植物水分研究——水分在植物体内的运输与蒸腾耗水

如何测量植物蒸腾耗水
最直接和最准确的 方法是测定全株水 分利用量，而测定 全株水分利用的方 法是测量茎杆茎流 茎流测量可以告诉 我们任意时间和不 同管理条件下的全 株水分利用情况
Transpiration
Sap flow
Soil water
茎流测定方法
• 热扩散方法 • 能量平衡原理
热扩散测茎流速率原理
大气
leaves
植被
根系
土壤 水
水
Radiation
循
环
Atmospheric monitoring
Plant Properties Evaporation Transpiration Soil Water Surface runoff River
关注热点： 关注热点：蒸腾耗水
水资源紧缺已成为严重制约我国国民经济可持续发展的瓶颈 农业是我国的用水大户，用水总量占全国总用水量的70%， 其中农田灌溉用水量占农业用水量的90%-95%。 农业用水中的浪费现象相当严重 近年来，国内外相继开展了对作物需水量计算方法的大量研究， 作物需水量计算方法的大量研究， 作物需水量计算方法的大量研究 但这些研究大多以单点的和单一作物的耗水估算为主，在此 基础上采用插值法和面积加权平均法确定的区域作物耗水量 的精度会受到气象等因素的空间变异性的影响。 目前的重点是将单点的单一作物耗水估算模型的研究扩展到区 域尺度多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究上，根据 域尺度多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究上 作物及其不同生育期的需水估算，使有限的水最优分配到作 物的不同生育期内，为研究适合不同地区的非充分灌溉制度 提供基础数据和支撑。
CH=径向散热热电偶电压（mV) 径向散热热电偶电压（ 径向散热热电偶电压
能量平衡方程式(3) 能量平衡方程式
最后： 最后： F=(Pin-Qv-Qr)/CpdT(g/s) Cp=水的比热（J/g ×℃） 水的比热（ 水的比热 dT=树液的温度增加（℃） 树液的温度增加（ 树液的温度增加 dT=(AH+BH)/2 (℃)
水分沿导管或管胞上升的动力
水分上升的动力：根压和蒸腾拉力 水分上升的原因：蒸腾—内聚力—张力学说 （1）水柱有张力，（0.5~3MPa） （2）水分子间有较大的内聚力（20 Mpa），内聚力>＞张力 （3）水分子对导管坒有很强的附着力
水分在土壤-植被 大气连续体中运输 水分在土壤 植被-大气连续体中运输 植被
木质部结构
(A) 外层树皮 (B) 里层树皮 (C) 形成层 (D) 边材 (E) 心材
•只有边材输送水分 只有边材输送水分 •只需测量边材截面积 只需测量边材截面积. 只需测量边材截面积
木质部面积计算
• 计算边材面积才能计算出体积茎流
• Grainer使用的方法 使用的方法 破坏性取样测量
• 从样树中取出干心 • 测量 DBH（胸径） （胸径） • 计算树木周长 ST • 确立统计关系
SA = -0.0039 + 0.59 ST • 生长锥取样
马履一，王华田， 马履一，王华田，北京地区几个造林树种耗水性 比较研究 . 北京林业大学学报, 北京林业大学学报 2003, 25(2): 661～667 ～
热平衡原理
测量计工作原理－ 测量计工作原理－热量平衡
Pin =Qr +Qv+Qf(W) Pin(热量输入） 热量输入） 热量输入 Qr: 径向散热 Qv: 竖向（轴向）茎杆导热 竖向（轴向） 包括Qu和 。 ，包括 和Qd。 Qf: 茎流携带的热量 计算Qf后 计算 后，可以得到质量茎 流速率 (1)
(2)
能量平衡方程式(2) 能量平衡方程式
Qr =2 (pi) Kco L(Ti –To)/ln(Ri/Ro) Qr=Ksh×CH × Ksh=鞘传导率 鞘传导率 Ksh通过在 茎流，Qf=0,时解方程 通过在0茎流 通过在 茎流， 时解方程 （1）得到： ）得到： Ksh=(Pin-Qv)/CH(W/mV) (4) (3)
TDP – 测量原理
根据茎流速度的不同在探针之间产生了温度差异。 根据茎流速度的不同在探针之间产生了温度差异。高速茎 流向上传送热量并显示一个较低的电压信号， 流向上传送热量并显示一个较低的电压信号，各种低速流 如在夜里）则会产生最高的温差（大约10-13℃）。这 量（如在夜里）则会产生最高的温差（大约 ℃）。这 年提出的。 种测量原理由 Dr. André Granier 于1985年提出的。 年提出的 Grainier, André (1985): Une nouvelle éthode pour la mesure du flux de sève brute dans le tronc des arbres, Ann.Sci.For., 1985, 42 (2), 193-200. Granier A (1987): Mesure du flux de sève brute dans le tronc du Douglas par une nouvelle méthode thermique. Ann.Sc.For., Seichamps, 44
Granier报道，正午时V值为 报道，正午时 值为 值为10-80 cm/h 报道
Grainier, André (1985): Une nouvelle éthode pour la mesure du flux de sève brute dans le tronc des arbres, Ann.Sci.For., 1985, 42 (2), 193-200. Granier,A., R. Huc and S.T.Barigali(1996): Transpiration of nabural rain forest and its dependence on climatic factors, Agricultural and Frorest Meterology 78:19-29
能量平衡方程式(1) 能量平衡方程式
Pin =V2/R Ohms定律 定律
竖向传导的热量部分： 竖向传导的热量部分： Qv =Qu+Qd Qu =Kst A dTu/dX Qd =Kst A dTd/dX
Kst=茎秆的热传导率 (W/m×K), 茎秆的热传导率 × A=茎秆横截面积 (m2)，温度梯 茎秆横截面积 ， 度是dTu/dX(K/m)和dTd/dX， 度是 和 ， dX是热电偶节点间距 (m) 是热电偶节点间距
TDP – 测量原理
• 计算无量纲变量 K
K=(dTm - dT)/dT
dT为温差，dTm一般在黎明前无茎流时测得 为温差， 为温差 一般在黎明前无茎流时测得
• 计算流速 V
V= 0.000119 * K ^ 1.231 (m/s) • 计算边材横截面积并与 相乘得到体积流量 计算边材横截面积并与V相乘得到体积流量 Sapflow =A * V
TDP – 测量原理
每套传感器包括两个带有铜-康 每套传感器包括两个带有铜 康 铜热电偶的探针（ 铜热电偶的探针（T-Type)和一 和一 条特殊的加热线。 条特殊的加热线。两个热电偶 用同样的方式连接， 用同样的方式连接，信号直接 对应传感器两个探针的温度差 安装时， 异。安装时，两个探针一个在 上一个在下插入边材。 上一个在下插入边材。上面的 探针使用恒定电流加热。 探针使用恒定电流加热。
植物水分研究——水分在植物体内 植物水分研究 水分在植物体内 的运输与蒸腾耗水
基因有限公司 农业环境科学部 北京力高泰科技有限公司 2009年03月16日 年 月 日
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水 分 在 植 物 体 内 的 运 输
土壤水 根毛 根皮层 根 中柱鞘 根导管 茎导管 叶 柄导管 叶脉导管 叶肉细胞 叶细胞间隙 气孔下腔 气孔 大气