一種測定木本植物最大水力導度的裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及植物水力結構研究領域，特別是涉及一種測定木本植物最大水力導度 的裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002] 近年來越來越頻繁發生的極端干旱事件直接導致了北美和歐洲森林的大面積死 亡。事實上，進入21世紀以來，中國的多個森林生態系統也明顯受到了全球氣候變暖的負 面影響，例如貴州近年來頻繁遭受的極端干旱事件，其中，2009年~2010年夏秋連旱疊加 冬春干旱、2011年夏秋連旱和2013年夏旱均在不同程度上導致了貴州喀斯特森林的大面 積死亡；我國華北、華東和華中地區夏季持續遭受40°C的高溫天氣，森林大面積死亡的同 時伴隨著大量干枯枝葉飄落呈現出只有秋日才發生的落葉繽紛景象。顯然，極端干旱事件 不但嚴重影響了森林生態系統的生物多樣性和生產力水平，而且嚴重影響了森林生態系統 健康穩定和全球水生態平衡。
[0003] 有科學假說認為極端干旱事件會導致森林木本植物體內水分平衡關系喪失，進而 會導致森林木本植物個體死亡，這尤其凸顯了植物水分關系研究的重要性，而植物水分關 系研究領域尤其具有重要意義的就是水力結構的研究。水力結構是指植物在特定的自然環 境條件下，為適應生存競爭的需要所形成的不同形態結構和水分運輸供給策略。極端干旱 事件既會導致水力結構的去功能化（Dysfunction)，又會導致輸水管道發生大面積的氣穴 化（Cavitation)，從而會使得水力結構失去水分運輸功能，進而對森林木本植物個體生長 發育有重要貢獻的葉、根和分生組織等重要器官以及組織會因為缺水而死亡，進而導致森 林木本植物個體死亡。因此，森林木本植物木質部運輸水分的能力和抵抗氣穴化形成的能 力可能極大地影響植物的地理分布及其對環境脅迫的適應能力。
[0004] 植物水力導度是植物水力結構的重要組成部分，是指植物輸水管道運輸水分的 能力，其中，植物輸水管道主要是被子植物的導管系統和裸子植物的篩管系統。植物水力 導度包括導水率、比導率和葉比導度，其中，導水率（Kh)是指植物輸水管道單位長度的水 分運輸能力，其中，這里的植物輸水管道主要是植物的莖干、枝條和根，導水率的單位是 KgmMPa 1S S比導率（Ks)是指單位莖干、枝條和根橫截面積的導水率，將導水率除以莖干、 枝條和根的橫截面積即得出比導率Ks，其單位是Kgm 1MPa 1S \其中，比導率Ks值反映管道 系統的水分運輸效率，其值越大則說明該管道系統輸水效率越高；葉比導率（Kl)是植物莖 干和枝條末端對葉片供水能力的重要指標，將導水率除以莖干和枝條末端生長的所有葉片 的總葉面積即得到K1，其單位為Kgm 1MPa 1S \葉比導率的值越大則說明植物莖干和枝條末 端對葉的供水能力越強。植物的最大水力導度反映了無栓塞化的管道系統最大的水分運輸 能力，是水力結構研究的核心指標。變化環境下植物的最大水力導度與物種適應策略密切 相關。比如，對于被子植物而言森林木本植物存在兩種生活型，即常綠植物與落葉植物。常 綠植物由于其導管直徑小，木材密度高，因此其最大水力導度小，水分運輸能力弱，從而使 得水分供給不足，進而使得常綠植物的光合碳同化能力要低，生長速率慢。但是常綠植物抵 抗機械壓力，例如風折、雪壓、蟲食脅迫的能力強；相對而言，落葉植物導管大，木材密度低， 因此其最大水力導度大，水分運輸能力強從而使得水分供給能力強，進而使得落葉植物的 光合能力高，生長速率快。但是落葉植物抵抗機械損傷的能力弱。顯然，植物的最大水力導 度與植物其它功能性狀形成一個多節點的調控網絡，共同決定了物種的水分適應策略，因 此，精確測定植物的最大水力導度是研究植物水分關系的前提。
[0005] 由于蒸騰拉力的存在，通常情況下植物的部分輸水管道會出現氣穴化現象，這會 導致整條輸水管道的栓塞化（Embolism)，進而使得管道系統失去輸水功能。此情況下的 水力導度低于無栓塞下的最大水力導度。蒸騰拉力越大會使得管道系統的張力越大，管道 系統的張力越大會使得栓塞化導管數量越多，栓塞化導管數量越多會使得實際水力導度逐 步下降，實際水力導度與最大水力導度之比被稱為水力導度喪失率（PLC，Percentage of loss of conductance)，該指標與被測樣品水勢之間存在一個反曲函數關系（Sigmoidal function)。當實際水力導度降低到最大水力導度的一半，即PLC = 50時的水勢值（Ψ50) 是反映植物水分運輸安全性的指標，其中，Ψ5(]越低，植物水分運輸的安全性越高。顯然，精 確測定植物的最大水力導度是可靠獲得Ψ 5(]的基礎。
