基于通徑分析的龍爪槐液流預(yù)測(cè)模型研究

摘要：利用DYNAGAGE包裹式莖流測(cè)量系統(tǒng)和MONITOR自動(dòng)氣象站測(cè)量了魯東大學(xué)校內(nèi)一株典型龍爪槐（Sophora japonica）的液流速率和微環(huán)境氣象條件，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行通徑分析，得到了龍爪槐的液流速率回歸預(yù)測(cè)模型，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在充分供水條件下，太陽(yáng)總輻射量、光合有效輻射量和大氣溫度是影響龍爪槐液流的主要?dú)庀笠蜃?；預(yù)測(cè)模型的精度隨距離參照日期的延長(zhǎng)而降低，預(yù)測(cè)模型的精度在17：00之后顯著降低。

關(guān)鍵詞：龍爪槐（Sophora japonica）；液流速率；氣象因子；通徑分析；預(yù)測(cè)模型

中圖分類號(hào)：S792.26；S715.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）11-2834-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.030

樹干液流是指蒸騰在植物體內(nèi)引起的上升流，根部吸收的水分有99.8%以上消耗在蒸騰上[1]，因此，通過(guò)精確測(cè)定液流量，可以基本確定植株的蒸騰失水量。蒸騰在土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）水熱傳輸過(guò)程中占有極為重要的地位，一直是農(nóng)學(xué)、林學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科及領(lǐng)域共同關(guān)注的重要課題之一[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，林木耗水性研究一直停留在由單葉或單枝蒸騰作用向單株乃至整個(gè)林分群體蒸散耗水?dāng)U展的傳統(tǒng)方法上，測(cè)定結(jié)果與真值偏差嚴(yán)重，難以在實(shí)際當(dāng)中應(yīng)用[3-5]。基于熱平衡理論的熱脈沖法（Heat pulse velocity）和熱擴(kuò)散法（Thermal dissipation method）是在基本保持樹木自然生長(zhǎng)狀態(tài)下測(cè)定植株的蒸騰量，具有連續(xù)觀測(cè)、時(shí)間分辨率高、不破壞植被、野外操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[6-8]。但以往對(duì)樹木液流的研究多是用插針式探頭，需先在樹干上打孔，因而對(duì)樹木有一定的損傷，且存在探針插入樹干深度、方向、由單位面積液流量向整株樹木液流量轉(zhuǎn)換誤差等問(wèn)題，測(cè)量精度受到一定的影響[6-10]。

包裹式莖流計(jì)探針安裝時(shí)無(wú)需在樹干上打孔，不破壞樹木的自然生長(zhǎng)狀態(tài)，比插針式莖流計(jì)測(cè)量精度更高。為此，本文應(yīng)用包裹式莖流計(jì)測(cè)量了魯東大學(xué)校內(nèi)一株典型龍爪槐（Sophora japonica）幾個(gè)時(shí)期內(nèi)的液流速率，并同步觀測(cè)了微環(huán)境氣象因子，分析了龍爪槐的液流變化及與太陽(yáng)總輻射量、光合有效輻射量、空氣溫度、空氣濕度和風(fēng)速等氣象因子的關(guān)系，應(yīng)用通徑分析篩選出幾個(gè)主要液流影響因子，建立回歸模型，比較了不同時(shí)期預(yù)測(cè)模型的精度。

1 材料及方法

1.1 材料

在魯東大學(xué)校園內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好，樹干通直，冠幅適中，樹皮光滑，無(wú)病蟲害的一株龍爪槐作為被試驗(yàn)樹木。龍爪槐為3a樹種，胸徑5.5 cm，樹高2.7 m，樹冠2.5 m×2.3 m。

