劉衛(wèi)平 宋 維高 超 趙燕東

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083； 2.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 北京 100048； 3.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室 北京 100083)

依據(jù)人的心跳、血壓、呼吸速率等指標(biāo)，可評(píng)判人體生命體征，分析人的生理健康狀態(tài)，并基于這一原理開(kāi)發(fā)出了很多操作簡(jiǎn)單、使用可靠、廣泛推廣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備(Levy， 2004)，促進(jìn)了人類(lèi)健康的自我診斷。植物同樣具有呼吸、蒸騰、光合作用等一系列生命活動(dòng)和體征指標(biāo)。植物中的水分參與各項(xiàng)生命活動(dòng)，為更深入理解植物的生命活動(dòng)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)植物中的水分開(kāi)展了大量研究，如利用莖流計(jì)測(cè)量樹(shù)干液流(Molinaetal.， 2019;Tieetal.， 2017； Sevantoetal.， 2011)、在水中加入同位素觀測(cè)水在樹(shù)體內(nèi)的流向(李雪松等， 2018)、利用核磁共振獲得植物體內(nèi)水分成像(Byrenetal.， 1986)等。但同位素觀測(cè)和核磁共振成像方法均存在較嚴(yán)重的破壞性、投入過(guò)高、操作繁瑣等問(wèn)題，莖流計(jì)因利用溫度差進(jìn)行測(cè)量，存在滯后性、受環(huán)境溫度影響、對(duì)活立木產(chǎn)生損傷缺點(diǎn)，且莖流計(jì)本身造價(jià)高昂難以普及。由于獲取方法匱乏，造成衡量生命活動(dòng)的參數(shù)采集困難，數(shù)據(jù)量不足，從而使得這些植物生理參數(shù)仍停留在科學(xué)研究上，極少應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)?；谇o干含水量的測(cè)量方法，可彌補(bǔ)液流測(cè)量的不足，軸向上莖干含水量長(zhǎng)距離運(yùn)輸產(chǎn)生液流， 徑向上莖干中導(dǎo)管水分與儲(chǔ)存組織細(xì)胞之間的水分交換影響莖干含水率(趙燕東等， 2016； Zhouetal.， 2018； Beedlowetal.， 2017)。莖干含水量傳感器可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、快速地采集植物莖干含水量數(shù)據(jù)(趙燕東等， 2016)，對(duì)莖干含水量數(shù)據(jù)的分析可揭示莖干含水量變化規(guī)律與植物生理狀態(tài)變化的關(guān)系。研究者不斷挖掘出不同生物與環(huán)境之間的相互作用規(guī)律(顧潤(rùn)源等， 2012； Inoueetal.， 2015； Jinetal.， 2017)，環(huán)境因素直接影響植物生理狀態(tài)，并能反映到莖干含水量變化上； 在植物休眠、萌芽、落葉等不同階段，植物莖干含水量會(huì)呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。

莖干含水量與植物生理狀態(tài)密切相關(guān)，但目前缺乏具體的評(píng)價(jià)方法。本文以歐美楊107楊(Populus×euramericancv.‘74/76’)為研究對(duì)象，利用活立木莖干含水量傳感器實(shí)時(shí)獲取植物莖干含水量參數(shù)，分析莖干含水量在不同季節(jié)的變化規(guī)律及與所在環(huán)境中各參數(shù)的變化關(guān)系，構(gòu)建一種通過(guò)莖干含水量反映楊樹(shù)生命狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，以期為未來(lái)搭建樹(shù)木生命狀態(tài)評(píng)價(jià)體系提供模型基礎(chǔ)和解決思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市共青林場(chǎng)(116°43′39.9792″E, 40°6′35.82″N),土壤類(lèi)型為沙土，土壤pH在7～8之間。選取樹(shù)勢(shì)良好、莖干通直的歐美楊107楊作為試驗(yàn)樣本，并采用相同的栽培管理方式，株行距約為4 m×3 m。 2014年林分平均胸徑為(25.7±1.6)cm，平均樹(shù)高為(17.5±1.6)m，平均葉面積指數(shù)為2.43±0.43。歐美楊107楊年內(nèi)生長(zhǎng)規(guī)律呈慢-快-慢的特點(diǎn)，其生長(zhǎng)周期可劃分為萌芽期(3—5月)、生長(zhǎng)期(6—9月)、落葉期(10—11月)和休眠期(12—2月)。試驗(yàn)時(shí)間為2017年初—2018年初,試驗(yàn)地點(diǎn)年均氣溫12.5 ℃，年降水量592 mm，年晴天數(shù)131天。

