孫立+董曉華+陳敏+龔蘭強

摘要：介紹了熱平衡莖流計的原理，以宜昌市柑橘樹為原料，通過野外盆栽試驗，應用包裹式莖流計和便攜式氣象儀分別測量了柑橘樹莖液流的日變化和同期的氣象變化過程，并用Stata軟件對樹莖液流與主要氣象因子的關系進行了相關分析。結果表明：（1）柑橘樹莖液流速率在晴天多云和陰天的變化均呈現多峰曲線，白天變化比較明顯，夜間由于沒有輻射且溫度低、濕度大，幾乎沒有液流;（2）柑橘樹液流速率與太陽凈輻射、大氣溫度、土壤溫度呈正相關，而與大氣相對濕度和瞬時風速呈負相關，其中太陽凈輻射和大氣溫度為主要影響因子，大氣相對濕度次之，土壤溫度和瞬時風速與柑橘植株液流速率的相關性很小，可以忽略;（3）柑橘樹蒸騰速率與液流速率的決定系數達到了0.886，表明用包裹式莖流計測定的液流量來估計蒸發(fā)蒸騰量是有效可行的。

關鍵詞：包裹式莖流計;柑橘樹;液流規(guī)律;影響因素

中圖分類號： S666.201 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0175-05

收稿日期：2014-12-07

基金項目：國家自然科學基金（編號：40701024）;三峽大學碩士學位論文培優(yōu)基金（編號：2014PY005）。

作者簡介：孫 立（1988—），男，湖北咸寧人，碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail：m15071797870@163.com。

通信作者：董曉華，博士，教授，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail：xhdong@ctgu.edu.cn。

蒸騰作用是植物耗水的主要方式，在土壤—植物—大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）的水熱傳輸過程中占有非常重要的地位，一直是農學、林學、氣象學、水文學、生態(tài)學等相關學科及領域共同關注的重要課題之一[1]。植物蒸騰作用是一個復雜的過程，既受自身形態(tài)結構及生理過程的影響，又受周圍環(huán)境的影響，因此其測量一直是難題。測定植物蒸發(fā)蒸騰量的方法主要有稱重式蒸滲儀法[2]、水量平衡法、能量波文比法[3]等，但它們只是計算植物的總蒸散量，無法將植物蒸騰與土壤的蒸發(fā)分開;此外，還有快速稱重、地膜覆蓋、莖流法等測量方法。近年來，利用包裹式熱平衡莖流計法測定植物蒸騰過程的應用越來越廣泛。莖流計[4]，又稱樹液儀，是通過加熱植物莖稈來測量液流速率進而計算植物蒸發(fā)蒸騰量的一種儀器。

包裹式熱平衡莖流計測定法由Sakuratani提出，后經Baker等改進[5]。該方法2個最大的特點是不要標定和不要將溫度傳感器插入莖稈中便可直接測量。目前，國內外已經有不少對包裹式熱平衡莖流計的應用研究，如國外González-Altozano等將包裹式熱平衡莖流計應用于桃樹的蒸發(fā)蒸騰量測定[6]，國內彭致功等先后將該法應用于單株植物，如番茄、灌木植物、玉米及葡萄的蒸騰規(guī)律的測定[7-11]，并取得了較為理想的結果。關于使用莖流計測量單株柑橘植株蒸騰的研究相對較少。柑橘樹作為一種重要的經濟作物，關于其蒸騰規(guī)律及水分利用效率的研究對農業(yè)節(jié)水灌溉具有十分重要的作用。

本研究采用包裹式莖流計法，對盆栽單株柑橘樹的蒸騰過程進行了測量，研究單株柑橘樹的蒸騰規(guī)律及其與主要影響因素之間的關系。

1 包裹式熱平衡莖流計原理

當莖流計的熱源以恒定功率（Pin）作用于植物莖稈后，傳輸給莖稈液流的能量在不考慮莖稈本身熱容量的情況下可以分解為3個部分（圖1）：一部分用于與垂直方向上的液流進行熱交換（Qv），一部分以輻射的形式向四周散失（Qr），另一部分則隨莖稈內水流的上升而向上傳輸（Qf）。

其能量平衡表達式[12-13]為：

Pin=Qv+Qr+Qf。

（1）

其中Pin=U2/R（歐姆定律）。其中U為電壓，V;R為電阻，Ω。

用于垂直方向上熱交換部分的能量Qv可以分為向上熱交換（Qu）與向下熱交換（Qd）2部分，表達為：

Qv=Qu+Qd;

（2）

Qu=kst·A·dTu/dx;

（3）

Qd=kst·A·dTd/dx。

（4）

式中：kst為莖稈的熱傳導特性[W/（m·K）];A為莖稈的橫截面積（m2）;dTu/dx為向上熱傳導的溫度梯度（℃/m）;dTd/dx為向下熱傳導的溫度梯度（℃/m）;dx為測定溫度梯度時2個熱電偶接點之間的距離（m）。

