基于熱擴(kuò)散原理的樹干液流測定誤差性分析

張含含,秦永旗,王秀敏,劉云潔,馬長明

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2河北海涯園林綠化工程有限公司，河北 石家莊 050035；3保定市農(nóng)業(yè)生態(tài)園管理處，河北 保定 071000)

水是樹木賴以生存的生活條件，明確樹木蒸騰耗水機(jī)制，準(zhǔn)確掌握樹木需水量，有利于實(shí)現(xiàn)在干旱地區(qū)有效控制樹木需水量達(dá)到最大生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。樹干液流是表征樹木耗水的有效指標(biāo)，是植物進(jìn)行蒸騰作用所產(chǎn)生蒸騰拉力形成的樹木水分流動(dòng)過程。它在土壤—樹木—大氣連續(xù)體之間形成水分運(yùn)輸路徑，并為植物正常生理活動(dòng)提供重要基礎(chǔ)。因此，樹干液流成為分析樹木耗水特性、研究樹木水分傳輸機(jī)理的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。

熱技術(shù)法是測定樹干液流的主要方法之一，包括熱脈沖、熱平衡、熱擴(kuò)散。對(duì)于樹干液流的瞬時(shí)變化以及較小的液流，熱脈沖不能準(zhǔn)確測量，這種方法可能更適合于量化絕對(duì)液流量；熱平衡法常用于測量直徑較小的樹干，由于植物組織熱儲(chǔ)存的影響，對(duì)液流測量誤差較大[2]；熱擴(kuò)散探針法(Thermal dissipation probe-TDP)是法國科學(xué)家Granier經(jīng)試驗(yàn)后得到的關(guān)于測定樹干液流的方法，因其具有測量結(jié)果相對(duì)可靠，操作簡單，成本低[3]，并且能顯示出相對(duì)較高的測量值與參考值之間的線性關(guān)系[2]，以及在樹木自然狀態(tài)時(shí)進(jìn)行測量，基本不影響樹木的正常生長等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛[4-6]。但近年來不少學(xué)者開始對(duì)TDP樹干液流測定的精準(zhǔn)性提出質(zhì)疑[7]，如TDP在小榛木上測算出相對(duì)誤差約為-60%[8]；在葡萄中計(jì)算出的液流誤差為-26%[9]；刺槐的誤差在80%以上[10]，為了減小誤差，需要找到誤差來源并進(jìn)行評(píng)估、分析，進(jìn)而準(zhǔn)確測出液流速率。

1 樹木的生物學(xué)因素對(duì)TDP測算誤差影響

1.1 邊材面積界定準(zhǔn)確性的影響

邊材是位于活的樹木中運(yùn)輸水分、機(jī)械支持、貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的外面部分。由Granier經(jīng)驗(yàn)公式可知，邊材面積(AS)是準(zhǔn)確測定樹干液流的主要因素之一。使用TDP測定液流時(shí)，需要在無損傷樹木的前提下確定橫截面積，這為邊材面積的確定帶來誤差。邊材面積可以根據(jù)胸徑和其擬合的函數(shù)關(guān)系確定[11,12]；Bush等人通過高壓將一種紅色染料注入木質(zhì)部中來確定邊材面積，但一部分染料分子可能會(huì)堵塞導(dǎo)管，由于橫向液流和染料的擴(kuò)散會(huì)浸入不導(dǎo)水的導(dǎo)管中，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)算，由此這種方法不能保證測算邊材面積的準(zhǔn)確性[13]；確定邊材面積常用的方法是以生長錐鉆取木芯[11,14-16]。

1.2 邊材解剖構(gòu)造的影響

木材導(dǎo)管長度、直徑大小以及化學(xué)組成對(duì)樹干液流有顯著的影響[17-18]。Carlquist認(rèn)為二者存在密切關(guān)系，莖中的導(dǎo)管呈彎曲或螺旋形與木質(zhì)部縱軸平行排列，使得水分實(shí)際運(yùn)輸?shù)木嚯x比測得的莖的長度要大[19-20]。有研究表明，木質(zhì)部中運(yùn)輸?shù)乃峙c導(dǎo)管直徑的4次方成正比，即導(dǎo)管直徑越大，導(dǎo)管的輸水效率越高[17]。紋孔也是水分與營養(yǎng)物質(zhì)交換的主要通道，對(duì)于木材的液體滲透有很大的影響，而且紋孔的數(shù)量也會(huì)影響樹木的水分運(yùn)輸[21]。

