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    基于熱消散原理的不同加熱模式下油松樹干液流特征

    2022-04-26 07:40:30張含含王秀敏劉云潔李春友馬長明
    關(guān)鍵詞:液流油松樹干

    張含含,王秀敏,劉云潔,李春友,馬長明

    (1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定 071000;2.保定市農(nóng)業(yè)生態(tài)園管理處,河北 保定 071000)

    林木蒸騰是土壤水分消耗的主要途徑之一,準(zhǔn)確測定林木蒸騰耗水對于構(gòu)建森林生態(tài)系統(tǒng)水系平衡至關(guān)重要,是了解和管理森林生態(tài)系統(tǒng)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[1]。很多學(xué)者提出了一系列測量樹木蒸騰耗水的方法,其中測定樹干液流是最常用的方法之一,包括:熱平衡法[2]、熱脈沖法[3]、熱消散法等[4]。熱消散探針法(Thermal dissipation probe-TDP)以其方便、成本低以及可以實(shí)現(xiàn)在野外長期測定等優(yōu)點(diǎn)普遍應(yīng)用于測定樹干液流中[5]。目前大部分學(xué)者主要集中采用熱消散探針法中的持續(xù)加熱模式來測定樹干液流,其中在探究樹干液流與氣象因子的關(guān)系[6-7],不同時(shí)間尺度下樹干液流的變化特征[8-9],以及不同天氣類型對樹干液流的影響等方面研究較多[10-11]。但是持續(xù)加熱模式下測定樹干液流存在受自然溫差干擾大、耗電量多、存在熱損傷等缺點(diǎn)[12-13],而采用間斷加熱可有效避免此類問題,但間斷加熱模式下測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等研究較少。

    油松(Pinus tabulaeformis)為我國暖溫帶分布最為廣泛的針葉樹種之一,它喜光、耐生長,在土壤深厚的酸性或中性土壤下均能生長,是我國主要的造林、綠化樹種。因此,本文以油松為試驗(yàn)對象,研究基于熱消散原理的不同加熱模式下油松樹干液流的差異性特征,為完善TDP 技術(shù)和精準(zhǔn)估算林木蒸騰耗水量提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)地概況

    試驗(yàn)地位于河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園內(nèi),地理位置為北緯38°81',東經(jīng)115°41',該地位于太行山北部東麓,冀中平原西部。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,冬冷夏熱,雨熱同期。年平均氣溫13.4 ℃,年降水量550 mm 左右,主要集中在夏季,一年內(nèi)光照時(shí)間可達(dá)2 500 ~2 800 h。2018 年5—10 月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園內(nèi),選取3 株樹干通直、生長良好、無病蟲害的油松個(gè)體作為監(jiān)測對象進(jìn)行測定(表1)。

    表1 油松樣木的基本生長特征Table 1 Basic characteristics of Pinus tabulaeformis

    1.2 樹干液流測定方法

    1.2.1 安裝儀器 選取3 株油松在距地面1.0 m 的南側(cè)呈S 型安裝3 組探針,先用小刀將粗糙的樹皮刮去,再用電鉆打出和探針長度、粗度相適應(yīng)的孔,2 個(gè)孔之間相距4 cm,將加熱探針和不供熱探針分別插入上下2 個(gè)孔中,外面包裹絕緣和防輻射的材料,最后用塑料薄膜將其裹緊,防止下雨時(shí)導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

    1.2.2 液流速率的測定 本試驗(yàn)采用熱消散液流計(jì)進(jìn)行測定,傳感器使用的是北京雨根科技有限公司生產(chǎn)的 AV-3665R,數(shù)據(jù)采集器是RR-1016 的型號。探針長度20 mm,穩(wěn)壓器調(diào)至2 V,供電電池采用12 V 電池為系統(tǒng)供電。熱消散技術(shù)通過上下兩個(gè)探針之間的溫差計(jì)算液流速率,溫差越大,液流速率越小;溫差越小,液流速率越大。

    1.2.3 加熱模式設(shè)置 將3 組探針分別設(shè)置:加熱60 min×冷卻0 min(60/0 模式)、加熱10 min×冷卻50 min(10/50 模式)、加熱30 min×冷卻30 min(30/30 模式)3 種模式,采樣頻率設(shè)定為60 s,數(shù)據(jù)采樣的間隔期為60 s。根據(jù)Granier 原始公式計(jì)算液流速率為[14]:

