WikiEdge:ArXiv-2409.09765

• 标题：On the mechanism of thermal self-regulation of trees: a kind of homeothermic observation
• 中文标题：关于树木热自我调节机制的研究：一种恒温观察
• 发布日期：2024-09-15 15:23:29+00:00
• 作者：Jean-Baptiste Boulé, Jean de Bremond d'Ars, Vincent Courtillot, Marc Gèze, Dominique Gibert, Jean-Louis Le Mouël, Fernando Lopes, Alexis Maineult, Pierpaolo Zuddas
• 分类：physics.bio-ph, physics.geo-ph
• 原文链接：http://arxiv.org/abs/2409.09765v1

摘要：毫无疑问，全球各地的地表温度差异很大，无论时间尺度或潜在原因如何。自1850年以来，我们观察到全球地表温度异常的平均增加为1.2$^{\circ}$，中位数增加为0.7$^{\circ}$：这个总体差异掩盖了显著的区域差异。现在，近60%的世界人口居住在城市地区，尽管植被在调节热环境（例如通过树冠提供的遮荫）中起着重要作用，但这些地区的植被覆盖已经显著减少。在巴黎的一片树林（法国）对树木进行连续的电学和热测量，显示并量化了树冠并非是防止热浪的唯一保护者；我们还必须考虑树干的作用。很明显，这些树干可能通过调节地下水的吸收（其地热稳定性在仅一米深的地方就得到了很好的证实）来自我调节。这个定量观察在我们的城市规划中不应被忽视。

问题与动机

作者面对的研究问题包括：

• 全球表面温度变化对树木生长环境的影响：研究探讨了全球表面温度自1850年以来平均上升1.2℃，中位数上升0.7℃对树木生长环境的影响，以及这种温度变化在不同地区的差异性。
• 城市化对植被覆盖和树木热环境调节功能的影响：分析了城市地区植被覆盖减少对树木调节热环境功能的影响，尤其是在城市热岛效应下树木的作用。
• 树木自身热调节机制的探索：研究了树木，特别是树干部分，如何通过可能调节地下水的吸收来实现热自我调节。
• 树木热调节对城市规划的意义：讨论了树木热调节功能的发现对于城市规划和城市绿化的潜在影响和重要性。

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

1. 全球表面温度变化：
   • 从1850年以来，全球表面温度异常平均上升了1.2°C，中位数上升了0.7°C，这表明不同地区存在显著的区域差异。
   • 随着全球近60%的人口居住在城市地区，植被覆盖显著减少，而植被在调节热环境中扮演着重要角色，例如通过树冠提供的遮荫。
2. 树木在城市热环境中的作用：
   • 树木的树冠和树干在抵御热浪中的作用被量化，表明树木可能通过调节地下水的吸收来实现自我调节，这种地热稳定性在一米深的深度处已经得到了很好的证实。
   • 这些定量观察结果对于城市规划具有不可忽视的重要性。
3. 树木生理监测的缺乏：
   • 尽管植物，尤其是树木对温度波动的适应性具有重要的科学意义，但关于树木在经历温度变化时的定量生理监测的文献却很少。
   • 本研究旨在通过持续的电学和温度测量，探讨树木在温度变化下的生理响应。
4. 树木电位和温度的相互作用：
   • 先前的研究已经表明，树木中的树液流动可以产生自发的电信号，这种电信号与树液流动相关，并且与地球潮汐现象有关。
   • 通过在巴黎的一个生态园内建立的地学观测站，对树木进行实时监测，进一步研究了树液流动、电位变化与温度调节之间的关系。

章节摘要

这篇论文是关于树木热自我调节机制的研究，论文的主要内容可以概括如下：

1. 引言：介绍了全球表面温度变化的背景，以及城市化导致植被覆盖减少的问题。论文指出，树木在调节热环境中扮演重要角色，尤其是通过树冠提供的遮荫。研究通过在巴黎的一片树林中对树木进行连续的电学和热学测量，发现树干可能通过调节地下水的吸收来实现自我调节，这种地下水在一米深的地层中具有很好的地热稳定性。
2. 研究背景与目的：论文讨论了气候周期的变化，以及树木种类和数量随气候和纬度变化的适应性。研究的目的是定量监测树木在温度变化下的生理反应，特别是树木如何通过电生理信号响应温度波动。
3. 方法与数据获取：介绍了位于巴黎自然历史博物馆内的生态园作为观测点，以及使用Granier探针、不锈钢电极和铂金属探针进行的实时监测。详细描述了测量树木树干、土壤和空气温度的设备和方法。
4. 温度时间序列研究：分析了一棵橡树一年内的温度数据，发现树木内部的平均温度在不同季节中表现出惊人的稳定性，并与土壤温度存在一定的关联。通过奇异谱分析（SSA）方法提取了树木内外的日温度变化，发现树木显示出类似恒温动物的温度自我调节能力。
5. 讨论与结论：论文讨论了树木在城市气候调节中的潜在作用，强调了在城市规划中考虑树木热自我调节机制的重要性。研究结果表明，树木通过调节地下水的吸收来实现热自我调节，这对于理解和预测城市森林对气候变化的响应具有重要意义。

