宋博華，高 歌，高 珊，孫琳琳，李冰雪

（東北林業(yè)大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

植物的蒸騰作用是其水分利用的主要方式，拉動水分在“土壤—植物—大氣”連續(xù)體體系中不斷循環(huán)遷移。蒸騰耗水與植物生命表征直接聯(lián)系，決定著植物的水分盈缺和灌溉與否[1]。對活立木蒸騰耗水的準確測定，可以為低耗水樹種選擇、合理密度配置以及城市園林綠化等工作提供理論依據(jù)和參考[2]。樹木蒸騰耗水產生的水勢差會拉動水分通過木質部向上運輸進而形成液流，因此樹干液流可作為評估樹木蒸騰耗水能力的一項重要指標[3-4]。目前，有多種方法可以評估樹木蒸騰耗水能力，多數(shù)是通過測定樹木液流速率來估算蒸騰耗水量和耗水能力。不同樹干液流測定方法測量精度不同，在選擇樹干液流速率測量方法時需要考慮實驗研究目的、活立木樹種的生理條件和實驗研究所處的自然環(huán)境等因素。目前液流速率的測量主要有同位素示蹤法和熱技術法[5]2類。其中同位素示蹤法通過將化學同位素作為示蹤劑注射到樹木木質部，從而檢測樹木液流速率；但該方法在野外應用不便，且測定精度較低，有待改進[6]。利用熱技術法測定樹干液流不受外界環(huán)境和樹木自身結構影響，安裝布置操作相對簡易，并且對樹木組織結構損傷較小，具有一定的應用優(yōu)勢[7]，因此被廣泛應用于樹干液流測定、液流速率與環(huán)境因子的關系研究中[8-10]。如王檬檬等[11]應用熱技術法研究了晉西黃土區(qū)蘋果Malus pumila樹液流速率與太陽輻射、大氣水份等的關系；溫淑紅等[12]應用熱技術法分析了寧南黃土陵區(qū)山桃Amygdalus davidiana樹樹干液流速率與太陽輻射、溫度、風速的關系；楊潔等[13]應用熱技術法研究了樹干液流時滯效應，并精確估算樹木的蒸騰耗水；還有學者[14-15]應用熱技術法探究樹干木質部徑向不同深度的液流速率和不同時間尺度下的液流速率特征等。目前常用的測量樹干液流的熱技術法主要有熱脈沖法(Heat Pluse Velocity Method，HPVM)、熱平衡法、熱擴散法、熱場變形法以及外熱比法等，前3種方法在國內應用較多，后2種方法在國外有較為詳細的應用描述，但在國內的研究有限。鑒于此，本研究綜述了現(xiàn)有的樹干液流無損檢測方法，闡述這些方法的基本原理、裝置布置、應用領域和最新研究案例，對不同熱技術方法的測量精度、適用范圍、潛在優(yōu)勢以及今后改進方向等方面進行討論和比較，并對不同研究目標和實驗條件下適用的測定方法給出建議，展望各自在液流研究方面的應用前景。

1 基于熱技術的液流檢測方法

1.1 熱脈沖法

熱脈沖法最早由HUBER等[16]提出，首次用熱作為液體流動的示蹤劑，利用熱脈沖測量植物液流速率。該裝置由加熱元件和2個熱電偶組成探針塊，通過測量加熱器發(fā)出熱脈沖隨著液流上升到達熱電偶處所需的時間，計算液流速率(圖1A)。由于熱傳導和對流會使得測量結果偏高，MARSHALL[17]利用熱流方程建立了熱脈沖法的模型框架，為熱脈沖法的進一步發(fā)展提供了理論基礎。

圖1 不同類型傳感器示意圖Figure 1 Different kinds of heat-ratio sensor

基于脈沖加熱的方法包括補償熱脈沖法、最大溫差法(T-max法)以及熱比率法。其中補償熱脈沖法(Compensation Heat Pulse Method，CHPM)通過測量2個對稱放置在線性加熱器兩側的溫度傳感器達到相同溫度時的時間來計算液流密度，該裝置安裝探針時會對周圍木材組織造成損傷而導致液流速率失真，因此需要根據(jù)不同探針間距設置校正參數(shù)[18]，從而使液流速率的測量值更接近真實值。T-max法[19]的裝置由加熱器和1個溫度探針組成，通過記錄從發(fā)出熱脈沖至溫度探針到達最大溫度時的時間，再根據(jù)MARSHALL的基礎理論計算液流速率。該方法設備簡單，僅需確定被測樹干邊材的導熱系數(shù)，即可計算樹干液流密度。熱比率法(Heat Ratio Method，HRM)基于補償熱脈沖法提出[20]，測量范圍可以達到零值甚至延伸至負值，其裝置由1個加熱器和2個安裝在加熱器上下游的溫度探針組成，通過測定2個探針的增溫比即可計算液流速率。