有研究發(fā)現(xiàn)不同管孔類型的樹種水力功能特征存在明顯區(qū)別，環(huán)孔材的導(dǎo)管管腔直徑更大、導(dǎo)管更長，莖段的導(dǎo)水率都相對(duì)較高(邊緣顯著)；木質(zhì)部組織水平上的解剖結(jié)構(gòu)特征與紋孔水平上的解剖結(jié)構(gòu)特征存在著顯著的協(xié)同關(guān)系，主要表現(xiàn)在導(dǎo)管長度越長、直徑越大，其導(dǎo)管壁上的紋孔開口面積越大[22]。盡管散孔材導(dǎo)管密度顯著高于環(huán)孔材，但環(huán)孔材導(dǎo)管的直徑遠(yuǎn)大于散孔材導(dǎo)管的直徑[23]。在酸棗的莖解剖構(gòu)造中，導(dǎo)管形狀較均一，在邊材解剖構(gòu)造中其脆性指數(shù)和相對(duì)輸導(dǎo)率較低，且在干旱季節(jié)能維持較高的液流速率[24]；落葉松無孔材管胞壁上存在著大量的閉塞紋孔，但紋孔膜上沉積著膜狀物質(zhì)，影響水分的流動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行蒸汽爆破處理后，塞緣斷裂，打開閉塞紋孔，液體可通過紋孔口流動(dòng)[25]。若破壞木材內(nèi)部的紋孔結(jié)構(gòu)，使紋孔間的紋孔塞脫落，即可增強(qiáng)水分的擴(kuò)散能力，但木材水分的擴(kuò)散方式主要是相鄰細(xì)胞的連續(xù)遷移與細(xì)胞腔之間通過細(xì)胞壁的遷移路徑，且木材內(nèi)部的紋孔數(shù)量較少，所以木材細(xì)胞壁間的紋孔數(shù)量與木材內(nèi)部的水分傳輸能力呈現(xiàn)弱的正相關(guān)[26]。NaOH對(duì)杉木進(jìn)行抽提處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)NaOH溶解了具緣紋孔上的沉積物質(zhì)，一部分阻塞的紋孔被打開，木材心材的吸濕平衡含水率增大[27]。

1.3 樹木空間異質(zhì)性特征的影響

1.3.1 不同方位樹干液流的差異 樹干液流在不同方位表現(xiàn)出不同的液流速率，晉西黃土區(qū)蘋果樹不同方位的液流存在顯著的差異，液流速率大小表現(xiàn)為：北側(cè)>南側(cè)>東側(cè)>西側(cè)[28]；在毛白楊不同方位的液流速率中也得出了相同的結(jié)論：西側(cè)液流速率與其他3個(gè)方位存在明顯差異[29]。有報(bào)道發(fā)現(xiàn)西伯利亞落葉松、沙地樟子松、沙地赤松均表現(xiàn)出南側(cè)樹干液流速率高，棗樹北側(cè)樹干液流速率高，而旱柳與小葉楊方位差異關(guān)系不顯著，或隨季節(jié)變化而變化[30-34]。不同方位的液流速率可能與樹干木質(zhì)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同方位的木質(zhì)部導(dǎo)水率與導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管密度具有顯著差異性，從而為不同方位的樹干液流提供一種解釋[35]。除了木質(zhì)部結(jié)構(gòu)外，還有可能與研究對(duì)象所處的地理位置、氣象因子、立地條件、栽植模式等環(huán)境因子有關(guān)[29]。