    其中Fd為液流速率(cm3/cm2·s);As為邊材面積(cm2);△Tmax為無液流時(shí)的探針最大溫差值;△T為測定的某一時(shí)刻的溫差值。由于間斷加熱不同于持續(xù)加熱模式,所以采用的K值計(jì)算公式也不同:

    其中△Th為每一循環(huán)中加熱時(shí)段最后一刻的最大溫差;△Tc為每一循環(huán)中冷卻時(shí)段最后一刻的最小溫差[12]。

    1.2.4 邊材面積測定 野外測定結(jié)束后,用生長錐分別在3 株油松樹干監(jiān)測部位鉆取樹芯,利用游標(biāo)卡尺測量邊材直徑,計(jì)算油松的邊材面積(As,cm2)。

    1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

    采用Microsoft Excel 2016 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算,運(yùn)用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行冪函數(shù)擬合:以不同間斷加熱模式的溫差系數(shù)K 值為橫坐標(biāo),持續(xù)加熱的液流速率為縱坐標(biāo)分別進(jìn)行擬合,所得方程為不同間斷加熱模式的校正公式。所有圖形均由Origin 2021 所制。

    相對于持續(xù)加熱液流,測定系數(shù)(R2)和Will mott 一致性指數(shù)(D)是檢驗(yàn)不同加熱模式校正方程的擬合優(yōu)度,均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)是檢驗(yàn)不同間斷加熱校正公式和持續(xù)加熱液流速率估計(jì)的準(zhǔn)確性,平均偏差誤差(MBE)是確定不同間斷模式校正公式和持續(xù)加熱液流速率的偏差[15]。

    公式中:n為觀測次數(shù);Ei為校正公式的液流速率;Oi為持續(xù)加熱的液流速率,為持續(xù)加熱測量值的平均值。R2越接近1,表明擬合模型越好;D指數(shù)接近1,RMSE和MAE越接近0,表明持續(xù)加熱模式的液流速率與校正公式的液流速率具有較好的一致性[15]。MBE越趨近于0 越好,MBE的正負(fù)值代表校正公式的液流速率高估或低估了持續(xù)加熱的液流速率[16]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同加熱模式下的液流和溫差的日變化

    選取2018 年7 月12 日、13 日、14 日不同加熱模式油松的樹干液流速率進(jìn)行對比(圖1),發(fā)現(xiàn)3種不同加熱模式均呈單峰型的日變化趨勢。0:00—6:00 基本保持穩(wěn)定狀態(tài),7:00—8:00 液流開始啟動,液流速率逐漸上升,11:00—14:00 到達(dá)最大液流速率;之后又開始逐漸下降至23:00—24:00,液流速率最低,到次日6:00 又開始上升。將2 種間斷加熱模式的液流速率和持續(xù)加熱所得液流速率在日尺度水平進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)10/50 和30/30 模式的相對誤差分別為-48.3%、-49.5%(圖2),均存在較大誤差,但10/50 和30/30 模式之間不存在差異。

    圖1 不同加熱模式的液流速率Fig1. Sap flow velocity of different heating modes

    圖2 2 種間斷加熱模式的液流速率和持續(xù)加熱的液流速率的比較Fig. 2 Comparison of sap flow velocitys of two intermittent heating modes and continuous heating modes

    溫差是測定熱消散樹干液流測定的關(guān)鍵指標(biāo)。由圖3A 可知,油松持續(xù)加熱和間斷加熱模式下的溫差變化和液流速率變化相反。從0:00 到6:00 保持穩(wěn)定狀態(tài),液流從早上7:00—8:00 開始啟動,溫差逐漸降低,到上午10:00—11:00 到達(dá)溫差最低點(diǎn);之后又開始逐漸上升至23:00—24:00,溫差達(dá)到峰值,然后又開始下降。所以3 d 的油松溫差變化趨勢是從上午10:00 到夜晚24:00 溫差最大,此時(shí)液流速率最小或液流速率為零。

    截取12:00—14:00 的溫差可以發(fā)現(xiàn)(圖3B),短時(shí)間內(nèi)快速出現(xiàn)最大溫差,30/30 模式的最大溫差為8.10 ℃,加熱2 min 到達(dá)6.41 ℃為最大溫差的79.1%,6 min 后達(dá)到最大溫差的90.4%,結(jié)束加熱1 min后溫差開始下降,結(jié)束加熱2 min后溫差下降 6℃左右,加熱結(jié)束7 min 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。10/50 模式的最大溫差為6.23 ℃,加熱2 min 溫差為4.92 ℃達(dá)到最大溫差的79.0%,3 min 后達(dá)到最大溫差的90.2%,結(jié)束加熱1 min 后溫差開始下降,結(jié)束加熱3 min 后溫差下降5 ℃左右,加熱結(jié)束7 min 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖可看出,相對于持續(xù)加熱模式兩種間斷加熱模式在短時(shí)間內(nèi)加熱后能迅速升溫且趨于穩(wěn)定,因此,間斷加熱模式能夠測定油松的樹干液流。

