植物蒸腾在土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热传输过程中发挥重要作用，一直是农学、林学、气象学、水文学、生态学等众多学科及领域共同关注的重要课题之一。随着水资源紧缺及水质恶化问题的严重化，蒸腾问题已引起国际社会的广泛关注(孟平等, 2005)。测量植物蒸腾的方法很多，不同学科的学者在叶片、单株和林分等水平上做了不同程度的尝试，以求精确测定蒸腾耗水量。叶片水平上有气孔计法、剪枝称重法等，个体水平上有蒸渗仪法、整树容器法、同位素示踪法、风调室法和热技术法等，林分水平上有能量平衡-波文比法、空气动力学法和涡度相关法等(孙慧珍等, 2004)。在以上方法中，热技术方法由于具有基本保持树木的自然生长状态、连续观测、易于野外操作、远程下载数据和减少了由叶片到个体的转换次数等优点而得到了广泛应用(Baker et al., 1987; Green et al., 1988; Hatton et al., 1995; Kostner et al., 1992)。热技术方法主要是通过测量树干液流来反映植株的蒸腾状况，树干液流是指由于植株蒸腾引起的茎部上升流，植株根部吸收的水分有99.8%消耗在蒸腾上(王沙生等, 1991)，而树干是液流通道的咽喉部位，因此，通过精确测量植株的液流量可以基本反映蒸腾失水量(Kramer, 1983)。热技术根据不同原理及其适用范围可分为热脉冲法、热平衡法和热扩散法等(Swanson, 1994)。国内外研究人员分别利用热脉冲技术(Marshall，1958；刘奉觉等，1993)、热平衡法(Martin et al., 1997; 严昌荣等，1999)和热扩散技术(Granier et al., 1994; 王华田等，2002；曹文强等，2004；孙慧珍等，2005)测量了乔木的树干液流，并应用热脉冲法和热平衡法比较了叶、树干和根三者之间的液流滞后效应(Sakuratani et al., 1997)。有关学者发现树冠蒸腾与树干液流间同样存在从几分钟到几个小时不等的滞后时间，这是由于蒸腾流和测定液流部位的上部树干储存水分的交换所引起(Schulze et al., 1985; Loustau et al., 1996)，但液流相对于微环境因子滞后效应的研究较少涉及(Ford et al., 2005)。本文在充分供水的条件下测量了龙爪槐(Sophora japonica f. pendula)的液流，同步观测了微气象环境，分析了液流相对于气象因子的滞后效应，利用主成分分析法构造了综合气象影响因子，并与液流进行了回归分析，比较了考虑液流滞后效应前后拟合精度的变化。

1 研究区概况

试验于2005年8—10月在鲁东大学校园内进行。地理位置37°14′N, 121°27′E，海拔63 m。年均气温11.8 ℃，年均风速4~6 m·s^－1，多年平均降雨量651.9 mm，年均相对湿度68%，年均日照时数2 698.4 h，无霜期210 d，属暖温带大陆性季风气候。棕壤，土层厚度3 m左右，根系活动层土壤pH值6.2~6.7，有机质含量14.23 g·kg^－1, 全N 1.09 g·kg^－1, 速效P 11.42 mg·kg^－1, 土壤密度1.34 g·cm^－3左右, 地下水位2~3 m。

2 材料与方法

选择长势良好、树干通直、冠幅适中、树皮光滑、无病虫害的1株龙爪槐作为被测木，胸径5.2 cm，株高2.7 m，冠幅2.5 m× 2.3 m。在距离地面130 cm处安装基于热平衡原理美国Dynamax公司生产的SGB50探头，以避免近地面冷液流的影响(曹文强等，2004)。在光滑的茎段上用小刀将树干外的死树皮刮去，在刮树皮时要小心，不要损伤树干的韧皮部，再用细砂纸将其打磨光滑，涂上一层很薄的硅胶树脂(G4型)，防止水分顺树干进入测定部分或者水气的液化，保护探头不受损伤并阻止与树干粘连(严昌荣等，1999)。然后用O形环将探头的上下两头密封，为了防止太阳辐射对探头的影响，在安装好探头后再在探头的外层包裹上3层铝箔。探头通过SF2-135数据转换器与数据采集器(CHANNEL DATA LOGGER)连接，利用12 V铅蓄电池给数据采集器供电。在距样木3 m的空地上安置澳大利亚PTY公司生产的AXWG03自动气象站，自动气象站可同步观测气温(x₁, ℃)、太阳总辐射量(x₂, W·m^-2)、风速(x₃, m·s^－1)、大气相对湿度(x₄, %)和光合有效辐射量(x₅, μmol·m^－2s^－1)等气象因子。由于是在充分供水的条件下测定该龙爪槐树干液流，因此土壤水分状况不予考虑。自动气象站和茎流计数据采样间隔均为15 s，每10 min进行平均值计算并记录下来。由于晴天的数据更有代表性(曹文强等，2004；孟平等，2005)，因此分析所用数据取自测量期内几个典型时期的晴天的液流、气象数据。