1.3.2 不同徑向深度差異 由于樹干木質(zhì)部結(jié)構(gòu)的差異，樹干液流在徑向上分布不均勻。樹干結(jié)構(gòu)與空氣飽和水氣壓差、土壤含水量、干濕變化及季節(jié)交替有關(guān)，因此不同徑向樹干液流也會(huì)受到影響[36-38]。隨著徑向深度的增加，四川山礬樹干液流呈單峰型分布，最大液流在形成層10～30 mm之間，杉木樹干液流在形成層30～50 mm處最大[39]，青海云杉和棗樹樹干液流在形成層20 mm處最大[40]；黃土區(qū)刺槐和遼東櫟廣西地區(qū)尾巨桉樹干液流均隨徑向深度增加而遞減[41-42]；民勤綠洲二白楊樹干液流速率大小為：30 mm>20 mm>5 mm>80 mm[43]；在徑向液流密度與木材解剖結(jié)構(gòu)(散孔材與環(huán)孔材)差異的試驗(yàn)中，通過測定液流密度檢驗(yàn)方程的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)樹種存在差異。此外，由擴(kuò)展公式導(dǎo)出的參數(shù)被解釋為描述不同樹種特異性的徑向液流模型，并根據(jù)液流徑向密度的復(fù)雜性增加參數(shù)，綜合確定不同樹種的蒸騰量[12]。

2 物理性因素對(duì)TDP測算誤差的影響

2.1 最大溫差(△Tmax)的不確定性

樹干液流速率的測定是通過2個(gè)探針的溫差實(shí)現(xiàn)的，插在莖干上面的探針使用恒定電流加熱，下面的探針作為對(duì)照。當(dāng)樹木邊材的熱量傳導(dǎo)隨莖流速度的增加而增加時(shí)，邊材的熱擴(kuò)散也隨之提高，從而導(dǎo)致熱源溫度的降低。當(dāng)莖流速度為零時(shí)，2個(gè)傳感器之間的溫差最大。一般情況下最大溫差(△Tmax)出現(xiàn)在夜間，由于夜間氣孔處于開放狀態(tài)以及一些環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致夜間仍存在明顯的液流活動(dòng)。但由于夜間液流占全天的比例相對(duì)較少，因此之前的研究很少考慮或者直接忽略夜間液流的影響，通常假設(shè)在黎明前樹干液流量為零，以此條件下的△Tmax用于日間液流速率的計(jì)算。隨著監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的研究表明，大多數(shù)植物存在夜間液流現(xiàn)象，致使測定的液流速率比真實(shí)值要低[44]。目前采用最多的是以1天中最大的溫差值作為△Tmax[45-48]；遲琳琳和黨宏忠等以10 d為1個(gè)周期，采用2次回歸的方法確定最大溫差[14,49]；有研究表明，△Tmax會(huì)發(fā)生連續(xù)幾天的周期性變化，這可能與加熱探針附近木質(zhì)部熱傳導(dǎo)特性有關(guān)[50]；但是還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定△Tmax，使得計(jì)算出的樹干液流出現(xiàn)一定程度的誤差。新舊探針測得的最大溫差也存在一定的差異，研究發(fā)現(xiàn)新探針測得的△Tmax大于已經(jīng)使用過的探針測得的△Tmax[51]；同一樹木在水分脅迫下測得的△Tmax也會(huì)比水分充足情況下測得的△Tmax大[52]，因此，△Tmax也不一定是被低估了，也有可能與新舊探針的選擇以及植物體內(nèi)水分狀況有關(guān)?！鱐max也會(huì)隨環(huán)境溫度、液流速率的變化而變化，且在晝夜溫差較大的地區(qū)，△Tmax的確定也可能會(huì)存在一定的誤差。

2.2 自然溫差的影響

自然溫差是TDP法測定植物液流速率準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵因素，尤其在干旱半干旱地區(qū)，能夠記錄到樹木明顯的自然溫差[53]。試驗(yàn)地不同天氣狀況和樹木邊材的熱擴(kuò)散率及其相對(duì)值，都會(huì)產(chǎn)生自然溫差。這是因?yàn)闃淠驹诎滋旆e聚大量的熱量并在夜間延遲返回，提高了自然溫差。自然溫差還與不同的日照、探針安裝的方位角等因素有關(guān)。此外加熱探針會(huì)對(duì)樹干木質(zhì)部造成損傷，因此不同樹種木質(zhì)部的導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)影響到自然溫差。目前有人研究了樺木導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度、密度、孔隙度和各向異性的變化規(guī)律[54]；分析了松木在橫紋方向上，不同含水率隨導(dǎo)熱系數(shù)的影響[55-56]；探索了溫度和熱流方向與木材導(dǎo)熱系數(shù)之間的相關(guān)性[57]；俄羅斯落葉松木材導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率、溫度的變化而變化[58]。

