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水分是树木生长的重要组成成分、是代谢过程的反应物以及光合、呼吸作用的原料和各种生理生化反应和物质运输的介质。根系吸收土壤中的水分,通过树干运输到叶片中,其中约95%的水分通过蒸腾作用散失到大气中。目前,传统的研究树干内水分运移特性的方法虽然很多,但大多只能在局部有限的点上进行监测,对树干内的水分分布特征及运移特性难以把握,因此迫切需要一种可以进行平面动态监测的方法来探讨树干水分在树干整个截面上的分布和运移特性。
高密度电阻率成像法作为一种三维、无损的地电学勘探方法,在地球物理学中已经取得了广泛的运用和发展。它是以研究地质体的电阻率差异为基础,自然界各种岩石或探测体具有不同程度的导电性是其施行监测的前提条件。考虑到植物体内的水分中含有一定量的无机矿物成分,具有一定的导电性,能否利用植物体内电阻率的分布和变化来描述其水分的分布和运移特征自然就成了摆在研究者面前的问题。在此背景下,本研究运用高密度电阻率成像法探讨了树干内的水分运移特征,扩大了高密度电阻率成像法的应用范围,在应用新的方法认识和理解树干水分在平面空间上的分布和运移特性方面作了有益的尝试。
本次试验选用一株刚刚砍伐的杨树树干,在树干的周围,从上至下分别在Z=25 cm、Z=45 cm、Z=65 cm和Z=85 cm截面(分别称为截面1、截面2、截面3和截面4)处均匀布置了34根直径约1mm的金属电极,在树干自然释水状态下,利用多通道高密度电阻率勘测系统对树干各个截面的导电特性进行了持续的监测。所得的各个截面视电阻率利用“修补法”的有限元迭代反演,可以求得截面最终的电阻率分布。自然状态下的监测结束后,将树干底部悬空浸没在自来水中,对水分吸收过程中的各个截面电阻率作持续的监测,分析树干水分吸收过程中各个截面的电阻率变化趋势,作为分析水分在树干内部运移的依据。
根据试验结果,高密度电阻率成像法所获取的电阻率分布图像基本上反映了树木截面的环形分布结构,并能较好地反映出截面上结构的变化。截面含水率在树干内部是一个沿径向递增的同心圆状的分布状态,径向递增的速度逐渐增大,并在树干的边缘达到最高值。在空间分布上,上部截面的含水率相比之下大于下部截面,尤其在树干核部的差别更为明显。充足的水分补给能够改变树干自身水分分布的原有特征,尤其是当缺水状态相当严重时,一旦水分有大量的补给,低处截面的水分的吸收往往会呈现一个暂时的不饱和的“稳定态”,横向的水分吸收在满足自身截面的一定的需要后,对水分的吸收的需求并不强烈,绝大多数水分还是用来满足位置更高处的水分需求。利用高密度电阻率成像法,可以实现水分在截面上优势流的定位。