研究方法

这篇论文通过在巴黎自然历史博物馆的生态园内建立一个生物和地球物理观测站，对树木的热自我调节机制进行了深入研究。以下是该研究方法论的主要组成部分：

1. 观测站的建立与数据采集：
   • 在巴黎自然历史博物馆的生态园内，研究者建立了一个观测站，对超过12棵树进行连续监测。
   • 使用了树液流传感器（Granier探针）、自电位（SP）测量（使用不锈钢电极）和铂电阻温度探头（Pt-100和Pt-1000）进行实时数据采集。
2. 电位与温度的连续测量：
   • 通过在树木的不同部位（根部、树干、枝条）进行测量，研究者发现电信号可以分解为与主要月球-太阳潮汐相对应的伪周期的总和。
   • 这些伪周期的总和代表了电信号变异性的70%以上，揭示了树木液流的一般机制。
3. 热自我调节的定量观测：
   • 研究者发现，树木的树干可能通过调节地下水的摄取来实现自我调节，这种地下水在一米深的地层中具有很好的地热稳定性。
   • 通过对比树木内外的温度趋势，研究者观察到树木在不同季节表现出惊人的温度稳定性，以及与环境温度的显著差异。
4. 数据分析方法：
   • 利用奇异谱分析（SSA）方法，研究者从时间序列中提取了趋势和非平稳伪周期，这些周期与月球-太阳潮汐相关。
   • SSA方法利用Hankel/Toeplitz矩阵的属性及其通过奇异值分解（SVD）的正交化，有效处理了连续或非连续信号。
5. 热交换的评估：
   • 研究者应用傅里叶热传导定律，以简化的方式评估了树木与环境之间的热交换量，从而定量分析了树木的热自我调节能力。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

1. 树木的热自我调节机制：研究发现树木，特别是其树干部分，具有热自我调节的能力，这可能通过调节地下水的吸收来实现，利用了地热稳定性。
2. 城市植被的重要性：论文指出，尽管城市地区植被覆盖减少，但树木在调节热环境中发挥重要作用，尤其是在城市微气候中。
3. 树木生理监测的缺乏：尽管树木对气候的适应性具有重要的科学意义，但目前对树木在温度变化下的定量生理监测研究相对较少。
4. 树木电信号与树液流动的关联：通过连续的电测量，研究证实了树液流动在树木中产生自发的电信号，这与地球潮汐现象有关。
5. 树木温度的稳定性：研究观察到树木内部的温度在不同季节中表现出惊人的稳定性，并且树木内部的温度与外部环境的温度存在显著差异，尤其是在夏季。
6. 树木与环境的热交换：论文提出，树木通过其树干的垂直结构与周围环境进行热量交换，这种交换可能对城市气候产生影响。

这些结论强调了树木在城市环境中对温度调节的潜在作用，以及在城市规划中考虑树木热自我调节机制的重要性。

术语表

这篇文章的术语表如下：

• 全球表面温度异常（Global surface temperature anomalies）：自1850年以来，全球表面温度异常平均上升了1.2°C，中位数上升了0.7°C。
• 城市热岛效应（Urban heat island effect）：由于城市地区植被覆盖显著减少，导致城市地区的热环境受到显著影响。
• 树木冠层（Tree canopy）：树木的枝叶层，对调节地表温度有重要作用，例如通过树荫提供遮蔽。
• 电位（Electrical potential）：树木在进行水分吸收时产生的自发电信号，与地物理学家所知的自发电位（SP）相关。
• 电动力学（Electrokinetics）：一种物理现象，描述了流体运动（如树木中的水分流动）产生电信号的过程。
• 月-日潮汐（Lunar-solar tides）：由月球和太阳的引力作用引起的周期性变化，影响地球的许多物理现象，包括树木的电位和温度变化。
• 温度调节（Temperature regulation）：树木通过调节其内部温度以适应外部环境变化的能力，类似于恒温动物的温度调节。
• 热传导（Heat conduction）：热量通过物质传递的过程，也称为地热定律，描述了土壤中温度随深度变化的规律。
• 傅里叶定律（Fourier's law）：描述了热传导过程中热量传递的数学模型，涉及热导率、温差和接触面积等因素。
• 热扩散率（Thermal diffusivity）：描述物质导热能力的物理量，影响热波在土壤中的衰减速度。
• 热自调节（Thermal self-regulation）：树木通过调节其内部水分流动来维持内部温度稳定的能力。
• 地热稳定性（Geothermal stability）：地表以下一定深度（如一米）的地温相对稳定，对树木水分吸收和温度调节有影响。
• 树液流（Sap flow）：树木内部水分的流动，与树木的生理活动和温度调节密切相关。
• 自发电位（Spontaneous potential, SP）：由树木内部水分流动产生的电位变化，是电动力学现象的一个表现。
• 热电偶（Platinum probe, Pt-100 and Pt-1000）：用于测量温度的传感器，常用于科学研究中的温度监测。
• 奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis, SSA）：一种信号分析技术，用于从时间序列中提取趋势和周期性变化。
• 日潮汐（Diurnal tide）：地球潮汐的一种，与地球自转相关，影响树木内部的电位和温度变化。
• 热绝缘（Thermal insulation）：物质阻止热量传递的能力，木材被认为是优秀的热绝缘材料。
• 热交换（Heat exchange）：热量在不同物质或系统之间的传递过程，对树木的温度调节有重要作用。