低成本、节能的树液流动系统揭示了亚热带混交林中多年间的蒸腾动态

《Agricultural and Forest Meteorology》：Low-cost, energy-efficient sap flow system reveals multi-year transpiration dynamics in a subtropical mixed-species plantation

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摘要

测量植物水分利用对于理解植被在水文循环和森林-大气相互作用中的作用至关重要。然而，大规模、长期的组织液流动监测常常受到高传感器成本、能源需求和维护工作的限制。在这里，我们介绍了一种自制的、低成本且节能的热脉冲法（HPM）组织液流动监测系统，该系统包含80个传感器，并评估了其在台湾东部一个亚热带人工林中8种主要树种的多年性能以及数据集的适用性，该林区配备了一个涡度协方差塔。

这种体积小巧（600克）、由锂离子电池驱动的HPM系统平均功耗为43.3毫瓦，每次电池充电后可以自主运行约28天（最长44天），且测量精度没有明显下降。在2022至2024年的三年期间，80个传感器成功捕捉到了不同树种的特定组织液流动时间和动态变化。常绿/半落叶树种（Cinnamomum camphora, Zelkova serrata, Bischofia javanica, Fraxinus griffithii）全年都保持蒸腾作用，而落叶树种（Liquidambar formosana, Koelreuteria elegans, Melia azedarach, Pterocarpus indicus）则表现出明显的季节性休眠特征。将HPM传感器的数据与之前安装的热散失法（TDM）传感器的数据进行了比较，显示出相似的相关性模式（ρ = 0.79–0.91）。尽管由于部署时间不重叠，无法直接进行传感器之间的对比，但两种系统都与生态系统尺度的蒸散量（ET）保持了一致性，这表明它们的测量可靠性相当。聚类分析揭示了群落内部的功能差异。在确定最佳样本量后，从随机子样本中得到的组织液流动平均值也为蒸散量数据提供了生理学上的补充，突显了该系统的潜在应用价值。

总体而言，本研究表明，密集、低成本且节能的HPM网络能够捕捉多物种的蒸腾动态，支持大规模生态水文学分析，并为研究高多样性森林中的生态系统水分利用和恢复力提供了实用途径。

引言

森林通过蒸腾作用调节陆地水和碳循环，在其中起着核心作用。因此，理解蒸腾过程对于约束地表水和能量交换至关重要。过去几十年里，开发者们采用了多种方法，包括稳定同位素分析、涡度协方差（EC）和遥感技术，将蒸散量（ET）分解为其各个组成部分（Good等人，2015；Jasechko等人，2013；Kang和Cho，2021；Kool等人，2014；Talsma等人，2018）。全球分析表明，蒸腾作用约占总蒸散量的50–60%（Liu等人，2022；Wei等人，2017），尽管不同方法、地区和空间尺度下的估计值存在差异（Yang等人，2023）。虽然基于同位素和模型的方法提供了宝贵的全球视角，但它们往往缺乏解析特定物种水分利用和组织尺度动态所需的时间和空间分辨率。涡度协方差塔可以测量总蒸散量，但 without 辅助观测数据无法准确区分蒸腾和蒸发（Kang和Cho，2021）。这些限制凸显了直接、高分辨率观测蒸腾过程的必要性。这类观测可以补充生态系统尺度的通量数据，提高我们对特定物种水分利用的理解，从而推动了使用组织液流动技术来精细时间和空间尺度上量化树木蒸腾量的研究。

组织液流动测量是一种直接且有效的手段，用于评估树木层面的蒸腾情况（Steppe等人，2015）。它填补了个体生理学与生态系统尺度通量之间的空白，并有助于验证蒸散量的分解（Kume等人，2011；Nelson等人，2020）。然而，历史上组织液流动传感器的广泛应用受到几个关键障碍的限制，包括商业系统的高成本、在偏远森林中维持可靠电源的物流挑战，以及长期维护大型传感器网络的负担（Beslity等人，2022；Bodo和Arai，2021）。因此，大多数使用组织液流动方法的野外研究持续时间较短，样本量较小，通常涉及不到20–30棵树（Dukat等人，2024；Pappas等人，2018）。这些限制阻碍了我们在景观尺度上验证蒸散量分解、检测特定物种的干旱响应，以及将生物水分利用过程纳入气候和水文模型的能力。将通量塔的蒸散量测量与组织液流动测量相结合，可以关联树木和组织尺度的水分利用，从而实现组织尺度蒸腾量的物种级归因。