Do等人則明確指出當(dāng)自然溫差≥0.2 ℃時(shí)，會(huì)造成較大的誤差。如果不進(jìn)行自然溫差校正，則很容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤[59]。而間斷加熱模式下，自然溫差對(duì)TDP測定的影響較小，可有效提高熱擴(kuò)散探針進(jìn)行液流測定的精確度[60]。Lubczynski等人研究表明，經(jīng)過間斷加熱模式校正的液流速率與真實(shí)值的誤差在 20%以內(nèi)[53]，Nourtier等人也指出最大誤差減少了4倍。在散孔材樹種中自然溫差均在0.2 ℃以下，由此造成的誤差可忽略不計(jì)，但在液流速率較小的夜間及凌晨，自然溫差均在0.2 ℃以上，因此自然溫差對(duì)于夜間液流速率有著重要的意義[61]。

2.3 探針熱損傷的影響

造成TDP法測定液流速率的誤差還可能與插入樹干探針造成的傷口有關(guān)，由于探針與邊材接觸時(shí)間較長，加熱探針?biāo)诘哪举|(zhì)部會(huì)出現(xiàn)熱損傷，木材的導(dǎo)熱性和探針的靈敏度降低，從而導(dǎo)致了液流速率被低估[3]。Wiedemann等人在熱擴(kuò)散探針造成的傷口對(duì)液流速率影響的研究中發(fā)現(xiàn)，由于加熱探針周圍傷口的影響，山毛櫸和橡樹的液流速率分別被低估了21.4%和47.5%，并且隨著測量時(shí)間的增長對(duì)加熱探針造成的熱損傷更嚴(yán)重，會(huì)對(duì)液流測量的精度也逐步降低[62]。而傷口區(qū)域大于鉆孔的面積也可能低估液流[63]。熱擴(kuò)散法中加熱探針造成的傷口軸向延伸遠(yuǎn)大于熱脈沖法，而加熱探針周圍的損傷可能會(huì)由于凝膠的積累、酪蛋白的形成以及細(xì)胞壁的增厚進(jìn)而降低了水力傳導(dǎo)性和熱傳遞[64-67]。由于不同尺寸的探針和加熱采用不同的電壓也會(huì)導(dǎo)致木材的物理特性發(fā)生較大的變化，加劇了熱損傷對(duì)液流速率的影響。

3 TDP測算誤差校正效果

3.1 驗(yàn)證方法

整樹稱重法和室內(nèi)離體莖段稱重法是驗(yàn)證TDP測算誤差校正效果的重要方法。整樹稱重法是用防輻射膜進(jìn)行包裹，在密閉的環(huán)境下進(jìn)行稱重，同步采用熱擴(kuò)散探針計(jì)算液流通量，將所得的蒸騰速率和液流速率進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果是否有差距[68]。該方法可以保證樹木在自然生長的狀態(tài)下進(jìn)行測定，具有操作簡單、快捷等優(yōu)點(diǎn)。使用該方法得出的毛白楊液流相比蒸騰速率僅降低了3.4%，具有較強(qiáng)的說服力。但是在操作過程中由于機(jī)械損傷影響邊材導(dǎo)管處導(dǎo)熱性，以及木質(zhì)部不同徑向深度液流速率分布不均勻等原因，對(duì)液流速率的測定造成誤差[69]。室內(nèi)離體莖段稱重法是將截取的莖段兩端用潮濕的紗布包扎，再用塑料膜整體纏上，在試驗(yàn)開始前放在清水中浸泡1 d。按照相應(yīng)的尺寸和規(guī)格，制作硅膠管和橡皮管，將莖段放入硅膠管內(nèi)，在莖段上安裝熱擴(kuò)散探針，再用粘合劑封住，并與馬氏瓶相連接。通過施加一定的壓力使莖段流出水分，再使用天平稱重計(jì)算出液流通量[70]。該試驗(yàn)條件可控，減少了操作誤差和外界影響，校正的公式比Granier原始公式誤差較小，具有較高的可靠性。由于該試驗(yàn)切割樹干是在空氣中進(jìn)行，很有可能導(dǎo)致木質(zhì)部形成栓塞，影響真實(shí)值[71-72]。