1.2 方法

在所選樣木的胸高（1.3 m）處安裝儀器，以避免近地處冷液流的影響。在光滑的莖段上用小刀將樹干外的死樹皮刮去，再用細(xì)砂紙將其打磨光滑，涂上一層很薄的硅膠樹脂（G4型），防止水分順樹干進(jìn)入測(cè)定部分或者水氣的液化，保護(hù)探頭不受損傷和與樹干粘連。然后用“O”形環(huán)將探頭的上下兩頭密封嚴(yán)實(shí)，為了防止太陽(yáng)輻射對(duì)探頭的影響，在安裝好探頭后再在探頭的外層包裹上3層鋁箔。探頭通過(guò)SF2-135數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器（CHANNEL DATA LOGGER）連接，利用12 V鉛蓄電池給數(shù)據(jù)采集器供電。在距樣木3 m的空地上安置自動(dòng)氣象站，自動(dòng)氣象站可同步觀測(cè)太陽(yáng)總輻射量（x1，W/m2）、光合有效輻射量（x2，mMol/s）、空氣溫度（x3，℃）、空氣濕度（x4，%）和風(fēng)速（x5，m/s）等氣象因子。由于是在充分供水的條件下測(cè)定龍爪槐樹干液流，土壤水分不是樹木莖流的制約條件，因此土壤水分狀況不予考慮。自動(dòng)氣象站和莖流計(jì)數(shù)據(jù)采樣間隔均為15 s，每10 min計(jì)算平均值并記錄下來(lái)。由于晴天的液流數(shù)據(jù)更具代表性，因此分析所用數(shù)據(jù)均取自晴天的液流和氣象數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍爪槐液流速率日進(jìn)程分析

液流速率是植物蒸騰大小的反映，而蒸騰大小又受到葉片氣孔開度的影響，輻射、濕度和風(fēng)速等環(huán)境因素均會(huì)影響到氣孔開度，從而導(dǎo)致液流速率的改變，這種變化在夏日的晴天表現(xiàn)最為明顯。2005年8月20-21日兩個(gè)連續(xù)晴天的龍爪槐液流日進(jìn)程如圖1。由圖1可知，在晴朗的夏日，龍爪槐液流速率日進(jìn)程表現(xiàn)為白天波動(dòng)比較大，呈現(xiàn)多峰曲線形式，夜間數(shù)值比較低且相對(duì)平穩(wěn)。樹干液流從7：00左右開始啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)液流速率約為230 g/h，8：00左右開始迅速上升，8：40達(dá)到一天當(dāng)中的最大值4 200 g/h，隨后液流速率在4 000 g/h左右波動(dòng)。11：10出現(xiàn)午間的一個(gè)波谷值2 900 g/h，液流速率低值時(shí)間一直持續(xù)到13：00，之后出現(xiàn)另一個(gè)波峰值3 800 g/h，隨后樹干液流呈現(xiàn)波動(dòng)下降，17：10開始迅速降低，19：10開始緩慢下降，20：00左右降低到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值125 g/h，隨后液流速率穩(wěn)定在這一較低值附近。

2.2 龍爪槐液流日進(jìn)程與氣象因子的關(guān)系

液流速率的改變受到諸多環(huán)境因素的影響，且環(huán)境因子之間也存在較復(fù)雜的關(guān)系，太陽(yáng)輻射、大氣溫度和濕度以及風(fēng)速往往是影響液流變化的主要原因[2]。一般來(lái)說(shuō)，某項(xiàng)環(huán)境因子的劇烈變化會(huì)引起液流的較大波動(dòng)，分析環(huán)境因子和液流的變化趨勢(shì)是尋找影響液流變化主要因素的重要手段。龍爪槐液流和氣象因子的日進(jìn)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1。

由表1可知，液流速率、太陽(yáng)總輻射量和光合有效輻射量日進(jìn)程的變異系數(shù)均大于1.0，屬?gòu)?qiáng)變異；空氣濕度和風(fēng)速變異系數(shù)較接近，屬中等變異強(qiáng)度；空氣溫度變異系數(shù)最小，為0.07，屬弱變異強(qiáng)度。由于太陽(yáng)總輻射量和光合有效輻射量日進(jìn)程與液流速率的日進(jìn)程變化均較大，所以對(duì)照二者與液流速率日進(jìn)程進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知，龍爪槐液流速率與太陽(yáng)總輻射量和光合有效輻射量日進(jìn)程變化趨勢(shì)基本相同，二者啟動(dòng)時(shí)間均在7：00左右，7：20迅速上升，8：00以后二者有一個(gè)小的下降，隨后繼續(xù)上升，9：40～13：20上升速率較小且波動(dòng)較大，14：10左右開始下降，18：30下降到一個(gè)較低值且在該值附近輕微波動(dòng)。

