一种测定木本植物最大水力导度的装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植物水力结构研究领域，特别是涉及一种测定木本植物最大水力导度 的装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 近年来越来越频繁发生的极端干旱事件直接导致了北美和欧洲森林的大面积死 亡。事实上，进入21世纪以来，中国的多个森林生态系统也明显受到了全球气候变暖的负 面影响，例如贵州近年来频繁遭受的极端干旱事件，其中，2009年~2010年夏秋连旱叠加 冬春干旱、2011年夏秋连旱和2013年夏旱均在不同程度上导致了贵州喀斯特森林的大面 积死亡；我国华北、华东和华中地区夏季持续遭受40°C的高温天气，森林大面积死亡的同 时伴随着大量干枯枝叶飘落呈现出只有秋日才发生的落叶缤纷景象。显然，极端干旱事件 不但严重影响了森林生态系统的生物多样性和生产力水平，而且严重影响了森林生态系统 健康稳定和全球水生态平衡。
[0003] 有科学假说认为极端干旱事件会导致森林木本植物体内水分平衡关系丧失，进而 会导致森林木本植物个体死亡，这尤其凸显了植物水分关系研究的重要性，而植物水分关 系研究领域尤其具有重要意义的就是水力结构的研究。水力结构是指植物在特定的自然环 境条件下，为适应生存竞争的需要所形成的不同形态结构和水分运输供给策略。极端干旱 事件既会导致水力结构的去功能化（Dysfunction)，又会导致输水管道发生大面积的气穴 化（Cavitation)，从而会使得水力结构失去水分运输功能，进而对森林木本植物个体生长 发育有重要贡献的叶、根和分生组织等重要器官以及组织会因为缺水而死亡，进而导致森 林木本植物个体死亡。因此，森林木本植物木质部运输水分的能力和抵抗气穴化形成的能 力可能极大地影响植物的地理分布及其对环境胁迫的适应能力。
[0004] 植物水力导度是植物水力结构的重要组成部分，是指植物输水管道运输水分的 能力，其中，植物输水管道主要是被子植物的导管系统和裸子植物的筛管系统。植物水力 导度包括导水率、比导率和叶比导度，其中，导水率（Kh)是指植物输水管道单位长度的水 分运输能力，其中，这里的植物输水管道主要是植物的茎干、枝条和根，导水率的单位是 KgmMPa 1S S比导率（Ks)是指单位茎干、枝条和根横截面积的导水率，将导水率除以茎干、 枝条和根的横截面积即得出比导率Ks，其单位是Kgm 1MPa 1S \其中，比导率Ks值反映管道 系统的水分运输效率，其值越大则说明该管道系统输水效率越高；叶比导率（Kl)是植物茎 干和枝条末端对叶片供水能力的重要指标，将导水率除以茎干和枝条末端生长的所有叶片 的总叶面积即得到K1，其单位为Kgm 1MPa 1S \叶比导率的值越大则说明植物茎干和枝条末 端对叶的供水能力越强。植物的最大水力导度反映了无栓塞化的管道系统最大的水分运输 能力，是水力结构研究的核心指标。变化环境下植物的最大水力导度与物种适应策略密切 相关。比如，对于被子植物而言森林木本植物存在两种生活型，即常绿植物与落叶植物。常 绿植物由于其导管直径小，木材密度高，因此其最大水力导度小，水分运输能力弱，从而使 得水分供给不足，进而使得常绿植物的光合碳同化能力要低，生长速率慢。但是常绿植物抵 抗机械压力，例如风折、雪压、虫食胁迫的能力强；相对而言，落叶植物导管大，木材密度低， 因此其最大水力导度大，水分运输能力强从而使得水分供给能力强，进而使得落叶植物的 光合能力高，生长速率快。但是落叶植物抵抗机械损伤的能力弱。显然，植物的最大水力导 度与植物其它功能性状形成一个多节点的调控网络，共同决定了物种的水分适应策略，因 此，精确测定植物的最大水力导度是研究植物水分关系的前提。
[0005] 由于蒸腾拉力的存在，通常情况下植物的部分输水管道会出现气穴化现象，这会 导致整条输水管道的栓塞化（Embolism)，进而使得管道系统失去输水功能。此情况下的 水力导度低于无栓塞下的最大水力导度。蒸腾拉力越大会使得管道系统的张力越大，管道 系统的张力越大会使得栓塞化导管数量越多，栓塞化导管数量越多会使得实际水力导度逐 步下降，实际水力导度与最大水力导度之比被称为水力导度丧失率（PLC，Percentage of loss of conductance)，该指标与被测样品水势之间存在一个反曲函数关系（Sigmoidal function)。当实际水力导度降低到最大水力导度的一半，即PLC = 50时的水势值（Ψ50) 是反映植物水分运输安全性的指标，其中，Ψ5(]越低，植物水分运输的安全性越高。显然，精 确测定植物的最大水力导度是可靠获得Ψ 5(]的基础。