3 结果与分析

对5个气象因子与液流速率进行相关分析(图 1)，结果表明：太阳总辐射量、风速和光合有效辐射量与液流速率的相关系数存在滞后效应，即太阳总辐射量和光合有效辐射量与10 min后的液流速率相关系数显著提高，风速与20 min后的液流速率的相关系数增大。液流速率相对于一些微气象因子之所以存在滞后效应，可能是因为微气象环境的改变导致树木蒸腾速率的改变，又因为叶片、树枝和树干存在水容调节(Bariac et al., 1989)，水分从树干传输到叶片需要一段时间，从而表现为液流相对于气象因子滞后。太阳辐射对树木蒸腾起到直接的作用(Hinckley et al., 1994; Martin, 2000)，而风速影响叶片的边界层导度进而影响到树木蒸腾，因此液流速率相对于太阳总辐射和光合有效辐射的滞后时间要短于相对于风速的滞后时间。

主成分分析法是一种降维处理技术，它是将众多的指标综合成少数几个相互独立的指标，而尽量保持原来指标的信息量(唐启义等，2002)。影响植株液流的气象因子错综复杂且这些因子之间又相互影响，因此在对液流进行模拟时有必要从原变量中提取少数几个相互独立的综合气象因子指标，从而有利于建模和分析的简化，而主成分分析不失为一种比较好的方法。利用考虑液流滞后效应(滞后太阳总辐射量10 min，滞后风速20 min，滞后光合有效辐射量10 min)的气象数据和不考虑液流滞后效应的气象数据进行主成分分析，得到特征值、特征向量、百分率、累计百分率(表 1、2)。

由表 1可知，考虑液流滞后效应的主成分分析中，前2个主成分的累计百分率已达85.95%，超过了85%，因此选取前2个主成分作为主成分分析的依据；不考虑液流滞后效应的主成分分析中，前2个主成分的累计百分率已达86.92%，超过了85%，因此同样选取前2个主成分作为主成分分析的依据。根据特征值和特征向量分别计算前2个主成分的主成分载荷，结果如表 3。

根据表 3可得到考虑液流滞后效应的气象因子第一主成分和第二主成分的表达式

(1)

(2)

不考虑液流滞后效应的气象因子第一主成分和第二主成分的表达式

(3)

(4)

由表达式(1)、(2)可知，在考虑液流滞后效应的主成分分析中，x₁、x₂和x₅对主成分z_1c有较大的权重贡献，由于x₁、x₂和x₅均由太阳辐射产生，因此第一主成分z_1c代表太阳辐射因素；x₃对主成分z_2c有较大的权重贡献，因此第二主成分z_2c代表大气动力因素。由表达式(3)、(4)可知，在不考虑液流滞后效应的主成分分析中，x₁、x₂和x₅对主成分z_1w有较大的权重贡献，由于x₁、x₂和x₅均由太阳辐射产生，因此第一主成分z_1w表示太阳辐射因素；x₃、x₄对主成分z_2w有较大的权重贡献，因此第二主成分z_2w代表风速-温度因素。

由以上统计分析所产生的新变量z_1c和z_2c、z_1w和z_2w构造影响植株液流的综合气象影响因子z_c和z_w，综合气象影响因子为原来2个主成分的加权组合，目的是根据原气象因子对液流影响程度的大小赋予不同的权重系数，同时也进一步减少了液流数值模拟的变量。综合气象影响因子的表达式为

(5)

(6)

利用考虑滞后效应前后的综合气象影响因子z_w、z_c与树干液流速率v进行回归分析，经分析知，z_w、z_c和v的决定系数分别为0.830和0.944(p=0.000)，虽然二者的相关度均为极显著水平，但考虑滞后的相关性更高，相对于不考虑滞后决定系数提高了13.735%；由综合气象影响因子与液流速率的回归分析图(图 2)可知，考虑滞后效应的数据点更趋集中，模型的拟合效果更好，说明在树干液流的数值模拟中，考虑液流相对于气象因子滞后效应可以提高模型的拟合精度。

分别将原始数据代入回归方程，计算出液流速率的拟合值，整点时刻观测值与拟合值的相对误差如表 4。由表 4可知，液流速率的8组相对误差中，只有2组(12:00、16:00)的相对误差为考虑滞后大于不考虑滞后，其余6组的相对误差值表现为考虑滞后小于不考虑滞后，这也进一步证明了考虑液流滞后效应能进一步提高树干液流拟合值的准确性。

4 结论与讨论

在充分供水的条件下，8─10月份龙爪槐液流速率相对于太阳总辐射量、风速和光合有效辐射量存在滞后效应，其中相对于太阳总辐射量和光合有效辐射量，液流速率的滞后时间为10 min；相对于风速，液流速率的滞后时间为20 min。利用主成分分析法构造综合气象影响因子并与植株液流速率进行相关分析，经分析知，不考虑滞后与考虑滞后的决定系数分别为0.830和0.944(p=0.000)，考虑滞后相对于不考虑滞后相关系数提高了13.735%，回归图像中的数据点也更趋集中。因此，考虑树干液流对微气象因子的滞后效应可以提高液流的拟合精度。液流速率相对于一些微气象因子之所以存在滞后效应，可能是因为微气象环境的改变导致树木蒸腾速率的改变，又因为叶片、树枝和树干存在水容调节(Bariac et al., 1989)，水分从树干传输到叶片需要一段时间，从而表现为液流相对于气象因子滞后。太阳辐射对树木蒸腾起到直接的作用，而风速影响叶片的边界层导度进而影响到树木蒸腾，因此太阳总辐射和光合有效辐射相对于液流速率的滞后时间要短于相对于风速的滞后时间。本文仅仅根据液流数据与气象因子间相关系数来确定滞后效应，缺乏从植物生理方面的深度探究，有关树干液流滞后效应的机制有待于进一步研究。