1.2 參數(shù)測(cè)定

土壤溫濕度會(huì)影響植物根系吸水速率，空氣溫濕度和飽和水汽壓差會(huì)影響植物葉片蒸騰速率，光合有效輻射會(huì)影響植物葉片光合速率，這6個(gè)參數(shù)均與植物生理水分調(diào)節(jié)活動(dòng)密切相關(guān)，將其統(tǒng)稱(chēng)為微環(huán)境參數(shù)集。試驗(yàn)中需直接測(cè)定的參數(shù)包括土壤溫濕度、空氣溫濕度、光合有效輻射和莖干含水量，飽和水汽壓差由空氣溫濕度計(jì)算得到。利用美國(guó)Decagon公司5TM型傳感器(溫度： -40～60 ℃，±1 ℃； 濕度： 0～100%，±2%)測(cè)量土壤溫濕度，芬蘭Vaisala公司HMP50-L6型傳感器(溫度： -10～50 ℃，±0.25 ℃； 濕度： 0～100%，±2%)測(cè)量空氣溫濕度，美國(guó)Li-Cor公司LI-190 R型傳感器(0～10 000 μmol·m-2s-1，±5%)測(cè)量光合有效輻射，北京林業(yè)大學(xué)BD-IV型植物莖干含水量傳感器(0～60%，±1%)測(cè)量莖干含水量?；谝陨?種傳感器搭建如圖1所示的植物微環(huán)境參數(shù)與莖干含水量監(jiān)測(cè)站，其中土壤溫濕度傳感器安裝于地下50 cm處，空氣溫濕度和光合有效輻射傳感器安裝于距地面30 m高的監(jiān)測(cè)塔上，莖干含水量傳感器安裝于距地面1.5 m高的楊樹(shù)莖干上。

圖1 植物微環(huán)境參數(shù)與莖干含水量監(jiān)測(cè)站Fig.1 The monitoring station of plant micro-environment parameters and stem water content

1.3 莖干含水量傳感器簡(jiǎn)介

基于駐波率原理(趙燕東等， 2002； 馮磊， 2005)的植物水分在線(xiàn)無(wú)損實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置由100 MHz信號(hào)源、50 Ω同軸傳輸線(xiàn)、高頻檢波電路和平行不銹鋼探測(cè)環(huán)組成(趙燕東等， 2011； 劉賀等， 2011)。莖干含水量傳感器測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 傳感器的測(cè)量原理Fig. 2 The measuring schematic diagram of the sensor

信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電磁波沿著傳輸線(xiàn)傳送到探頭(岳志勤等， 2014； 馮良平等， 2005)，由于探頭的阻抗與傳輸線(xiàn)的阻抗不匹配，一部分信號(hào)將反射回來(lái)。傳輸線(xiàn)上，高頻入射波與反射波疊加形成駐波，在傳輸線(xiàn)上各點(diǎn)的電壓幅值存在變化。根據(jù)駐波率測(cè)量原理，取圖2中a、b兩點(diǎn)的差動(dòng)信號(hào)作為傳感器變換電路的輸出，即得到下式：

式中：A為信號(hào)的幅值；Zc為同軸傳輸線(xiàn)的特征阻抗(50 Ω)；ZL為探測(cè)環(huán)阻抗。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證StWC傳感器的測(cè)量性能，對(duì)標(biāo)定后的StWC傳感器、木材水分檢測(cè)儀Testo606-2(德國(guó)Testo公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍0～60%，精度±1%)以及烘干法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量對(duì)象為紫薇(Lagerstroemiaindica)莖干，結(jié)果如圖3所示，圖中橫軸為烘干法的測(cè)量結(jié)果，可將其視為StWC真值，縱軸為StWC傳感器和Testo606-2測(cè)量結(jié)果，相比于Testo606-2，StWC傳感器測(cè)量結(jié)果更接近于真值。當(dāng)StWC真值大于2%時(shí)，Testo606-2的測(cè)量值顯著小于真值，這是由于較短的探針(小于10 mm)限制了其有效測(cè)量深度，而在莖干烘干過(guò)程中，表層水分的蒸發(fā)速度大于深層。

