全 文 ：湖 北 农 业 科 学 2016 年
收稿日期：2015－07－10
基金项目：国家自然科学基金资助项目（41271236）；陕西省多河流湿地生态环境重点实验室开放基金项目（SXSD1411）；渭南师范学院横向项目
（2015SYH002）
作者简介：谢恒星（1981－），男，山东兖州人，副教授，博士，主要从事节水灌溉理论与新技术研究，（电话）18792323607（电子信箱）xiehengxing＠126．com。
第 55卷第 8 期
2016年 4 月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol． 55 No.7
Apr.，2016
2
1
1
Jan
11期
6
Vol． 5 No.1
u .
树干液流是指蒸腾在植物体内引起的上升流，
根部吸收的水分有 99．8％以上消耗在蒸腾上 ［1］，因
此，通过精确测定液流量，可以基本确定植株的蒸
腾失水量。蒸腾在土壤－植物－大气连续体（SPAC）水
热传输过程中占有极为重要的地位， 一直是农学、
林学、气象学、水文学、生态学等相关学科及领域共
同关注的重要课题之一［2］。长期以来，林木耗水性研
究一直停留在由单叶或单枝蒸腾作用向单株乃至
整个林分群体蒸散耗水扩展的传统方法上，测定结
果与真值偏差严重，难以在实际当中应用［3－5］。 基于
热平衡理论的热脉冲法（Heat pulse velocity）和热
扩散法（Thermal dissipation method）是在基本保持
树木自然生长状态下测定植株的蒸腾量，具有连续
观测、时间分辨率高、不破坏植被、野外操作方便等
优点，在国内外得到广泛的应用［6－8］。 但以往对树木
液流的研究多是用插针式探头， 需先在树干上打
孔，因而对树木有一定的损伤，且存在探针插入树
干深度、方向、由单位面积液流量向整株树木液流
量转换误差等问题，测量精度受到一定的影响［6－10］。
包裹式茎流计探针安装时无需在树干上打孔，
不破坏树木的自然生长状态，比插针式茎流计测量
精度更高。 为此，本文应用包裹式茎流计测量了鲁
东大学校内一株典型龙爪槐（Sophora japonica）几
个时期内的液流速率，并同步观测了微环境气象因
基于通径分析的龙爪槐液流预测模型研究
谢恒星 1，张振华 2，李俊燕 1
（1．陕西省多河流湿地生态环境重点实验室，陕西 渭南 714099；2．鲁东大学地理与规划学院，山东 烟台 264025）
摘要：利用 DYNAGAGE 包裹式茎流测量系统和 MONITOR 自动气象站测量了鲁东大学校内一株典型龙
爪槐（Sophora japonica）的液流速率和微环境气象条件，对所得数据进行通径分析，得到了龙爪槐的液流
速率回归预测模型，并对预测结果进行了分析。 结果表明，在充分供水条件下，太阳总辐射量、光合有效
辐射量和大气温度是影响龙爪槐液流的主要气象因子；预测模型的精度随距离参照日期的延长而降低，
预测模型的精度在 17：00 之后显著降低。
关键词：龙爪槐（Sophora japonica）；液流速率；气象因子；通径分析；预测模型
中图分类号：S792．26；S715．4 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2016）11－2834-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.030
Research on Forecasting Model of Chinese Pagoda Tree Sap Flow Based on Path Analysis
XIE Heng－xing1， ZHANG Zhen－hua2， LI Jun-yan1
（1． Key Laboratory for Eco－environment of Multi－river Wetlands in Shaanxi Province， Weinan 714099， Shaanxi， China；
2． College of Geography and Planning， Ludong University， Yantai 264025， Shandong， China）
Abstract： DYNAGAGE packaged sap flow measuring system and MONITOR auto weather station were applied to measure the
