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植物联系着土壤和大气,在土壤—植物—大气连续体中发挥着重要的作用。包气带通过植物将水分传递到大气当中,反过来植物内部水分的运移又影响着包气带中水分的运移。因此,研究包气带(特别是植被覆盖下的包气带)的水力特性就必须结合植物的水力特征进行研究。
目前研究树干内水分运移特性的方法虽然很多,但大多只能在局部点上进行监测,对树干内的水分运移特性在空间上的分布特征难以把握,迫切需要一种可以进行平面动态监测的方法用来探讨树干水分在平面上的分布和运移特性。高密度电阻率成像法作为一种新兴的无损、多维和可视化监测手段正好满足了这一需要。
高密度电阻率成像法(又称ERT)是通过测定介质的电特性以达到对介质进行勘察的地球物理方法。它与传统的电勘察法相比,最大的特点是在观测区域上可以集中布置几十甚至几百根电极,进行高密度阵列式观测,从而可以获得空间上电阻率分布的特征。高密度电阻率成像法近年来在地质勘探领域受到越来越多的重视,并且获得了广泛的应用,但在植物特别是树干内水分运移监测领域应用的例子还很少见。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。
本次监测选取中山植物园内松树作为研究对象,在树干周围距离地面5cm处布置36根电极(电极间距为5cm),利用多通道高密度电阻率勘测系统对树干的导电特性进行了监测。在处理监测数据时,由于传统的视电阻率计算公式只适用于平面半无限空间,对于树干近似圆形的几何形状不适用。因此,本研究通过室内实验对影响视电阻率计算的因素进行了专门的探讨,获得了相应的修正系数,从而实现了对树干视电阻率的修正。在此基础上,利用修正后的结果研究了树干视电阻率在降雨前后随时间的变化过程以及视电阻率在空间上的分布特征。利用反演方法,对所观测到的数据进行了电阻率二维反演,获得了一次降雨前后的树干电阻率在平面上的分布变化图。
研究结果表明:树木根部的吸水能力在一定时期内不是保持不变的,而是存在一个最大值。树干内的水分运移在空间上也不是呈面状推进的,而是存在优势通道,树干拐角位置更利于水分运输。这一成果对正确的认识和理解包气带水分与大气水分之间的相互作用过程具有重要意义。