馬長(zhǎng)明 張含含 韓 煜 孟慶星 張勁松 馬玉潔

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 保定 071000； 2.保定市自然資源和規(guī)劃局 保定 071000； 3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京 100091)

水分是干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子，對(duì)維持植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。蒸騰是植物耗水的主要途徑，植物蒸騰量的95%以上是通過葉片氣孔完成的。樹木邊材液流是表征樹木蒸騰過程、診斷樹木水分狀況的指標(biāo)(Nadezhdinaetal.， 2015； B?rjaetal.， 2016)，也是估算單木蒸騰量的有效指標(biāo)。因此，監(jiān)測(cè)樹干液流是研究樹木蒸騰的主要手段(李成龍等， 2019)?；跓峒夹g(shù)的熱擴(kuò)散樹干液流測(cè)定法(TDP)因操作簡(jiǎn)單、不受地形和氣候條件等的限制，且時(shí)間分辨率高，廣泛應(yīng)用于單株林木蒸騰測(cè)算及水分利用研究(張婕等， 2019； Tuetal.， 2019； 顧大形等， 2019； Molinaetal.， 2019)，對(duì)精準(zhǔn)測(cè)算楊樹耗水量，進(jìn)一步研究林分SPAC水分傳輸過程、實(shí)施水分精準(zhǔn)管理等具有重要意義。

作為熱擴(kuò)散樹干液流測(cè)定技術(shù)核心內(nèi)容之一的Granier原始公式是依據(jù)花旗松(Pseudotsugamenziesii)、歐洲黑松(Pinusnigra)和英國(guó)櫟(Quercuspedunculata)3個(gè)樹種的校正結(jié)果構(gòu)建形成的(Granier， 1985)，該原始公式在其他樹種的適用性一直是植物生理學(xué)家、生態(tài)學(xué)家等研究的焦點(diǎn)。有部分植物生理學(xué)家發(fā)現(xiàn)熱擴(kuò)散技術(shù)及其Granier原始公式計(jì)算中存在一定問題，計(jì)算值低估或高估了真實(shí)液流速率。如Steppe 等(2012)在對(duì)散孔材大葉山毛櫸(Fagusgrandifolia)樹干液流測(cè)定中發(fā)現(xiàn)用熱擴(kuò)散及Granier原始公式計(jì)算的液流速率對(duì)真實(shí)液流的低估最大可達(dá)60%； Bush等(2010)用離體樹干法分別驗(yàn)證了4種環(huán)孔材和2種散孔材的TDP適用性，表明環(huán)孔材中TDP對(duì)真實(shí)液流速率的低估更大； Sun 等(2012)也發(fā)現(xiàn)TDP對(duì)散孔材的液流低估(34%，55%)高于環(huán)孔材(9%，15%)?？梢?，不同樹種的木材解剖結(jié)構(gòu)能顯著影響TDP的準(zhǔn)確性(Sunetal.， 2012； Luetal.， 2004)，因此，Smith等(1996)建議最好每個(gè)樹種都要用專有參數(shù)校正計(jì)算。但目前采用的校正方法多為離體莖段法，該方法是在正壓下進(jìn)行，和自然條件下樹木體內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)不一致，因而具有一定局限性。

107楊(Populus×euramericanacv.‘74/76’)具有分布廣、面積大、生長(zhǎng)快、周期短、用途廣、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，是我國(guó)主要的人工林樹種，面積約占全國(guó)人工林總面積的20%，是世界其他地區(qū)楊樹人工林面積的4倍，是我國(guó)平原地區(qū)防護(hù)林、速生豐產(chǎn)用材林建設(shè)的首選樹種。本文以107楊為對(duì)象，采用熱擴(kuò)散式液流計(jì)測(cè)定樹干液流，通過室內(nèi)離體莖段式稱重法和野外整樹容器稱重法對(duì)Granier原始公式計(jì)算的液流通量進(jìn)行驗(yàn)證和校正，以便為精準(zhǔn)測(cè)算楊樹速生豐產(chǎn)林的林木耗水和定量灌溉提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 本文室內(nèi)試驗(yàn)在河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)森林培育實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，野外實(shí)驗(yàn)在河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)(38°81′N，115°41′E)進(jìn)行。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫12 ℃，春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥為該地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣鳎晏柨傒椛淞繛?23.56～137.93 kcal·cm-2，無霜期132～213天，多年平均降水量575.9 mm，但時(shí)空分布不均，約80%左右集中在汛期(6—9月)，為雨熱同期。土壤質(zhì)地為壤土。

