基于通徑分析的龍爪槐液流預測模型研究

摘要：利用DYNAGAGE包裹式莖流測量系統和MONITOR自動氣象站測量了魯東大學校內一株典型龍爪槐（Sophora japonica）的液流速率和微環境氣象條件，對所得數據進行通徑分析，得到了龍爪槐的液流速率回歸預測模型，并對預測結果進行了分析。結果表明，在充分供水條件下，太陽總輻射量、光合有效輻射量和大氣溫度是影響龍爪槐液流的主要氣象因子；預測模型的精度隨距離參照日期的延長而降低，預測模型的精度在17：00之后顯著降低。

關鍵詞：龍爪槐（Sophora japonica）；液流速率；氣象因子；通徑分析；預測模型

中圖分類號：S792.26；S715.4 文獻標識碼：A 文章編號：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，通過精確測定液流量，可以基本確定植株的蒸騰失水量。蒸騰在土壤-植物-大氣連續體（SPAC）水熱傳輸過程中占有極為重要的地位，一直是農學、林學、氣象學、水文學、生態學等相關學科及領域共同關注的重要課題之一[2]。長期以來，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林分群體蒸散耗水擴展的傳統方法上，測定結果與真值偏差嚴重，難以在實際當中應用[3-5]。基于熱平衡理論的熱脈沖法（Heat pulse velocity）和熱擴散法（Thermal dissipation method）是在基本保持樹木自然生長狀態下測定植株的蒸騰量，具有連續觀測、時間分辨率高、不破壞植被、野外操作方便等優點，在國內外得到廣泛的應用[6-8]。但以往對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換誤差等問題，測量精度受到一定的影響[6-10]。

包裹式莖流計探針安裝時無需在樹干上打孔，不破壞樹木的自然生長狀態，比插針式莖流計測量精度更高。為此，本文應用包裹式莖流計測量了魯東大學校內一株典型龍爪槐（Sophora japonica）幾個時期內的液流速率，并同步觀測了微環境氣象因子，分析了龍爪槐的液流變化及與太陽總輻射量、光合有效輻射量、空氣溫度、空氣濕度和風速等氣象因子的關系，應用通徑分析篩選出幾個主要液流影響因子，建立回歸模型，比較了不同時期預測模型的精度。

1 材料及方法

1.1 材料

在魯東大學校園內選擇長勢良好，樹干通直，冠幅適中，樹皮光滑，無病蟲害的一株龍爪槐作為被試驗樹木。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），防止水分順樹干進入測定部分或者水氣的液化，保護探頭不受損傷和與樹干粘連。然后用“O”形環將探頭的上下兩頭密封嚴實，為了防止太陽輻射對探頭的影響，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SF2-135數據轉換器與數據采集器（CHANNEL DATA LOGGER）連接，利用12 V鉛蓄電池給數據采集器供電。在距樣木3 m的空地上安置自動氣象站，自動氣象站可同步觀測太陽總輻射量（x1，W/m2）、光合有效輻射量（x2，mMol/s）、空氣溫度（x3，℃）、空氣濕度（x4，%）和風速（x5，m/s）等氣象因子。由于是在充分供水的條件下測定龍爪槐樹干液流，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。自動氣象站和莖流計數據采樣間隔均為15 s，每10 min計算平均值并記錄下來。由于晴天的液流數據更具代表性，因此分析所用數據均取自晴天的液流和氣象數據。

2 結果與分析

2.1 龍爪槐液流速率日進程分析

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、濕度和風速等環境因素均會影響到氣孔開度，從而導致液流速率的改變，這種變化在夏日的晴天表現最為明顯。2005年8月20-21日兩個連續晴天的龍爪槐液流日進程如圖1。由圖1可知，在晴朗的夏日，龍爪槐液流速率日進程表現為白天波動比較大，呈現多峰曲線形式，夜間數值比較低且相對平穩。樹干液流從7：00左右開始啟動，啟動時液流速率約為230 g/h，8：00左右開始迅速上升，8：40達到一天當中的最大值4 200 g/h，隨后液流速率在4 000 g/h左右波動。11：10出現午間的一個波谷值2 900 g/h，液流速率低值時間一直持續到13：00，之后出現另一個波峰值3 800 g/h，隨后樹干液流呈現波動下降，17：10開始迅速降低，19：10開始緩慢下降，20：00左右降低到一個相對穩定值125 g/h，隨后液流速率穩定在這一較低值附近。