Pasqualotto等將被監(jiān)測的莖先從基部切下，將熱擴(kuò)散探針安裝在樹上，再將歐洲榛浸泡在水容器中，使用高精度流量計(jì)與另一個(gè)水容器相連，同步記錄使用TDP傳感器與采用高精度液體流量計(jì)的電子電位儀系統(tǒng)測量的參考吸水量，并進(jìn)行比較。原始的Granier校正公式低估了樹木有效蒸騰量(相對(duì)誤差約為-60%)，運(yùn)用新方法提高了測量精度，誤差在4%左右。造成誤差的原因與液流徑向分布有關(guān)，為此需要對(duì)該樹種的木質(zhì)部徑向解剖進(jìn)行分析[8]。

蒸滲儀法是在盛土容器中觀測土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，可以測量裸土蒸發(fā)量、植物蒸騰量、潛在蒸騰量，為植物蒸騰耗水提供依據(jù)。靈敏的蒸滲儀在1 h內(nèi)，可以準(zhǔn)確測定林冠層以下小型植被的蒸騰耗水量。但由于該法必須將植被及其根系土壤置于容器內(nèi), 當(dāng)蒸散損失水量遠(yuǎn)小于樹木與土壤的重量時(shí), 誤差較大, 而且隨樹形的增大, 對(duì)設(shè)備的要求較高, 但是儀器成本過高限制了對(duì)樹木蒸騰耗水的生理的解釋[73]。

3.2 校正效果

由于TDP測定樹干液流存在不同程度的誤差，進(jìn)而不能準(zhǔn)確得出林木蒸騰耗水量，為此越來越多的學(xué)者進(jìn)行Granier經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)的校準(zhǔn)。Sun等使用Granier原始公式系數(shù)(α為0.011 9，β為1.231)實(shí)際液流累積量與估計(jì)值的差異在9%到55%之間，其中在火炬松中高估55%，美洲黑楊中低估34%。使用校正系數(shù)，美洲黑楊α為0.012 1、β為1.141；白橡樹α為0.012 8、β為1.470；美國榆樹α為0.027 2、β為2.572；短葉松α為0.010 1、β為1.303；火炬松α為0.009 7、β為1.336。液流估計(jì)值在這5個(gè)樹種中誤差從1降到4%,在北美楓香(α為0.012 4，β為1.115)中誤差降到8%[74]。Fuchs等對(duì)5個(gè)樹種用Granier的原始校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算時(shí)，所有的TDP探針都低估了23%～45%的通量密度，且偏差隨著通量率的增加而增大。使用12 mm的加熱探針得到的校正系數(shù)α與原始公式?jīng)]有差異(P=0.301)，系數(shù)β與經(jīng)驗(yàn)公式差異顯著(P=0.014)，在按物種級(jí)別估計(jì)和跨物種匯總數(shù)據(jù)時(shí)使用TDPUP和TDPlong系統(tǒng)中得到的參數(shù)估計(jì)值都在相似的范圍內(nèi)，但在所有情況下，至少有1個(gè)參數(shù)明顯偏離了Granier經(jīng)驗(yàn)公式中的原始值[75]。在Rubilar等研究中，使用Granier原始公式對(duì)2年生藍(lán)桉的樹干液流密度進(jìn)行量化，對(duì)比Granier原始公式和在36 h內(nèi)使用全樹電位計(jì)的物種特質(zhì)性進(jìn)行校準(zhǔn)，研究表明，Granier原始公式明顯低估了藍(lán)桉的樹干液流，同時(shí)也低估了夜間蒸騰作用，使用校準(zhǔn)后的參數(shù)α=0.038 5、β=1.245進(jìn)一步提高了液流速率的測定[76]。

4 展望

采用熱擴(kuò)散探針法測算出的液流存在相應(yīng)的誤差，導(dǎo)致低估或者高估樹木的水分消耗，因此，需要從多方面提高樹干液流的測算精度。(1)校正方法的選擇：應(yīng)盡可能地保證樹木在自然狀態(tài)下監(jiān)測，減少人為干擾的因素。如高精度流量計(jì)和大型蒸滲儀，可以在樹木正常生長下測定，準(zhǔn)確得出蒸騰量。(2)測算誤差形成機(jī)制研究：對(duì)于不同材性的樹種，需要對(duì)木材解剖構(gòu)造進(jìn)一步研究，防止樹木本身的構(gòu)造對(duì)液流的影響。對(duì)于測量本身的誤差，找到誤差來源，減少誤差的產(chǎn)生。