2.3 龍爪槐液流速率影響因素的通徑分析

為進(jìn)一步量化龍爪槐液流速率與各氣象因子之間的關(guān)系，將所觀測(cè)到的氣象因子與龍爪槐液流速率進(jìn)行回歸分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步回歸分析和通徑分析，結(jié)果如表2。

回歸分析結(jié)果表明，回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.94，決定系數(shù)為0.88，回歸方程擬合較好。太陽(yáng)總輻射量和光合有效輻射量與龍爪槐液流速率回歸系數(shù)達(dá)極顯著水平，空氣溫度的回歸系數(shù)接近顯著水平，空氣濕度和風(fēng)速的回歸系數(shù)未達(dá)顯著水平（表2）。進(jìn)一步的通徑分析表明，影響龍爪槐液流速率的最主要?dú)庀笠蜃訛樘?yáng)總輻射量，其次為光合有效輻射量，空氣溫度對(duì)液流速率的影響最小。太陽(yáng)總輻射量、光合有效輻射量和空氣溫度3個(gè)氣象因子與液流量的多元線性回歸方程為：

y=-4 200.64+45.49 x1-16 929.09 x2+197.59 x3

（1）

主要?dú)庀笠蜃优c龍爪槐液流回歸分析結(jié)果如表3。由表3可知，回歸方程的回歸系數(shù)均通過(guò)t檢驗(yàn)，均達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.94，決定系數(shù)為0.88，這與通徑分析的結(jié)果是一致的。

2.4 應(yīng)用預(yù)測(cè)模型擬合精度比較

為了驗(yàn)證選用太陽(yáng)總輻射量、光合有效輻射量和空氣溫度3個(gè)環(huán)境因子表示龍爪槐液流速率的普適性，有必要選取其他時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。由于龍爪槐液流速率夜間較穩(wěn)定且維持在較低的水平，白天的變化相對(duì)劇烈，故選用2005年8月19日和9月4日兩個(gè)典型天氣條件下的環(huán)境因子代入公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到龍爪槐液流速率的擬合值，擬合值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差結(jié)果如圖4。

由圖4可知，8月19日的液流速率擬合結(jié)果較9月4日的要好，且1 d內(nèi)隨著時(shí)間的推移，兩個(gè)時(shí)期擬合效果均逐漸降低。利用逐步回歸的擬合方程擬合8月19日和9月4日的液流速率決定系數(shù)分別是0.962 5和0.856 2，二者擬合效果均較好，但前者效果要比后者好。9月4日的液流速率擬合值與實(shí)際值的相對(duì)誤差波動(dòng)要明顯小于8月19日的誤差波動(dòng)，但17：00以后二者的相對(duì)誤差均明顯增大，擬合效果較低。這是由于植株的液流速率在土壤水分充足的條件下受氣象因子影響較大，而氣象因子在不同時(shí)期是易變的，時(shí)間間隔越遠(yuǎn)變化越大，所以利用預(yù)測(cè)方程擬合較參照時(shí)期較近的液流速率誤差相對(duì)較小，較遠(yuǎn)時(shí)期的液流速率擬合誤差相對(duì)較大。

3 小結(jié)

利用美國(guó)DYNAMAX公司產(chǎn)的DYNAGAGE包裹式莖流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了魯東大學(xué)校內(nèi)一株典型龍爪槐的液流速率，并利用澳大利亞產(chǎn)MONITOR自動(dòng)氣象站同步觀測(cè)了龍爪槐的微環(huán)境條件。通徑分析結(jié)果表明，在龍爪槐供水充分的條件下，太陽(yáng)總輻射量（x1）、光合有效輻射量（x2）和空氣溫度（x3）是影響龍爪槐液流速率的主要?dú)庀笠蜃?，龍爪槐液流速率的預(yù)測(cè)方程為y=-4 200.64+45.49 x1- 16 929.09 x2+197.59 x3，利用該方程預(yù)測(cè)了8月19日和9月4日龍爪槐的液流速率，分析結(jié)果表明，液流速率的預(yù)測(cè)值隨距離參照日期的延長(zhǎng)而增大，且1 d內(nèi)隨著時(shí)間的推移，預(yù)測(cè)誤差也有逐漸增大的趨勢(shì)。

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