CN112240861A - 原位连续监测木本植物木质部导水率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法及系统，所述方法包括：S1、采用茎干水势仪分别测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；S2、基于热平衡原理或热脉冲原理测定木质部液流通量Q；S3、根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：Kh＝Q/(dP/dx)，其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up‑Ψs,down，dx为液流路径长度。本发明将独立的、连续的水势和液流测定结合，根据导水率计算公式原位连续测定木本植物的导水率，可为植物比导率、叶比导率、栓塞化阈值计算提供基础数据支撑，为植物水力学发展提供坚实可靠的新方法。
Description
技术领域
本发明属于木质部导水率观测技术领域，具体涉及一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法及系统。
背景技术
木质部导水率定义为单位长度单位时间内单位压力梯度下通过植物木质部的液流量，其作为植物水力结构特征的重要指标，被广泛应用于植物水分运输、木质部栓塞化、耐旱性等相关研究。
目前国内外测定植物导水率常用的方法有解剖学法、“冲洗法”、高压流速仪法和蒸发通量法。解剖学方法通常测定木质部导管直径，通过Hagen-Poiseuille方程计算理论导水率，实验室常用的冲洗法和高压流速仪法因人为引起的栓塞化而广受诟病。以上方法测定过程中需要切割茎段，导致木质部张力瞬间散失而空气进入引起人为的栓塞化；同时，这些方法均无法在野外条件下连续监测木质部导水率的变化过程，而木质部导水率的连续变化对于理解植物应对干旱胁迫等至关重要。
因此，原位连续监测植物木质部导水率成为植物水分关系、植物耐旱机理、植物响应气候变化等研究中最关键的技术瓶颈。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法及系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法及系统，以实现木质部导水率的原位观测和连续监测。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，所述方法包括：
S1、采用茎干水势仪分别测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
S2、基于热平衡原理或热脉冲原理测定木质部液流通量Q；
S3、根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
一实施例中，所述木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down通过PSY1茎干水势仪测定，PSY1茎干水势仪包括位于黄铜腔内的第一热电偶、第二热电偶及第三热电偶，第一热电偶与第二热电偶串联设置，第一热电偶与茎干样本相接触，第二热电偶同时测量黄铜腔内的空气温度，然后在珀耳帖冷却脉冲之后测量湿球温差，第三热电偶用于测量仪器温度从而实现温度补偿。
一实施例中，所述PSY1茎干水势仪测定的水势Ψ为：
ψ＝((((WBD/((C1*Tc)+C2))-CI)/-CS)+(ΔT/k*CF))，
其中，WBD为干湿球温差；Tc为黄铜腔内温度；CI为校准曲线截距；CS为校准曲线斜率；C1和C2为温度校准经验常数；ΔT为第三热电偶和第一热电偶测量的温度差；k为第二热电偶输出；CF为ΔT的校准因子。
一实施例中，所述步骤S1还包括：
PSY1茎干水势仪采用不同浓度NaCl标准液单独校准，得到校准曲线截距CI和校准曲线斜率CS。
一实施例中，所述步骤S1前还包括：
先将木本植物的安装部位削平，然后用去离子水冲洗削去表皮的茎干表面，再用可吸水滤纸搽拭干净；
在茎干水势仪外圈抹上凡士林后安装于经处理的茎干部位，并用支架固定后用锡箔纸整个包裹。
一实施例中，所述步骤S2具体为：
基于热脉冲原理的热比率法，采用液流仪测定木质部液流速率Vs；
测定边材面积As；
根据Q＝Vs·As计算木质部液流通量Q。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，所述系统包括：
水势测量单元，包括位于茎干上端的第一茎干水势仪及位于茎干下端的第二茎干水势仪，分别用于测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
液流通量测量单元，位于第一茎干水势仪及第二茎干水势仪之间的茎干上，用于测定木质部液流通量Q；
导水率监测单元，用于根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上、下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
一实施例中，所述第一茎干水势仪及第二茎干水势仪为PSY1茎干水势仪，PSY1茎干水势仪包括位于黄铜腔内的第一热电偶、第二热电偶及第三热电偶，第一热电偶与第二热电偶串联设置，第一热电偶与茎干样本相接触，第二热电偶同时测量黄铜腔内的空气温度，然后在珀耳帖冷却脉冲之后测量湿球温差，第三热电偶用于测量仪器温度从而实现温度补偿。
一实施例中，所述导水率监测单元为液流仪。
一实施例中，所述液流仪与第一茎干水势仪和第二茎干水势仪之间的竖直距离相等。
与现有技术相比，本发明中具有以下有益效果：