以輻射形式向四周散發(fā)的能量部分可用下式計算：

Qr=ksh·CH。

（5）

式中：ksh為護套的導電性（W/mV）;CH表示C-Hc處的電壓差（mV）。通過求解零流率（即Qf=0）時的式（1）而確定：

ksh=Pin-QvCH。

（6）

將以上計算得到的各項數值以及測定的溫度增量值、水的熱容量代入公式（1），并加以變換，可得到莖稈中液流通量的計算公式：

F=Pin-kst·A（dTu+dTd）dx-ksh·CHCρ·dT。

（7）

式中：Cρ為水的比熱[J/（g·℃）];dT為上下2個溫度監(jiān)測點間莖稈水流溫度的變化值（℃）;dT=（AH+BH）/2（℃），其中AH、BH分別為A-Ha、B-Hb的溫度變化值。

2 材料與方法

試驗區(qū)位于湖北省宜昌市三峽大學水文試驗中心，該站位于111°19′E、30°42′N。試驗地四季分明，春秋較長，雨水豐沛且多在夏季，屬亞熱帶季風性濕潤氣候。全年日照時間為 1 261～1 745 h，平均海拔為79.9 m，年平均降水量為 992.1～1 404.1 mm。較長的降水過程都發(fā)生在6—7月，雨熱同季，全年積溫較高，無霜期較長，年平均氣溫為 13.1～18.0 ℃。endprint

2.1 試驗材料

供試柑橘樹取自湖北省宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)柑橘園，該類果實具有果大無核、皮薄、色鮮、肉脆汁多，以及味甜而濃、質脆化渣、富有香氣的特點。試驗所用花盆的頂部直徑為 50 cm，底部直徑為28 cm，高度為30 cm。盆中土壤全部取自橘園內的原狀土，經試驗測定為沙壤土。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗儀器 SF-DL2包裹式熱平衡莖流測量系統(tǒng)（DL2數據采集器產于英國，液流測定傳感器由美國Dynamax公司生產）;FSR-4便攜式氣象數據采集系統(tǒng)，由錦州陽光氣象科技有限公司生產;監(jiān)測的主要氣象因子為：太陽輻射（W/m2）、大氣溫度（℃）、大氣相對濕度（%）、土壤溫度（℃）、風速（m/s）;ES60KX1系列高精度大稱量電子天平，由沈陽神宇龍騰天平有限公司生產，量程為60 kg，精度為 0.5 g;清華同方筆記本電腦，由北京賽格數碼科技有限公司生產。

2.2.2 測定植株的預處理 試驗前選擇有代表性的柑橘植株移栽至花盆中并進行維護，讓其正常生長，主要是適時適量地澆水，一般選擇早上或晚上澆水。為了讓其更好吸收陽光，盆栽中柑橘樹葉子朝向為東南方向。安裝莖流計傳感器時，先用游標卡尺測量植株莖稈的直徑并記錄讀數，然后在打磨好的安裝區(qū)涂上G4油脂。

2.2.3 選擇并安裝傳感器 本試驗采用美國Dynamax公司生產的SGA13-WS型號傳感器。將傳感器小心地安裝在被測區(qū)，包裹好絕緣、防輻射鋁箔材料，最后用塑料薄膜密封以防止雨水進入。安裝好后將數據饋線與數據采集器（DL2 Logger）連接，接通電源并設置數據采集間隔為30 min。儀器測得的液流速率單位為g/h。

2.2.4 電子天平、氣象儀安裝 試驗開始前0.5 h，啟動天平開始預熱。安裝好包裹式傳感器后，給盆栽覆蓋1層保鮮膜，然后移至到天平上。設置天平、氣象儀數據采集間隔為 30 min，測定時間與莖流計同步。測定時間：2014年6月9日20：00至2014年6月12日20：00。

2.3 數據采集與處理

將筆記本電腦和數據采集器連接，定期用筆記本電腦采集資料。利用Microsoft Office Excel 2003軟件繪圖，利用Stata軟件對柑橘樹液流速率與主要氣象因子的關系做回歸分析。