    圖3 不同加熱模式下溫差日變化趨勢Fig. 3 Diurnal variation trend of temperature difference under different heating modes

    2.2 間斷加熱模式校正公式的建立與驗(yàn)證

    將2 種加熱模式所得K值和持續(xù)加熱的液流速率分別進(jìn)行冪函數(shù)擬合(圖4),得到10/50 模式的校正公式:Fd=0.016 1K1.198,30/30 模式的校正公式:Fd=0.024 1K1.256。與持續(xù)加熱Granier 公式(Fd=0.011 9K1.231)相比,2 種加熱模式校正公式的參數(shù)與其有所差異:10/50 模式的校正參數(shù)α:0.016 1與持續(xù)加熱的參數(shù)α:0.011 9 相比,10/50 模式的校正參數(shù)α 較大;校正參數(shù)β:1.119 8 與持續(xù)加熱的參數(shù)β:1.231 相比,10/50 模式的校正參數(shù)β 較小。30/30 模式的校正參數(shù)α:0.024 1 比持續(xù)加熱的參數(shù)α:0.011 9 相比,30/30 模式的校正參數(shù)α 較大;校正參數(shù)β:1.256 比持續(xù)加熱的參數(shù)β:1.231 相比,30/30 模式的校正參數(shù)β 略大。其中,2 種間斷加熱的參數(shù)α、β 也略有不同。

    圖4 兩種間斷加熱模式的校正公式Fig. 4 Correction formulas for two intermittent heating modes

    將間斷加熱模式的校正公式和持續(xù)加熱液流速率進(jìn)行驗(yàn)證比較(圖5):Y10/50=0.744 7x(R2=0.78),Y30/30=0.968 8x(R2=0.98),結(jié) 果 表 明10/50 模 式的校正公式與持續(xù)加熱液流速率的誤差為25.5%,30/30 模式的校正公式與持續(xù)加熱液流速率的誤差為3.1%,且30/30 模式的校正公式更貼近持續(xù)加熱的液流速率。

    圖5 2 種間斷加熱模式的校正公式與持續(xù)加熱的液流速率比較Fig. 5 Comparison between the correction formula of two intermittent heating modes and the sap flow velocity of continuous heating

    表2 中的指標(biāo)驗(yàn)證2 種間斷加熱模式的校正和持續(xù)加熱公式的有效性。結(jié)果表明,2 種間斷加熱模式的D>0.9,R2>0.7,RMSE、MAE和MBE均接近于0,說明2 種間斷加熱模式的校正公式和持續(xù)加熱的液流速率具有很好的一致性,均能測定油松的液流速率。

    表2 2 種間斷加熱模式下油松液流速率的有效性Table 2 Validity of Pinus tabulaeformis sap flow in two intermittent heating modes

    3 討論

    隨著熱消散式樹干液流測定技術(shù)的推廣應(yīng)用,人們針對其測定準(zhǔn)確度提出質(zhì)疑[17-19]。持續(xù)加熱模式與間斷加熱模式之間的差異(可能大于100%)與溫度梯度對連續(xù)系統(tǒng)的影響有關(guān)。自然溫差是準(zhǔn)確測定樹干液流的重要條件之一,試驗(yàn)地的不同天氣狀況以及樹木邊材的擴(kuò)散率會產(chǎn)生自然溫差。當(dāng)自然溫差大于等于0.2 ℃時(shí),持續(xù)加熱模式會產(chǎn)生較大誤差,并且持續(xù)加熱探針會對樹干木質(zhì)部造成損傷,影響到樹干木質(zhì)部的導(dǎo)熱效果。如Do 等[13]即指出兩根探針之間的自然溫度梯度高達(dá)1.0 ℃;而間斷加熱模式下的自然溫度梯度對TDP 信號反應(yīng)不敏感,是在非穩(wěn)態(tài)溫度條件下進(jìn)行的,可有效地減少自然溫差對其造成的影響,大大提高熱消散探針進(jìn)行流量測定的精度,并可以降低使用的功耗,Lubczynski[20]等人指出,在間斷加熱模式下可以降低自然溫差對液流速率的影響,使誤差控制在20%左右;H?ltt? 等[21]也進(jìn)一步指出改變加熱功率,調(diào)整加熱針與參考針之間的溫度關(guān)系,提高測定精度。馬玉潔等[19]指出采用加熱30 min 冷卻30 min 的間斷加熱模式對側(cè)柏樹干液流測定效果較好,Do[13]等采用加熱45 min 冷卻15 min 的間斷加熱模式,可以解決自然溫度梯度對樹干液流的影響。本研究顯示30/30 模式下測定油松的樹干液流效果較好。但本研究是以當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的持續(xù)加熱模式下樹干液流測定值為參考值進(jìn)行分析的,在未來研究中會以蒸滲儀稱重法、整樹容器法等為基準(zhǔn)進(jìn)一步提升樹干液流測定準(zhǔn)確性。