2.2 龍爪槐液流日進程與氣象因子的關系

液流速率的改變受到諸多環境因素的影響，且環境因子之間也存在較復雜的關系，太陽輻射、大氣溫度和濕度以及風速往往是影響液流變化的主要原因[2]。一般來說，某項環境因子的劇烈變化會引起液流的較大波動，分析環境因子和液流的變化趨勢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程數據統計分析結果如表1。

由表1可知，液流速率、太陽總輻射量和光合有效輻射量日進程的變異系數均大于1.0，屬強變異；空氣濕度和風速變異系數較接近，屬中等變異強度；空氣溫度變異系數最小，為0.07，屬弱變異強度。由于太陽總輻射量和光合有效輻射量日進程與液流速率的日進程變化均較大，所以對照二者與液流速率日進程進行了分析，結果如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知，龍爪槐液流速率與太陽總輻射量和光合有效輻射量日進程變化趨勢基本相同，二者啟動時間均在7：00左右，7：20迅速上升，8：00以后二者有一個小的下降，隨后繼續上升，9：40～13：20上升速率較小且波動較大，14：10左右開始下降，18：30下降到一個較低值且在該值附近輕微波動。

2.3 龍爪槐液流速率影響因素的通徑分析

為進一步量化龍爪槐液流速率與各氣象因子之間的關系，將所觀測到的氣象因子與龍爪槐液流速率進行回歸分析，并在此基礎上進行逐步回歸分析和通徑分析，結果如表2。

回歸分析結果表明，回歸方程的相關系數為0.94，決定系數為0.88，回歸方程擬合較好。太陽總輻射量和光合有效輻射量與龍爪槐液流速率回歸系數達極顯著水平，空氣溫度的回歸系數接近顯著水平，空氣濕度和風速的回歸系數未達顯著水平（表2）。進一步的通徑分析表明，影響龍爪槐液流速率的最主要氣象因子為太陽總輻射量，其次為光合有效輻射量，空氣溫度對液流速率的影響最小。太陽總輻射量、光合有效輻射量和空氣溫度3個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）

主要氣象因子與龍爪槐液流回歸分析結果如表3。由表3可知，回歸方程的回歸系數均通過t檢驗，均達到極顯著水平，相關系數為0.94，決定系數為0.88，這與通徑分析的結果是一致的。

2.4 應用預測模型擬合精度比較

為了驗證選用太陽總輻射量、光合有效輻射量和空氣溫度3個環境因子表示龍爪槐液流速率的普適性，有必要選取其他時間段的數據進行檢驗。由于龍爪槐液流速率夜間較穩定且維持在較低的水平，白天的變化相對劇烈，故選用2005年8月19日和9月4日兩個典型天氣條件下的環境因子代入公式（1）進行計算，得到龍爪槐液流速率的擬合值，擬合值與實測值的相對誤差結果如圖4。

由圖4可知，8月19日的液流速率擬合結果較9月4日的要好，且1 d內隨著時間的推移，兩個時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際值的相對誤差波動要明顯小于8月19日的誤差波動，但17：00以后二者的相對誤差均明顯增大，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期是易變的，時間間隔越遠變化越大，所以利用預測方程擬合較參照時期較近的液流速率誤差相對較小，較遠時期的液流速率擬合誤差相對較大。

3 小結

利用美國DYNAMAX公司產的DYNAGAGE包裹式莖流測量系統測量了魯東大學校內一株典型龍爪槐的液流速率，并利用澳大利亞產MONITOR自動氣象站同步觀測了龍爪槐的微環境條件。通徑分析結果表明，在龍爪槐供水充分的條件下，太陽總輻射量（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氣象因子，龍爪槐液流速率的預測方程為y=-4 200.64+45.49 x1- 16 929.09 x2+197.59 x3，利用該方程預測了8月19日和9月4日龍爪槐的液流速率，分析結果表明，液流速率的預測值隨距離參照日期的延長而增大，且1 d內隨著時間的推移，預測誤差也有逐漸增大的趨勢。

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