本发明将独立的、连续的水势和液流测定结合，根据导水率计算公式原位连续测定木本植物的导水率，可为植物比导率、叶比导率、栓塞化阈值计算提供基础数据支撑，为植物水力学发展提供坚实可靠的新方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原位连续监测木本植物木质部导水率的方法流程示意图；
图2为本发明原位连续监测木本植物木质部导水率的系统模块示意图；
图3为本发明一具体实施例中木本植物木质部导水率野外原位连续监测数据曲线图，其中，(a)和(b)分别为木质部水势差(dP)和液流通量(Q)的连续变化曲线图，图3中(c)为最终监测到的木质部导水率(Kh)的变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1所示，本发明公开了一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，包括：
S1、采用茎干水势仪分别测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
S2、基于热平衡原理或热脉冲原理测定木质部液流通量Q；
S3、根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
参图2所示，本发明还公开了一种原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，包括：
水势测量单元，包括位于茎干上端的第一茎干水势仪11及位于茎干下端的第二茎干水势仪12，分别用于测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
液流通量测量单元20，位于第一茎干水势仪及第二茎干水势仪之间的茎干上，用于测定木质部液流通量Q；
导水率监测单元30，用于根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
本发明主要包括木质部水势测定、木质部液流通量测定及木质部导水率监测三个步骤，以下对本发明的监测方法及系统作进一步的解释说明。
(1)木质部水势测定：
采用水势测量单元(茎干水势仪)分别测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down。
木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down通过PSY1茎干水势仪(ICTInternational Pty Ltd.,Australia)测定，PSY1茎干水势仪包括位于黄铜腔内的第一热电偶、第二热电偶及第三热电偶，第一热电偶与第二热电偶串联设置，第一热电偶和第二热电偶为焊接镍铬-康铜热电偶，第三热电偶为焊接铜-康铜热电偶，黄铜腔设有镀铬外层，第一热电偶和第二热电偶形成一个大的热隔离块。在黄铜腔内，第一热电偶与茎干样本相接触，第二热电偶同时测量黄铜腔内的空气温度，然后在珀耳帖冷却脉冲之后测量湿球温差。另外，黄铜腔内的第三热电偶用于测量仪器温度从而实现温度补偿。PSY1茎干水势仪中所有测定的温度将用于计算植物茎干水势(Ψ)：
ψ＝((((WBD/((C1*Tc)+C2))-CI)/-CS)+(ΔT/k*CF))，
其中，WBD为干湿球温差(μV)；Tc为黄铜腔内温度；CI为校准曲线截距；CS为校准曲线斜率；C1和C2为温度校准经验常数；ΔT为第三热电偶和第一热电偶测量的温度差(μV)；k为第二热电偶输出(℃)；CF为ΔT的校准因子(-MPa/℃)。
优选地，PSY1茎干水势仪采用不同浓度(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，1.0Mol)NaCl标准液单独校准，得到校准曲线截距CI和校准曲线斜率CS。
PSY1茎干水势仪安装前，先用小刀将拟安装部位削平，以平面与茎干水势仪探头之间无间隙为佳，然后用去离子水将削去表皮的茎干表面冲洗3-5次，再用可吸水滤纸搽拭干净，之后在茎干水势仪外圈抹上凡士林后安装于经处理的茎干部位，并用支架固定后用锡箔纸整个包裹。
(2)木质部液流通量测定：
基于热平衡原理或热脉冲原理测定木质部液流通量Q。
优选地，液流通量测量单元为液流仪，其采用基于热脉冲原理的热比率法(HRM，Burgess et al.,2001)测定。该方法可直接测定木质部液流速率(Vs,cm h-1)，待试验结束后截取树干液流测定茎段5cm，精确测定边材面积(As，cm2)以计算液流通量Q(kg s-1)：
Q＝Vs·As。
当然，对于直径较小的茎也可采用基于热平衡原理的方法(如THB)测定，此处不再进行详细说明。
优选地，液流仪与第一茎干水势仪和第二茎干水势仪之间的竖直距离相等
(3)木质部导水率监测：
根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh。
根据植物阻力方程，木质部导水率(Kh，单位为kg m s-1MPa-1)为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中：Q为液流通量，单位为kg h-1；dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，单位为MPa；dx为液流路径长度，单位为m。
由于液流路径长度dx可测量得到，可通过同步测定木质部上下端水势差dP和经过木质部的液流通量Q能够监测木质部导水率Kh。
在本发明的一具体实施例中，木本植物选取树干通直、无遮阴、无病虫害样树，于样树地上65cm处安装液流仪，同时在距离液流仪上下端各50cm处安装PSY1茎干水势仪2个，同步观测时间，采样频率设为30min。