安裝好傳感器后就可以開始測量，本試驗柑橘樹液流監(jiān)測和盆栽周圍的氣象因子監(jiān)測過程見圖2、圖3。

3 結果與分析

3.1 單株柑橘樹液流變化規(guī)律

從圖4可以看出，單株柑橘樹的液流速率有明顯的日變化趨勢。6月10日和6月11日，液流日變化過程為多峰曲線，夜晚由于沒有輻射、溫度低、濕度大等原因，植株大部分葉片氣孔關閉，幾乎沒有液流量。07：00以后，隨著太陽輻射增強，溫度升高，液流速率急速增加，12：00左右第1次達到最大值，隨后出現上下波動現象，連續(xù)2 d均在14：30左右最后1次達到較大值;之后隨著太陽輻射的減弱，液流速率也快速下降，19：30只有很小的液流，20：00達到最小值。6月12日，液流速率在07：30以后開始迅速增加，11：00達到最大值，隨后開始下降，12：00—14：00時段內由于輻射強度變化不明顯，液流速率趨于穩(wěn)定，之后呈下降趨勢，16：00后迅速下降。從圖中還可以看出，同一柑橘植株連續(xù)幾天液流和測點溫差的變化情況：柑橘植株液流過程呈明顯的晝夜變化規(guī)律，白天液流以驟升驟降變化方式進行，夜晚則幾乎為零;測點溫差變化趨勢類似于植株液流變化，但是白天溫差變化啟動時間早于液流變化，結束時間晚于液流變化，晚上溫差變化趨于穩(wěn)定。由此說明，植株莖稈對輸入的熱量有一定的儲存作用[14-17]。6月10日和6月11日為晴天，12日為陰天，晴天與陰天液流變化趨勢基本相同，但陰天白天中間時段植株液流速率下降趨勢更為緩慢。

3.2 植株液流速率與氣象因子的關系

液流速率與太陽凈輻射的日變化過程見圖5。從圖5可以看出，兩者白天的變化趨勢基本一致，但液流速率在 07：00—07：30 開始上升，凈輻射變化在08：00—09：00才開始為正值并上升;晴天多云和陰天環(huán)境相比，液流速率與凈輻射變化趨勢吻合度有一些區(qū)別，陰天由于輻射強度波動不如多云天氣明顯，液流速率與凈輻射變化的趨勢吻合度更好。夜晚由于只有地面長波輻射，導致凈輻射為負值，基本趨于穩(wěn)定;05：00—05：30開始，隨著地上部分太陽凈輻射越來越強，凈輻射也開始迅速上升，12：00—14：00達到最大值，其間出現多次波動，20：00左右下降至最小值。從圖6可以看出，柑橘樹液流速率與大氣溫度、土壤溫度（15 cm深度）呈正相關，而與大氣相對濕度呈負相關;從圖7可以看出，柑橘樹液流速率與瞬時風速的相關度很差，說明風速對柑橘樹蒸騰速率的影響很小，可以忽略。

為了進一步分析植株液流速率與各氣象因子的相關關系，利用Stata軟件對其進行回歸分析，并建立柑橘植株液流速率與各氣象因子的數量關系如下：

Tr=6.651+0.096Rn，r2=0.834;

（8）

Tr=-65.75+2.623TE，r2=0.806;

（9）

Tr=53.14-0.738RH，r2=0.696;

（10）

Tr=-29.73+1.337TS，r2=0.158;

（11）

Tr=14.07-4.204v，r2=0.013;

（12）

Tr=10.98+0.017Rn+2.295TE-0.309RH-1.614TS+0.683v，R2=0.952。

（13）

式中：Tr為柑橘樹液流速率（g/h）;Rn為太陽凈輻射（W/m2），TE為大氣溫度（℃）; RH為大氣相對濕度（%）;TS為endprint

15 cm深度處土壤溫度（℃）;v為瞬時風速（m/s）。

回歸分析結果，柑橘植株與各氣象因子的綜合線性相關系數達到了0.952，利用公式（13）預測柑橘樹的蒸騰過程;其液流速率與太陽凈輻射、大氣溫度、土壤溫度呈正相關，而與大氣相對濕度和瞬時風速呈負相關;其中太陽凈輻射、大氣溫度為主要影響因子，大氣相對濕度次之，土壤溫度、瞬時風速與柑橘植株液流速率的相關性很小，可以忽略。

3.3 植株液流速率與蒸騰速率的回歸分析

莖流計是根據能量平衡原理，通過數采內部程序計算植株莖稈內的液流量，而由于莖稈內的液流水分幾乎全部用于植物蒸騰，所以植株蒸騰量近似等于植株液流量。天平稱重法是傳統(tǒng)的測量蒸散的方法，為了規(guī)避土壤蒸發(fā)的影響，試驗過程中用塑料薄膜覆蓋在盆栽表面，所以其測定的是柑橘樹的蒸騰量。將天平測定的柑橘樹蒸騰速率（y）與莖流計測定的柑橘樹液流速率（x）進行回歸分析，得到：

y=1.032 5x+1.283 1，r2=0.886。

（14）

柑橘樹蒸騰速率與液流速率的決定系數達到了0.886，說明用包裹式熱平衡莖流計測定的液流量來估計其蒸騰量是可行的。從圖8、圖9可以看出，天平測定結果的整體趨勢與莖流計測定結果基本一致，但是天平測量的結果出現了上下波動的情況，可能是因為野外測量時風速的影響，晚上由于風速變化比白天更大導致波動更加明顯。

