基于生物电的活立木蒸腾耗水量测定方法研究

The transpiration water consumption is one of the important physiological parameters of trees. It has been widely used in many fields, such as afforestation design, ecological analysis, and tree physiology research. A common method to determine the transpiration water consumption is to measure the sap flow density, which is based on thermodynamics. Because of the need for thermodynamic marking of sap flow and temperature measurement, this method has certain deficiencies, including low accuracy, high energy consumption, and inconvenient installation. There is a certain connection between voltage generated by sap flow and sap flow density. An innovation may be proposed if sap flow density can be deduced by the voltage. This project is intended to obtain variation characteristics and response to the environmental parameters of sap flow voltage, thereby revealing the origin and variation mechanism of the sap flow voltage based on plant physiology. After the relationship model between the sap flow voltage and the sap flow density is established by mathematical statistics based on long-term monitoring, a theory that using bioelectricity to determine transpiration water consumption will be proposed, and the measuring device will be developed, which can provide a more convenient, rapid, and economical determination method. It is able to promote tree physiological study, ecological analysis and water utilization, having broad application prospects.

蒸腾耗水量是活立木的重要生理参数之一，在造林设计、生态分析及林木生理研究等多个领域中广泛应用。目前主要采用基于热力学的液流密度测定方法对其进行连续测定，但由于需要对树液进行热力学标记并测量温度，该方法还存在准确性低、耗能高、装置安装不便等不足。活立木树液流动产生的电压与液流密度存在一定联系，若能利用该电压测定液流密度，将能为活立木蒸腾耗水量的测定提供新方法。本项目拟通过获取液流电压的变化规律及其对环境参数的响应机制，从植物生理学角度揭示液流电压的产生来源及变化机理；再结合对液流电压和液流密度的长期监测，利用数学统计分析建立液流电压与液流密度之间的关系模型，提出一种利用生物电测定活立木蒸腾耗水量的基础理论；并研制活立木蒸腾耗水量测定装置，为整株活立木蒸腾耗水量的实时测定提供更便捷、更快速、更经济的新方法。这对林木生理研究、生态分析、水资源利用等多个领域具有一定推动作用，应用前景非常广阔。

活立木木质部存在自发、周期性的电压变化，这种电压变化与活立木蒸腾速率变化有关。本项目旨在研究活立木生物电电压与蒸腾作用的内在联系，提出一种基于生物电的活立木蒸腾耗水量测定方法。项目研究了生物电电压的产生和变化机理，及其季节和昼夜变化规律，建立了活立木生物电电路模型；研究了生物电电压对环境变化的响应机制，分析了蒸腾速率变化对生物电电压的影响规律及其机理；建立了生物电电压与蒸腾速率之间的关系模型，提出了一种基于生物电的活立木蒸腾耗水量测定方法，并研制了测定装置。主要成果摘要如下：.1.研制了活立木生物电与蒸腾速率监测系统。该系统能够实时测量活立木生物电电压、蒸腾速率及环境参数，为生物电电压变化机理分析提供技术基础。.2.研究了活立木生物电电压的产生机理。通过实验发现，利用不同规格的电极测得的生物电电压符合原电池的电化学规律。因此，活立木生物电电压可能是一种电化学电势。.3.研究了活立木生物电电压的变化规律及变化机理。生物电电压呈现出明显的季节变化和昼夜变化，其变化趋势与木质部含水率的变化趋势相同，且具有潜在函数关系，依此提出了基于木质部含水率节律的生物电电压变化机理：电压的季节趋势由含水率的季节特征决定，昼夜变化由含水率的昼夜节律引起。蒸腾作用可能对电压具有间接影响：环境参数能够改变蒸腾速率，引起活立木水分吸收与散失失衡，进而造成木质部含水率的改变，最终导致电压变化。.4.建立了活立木生物电电路模型。活立木生物电电压曲线为季节趋势与昼夜节律的叠加形式，可分解为三个分量：恒定分量、季节分量及昼夜分量，依此提出了基于三电源的生物电电路模型。.5.建立了活立木生物电电压与蒸腾速率的关系模型，提出了一种基于生物电的活立木蒸腾耗水量测定方法，并研制了测定装置。.本项目的研究成果对研究活立木与环境的互作机制具有重要参考意义，对活立木生物电能的收集与利用、林业物联网和林业传感器技术的研究和应用均具有一定推动作用。