[0006]目前，国际通常采用高压冲洗法测定最大水力导度，其具体过程为：首先，用高气 压直接压迫冲洗液提高其压强至IlOkPa~175kPa，以驱除已栓塞化导管内的气穴；然后， 用6kPa~IOKPa冲洗溶液测定单位时间内流经输水管道系统的冲洗液质量；最后，计算获 得最大水力导度。运用该方法的现有技术中测定最大水力导度的装置，如图1所示，它包括 高压气瓶广、调压阀2'、压力罐3'、水压计4'、冲洗液容器5'、三通阀6'、待测植物 样品7'、烧瓶8'、电子天平9'和计算机10';该种装置是植物水分关系研究的实验室标 准设置，但是，在森林木本植物的水力结构研究中，经常需要对野外采集的样品进行水力结 构的测定。通常情况下，野外采集地点往往离实验室较远，因此，野外采集的待测样样品均 需要进行一些保存措施后带回实验室进行测定，其中，常见的保存措施有保湿和低浓度草 酸防真菌感染等，但是，这些保存措施只能在短时间内有效，一旦时间过长则会失效，样品 仍会出现真菌感染、干枯和虫害等现象，而且这些保存措施无法阻止待测样品生理活性的 逐渐降低。显然，将野外采集的待测样品带回实验室进行测定不但操作麻烦，效果不佳，而 且还会造成最大水力导度测定结果的准确性降低，因此，最好在野外就近对待测样品进行 水力结构的测定。但是，现有技术中测定最大水力导度的装置在野外应用时，存在诸多不方 便，具体为：一、由于交通管理相关的法律法规对于高压气瓶的运输有严格规定，使得生态 学家很难在进行野外科考活动中随身携带高压气瓶，即使相关法律没有对高压气瓶运输进 行严格规定，由于高压气瓶的特殊结构，其在运输、使用和保存过程中对生态学家的人身安 全也存在风险；二、在野外科学考察中高压气瓶的充气问题，一般来说在野外，一个4L的气 瓶充满气，只能进行30个~40个植物样品的水势测定，显然，这于需要进行大量植物样品 水势测定的野外科学考察，这些气量根本无法满足需求，而且这4L气一旦用完，还很难找 到地方充气；三、在用调压阀2'进行调压时，由于压力罐3'气压的变化可能会导致微小 气泡进入冲洗液中，这些微小气泡会栓塞输水管道并导致最大水力导度的过低估计，进而 导致测定结果的准确性降低。
【发明内容】
[0007] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种测定木本植物最大水力导度的装置及其 使用方法，不但能够有效提高测定结果的准确性，而且适合在野外测定木本植物最大水力 导度。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测定木本植物最大水力导度的 装置，它包括一冲洗液容器、一离心增压栗、一三通阀、一水压计、一烧瓶、一电子天平和一 计算机；所述冲洗液容器底部设置两个出口，所述冲洗液容器的第一出口通过管路连接所 述离心增压栗的进口，所述离心增压栗的出口通过管路连接所述三通阀的第一进口，所述 离心增压栗的出口和所述三通阀的第一进口之间的管路上还设置所述水压计，所述冲洗液 容器的第二出口通过管路连接所述三通阀的第二进口；所述三通阀的出口连接一用于与待 测植物样品连接的连接管，且所述连接管底部与所述冲洗液容器的第二出口的垂直距离为 60cm~100cm，所述连接管正下方设置所述烧瓶，所述烧瓶放置在所述电子天平上，所述电 子天平连接所述计算机。
[0009] 所述离心增压栗的功率为150W~165W，扬程为12m~15m，内径为15mm。
[0010] 所述待测植物样品为木本植物的茎干、枝条或根。
[0011] 所述连接管采用透明光滑的硅胶软水管。
[0012] -种所述测定木本植物最大水力导度的装置的使用方法，其包括以下步骤：
[0013] (1)用蒸馏水配置草酸冲洗液，并过滤掉所配置草酸冲洗液中的微小气泡和杂质； (2)将步骤⑴得到的草酸冲洗液倒入冲洗液容器中，并关闭三通阀的第二进口，打开三通 阀的第一进口；当草酸冲洗液充满离心增压栗时，启动离心增压栗，并通过水压计判断离心 增压栗是否正常工作，数秒后关闭离心增压栗，并开启得三通阀的第二进口，关闭三通阀的 第一进口；（3)将待测植物样品一端与连接管连接，另一端与烧瓶的瓶口对齐；(4)首先，分 别打开电子天平和计算机，关闭三通阀的第二进口，开启三通阀的第一进口，开启离心增压 栗，使得草酸冲洗液的压强恒定，一段时间后关闭离心增压栗；然后，开启三通阀的第二进 口，关闭三通阀的第一进口；记录单位时间内草酸冲洗液滴落入烧瓶的重量，并根据压强、 待测植物样品的长度、边材面积和叶面面积分别计算出导水率、比导率和叶比导率；至此完 成一个待测植物样品的最大水力导度测定。
[0014] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置离心增压栗 直接对冲洗液容器中的冲洗液增压，使得本发明不但能够有效提高测定结果的准确性，而 且适合在野外进行测定。2、本发明由于采用功率为150W~165W，扬程为12m~15m，内径 为15mm的离心增压栗，使得既适应了水力导度测定的具体要求和野外工作的具体条件，又 有效降低了成本。3、本发明由于采用硅胶软水管制作连接管以及各个部件之间的连接管 路，既能够满足实验的具体要求，又便于安装。4、本发明在使用时操作简便，可靠性高，非常 适合水力导度的野外快速测定，具有显著的社会效益、经济效益和生态效益，因此可以广泛 应用于植物水力结构的研究中。
【附图说明】
[0015] 图1是现有技术中测定最大水力导度的装置结构示意图；
[0016] 图2是本发明的结构示意图；
[0017] 图3采用传统方法测定Kh和采用本发明测定Kh之间关系的示意图。
【具