[0006]目前，國際通常采用高壓沖洗法測定最大水力導度，其具體過程為：首先，用高氣 壓直接壓迫沖洗液提高其壓強至IlOkPa~175kPa，以驅除已栓塞化導管內的氣穴；然后， 用6kPa~IOKPa沖洗溶液測定單位時間內流經輸水管道系統的沖洗液質量；最后，計算獲 得最大水力導度。運用該方法的現有技術中測定最大水力導度的裝置，如圖1所示，它包括 高壓氣瓶廣、調壓閥2'、壓力罐3'、水壓計4'、沖洗液容器5'、三通閥6'、待測植物 樣品7'、燒瓶8'、電子天平9'和計算機10';該種裝置是植物水分關系研究的實驗室標 準設置，但是，在森林木本植物的水力結構研究中，經常需要對野外采集的樣品進行水力結 構的測定。通常情況下，野外采集地點往往離實驗室較遠，因此，野外采集的待測樣樣品均 需要進行一些保存措施后帶回實驗室進行測定，其中，常見的保存措施有保濕和低濃度草 酸防真菌感染等，但是，這些保存措施只能在短時間內有效，一旦時間過長則會失效，樣品 仍會出現真菌感染、干枯和蟲害等現象，而且這些保存措施無法阻止待測樣品生理活性的 逐漸降低。顯然，將野外采集的待測樣品帶回實驗室進行測定不但操作麻煩，效果不佳，而 且還會造成最大水力導度測定結果的準確性降低，因此，最好在野外就近對待測樣品進行 水力結構的測定。但是，現有技術中測定最大水力導度的裝置在野外應用時，存在諸多不方 便，具體為：一、由于交通管理相關的法律法規對于高壓氣瓶的運輸有嚴格規定，使得生態 學家很難在進行野外科考活動中隨身攜帶高壓氣瓶，即使相關法律沒有對高壓氣瓶運輸進 行嚴格規定，由于高壓氣瓶的特殊結構，其在運輸、使用和保存過程中對生態學家的人身安 全也存在風險；二、在野外科學考察中高壓氣瓶的充氣問題，一般來說在野外，一個4L的氣 瓶充滿氣，只能進行30個~40個植物樣品的水勢測定，顯然，這于需要進行大量植物樣品 水勢測定的野外科學考察，這些氣量根本無法滿足需求，而且這4L氣一旦用完，還很難找 到地方充氣；三、在用調壓閥2'進行調壓時，由于壓力罐3'氣壓的變化可能會導致微小 氣泡進入沖洗液中，這些微小氣泡會栓塞輸水管道并導致最大水力導度的過低估計，進而 導致測定結果的準確性降低。
【發明內容】
[0007] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種測定木本植物最大水力導度的裝置及其 使用方法，不但能夠有效提高測定結果的準確性，而且適合在野外測定木本植物最大水力 導度。
[0008] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種測定木本植物最大水力導度的 裝置，它包括一沖洗液容器、一離心增壓栗、一三通閥、一水壓計、一燒瓶、一電子天平和一 計算機；所述沖洗液容器底部設置兩個出口，所述沖洗液容器的第一出口通過管路連接所 述離心增壓栗的進口，所述離心增壓栗的出口通過管路連接所述三通閥的第一進口，所述 離心增壓栗的出口和所述三通閥的第一進口之間的管路上還設置所述水壓計，所述沖洗液 容器的第二出口通過管路連接所述三通閥的第二進口；所述三通閥的出口連接一用于與待 測植物樣品連接的連接管，且所述連接管底部與所述沖洗液容器的第二出口的垂直距離為 60cm~100cm，所述連接管正下方設置所述燒瓶，所述燒瓶放置在所述電子天平上，所述電 子天平連接所述計算機。
[0009] 所述離心增壓栗的功率為150W~165W，揚程為12m~15m，內徑為15mm。
[0010] 所述待測植物樣品為木本植物的莖干、枝條或根。
[0011] 所述連接管采用透明光滑的硅膠軟水管。
[0012] -種所述測定木本植物最大水力導度的裝置的使用方法，其包括以下步驟：
[0013] (1)用蒸餾水配置草酸沖洗液，并過濾掉所配置草酸沖洗液中的微小氣泡和雜質； (2)將步驟⑴得到的草酸沖洗液倒入沖洗液容器中，并關閉三通閥的第二進口，打開三通 閥的第一進口；當草酸沖洗液充滿離心增壓栗時，啟動離心增壓栗，并通過水壓計判斷離心 增壓栗是否正常工作，數秒后關閉離心增壓栗，并開啟得三通閥的第二進口，關閉三通閥的 第一進口；（3)將待測植物樣品一端與連接管連接，另一端與燒瓶的瓶口對齊；(4)首先，分 別打開電子天平和計算機，關閉三通閥的第二進口，開啟三通閥的第一進口，開啟離心增壓 栗，使得草酸沖洗液的壓強恒定，一段時間后關閉離心增壓栗；然后，開啟三通閥的第二進 口，關閉三通閥的第一進口；記錄單位時間內草酸沖洗液滴落入燒瓶的重量，并根據壓強、 待測植物樣品的長度、邊材面積和葉面面積分別計算出導水率、比導率和葉比導率；至此完 成一個待測植物樣品的最大水力導度測定。
[0014] 本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明由于設置離心增壓栗 直接對沖洗液容器中的沖洗液增壓，使得本發明不但能夠有效提高測定結果的準確性，而 且適合在野外進行測定。2、本發明由于采用功率為150W~165W，揚程為12m~15m，內徑 為15mm的離心增壓栗，使得既適應了水力導度測定的具體要求和野外工作的具體條件，又 有效降低了成本。3、本發明由于采用硅膠軟水管制作連接管以及各個部件之間的連接管 路，既能夠滿足實驗的具體要求，又便于安裝。4、本發明在使用時操作簡便，可靠性高，非常 適合水力導度的野外快速測定，具有顯著的社會效益、經濟效益和生態效益，因此可以廣泛 應用于植物水力結構的研究中。
【附圖說明】
[0015] 圖1是現有技術中測定最大水力導度的裝置結構示意圖；
[0016] 圖2是本發明的結構示意圖；
[0017] 圖3采用傳統方法測定Kh和采用本發明測定Kh之間關系的示意圖。
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