圖3 傳感器與烘干法的測(cè)量結(jié)果Fig. 3 The measuring results by using sensors and oven-drying method

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

以上各種傳感器均連接到自主設(shè)計(jì)的基于AVR128的多通道數(shù)字采集器上，每10 min采集1條數(shù)據(jù)，每日總計(jì)采集144條數(shù)據(jù)。剔除原始數(shù)據(jù)中因電壓不穩(wěn)或環(huán)境影響導(dǎo)致的奇異值，并使用插值方法填補(bǔ)缺失部分。采用6點(diǎn)均值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，用6個(gè)值的平均值作為1小時(shí)的數(shù)據(jù)，依次處理每日的144條數(shù)據(jù)得到以1小時(shí)為間隔的每日24條數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)6株樹(shù)的莖干含水量，選取始終健康且數(shù)據(jù)最完整的1株樹(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。為了分析環(huán)境參數(shù)與莖干含水量的變化規(guī)律，減少環(huán)境參數(shù)之間的共線(xiàn)性問(wèn)題，使用主成分分析法將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾種主成分，利用最大主成分中包含的信息與莖干含水量進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生長(zhǎng)周期莖干含水量的變化規(guī)律

2.1.1 萌芽期莖干含水量變化規(guī)律 萌芽期楊樹(shù)莖干含水量的月變化規(guī)律見(jiàn)圖4。從3月下旬開(kāi)始，當(dāng)旬均氣溫達(dá)到12 ℃以上時(shí)，楊樹(shù)葉芽開(kāi)始萌動(dòng)，4月芽苞增大開(kāi)放展葉，主莖和側(cè)枝隨著葉片展開(kāi)開(kāi)始生長(zhǎng)，這一過(guò)程延續(xù)到5月上旬(宋玉光等， 2016)。萌芽階段初期，楊樹(shù)未長(zhǎng)出葉片，光合作用和蒸騰作用強(qiáng)度低，植物體內(nèi)需水量小。隨著植物長(zhǎng)出葉片，生命活動(dòng)逐漸旺盛，需水量增大，莖干含水量逐漸上升至正常生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)值。此時(shí)葉片完全展開(kāi)，楊樹(shù)進(jìn)入正常生長(zhǎng)狀態(tài)，莖干含水量停止上升保持穩(wěn)定。4月初日均值20%，月末達(dá)到43%。

圖4 2017年4月莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 4 Stem moisture curve of April 2017

萌芽期楊樹(shù)莖干含水量的日變化規(guī)律見(jiàn)圖5。4月6日—8日莖干含水量變化與溫度變化呈正相關(guān)。莖干含水量的日最小值30%出現(xiàn)在凌晨4點(diǎn)左右，日最大值39%出現(xiàn)在16：00左右，莖干含水量的日均值為33.8%，平均日波動(dòng)幅值為8%。這3日處于莖干含水量上升時(shí)期，莖干含水量隨空氣溫度保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。這一階段楊樹(shù)處于生長(zhǎng)期初期，該階段空氣溫度較低，生命活動(dòng)強(qiáng)度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增強(qiáng)，同時(shí)蒸騰耗水量很低(賈天宇等， 2020)，使得每日中莖干含水量與空氣溫度呈正相關(guān)。

圖5 2017年4月6—8日莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 5 Stem moisture curve from April 6 to 8, 2017

2.1.2 生長(zhǎng)期莖干含水量變化規(guī)律 隨著氣溫升高和日照增強(qiáng)，楊樹(shù)進(jìn)入夏季生長(zhǎng)期。楊樹(shù)莖干含水量的月變化規(guī)律見(jiàn)圖6。夏季炎熱，白天植物蒸騰作用消耗大量水分導(dǎo)致含水量快速下降，夜晚進(jìn)行水分補(bǔ)充使得含水率大幅提高(閆年等， 2011)，因此夏季植物水分波動(dòng)較春季更頻繁和劇烈。夏季多雨，陰雨天氣下楊樹(shù)蒸騰作用大幅減弱，水分波動(dòng)幅值較晴天差距較大。例如，7月9日前后為晴天，莖干含水量的日均值為47%，日波動(dòng)幅度達(dá)到9%； 7月18日前后為陰雨天，日均值達(dá)到51.6%，日波動(dòng)幅度僅為1%。莖干含水量的日變化規(guī)律與氣象環(huán)境密切相關(guān)。