1.2 樹干液流測(cè)定方法 樹干液流測(cè)定采用熱擴(kuò)散式樹干液流計(jì)，其探針是一種基于熱技術(shù)和原Granier原理設(shè)計(jì)的傳感器，通過測(cè)定2根探針在邊材的溫度差計(jì)算液流速率。按樹干液流校正實(shí)驗(yàn)的要求，選擇被測(cè)樹干個(gè)體，標(biāo)記安裝位點(diǎn)。用美工刀將樹干死皮刮去一片區(qū)域(注意不要損壞韌皮部)。把2孔距離為40 mm的安裝固定模塊放在待測(cè)位置，用微電鉆打孔30 mm，插入TDP-30探針。連接電源(12V、40A鉛酸電池)，設(shè)置間隔時(shí)間10 min，開始測(cè)定。調(diào)試安裝完畢后，在測(cè)定部位安裝防輻射護(hù)罩和O型環(huán)，以保證溫度不受外界影響。

通過液流速率和溫度差之間的關(guān)系，結(jié)合樹木邊材面積(As，cm2)，基于Granier原始公式計(jì)算液流通量密度(Fd, cm3·cm-2s-1)。

Fd=0.011 9K1.231。

(1)

其中，K=(dTM-dT)/dT，dTM為無液流時(shí)探針的最大溫差值(℃)；dT為當(dāng)時(shí)測(cè)定溫差值(℃)。

圖1 離體莖段稱重法測(cè)定示意圖

用生長(zhǎng)錐法測(cè)定樹木邊材面積。為避免傷害樣木而影響樹干液流測(cè)定，在樣木附近選擇不同胸徑的其他樹木15棵，量取胸徑和樹皮厚度后，用生長(zhǎng)錐鉆取樹干木芯，并染色處理，觀察心材和邊材，準(zhǔn)確測(cè)量邊材厚度，以計(jì)算邊材面積。建立樹木胸徑(DBH，cm)與邊材面積(As，cm2)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系方程(As=14.331 DBH-68.457，R2=0.990 9)，并用于計(jì)算每棵樣木的邊材面積。

1.3 樹干液流驗(yàn)證方法 用室內(nèi)離體莖段式稱重法和室外整樹容器稱重法，對(duì)樹干液流速率進(jìn)行驗(yàn)證和校正。

1)室內(nèi)莖段式稱重法 2018年7月5—10日，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)，選取生長(zhǎng)健康、樹干通直、樹冠圓滿，胸徑為7.5～8.5 cm的107楊3株，從樹干中下部截取1 m長(zhǎng)的莖段，及時(shí)將2個(gè)截面用準(zhǔn)備好的濕潤(rùn)紗布包好，外部再用塑料布包裹，以減少莖段的水分散失。將莖段盡快帶回實(shí)驗(yàn)室，揭下塑料布，將莖段在清水中浸泡24 h。

截取一段長(zhǎng)20 cm的莖段，實(shí)測(cè)直徑，截取過程保證兩截面平滑。制作一個(gè)長(zhǎng)1 m的硅膠管，其直徑與莖段下截面直徑尺寸吻合，可以套接到莖段下截面緊實(shí)不易漏液。將硅膠管套接到莖段下截面后，用膠黏劑填充粘合，同時(shí)粘接處用扎帶扎緊，防止水分漏出(圖1)。待膠黏劑干后，將莖段與硅膠管的組合穩(wěn)固到事先備好的鐵架臺(tái)上，將TDP安裝到莖段上(安裝方法同1.2)。

