 31郾 7%郾 由此可知,昼夜温差较大是侧柏
日液流量小于日蒸腾量的主要原因.因此,在昼夜温
差较大的季节,可以采取间歇循环加热方式[8,24]来
提高热扩散法的测量精度.
39416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘庆新等: 基于侧柏蒸腾量分析 Granier经验公式的测量精度摇 摇 摇 摇 摇 摇
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作者简介摇 刘庆新,男,1982 年生,博士研究生.主要从事农
林复合生态系统及小流域水土保持研究. E鄄mail: liuqingx鄄
in666@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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