sap flow velocity and micro－environmental meteorological condition of a typical Chinese pagoda tree in Ludong university． Path
analysis was conducted for the obtained data， and the regressive forecasting model was put forward， then the forecasting re-
sults was analyzed． Results showed that， in the water full－supplied condition， total solar radiation， photosynthesis available
radiation and air temperature were the main meteorological factors affecting the sap flow of Chinese pagoda tree； the precision
of forecasting model decreased with the extend of period from compared date， and it decreased significantly after 17：00．
Key words：Chinese pagoda tree（Sophora japonica）； sap flow velocity； meteorological factors； path analysis； forecasting model
第 11 期
子， 分析了龙爪槐的液流变化及与太阳总辐射量、
光合有效辐射量、空气温度、空气湿度和风速等气
象因子的关系，应用通径分析筛选出几个主要液流
影响因子，建立回归模型，比较了不同时期预测模
型的精度。
1 材料及方法
1．1 材料
在鲁东大学校园内选择长势良好， 树干通直，
冠幅适中，树皮光滑，无病虫害的一株龙爪槐作为
被试验树木。 龙爪槐为 3a 树种，胸径 5．5 cm，树高
2．7 m，树冠 2．5 m×2．3 m。
1．2 方法
在所选样木的胸高（1．3 m）处安装仪器，以避免
近地处冷液流的影响。 在光滑的茎段上用小刀将树
干外的死树皮刮去， 再用细砂纸将其打磨光滑，涂
上一层很薄的硅胶树脂（G4型），防止水分顺树干进
入测定部分或者水气的液化，保护探头不受损伤和
与树干粘连。 然后用“O”形环将探头的上下两头密
封严实，为了防止太阳辐射对探头的影响，在安装
好探头后再在探头的外层包裹上 3层铝箔。 探头通
过 SF2－135 数据转换器与数据采集器（CHANNEL
DATA LOGGER）连接，利用 12 V 铅蓄电池给数据
采集器供电。 在距样木 3 m的空地上安置自动气象
站，自动气象站可同步观测太阳总辐射量（x1，W ／ m2）、
光合有效辐射量（x2，mMol ／ s）、空气温度（x3，℃）、空
气湿度（x4，％）和风速（x5，m ／ s）等气象因子。 由于是
在充分供水的条件下测定龙爪槐树干液流，土壤水
分不是树木茎流的制约条件，因此土壤水分状况不
予考虑。 自动气象站和茎流计数据采样间隔均为
15 s，每 10 min计算平均值并记录下来。由于晴天的
液流数据更具代表性，因此分析所用数据均取自晴
天的液流和气象数据。
2 结果与分析
2．1 龙爪槐液流速率日进程分析
液流速率是植物蒸腾大小的反映，而蒸腾大小
又受到叶片气孔开度的影响，辐射、湿度和风速等
环境因素均会影响到气孔开度，从而导致液流速率
的改变， 这种变化在夏日的晴天表现最为明显。
2005年 8月 20-21日两个连续晴天的龙爪槐液流日
进程如图 1。 由图 1 可知，在晴朗的夏日，龙爪槐液
流速率日进程表现为白天波动比较大，呈现多峰曲
线形式，夜间数值比较低且相对平稳。 树干液流从
7：00 左右开始启动，启动时液流速率约为 230 g ／ h，
8：00 左右开始迅速上升，8：40 达到一天当中的最
大值 4 200 g ／ h， 随后液流速率在 4 000 g ／ h左右波
动。11：10出现午间的一个波谷值 2 900 g ／ h，液流速
率低值时间一直持续到 13：00， 之后出现另一个波