試驗(yàn)前，把橡膠管與馬氏管出水口連接，將馬氏管注滿蒸餾水，硅膠管注入蒸餾水到80 cm的高度，馬氏管與硅膠管之間用橡膠管連接，可以使硅膠管中的蒸餾水高度恒定，莖段出水1 h，并且硅膠管水高度穩(wěn)定后，開始正式實(shí)驗(yàn)。莖段截面下方放置容器，收集莖段流出水分，每10 min稱量1次，利用2次間隔值計(jì)算該期間的樹干液流通量(劉慶新等， 2013)。

2)室外整樹容器稱重法 2018年3月初，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)選擇6棵樹干通直且生長(zhǎng)健康的107楊，移植到特制的大型栽植容器中(直徑100 cm、高90 cm，底部有可控排水孔)，移栽后進(jìn)行合理水肥管理，待生長(zhǎng)穩(wěn)定后，在葉量較多的6月份，選擇生長(zhǎng)狀態(tài)良好、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的3株，進(jìn)行整樹容器稱重實(shí)驗(yàn)(表1)。首先安裝液流計(jì)(安裝方法見1.2)，待測(cè)試穩(wěn)定后，選擇無風(fēng)、晴朗的連續(xù)6天(6月21—26日)，利用大量程天平(品牌： 賽多利斯，型號(hào)： XK3190-A6，量程： 1 000 kg，精度： 20 g)進(jìn)行稱重，稱重時(shí)間6:00—19:00，每60 min稱重1次，稱重法和TDP法測(cè)量同步進(jìn)行。栽植容器周圍使用防輻射膜包裹，防止土壤蒸發(fā)。為避免風(fēng)、受力不均衡等外力影響，稱重時(shí)在自制玻璃房?jī)?nèi)進(jìn)行，且固定栽植容器在天平上的稱重位置(圖2)。2次稱重間隔值為樹木在60 min內(nèi)的蒸騰耗水量，對(duì)應(yīng)值為Granier公式計(jì)算的樹干液流通量。

圖2 整樹容器稱重法測(cè)定示意

表1 樣木的基本生長(zhǎng)特征

1.4 氣象因子測(cè)定 利用小氣候觀測(cè)儀(FSR-4型)測(cè)定太陽輻射強(qiáng)度(Rs，W·m-2)、空氣溫度(Ta，℃)、空氣相對(duì)濕度(RH，%)等，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間與液流計(jì)時(shí)間一致，每10 min記錄一次?？諝怙柡退麎翰?VPD)經(jīng)下式計(jì)算得到：

VPD=0.611e[17.502Ta/(Ta+240.97)](1-RH)。

(2)

式中： VPD為空氣飽和水汽壓差(kPa)；Ta為大氣溫度(℃)； RH為空氣相對(duì)濕度(%)。

1.5 數(shù)據(jù)處理 為提高3種測(cè)定方法的可比性，將整樹容器稱重法、離體莖段稱重法和TDP液流計(jì)法測(cè)算的液流通量密度單位為cm3·cm-2s-1。選取測(cè)定前4天數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS 24.0，對(duì)整樹容器稱重法、離體莖段稱重法的校正數(shù)據(jù)與TDP液流計(jì)測(cè)定的K值進(jìn)行回歸擬合，得到Granier校正公式(分別用Fcw、Fci表示)； 并用2天數(shù)據(jù)驗(yàn)證校正公式。利用Person簡(jiǎn)單相關(guān)分析法，對(duì)稱重法與Granier原始公式計(jì)算的液流通量密度進(jìn)行相關(guān)分析。采用Origin 2018對(duì)液流速率變化規(guī)律、驗(yàn)證、校正特征等進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小時(shí)尺度的樹干液流變化特征 TDP液流計(jì)測(cè)定的小時(shí)尺度的樹干液流速率時(shí)間變化規(guī)律見圖3，表現(xiàn)為典型的“單峰型”變化，峰值出現(xiàn)在13:00—15:00，水分消耗集中于白天，谷值出現(xiàn)在0:00左右。其日內(nèi)變化雖與太陽輻射、空氣溫濕度、飽和水氣壓差等存在一定的時(shí)滯效應(yīng)，但整體表現(xiàn)較為同步，符合樹木蒸騰變化規(guī)律。因此，可認(rèn)為試驗(yàn)期間用TDP液流計(jì)測(cè)定并通過Granier原始公式計(jì)算的樹干液流可反映107楊個(gè)體蒸騰變化規(guī)律。