据以上原理，监测木质部导水率Kh，得到木本植物木质部导水率野外原位连续监测数据，如图3中(a)和(b)分别为木质部水势差(dP)和液流通量(Q)的连续变化曲线图，图3中(c)为最终监测到的木质部导水率(Kh)的变化曲线图，可见本发明能够原位连续监测木本植物木质部导水率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)非破坏性原位测量。无论是压力室法还是离心机法，均需要将木质部茎段从健康生长的植物切割下来，对植物是完全性损伤，而该方法只需要将仪器安装至树干木质部，探针对植物的损伤非常小，短期内基本可以恢复原状，基本不影响植物的健康生长；
2)可测定直径较大的树木。传统方法一般采用植物幼苗，或取直径较小的枝条或根系，无法测定高大乔木或灌木的茎导水率，该方法可填补这一空白；
3)连续监测植物导水率变化。传统方法基本为一次采样一次测定，无法获得植物连续的导水率变化，这极大地限制了植物水分关系、植物耐旱机理、植物响应气候变化等研究，该方法通过连续测定液流和水势变化进而计算木质部导水率，可清晰观测到木质部导水率的日变化、季节变化和年际变化过程，可为研究胁迫处理下植物水力响应提供最佳的方法。
本发明主要用于：植物导水率及栓塞化测定，研究植物响应干旱胁迫时木质部的栓塞化过程、植物响应病虫害威胁时木质部水力功能和结构的变化、木本植物水力传输效率对比等。
本发明还以用于：结合木质部含水量连续测定计算木质部水容变化，结合木质部非结构性碳水化合物测定，诊断环境胁迫下树木死亡的机理(碳饥饿还是水力失效)。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明将独立的、连续的水势和液流测定结合，根据导水率计算公式原位连续测定木本植物的导水率，可为植物比导率、叶比导率、栓塞化阈值计算提供基础数据支撑，为植物水力学发展提供坚实可靠的新方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、采用茎干水势仪分别测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
S2、基于热平衡原理或热脉冲原理测定木质部液流通量Q；
S3、根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
2.根据权利要求1所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down通过PSY1茎干水势仪测定，PSY1茎干水势仪包括位于黄铜腔内的第一热电偶、第二热电偶及第三热电偶，第一热电偶与第二热电偶串联设置，第一热电偶与茎干样本相接触，第二热电偶同时测量黄铜腔内的空气温度，然后在珀耳帖冷却脉冲之后测量湿球温差，第三热电偶用于测量仪器温度从而实现温度补偿。
3.根据权利要求2所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述PSY1茎干水势仪测定的水势Ψ为：
ψ＝((((WBD/((C1*Tc)+C2))-CI)/-CS)+(ΔT/k*CF))，
其中，WBD为干湿球温差；Tc为黄铜腔内温度；CI为校准曲线截距；CS为校准曲线斜率；C1和C2为温度校准经验常数；ΔT为第三热电偶和第一热电偶测量的温度差；k为第二热电偶输出；CF为ΔT的校准因子。
4.根据权利要求3所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
PSY1茎干水势仪采用不同浓度NaCl标准液单独校准，得到校准曲线截距CI和校准曲线斜率CS。
5.根据权利要求1所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：
先将木本植物的安装部位削平，然后用去离子水冲洗削去表皮的茎干表面，再用可吸水滤纸搽拭干净；
在茎干水势仪外圈抹上凡士林后安装于经处理的茎干部位，并用支架固定后用锡箔纸整个包裹。
6.根据权利要求1所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
基于热脉冲原理的热比率法，采用液流仪测定木质部液流速率Vs；
测定边材面积As；
根据Q＝Vs·As计算木质部液流通量Q。
7.一种原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，其特征在于，所述系统包括：
水势测量单元，包括位于茎干上端的第一茎干水势仪及位于茎干下端的第二茎干水势仪，分别用于测定木质部上端水势Ψs,up和下端水势Ψs,down；
液流通量测量单元，位于第一茎干水势仪及第二茎干水势仪之间的茎干上，用于测定木质部液流通量Q；
导水率监测单元，用于根据木质部水势及液流通量监测木质部导水率Kh，木质部导水率为：
Kh＝Q/(dP/dx)，
其中，Q为液流通量，dP为上下端水势差，dP＝Ψs,up-Ψs,down，dx为液流路径长度。
8.根据权利要求7所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，其特征在于，所述第一茎干水势仪及第二茎干水势仪为PSY1茎干水势仪，PSY1茎干水势仪包括位于黄铜腔内的第一热电偶、第二热电偶及第三热电偶，第一热电偶与第二热电偶串联设置，第一热电偶与茎干样本相接触，第二热电偶同时测量黄铜腔内的空气温度，然后在珀耳帖冷却脉冲之后测量湿球温差，第三热电偶用于测量仪器温度从而实现温度补偿。
9.根据权利要求7所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，其特征在于，所述导水率监测单元为液流仪。
10.根据权利要求9所述的原位连续监测木本植物木质部导水率的系统，其特征在于，所述液流仪与第一茎干水势仪和第二茎干水势仪之间的竖直距离相等。
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