峰值 3 800 g ／ h，随后树干液流呈现波动下降，17：10
开始迅速降低，19：10 开始缓慢下降，20：00 左右降
低到一个相对稳定值 125 g ／ h，随后液流速率稳定在
这一较低值附近。
2．2 龙爪槐液流日进程与气象因子的关系
液流速率的改变受到诸多环境因素的影响，且
环境因子之间也存在较复杂的关系， 太阳辐射、大
气温度和湿度以及风速往往是影响液流变化的主
要原因［2］。一般来说，某项环境因子的剧烈变化会引
起液流的较大波动，分析环境因子和液流的变化趋
势是寻找影响液流变化主要因素的重要手段。 龙爪
槐液流和气象因子的日进程数据统计分析结果如
表 1。
由表 1 可知，液流速率、太阳总辐射量和光合
有效辐射量日进程的变异系数均大于 1．0， 属强变
异；空气湿度和风速变异系数较接近，属中等变异
强度；空气温度变异系数最小，为 0．07，属弱变异强
度。 由于太阳总辐射量和光合有效辐射量日进程与
液流速率的日进程变化均较大，所以对照二者与液
流速率日进程进行了分析，结果如图 2、图 3 所示。
由图 2、图 3 可知，龙爪槐液流速率与太阳总辐射量
表 1 龙爪槐液流及气象因子日进程统计分析结果
项目
液流速率//g/h
太阳总辐射量//W/m2
光合有效辐射量//mMol/s
空气温度//℃
空气湿度//%
风速//m/s
最大值
4 271
1 020
2.58
25.96
96.33
10
最小值
69
9
0.02
20.68
70.34
8.32
变异系数
1.18
1.33
1.36
0.07
0.10
0.82
均值
1 135.49
202.08
0.49
22.55
86.33
2.55
方差
1 799 103.54
72 438.78
0.45
2.72
70.79
4.33
时间
4 500
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
液
流
速
率
//g
/h
图 1 龙爪槐液流速率日进程
21
： 3
0
23
： 4
0
01
： 5
0
04
： 0
0
06
： 1
0
08
： 2
0
11
： 0
0
13
： 1
0
15
： 2
0
17
： 3
0
19
： 4
0
谢恒星等：基于通径分析的龙爪槐液流预测模型研究 2835
湖 北 农 业 科 学 2016 年
2．4 应用预测模型拟合精度比较
为了验证选用太阳总辐射量、光合有效辐射量
和空气温度 3 个环境因子表示龙爪槐液流速率的
普适性， 有必要选取其他时间段的数据进行检验。
由于龙爪槐液流速率夜间较稳定且维持在较低的
水平，白天的变化相对剧烈，故选用 2005 年 8 月 19
日和 9 月 4 日两个典型天气条件下的环境因子代
入公式（1）进行计算，得到龙爪槐液流速率的拟合
值，拟合值与实测值的相对误差结果如图 4。
由图 4 可知，8 月 19 日的液流速率拟合结果较
9 月 4 日的要好，且 1 d 内随着时间的推移，两个时
期拟合效果均逐渐降低。 利用逐步回归的拟合方程
表 3 主要气象因子与龙爪槐液流回归分析结果
变量
常数项
x1
x2
x3
回归系数
-4 200.64
45.49
-16 929.09
197.59
偏相关
0.55
-0.53
0.29
显著水平
0.000 00
0.000 00
0.000 43
标准误
5.85
2 312.86
54.80
t 检验值
7.78
7.32
3.61
表 2 回归分析和通径分析结果
变量
常数项
x1
x2
x3
x4
x5
回归系数
-5 731.33
45.88
17 128.25
246.58
5.50
-11.99
标准误
6.14
2 409.84
132.54
16.26
24.20
t 值
7.47
7.11
1.86
0.34
0.50
显著水平
0.00
0.00
0.06
0.74
0.62
作用因子
x1
x2
x3
直接作用
9.13
8.45
0.24
x1
9.12
8.14
x3
0.22
0.22
回归参数
间接作用
通径系数
x2
-8.445 11
-7.50
和光合有效辐射量日进程变化趋势基本相同，二者
启动时间均在 7：00 左右，7：20 迅速上升，8：00 以
后二者有一个小的下降，随后继续上升，9：40～13：20
上升速率较小且波动较大，14：10 左右开始下降，
18：30下降到一个较低值且在该值附近轻微波动。