2.2 驗(yàn)證Granier原始公式 TDP液流計(jì)測(cè)算的樹干液流通量與整樹容器稱重法和離體莖段稱重法所實(shí)測(cè)的液流通量密度存在極顯著相關(guān)(P<0.01)，表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，但Granier原始公式計(jì)算的液流通量密度值嚴(yán)重低估了真實(shí)值(圖4A、圖4C)，與整樹容器稱重法和離體莖段稱重法實(shí)測(cè)值相比，低估了71.5%和74.3%(圖4B、圖4D)，呈現(xiàn)為樹干液流通量越小，相對(duì)誤差越大。因此，很有必要校正Granier原始公式。

2.3 校正Granier原始公式 對(duì)室內(nèi)離體莖段稱重法實(shí)測(cè)的液流通量密度與TDP測(cè)定的溫差系數(shù)(K值)進(jìn)行冪函數(shù)曲線擬合(圖5A)，得到速生楊樹干液流通量密度校正公式(Fci)為：Fd=0.019 17K0.952 8(R2=0.940 3)，該校正公式的系數(shù)α(0.019 17)明顯大于Granier原始公式的系數(shù)α(0.011 9)，而系數(shù)b(0.952 8)與Granier原始公式的系數(shù)b(1.231)相差不大。

對(duì)室外整樹容器稱重法實(shí)測(cè)的液流通量密度與TDP測(cè)定的溫差系數(shù)(K值)進(jìn)行冪函數(shù)曲線擬合(圖5B)，得到速生楊樹干液流通量密度校正公式(Fcw)為：Fd=0.010 8K0.566 6(R2=0.812 6)，該校正公式的系數(shù)α(0.010 8)與Granier原始公式的系數(shù)α(0.011 9)相差不大，而系數(shù)b(0.566 6)明顯小于Granier原始公式的系數(shù)b(1.231)。

圖3 107楊樹干液流日變化規(guī)律

圖4 驗(yàn)證Granier原始公式

2.4 驗(yàn)證Granier校正公式 選擇2天室內(nèi)離體莖段式稱重法實(shí)測(cè)的107楊樹干液通量密度與Fci和Fco計(jì)算的液流通量密度進(jìn)行對(duì)比(圖6A)，表明Fci計(jì)算值略高于1∶1對(duì)角線，而Fco計(jì)算值則明顯低于1∶1對(duì)角線。選擇2天室外整樹容器稱重法測(cè)定的速生楊樹干液通量密度與Fcw和Fco計(jì)算的液流通量密度進(jìn)行對(duì)比(圖6B)，表明Fco計(jì)算值則明顯低于1∶1對(duì)角線，F(xiàn)cw計(jì)算值則與1∶1對(duì)角線比較吻合。