有多种方法可以测量树木的组织液流动，每种方法都有其优势和局限性。热散失法（TDM）因探头相对容易构建和校准而被广泛使用（Pasqualotto等人，2019；Shinohara等人，2022；Sun和Li，2023），并且已被用于估算绝对蒸腾量和组织尺度通量（Kumagai等人，2007；Kume等人，2016）。然而，TDM传感器较高的功耗可能限制其在多样或难以到达的森林中的大规模应用（Iida等人，2026；Smith和Allen，1996）。热脉冲法（HPM）是另一种研究组织液流量的方法，通过追踪短暂热脉冲在木质部中的传导和对流来测量流量，但这些传感器需要更复杂的构建和校准过程，在低组织液流密度下可能表现不稳定（Steppe等人，2010）。

尽管如此，HPM传感器更加节能，更适合长期监测，因为它们可以使用较小的电池和较低的功耗运行（Beslity等人，2022）。比较研究表明，组织液流动方法往往低估了绝对组织液流量（Steppe等人，2010）；然而，相对模式——如对气象因子的日变化响应（Du等人，2011；Kume等人，2008，2006；Matheny等人，2014）和季节性动态（Budianti等人，2022；Yoshifuji等人，2011）——仍具有生态学意义。此外，多传感器组织液流动部署能够捕捉树木间的差异，并在缺乏涡度协方差数据的情况下支持通量估算，即使在物种丰富的森林生态系统中也是如此。这使得HPM传感器在长期森林监测中特别有用，尤其是在无法对绝对流量进行传感器特异性校准的情况下。

为了解决长期森林蒸腾监测中的方法论和物流挑战，本研究采用了一个基于自开发HPM系统的综合观测框架。该系统在台湾的亚热带阔叶人工林中部署，建立了包含8种主要树种的传感器网络，并将树木层面的组织液流动测量数据与涡度协方差塔的生态系统尺度蒸散量观测数据相结合。这个多尺度平台使我们在三年期间能够分析树木和组织尺度的水分通量。本研究的具体目标是：a）开发一种坚固、低成本、节能的组织液流动监测系统；b）证明所得数据集适用于分析多年多物种的蒸腾动态，并将树木层面的组织液流动与组织尺度蒸散量定量联系起来。我们通过以下方式实现了这些目标：(i) 根据组织液流动模式对物种进行分类；(ii) 确定进行可靠组织尺度估算所需的最小传感器数量；(iii) 应用填补缺失数据的技术来重建蒸散量数据。

节选

热脉冲法（HPM）系统

本研究开发的热脉冲法（HPM）系统是一种紧凑、便携的组织液流动监测单元，专为多棵树种和长期部署设计。系统设计如图1所示，电路板的详细图纸见图S1。每个单元的尺寸约为12.2 × 7.6 × 12.2厘米（宽 × 深 × 高；包括安全锁、铰链或钉子等外部组件在内的总宽度为14.5厘米），以及一个包含四个电池的完整安装盒。

使用HPM系统获得的日变化模式

本研究中的HPM系统成功展示了DNDF站点八种树木30分钟组织液流动速度的日变化周期（图2）。所有树种的组织液流动速度均表现出明显且一致的日变化周期，通常在日出后不久上升，并在下午早些时候达到峰值。在此期间，Pterocarpus indicus和Melia azedarach的平均日组织液流动速度约为6–14厘米/小时，而Cinnamomum camphora的速度则超过25厘米/小时。

在亚热带混交林中实现大规模、长期的组织液流动监测

本研究表明，在亚热带混交阔叶林中部署密集的组织液流动网络是可行的。多年以来，热脉冲法（HPM）系统可靠地捕捉了八种树木的半小时组织液流动动态，这些动态与大气因素（如蒸汽压亏缺（VPD）和净辐射（NR）密切相关（图2，图4）。在不同树种中同时出现了日变化模式不明显的日子。

Ignacio Ruiz de la Cuesta Vela：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、数据整理。Tomonori Kume：撰写——审阅与编辑、研究。Cheng-Wei Lai：软件开发、研究、数据整理。Man-Shun Hsu：研究、数据整理。Chieh-Yu Hong：研究、数据整理。Shin-Min Chong：研究。Shih-Chieh Chang：撰写——审阅与编辑、监督、资金筹集、概念构思。

Ignacio Ruiz de la Cuesta Vela|Tomonori Kume|Cheng-Wei Lai|Man-Shun Hsu|Chieh-Yu Hong|Shin-Min Chong|Shih-Chieh Chang

台湾国立东华大学自然资源与环境研究系，花莲

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