2．3 龙爪槐液流速率影响因素的通径分析
为进一步量化龙爪槐液流速率与各气象因子
之间的关系，将所观测到的气象因子与龙爪槐液流
速率进行回归分析，并在此基础上进行逐步回归分
析和通径分析，结果如表 2。
回归分析结果表明， 回归方程的相关系数为
0．94，决定系数为 0．88，回归方程拟合较好。 太阳总
辐射量和光合有效辐射量与龙爪槐液流速率回归
系数达极显著水平，空气温度的回归系数接近显著
水平， 空气湿度和风速的回归系数未达显著水平
（表 2）。进一步的通径分析表明，影响龙爪槐液流速
率的最主要气象因子为太阳总辐射量，其次为光合
有效辐射量，空气温度对液流速率的影响最小。 太
阳总辐射量、光合有效辐射量和空气温度 3 个气象
因子与液流量的多元线性回归方程为：
y＝－4 200．64＋45．49 x1－16 929．09 x2＋197．59 x3
（1）
主要气象因子与龙爪槐液流回归分析结果如
表 3。 由表 3可知，回归方程的回归系数均通过 t检
验，均达到极显著水平，相关系数为 0．94，决定系数
为 0．88，这与通径分析的结果是一致的。
液流速率
太阳总辐射量
图 2 液流速率与太阳总辐射量日进程
时间
4 500
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
液
流
速
率
//g
/h
21
： 3
0
00
： 0
0
02
： 3
0
05
： 0
0
07
： 3
0
10
： 3
0
13
： 0
0
15
： 3
0
18
： 0
0
20
： 3
0
1 200
1 000
800
600
400
200
0
太
阳
总
辐
射
量
//W
/m
2
图 3 液流速率与光合有效辐射量日进程
时间
4 500
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
液
流
速
率
//g
/h
21
： 3
0
00
： 0
0
02
： 3
0
05
： 0
0
07
： 3
0
10
： 3
0
13
： 0
0
15
： 3
0
18
： 0
0
20
： 3
0
液流速率
光合有效
辐射量
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
光
合
有
效
辐
射
量
//m
M
ol
/s
2836
第 11 期
拟合 8 月 19 日和 9 月 4 日的液流速率决定系数分
别是 0．962 5 和 0．856 2，二者拟合效果均较好，但前
者效果要比后者好。 9 月 4 日的液流速率拟合值与
实际值的相对误差波动要明显小于 8 月 19 日的误
差波动， 但 17：00 以后二者的相对误差均明显增
大，拟合效果较低。 这是由于植株的液流速率在土
壤水分充足的条件下受气象因子影响较大，而气象
因子在不同时期是易变的， 时间间隔越远变化越
大，所以利用预测方程拟合较参照时期较近的液流
速率误差相对较小，较远时期的液流速率拟合误差
相对较大。
3 小结
利用美国 DYNAMAX 公司产的 DYNAGAGE
包裹式茎流测量系统测量了鲁东大学校内一株典
型龙爪槐的液流速率， 并利用澳大利亚产 MONI-
TOR自动气象站同步观测了龙爪槐的微环境条件。
通径分析结果表明， 在龙爪槐供水充分的条件下，
太阳总辐射量（x1）、光合有效辐射量（x2）和空气温度
（x3）是影响龙爪槐液流速率的主要气象因子，龙爪
槐液流速率的预测方程为 y＝－4 200．64＋45．49 x1-
16 929．09 x2＋197．59 x3， 利用该方程预测了 8 月 19
日和 9 月 4 日龙爪槐的液流速率， 分析结果表明，
液流速率的预测值随距离参照日期的延长而增大，
且 1 d 内随着时间的推移， 预测误差也有逐渐增大
的趋势。
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图 4 两时期液流速率预测误差
时间
200
150
100
50
0
-50
相
对
误
差
//%
11
： 0
0
11
： 5
0
12
： 4
0
13
： 3
0
14
： 2
0
15
： 1
0
16
： 0
0
16
： 5
0
17
： 4
0
18
： 3
0
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谢恒星等：基于通径分析的龙爪槐液流预测模型研究 2837