圖6 2017年7月莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 6 Stem moisture curve of July 2017

生長(zhǎng)期楊樹(shù)莖干含水量的日變化規(guī)律見(jiàn)圖7。與春季相反，夏季莖干含水量與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)。莖干含水量的日最小值39%出現(xiàn)在16：00左右，日最大值46%出現(xiàn)在16：00左右。莖干含水量的日均值為43.1%，平均日波動(dòng)幅度為7%。夏季日出后光照強(qiáng)度增大，空氣溫度上升，此時(shí)是全年蒸騰量最大的階段，蒸騰耗水大于根系吸水，導(dǎo)致莖干含水量下降。日落后光照強(qiáng)度減弱，空氣溫度降低，此時(shí)蒸騰耗水小于根系吸水，導(dǎo)致莖干含水量回升。由于夜間植物各項(xiàng)生理活動(dòng)減弱，直到日出前莖干含水量會(huì)維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。

圖7 2017年7月1—3日莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 7 Stem moisture curve from July 1 to 3, 2017

2.1.3 落葉期莖干含水量變化規(guī)律 秋季楊樹(shù)進(jìn)入落葉期，并開(kāi)始進(jìn)行越冬準(zhǔn)備。枝條生長(zhǎng)停止，芽木質(zhì)化加速，含水量逐漸降低。落葉期楊樹(shù)莖干含水量的月變化規(guī)律見(jiàn)圖8。莖干含水量日最大值從月初的47.1%降低至月末的39.3%。秋季空氣溫度下降，楊樹(shù)葉片脫落，光合作用、蒸騰作用等生命活動(dòng)強(qiáng)度減弱，楊樹(shù)需水量下降，莖干含水量逐漸降低。這一降低趨勢(shì)會(huì)延續(xù)到葉片完全脫落，直至楊樹(shù)進(jìn)入休眠期，自由水含量降到最低值，莖干含水量變化才穩(wěn)定。

圖8 2017年10月莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 8 Stem moisture curve of October 2017

落葉期楊樹(shù)莖干含水量的日變化規(guī)律見(jiàn)圖9。秋季的環(huán)境日變化情況與夏季類(lèi)似，因此莖干含水量的日變化規(guī)律與夏季類(lèi)似。

圖9 2017年10月2—4日莖干含水量變化曲線(xiàn)Fig. 9 Stem moisture curve from October 2 to October 4, 2017

2.1.4 休眠期莖干含水量變化規(guī)律 休眠期楊樹(shù)莖干含水量的月變化規(guī)律見(jiàn)圖10。北京地區(qū)冬季最低氣溫可降至零下15 ℃，在冬季日均氣溫長(zhǎng)時(shí)間低于0 ℃，楊樹(shù)體內(nèi)自由水分會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)。莖干含水量日最小值從12月初的40%下降至日最小值12%。同時(shí)由于莖干含水量變化受凍融影響程度超出植物自身調(diào)節(jié)能力，冬季莖干含水量的日波動(dòng)幅度也最劇烈。12月25日莖干含水量的日最小值為15%，最大值為35%，波動(dòng)幅度為20%，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了植物正常進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)莖干含水量的日波動(dòng)幅度。水分凍結(jié)期間莖干含水量大幅度降低，莖干含水量日均值遠(yuǎn)低于植物其他時(shí)期進(jìn)行正常生命活動(dòng)時(shí)的日均值。

12月2—4日莖干含水量的日變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11a。這一階段莖干含水量未凍結(jié)，日均值為43.6%，日變化幅值小，保持在2%以?xún)?nèi)，波動(dòng)趨勢(shì)與溫度變化趨勢(shì)相同。當(dāng)溫度降低至0 ℃以下時(shí)，莖干含水量的日最小值降低至40%，隨著溫度上升又恢復(fù)至43.6%，之后持續(xù)降溫使莖干含水量產(chǎn)生凍結(jié)。