    由于持續(xù)加熱探針與樹干邊材面積長時(shí)間接觸,導(dǎo)致樹木形成的傷口逐漸加重,接觸部位產(chǎn)生熱損傷的程度逐漸加深,進(jìn)而會影響測量精度[5]。山毛櫸(Fagus longipetiolata)和橡樹(Quercus palustris)在持續(xù)加熱模式下,對傷口造成的影響逐漸加重,導(dǎo)致對測量精度產(chǎn)生不同程度的偏差,且加熱時(shí)間越長影響越大[22]。若鉆孔面積大于探針的寬度使探針不能緊密接觸邊材區(qū)域,所形成的傷口較大,會使測量結(jié)果偏低[23]。對樹木熱損傷的影響所分泌的物質(zhì)會導(dǎo)致水、熱傳導(dǎo)的降低,使得測量準(zhǔn)確度被低估[24-26]。因此,采用間斷加熱模式可以縮短對樹木的加熱時(shí)間,使產(chǎn)生的熱損傷較小,傷口也會減小。本試驗(yàn)采用10/50 模式和30/30 模式,與持續(xù)加熱相比,縮短了加熱時(shí)間,一定程度上可以減輕對樹木的熱損傷[5,21]。

    加熱模式不同,樹干液流測定結(jié)果存在一定的差異,在側(cè)柏樹干液流測定中,采用持續(xù)加熱、加熱30 min 冷卻30 min、加熱10 min 冷卻50 min 3種加熱模式,結(jié)果得出加熱30min 冷卻30 min 的模式所得的液流速率能夠測定側(cè)柏的樹干液流[12];Ayutthaya 等采用莖段切割法對不同加熱模式的橡膠樹進(jìn)行分析,結(jié)果表明間斷加熱10 min 可以更好地測出液流速率[27];Maurits 等對不同的液流密度進(jìn)行探針溫度測量序列,在啟動或停止加熱后的10 min 內(nèi)每5 s 進(jìn)行1 次測量所測量值更能準(zhǔn)定樹干液流[28]。不同的樹種其導(dǎo)熱性不同,采用的間斷加熱模式不同,因此需要根據(jù)樹木的特異性找出適合的加熱模式,進(jìn)一步完善樹干液流的測定,為樹木蒸騰耗水提供更有意義的指導(dǎo)。

    4 結(jié)論

    (1)不同加熱模式下連續(xù)3 d 油松的液流速率變化規(guī)律基本一致并呈單峰型,但10/50 和30/30 模式與持續(xù)加熱相比相對誤差分別為-48.3%、-49.5%,均存在較大誤差,而兩者之間差異較小。

    (2)油松在不同加熱模式下的溫差和液流速率變化相反,加熱后溫差能在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到最大溫差并保持相對穩(wěn)定,因此能夠測定油松的樹干液流。

    (3)將2 種間斷加熱模式的K 值和持續(xù)加熱的液流速率分別校正擬合,得出10/50 模式的校正公式:Fd=0.016 1K1.198,30/30 模式的校正公式:Fd=0.024 1K1.256。與持續(xù)加熱模式的公式(Fd=0.011 9K1.231)相比,參數(shù)α、β 略有不同。

    (4)2 種間斷加熱模式與持續(xù)加熱的液流速率驗(yàn)證比較,10/50 和30/30 模式的校正公式與持續(xù)加熱液流速率的誤差分別為25.5%、3.1%,且30/30模式的校正公式更接近持續(xù)加熱的液流速率。

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