4 結論與討論

本研究利用包裹式熱平衡莖流計測量盆栽柑橘樹液流變化過程，并用傳統(tǒng)的天平稱重法對其進行標定，同時通過 Stata 軟件對測定的液流速率與主要氣象因子做回歸分析，探討柑橘樹液流規(guī)律及其與各因子的相關關系，得出如下主

要結論： （1）柑橘樹莖液流速率在晴天多云和陰天的變化過程均呈現出多峰曲線形式，白天變化比較明顯，夜間幾乎沒有液流。 （2）柑橘樹液流速率與太陽凈輻射、大氣溫度、土壤溫度呈正相關，與大氣相對濕度、瞬時風速呈負相關;其中，太陽凈輻射、大氣溫度為主要影響因子，大氣相對濕度次之，土壤溫度、瞬時風速與柑橘植株液流速率的相關性很小。 （3）柑橘樹蒸騰速率與液流速率的決定系數達到了0.886，說明用包裹式莖流計測定的液流量來估計其蒸發(fā)蒸騰量是有效可行的。柑橘植株與各氣象因子的綜合相關系數達到了0.952，因此可以利用公式（13）預測柑橘樹的蒸騰。

如要更加深入地探討柑橘樹液流規(guī)律，還有許多工作要做，如利用正交試驗通過控制變量的方法來研究柑橘樹液流量與單個氣象因子的關系，通過縮短數據采集器記錄時間間隔，以期得到更加精細的監(jiān)測數據，從而分析柑橘樹白天液流變化的詳細過程，為柑橘樹的節(jié)水利用提供理論指導。

參考文獻：

[1]孟平，張勁松，王鶴松，等. 蘋果樹蒸騰規(guī)律及其與冠層微氣象要素的關系[J]. 生態(tài)學報，2005，25（5）：1074-1079.

[2]陳建耀，劉昌明，吳 凱.利用大型蒸滲儀模擬土壤-植物-大氣連續(xù)體水分蒸散[J]. 應用生態(tài)學報，1999，10（1）：45-48.

[3]強小嫚，蔡煥杰，王 健.波文比儀與蒸滲儀測定作物蒸發(fā)蒸發(fā)蒸騰量對比[J]. 農業(yè)工程學報，2009，25（2）：12-17.

[4]龍秋波，賈紹鳳.莖流計發(fā)展及應用綜述[J]. 水資源與水工程學報，2012，23（4）：18-23.

[5]Steinberg S，van Bavel C H，McFarland M J.A gauge to measure mass flow rate of sap in stems and trunks of woody plants[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science，1989，114（3）：466-472.

[6]González-Altozano P，Pavel E，Oncins J，et al.Comparative assessment of five methods of determining sap flow in peach trees[J]. Agricultural Water Management，2008，95（5）：503-515.

[7]彭致功，段愛旺，劉祖貴，等. 日光溫室條件下茄子植株蒸騰規(guī)律的研究[J]. 灌溉排水，2002，21（2）：47-50.

[8]彭致功，楊培嶺，段愛旺，等. 日光溫室條件下番茄植株蒸騰規(guī)律研究[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2004，22（1）：62-65.

[9]金紅喜，劉左軍，王繼和，等. 熱平衡莖流計在荒漠灌木植物耗水研究中的應用[J]. 防護林科技，2004（6）：9-13.

[10]聶文果，張盹明，徐先英，等. 玉米液流速率及耗水量研究[J]. 中國農學通報，2009，25（7）：230-234.

[11]南慶偉，王全九，蘇李君.極端桿旱區(qū)滴灌條件下葡萄莖流變化規(guī)律研究[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2012，30（6）：60-67.

[12]Ham J. Dynamics of a heat balance stem flow gauge during high flow[J]. Agronomy Journal，1990，82（1）：147-152.

[13]Weibel F，De Vos J.Transpiration measurements on apple trees with an improved stem heat balance method[J]. Plant and Soil，1994，166（2）：203-219.

[14]龔道枝，康紹忠，佟 玲.分根交替灌溉對土壤水分分布和桃樹根莖液流動態(tài)的影響[J]. 水利學報，2004，10（10）：112-118.

[15]李瑞娟，劉文兆，王培榛.春小麥蒸騰測定中莖流計的標定及其應用[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2012，30（6）：79-82，93.

[16]劉 浩，孫景生，段愛旺，等. 溫室滴灌條件下番茄植株莖流變化規(guī)律試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2010，26（10）：77-82.

[17]Sakuratani T，Aoe T，Higuchi H.Reverse flow in roots of Sesbania rostrata measured using the constant power heat balance method[J]. Plant，Cell & Environment，1999，22（9）：1153-1160.endprint