圖11 不同狀態(tài)下莖干含水量日變化曲線(xiàn)Fig. 11 Diurnal variation curve of stem moisture under different conditions

12月12—14日莖干含水量的日變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11b。這一階段莖干含水量已產(chǎn)生凍結(jié)，基于儀器讀數(shù)的日均值為20.2%，遠(yuǎn)低于其他時(shí)期。莖干含水量的日最大值29.3%出現(xiàn)在18：00左右，比空氣溫度的日最大值時(shí)刻滯后1 h，日最小值12.8%出現(xiàn)在上午10:00左右，與空氣溫度日最小值時(shí)刻相同。莖干含水量的日波動(dòng)幅度為16.5%，是全年其他時(shí)期日波動(dòng)幅值的2倍以上。這一階段莖干含水量變化主要受溫度變化產(chǎn)生的水分凍融影響，莖干含水量與空氣溫度相關(guān)性很強(qiáng)，日變化幅值為全年最大。

2.2 各生長(zhǎng)周期莖干含水量隨微環(huán)境參數(shù)變化的規(guī)律

2.2.1 模型構(gòu)建 經(jīng)過(guò)4個(gè)生長(zhǎng)周期的莖干含水量變化分析，可以看出水分隨時(shí)間推移呈現(xiàn)周期性變化，且不同程度地受環(huán)境因素影響。本研究擬建立一種模型，客觀表征莖干含水量與環(huán)境因素的關(guān)系。

微環(huán)境參數(shù)之間的有較強(qiáng)的相關(guān)性，引發(fā)嚴(yán)重共性問(wèn)題，且部分參數(shù)(如空氣溫度與空氣濕度)對(duì)植物生理狀態(tài)產(chǎn)生相反的影響(高超等， 2017)。為了解決這一問(wèn)題，本文采用主成分分析法將環(huán)境參數(shù)變換為一系列主成分。為了保證不同階段主成分的一致性，將4個(gè)階段的環(huán)境參數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行主成分分析。變換為主成分后，環(huán)境參數(shù)特征得到保留，幾種主成分之間相互獨(dú)立。變換后主成分特征值及貢獻(xiàn)率如表1所示，其中最大主成分PC1貢獻(xiàn)率達(dá)到了81%以上，可以保證數(shù)據(jù)信息的完整性。表2為最大主成分PC1中4種環(huán)境參數(shù)系數(shù)值，可以看到空氣濕度系數(shù)值最大且為正值，其他3個(gè)系數(shù)值比空氣濕度系數(shù)值小很多且為負(fù)值，即PC1與空氣濕度呈正相關(guān)且相關(guān)性較強(qiáng)，與空氣溫度、光合有效輻射、飽和水氣壓差呈負(fù)相關(guān)。

表1 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Tab.1 Principal component eigenvalue and contribution rate

表2 PC1中4種環(huán)境參數(shù)特征系數(shù)Tab.2 Four environmental parameter characteristic coefficients in PC1

選擇最大主成分PC1為橫軸變量，與莖干含水量繪制日變化曲線(xiàn)(圖12)。莖干含水量與PC1呈現(xiàn)斜橢圓的變化規(guī)律，箭頭方向?yàn)橄乱粫r(shí)刻的觀測(cè)值。

圖12 莖干含水量與PC1日變化關(guān)系Fig. 12 Relationship between stem moisture and PC1 diurnal variation

式中：A為斜橢圓的長(zhǎng)半軸；B為斜橢圓的短半軸；S為斜橢圓中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)；T為斜橢圓中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)；θ為斜橢圓長(zhǎng)軸按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與X軸正方向的夾角(0°<θ<90°)；X為微環(huán)境參數(shù)集的最大主成分PC1；Y為莖干含水量(0～100%)。

該模型中A、B、S、T、θ均為預(yù)估參數(shù)，可由數(shù)值穩(wěn)定的直接最小二乘法估算得出(Mulletietal.， 2015； Panagiotakisetal.， 2016； Maini, 2006)，其中S表示日平均最大主成分，T表示日平均莖干含水量。tanθ表示斜橢圓長(zhǎng)軸的斜率，可定義tanθ為莖干含水量相對(duì)于微環(huán)境參數(shù)集最大主成分的靈敏度，扁率e=(A-B)/A表示斜橢圓的扁平程度，可定義e為莖干含水量相對(duì)于微環(huán)境參數(shù)集最大主成分的相關(guān)度。X為唯一輸入變量，Y為輸出變量。