圖5 107楊液流通量密度校正公式

圖6 驗(yàn)證Granier校正公式

無論哪個(gè)校正公式，均可明顯提高樹干液流通量密度值的精度，但為了更好的接近林木自然生長(zhǎng)環(huán)境，減少人為影響，選擇2日野外TDP法測(cè)算的107楊樹干液流通量密度值分別采用Fcw、Fci校正公式計(jì)算制圖(圖7)。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從小時(shí)尺度分析，無論采用哪個(gè)公式計(jì)算所得時(shí)間規(guī)律與稱重實(shí)測(cè)值均一致，呈現(xiàn)單峰型變化規(guī)律。Fcw、Fci兩個(gè)校正公式計(jì)算值與實(shí)際稱重值均不存在顯著差異(P<0.01)，但與Fco計(jì)算的液流通量密度值存在極顯著差異(圖7A)。可見，用Granier原始公式計(jì)算會(huì)明顯低估實(shí)際液流通量密度。從日尺度分析也得出類似規(guī)律，若以整樹容器稱重實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn)，F(xiàn)cw計(jì)算值低估了2.95%，F(xiàn)ci計(jì)算值低估了15.75%，F(xiàn)co計(jì)算值低估了68.90%(圖7B)，基于整樹容器稱重法的Granier校正公式計(jì)算所得液流通量密度值更接近實(shí)際。因此，建議采用本文校正的Granier公式計(jì)算速生楊液流通量密度。

圖7 驗(yàn)證兩種Granier校正公式

3 討論

Granier原始公式是1985年依據(jù)花旗松等3個(gè)樹種的校正結(jié)果構(gòu)建并推廣應(yīng)用到其他樹種的(Granier， 1985)，盡管認(rèn)為該公式適于所有樹種，但部分學(xué)者認(rèn)為因樹種特性不同而存在低估或高估樹干液流情況。如Pasqualotto等(2019)、Sun等(2012)、Steppe等(2010)、Hultine等(2010)、Xie等(2018)在白橡(Quercusalba)、小榛子(Corylusavellane)、大葉山毛櫸(Fagusgrandifolia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)和多枝檉柳(Tamarixramosissima)、臘梅(Chimononthuspraecox)等樹種的研究中指出相對(duì)誤差達(dá)到-80%～9%不等，環(huán)孔材誤差率更大。本文試材為107楊，屬于散孔材，但其誤差率也較大，達(dá)到了-70%以上，且液流密度越小時(shí)誤差率越大(劉海軍等， 2007)。可見，基于Granier原始公式計(jì)算107速生楊樹干液流通量密度存在低估情況。

部分學(xué)者對(duì)Granier原始公式進(jìn)行了校正，但有一定差異。本文中基于整樹容器稱重法和離體莖干法得到的107楊樹干液流通量密度校正公式分別為：Fd=0.010 8K0.566 6(R2=0.812 6)和Fd=0.019 17K0.952 8(R2=0.940 3)，其系數(shù)與Granier原始公式(Fd=0.011 9K1.231)均有一定差異。不同種類楊樹的校正系數(shù)也有一定差異，如三角葉楊(Populusfremontii)為Fd=0.011 9K1.232(Bushetal.， 2010)、毛白楊(Populustomentosa)為Fd=0.20±0.02K(1.29±0.10)(Xieetal.， 2018)等，可見，不同樹種的模型參數(shù)存在巨大差異，甚至是數(shù)量級(jí)的差異(劉慶新等， 2013)，其原因和樹種邊材面積的差異、邊材橫截面微觀構(gòu)造分布均勻性、導(dǎo)管水分傳輸效率等均有直接關(guān)系。今后，應(yīng)進(jìn)一步研究木材解剖構(gòu)造等空間變異因素對(duì)樹干液流影響的研究，以揭示潛在誤差的形成機(jī)制。

離體莖段稱重法是目前主流的樹干液流校正方法。如對(duì)加勒比松(Pinuscaribaea)(Fanetal.， 2018)、濕地松(Pinuselliottii)(Fanetal.， 2018)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)(劉慶新等， 2013)、大葉山毛櫸(Fagusgrandifolia)(Steppeetal.， 2010)、多枝檉柳(Tamarixramosissima)(Hultineetal.， 2010)等樹干液流校正研究均采用此方法，由于試驗(yàn)條件可控，減少了操作誤差和外界影響，與液流計(jì)記錄值幾乎是同步的，擬合效果較好； 但離體莖段式實(shí)驗(yàn)是在正壓下進(jìn)行，和自然條件下樹木體內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)不一致，在空氣中切割樹干還可能導(dǎo)致木質(zhì)部形成栓塞(Schenketal.， 2013)，增加隔熱性，使傳輸阻力增加，導(dǎo)致低估真實(shí)值(Fuchsetal.， 2017)。相比之下，整樹容器稱重法采用大型盆栽容器，模擬樹木田間生長(zhǎng)環(huán)境，不受水分脅迫、傳輸阻力等的影響，被認(rèn)為是測(cè)量整株樹木蒸騰耗水量最準(zhǔn)確的經(jīng)典方法(Mccullohetal., 2007； Steppeetal., 2010； 趙平等， 2012)，但其測(cè)定的是整株樹木的蒸騰速率，存在蒸騰與液流的時(shí)滯，而且整樹容器稱重法校正公式的計(jì)算值不僅包含氣孔蒸騰量，也包含其他途徑的水分消耗，即蒸騰速率。本文中通過室外整樹容器稱重法擬合的校正方程R2為0.81，而離體莖段式稱重法擬合的校正方程R2高達(dá)0.94，盡管后者擬合系數(shù)較高，但從其擬合線走勢(shì)和驗(yàn)證結(jié)果看(圖6)，室外整樹容器稱重法校正方程的效果更佳。但由于整樹容器稱重法采用大型容器，存在操作不便、工作量大、易受到風(fēng)和人為稱重偏差等因素的影響，本實(shí)驗(yàn)樣本量和測(cè)定周期有待進(jìn)一步加大。

導(dǎo)致熱擴(kuò)散方法測(cè)定的樹木液流量與實(shí)際蒸騰量存在潛在誤差的原因有多種，如樹種解剖構(gòu)造差異導(dǎo)致徑向?qū)Ч芤毫鱾鬏敶嬖谳^大差異(Xieetal.， 2018;Schilleretal.， 2007)； 環(huán)境溫差導(dǎo)致非樹干液流溫度變化對(duì)測(cè)定結(jié)果的干擾(Doetal.， 2002)等，同時(shí)，熱損傷、樹干液流方位差異、軸向差異等均會(huì)導(dǎo)致潛在誤差。因此，在未來樹木蒸騰耗水研究中，很有必要進(jìn)行驗(yàn)證和校正，盡可能選擇接近田間條件的測(cè)定環(huán)境(Pasqualottoetal.， 2019)，分立地類型按照散孔材、環(huán)孔材和管胞材進(jìn)行分類，采用整樹容器稱重法(Tfwalaetal.， 2018)或高精度電子電位計(jì)(Pasqualottoetal.， 2019)等方法(Blebyetal.， 2004； Greenetal.， 2012)。考慮到存在液流的徑向變異和方位變異，采用多套TDP探針，在自然生長(zhǎng)條件，開發(fā)分類組合式校準(zhǔn)方程(Fuchsetal.， 2017； Tfwalaetal.， 2018)，以用于有相似木材特性的樹種，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

通過Granier原始公式計(jì)算出的107楊樹干液流通量密度值存在嚴(yán)重低估，較整樹容器稱重法和室內(nèi)莖段稱重法的實(shí)測(cè)結(jié)果分別低估了71.5%和74.3%，非常必要進(jìn)行公式校正。校正公式在基于室內(nèi)離體莖段稱重法時(shí)為Fd=0.019 17K0.952 8(R2=0.940 3)，基于室外整樹容器稱重法時(shí)為Fd=0.010 8K0.566 6(R2=0.812 6)。用基于室外整樹容器稱重法的校正公式計(jì)算的液流通量密度誤差最小，僅為-2.95%，非常接近實(shí)際值。