對(duì)4個(gè)生長(zhǎng)階段中單日的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，結(jié)果如圖13所示。

圖13 4個(gè)階段的莖干含水量擬合橢圓曲線(xiàn)Fig. 13 Four stages of stem moisture fitting elliptic curve

橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)變換后，可得斜橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程，其數(shù)學(xué)解析式為：

2.2.2 模型分析 將圖13中4個(gè)階段的橢圓方程參數(shù)值提取整理后得到表3,展示擬合橢圓的5種參數(shù)，表征橢圓的具體形狀及位置：A與B的長(zhǎng)度與θ聯(lián)立得到在坐標(biāo)軸的投影為環(huán)境參數(shù)與莖干含水量每日的變化幅度。橫縱坐標(biāo)的均值即為橢圓圓心坐標(biāo)值S與T，S為多種環(huán)境參數(shù)綜合得到的指標(biāo)，S的大小為抽象表現(xiàn)不同階段的環(huán)境的區(qū)別，無(wú)實(shí)際意義； T為莖干含水量日均值。

表3 橢圓擬合曲線(xiàn)參數(shù)Tab.3 Ellipse fitting curve parameter

θ的區(qū)別：θ為橢圓長(zhǎng)軸與X軸夾角，設(shè)定夾角θ的范圍為-90°～90°。萌芽期和休眠期的θ為負(fù)值，生長(zhǎng)期和落葉期的θ為正值。θ>0°表明莖干含水量與PC1為正相關(guān)，θ<0°則為負(fù)相關(guān)。因?yàn)镻C1由空氣濕度為主導(dǎo)，空氣濕度與空氣溫度變化趨勢(shì)相反，所以莖干含水量與PC1的變化規(guī)律與莖干含水量與空氣溫度變化規(guī)律相反。其中生長(zhǎng)期θ絕對(duì)值比其他階段小，表明該階段莖干含水量受環(huán)境影響最小。

超前與滯后： 根據(jù)橢圓旋轉(zhuǎn)方向與傾角，可以推斷出莖干含水量與環(huán)境參數(shù)的超前與滯后關(guān)系。在圖13a和13d中，PC1在莖干含水量達(dá)到最大值前到達(dá)最小值，PC1在莖干含水量到達(dá)最小值前到達(dá)最大值，即莖干含水量負(fù)相關(guān)滯后于PC1。在圖13b和13c中，莖干含水量在PC1到達(dá)最大值前到達(dá)最大值，莖干含水量在PC1到達(dá)最小值前到達(dá)最小值，即莖干含水量正相關(guān)超前于PC1。與圖5、7、9、11對(duì)照，符合時(shí)序狀態(tài)下莖干含水量與空氣溫度超前、滯后關(guān)系。即莖干含水量在萌芽期與休眠期滯后于環(huán)境參數(shù)，在生長(zhǎng)期與落葉期超前于環(huán)境參數(shù)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)楊樹(shù)莖干含水量在不同生長(zhǎng)期間內(nèi)的每日規(guī)律性變化，利用橢圓曲線(xiàn)擬合植物莖干含水量與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。通過(guò)分析擬合橢圓方程的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)莖干含水量在不同生長(zhǎng)階段有不同的變化規(guī)律，對(duì)外界環(huán)境變化響應(yīng)也不同。萌芽期莖干含水量不斷增大，與空氣溫度變化呈正相關(guān)； 生長(zhǎng)期莖干含水量穩(wěn)定波動(dòng)，與空氣溫度變化呈負(fù)相關(guān)； 落葉期莖干含水量逐漸降低，與空氣溫度變化呈負(fù)相關(guān)； 休眠期莖干含水量受凍融影響波動(dòng)劇烈，與空氣溫度變化呈正相關(guān)。莖干含水量橢圓模型的各參數(shù)[傾斜度(θ)、橢圓圓心的縱軸坐標(biāo)(莖干含水量日均值)、橢圓的橫軸坐標(biāo)(PC1日均值)]在不同生長(zhǎng)狀態(tài)下有很強(qiáng)的區(qū)分度，可利用這些參數(shù)對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行判斷。