1.2 熱平衡法

熱平衡法(Heat Balance Method，HBM)的原理是當樹干內通過一定量液流時，加熱元件作為熱源會向樹干提供已知的熱量，直至樹干溫度趨于穩(wěn)定。若不考慮熱傳導以及隔熱層損失熱量，熱源提供的熱量應與被液流帶走的熱量相等，可根據(jù)這種熱平衡關系計算液流速率。熱平衡法可分為莖熱平衡法和樹干熱平衡法[21]。

1.2.1 莖熱平衡法 莖熱平衡法 (Stem Heat Balance，SHB)[22]以環(huán)形加熱元件作為熱源，提供穩(wěn)定的熱量，熱量散失途徑包括樹干液流帶走、熱傳導向樹干上下方散失和對流散失。裝置(圖1B)設計為包裹式，利用包裹式隔熱層(通常為聚苯乙烯泡沫)防止熱輻射造成的熱量散失(樹干周圍的熱輻射忽略不計)。加熱元件上下方安裝2對熱電偶，用來測定液流通過后的溫差，依據(jù)熱量平衡關系計算液流。SHB法適用于測定胸徑較小的樹干，其優(yōu)點是檢測時不需要標定，不需要將熱電偶插入樹干中，對樹木無直接損傷。

1.2.2 樹干熱平衡法 樹干熱平衡法 (Trunk Heat Balance，THB)[23]的原理與莖熱平衡法類似，均通過熱量平衡關系計算液流，不同點是THB法測量裝置(圖1C)由插入樹干的加熱片和1對熱電偶組成，2個熱電偶分別安裝在緊挨加熱片上端(溫度場最大值)和加熱片下端(不受溫度場影響)位置，通過記錄液流通過前后樹干溫度差來計算液流。THB法同樣不需要標定，并且可測定胸徑較大的樹干。但THB法設備較多，安裝相對復雜，易對樹干造成微損傷。目前熱平衡法的應用較為廣泛，通常用來研究環(huán)境因子與液流速率的關系以及耗水特性。

1.3 熱擴散法

熱擴散法(Thermal Dissipation Method，TDM)[24]又稱Granier法，是目前應用最廣泛的液流測定方法。該裝置(圖1D)包含2個傳感器探針，沿液流方向插入樹干中。下游(上部)探針包括加熱元件(長約20 mm)，并纏繞在裝有熱電偶的鋼針上，熱電偶尖端正對加熱元件的中間；下游(上部)探針不加熱，用作參考探頭，以測量木質部的環(huán)境溫度。工作時下游探針以恒定功率(0.2 W)連續(xù)加熱，受液流的散熱影響，2個探頭間存在溫度差異，因此可通過溫差與液流速率間的關系計算液流速率。

TDM法常用來研究樹干液流與環(huán)境因子的關系。萬艷芳等[25]應用熱擴散技術測定并分析了青海云杉Picea crassifolia樹干液流密度與環(huán)境因子的關系，確定液流密度的主要環(huán)境影響因子是太陽輻射。朱敏捷等[26]利用熱擴散法測定了尾葉桉Eucalyptus urophylla樹干液流，研究了樹干液流的方位差異以及與環(huán)境因子的關系。姚增旺等[27]應用熱擴散探針測定梭梭Haloxylon ammodendron樹干液流，研究了樹干液流與環(huán)境因子之間的時滯效應。另外，通過測定單株樹干液流還可以推算林分蒸騰量。王志超等[28]研究了林分蒸騰耗水規(guī)律后發(fā)現(xiàn)：忽略夜間林分蒸騰耗水量會導致對林分蒸騰耗水量的估計不準確。

1.4 熱場變形法

基于熱脈沖法測量樹木液流密度時，需要測量熱脈沖前后溫度，獲得溫度差，這就要求木材具有較高的熱穩(wěn)定性；熱脈沖法兩側測量需要時間間隔，可以測得液流密度的最大值為45 cm3·cm-2·h-1，說明該方法具有一定的局限性。為解決以上問題，NADEZHDINA等[29]提出了熱場變形法(Heat Field Deformation，HFD)，通過記錄線性加熱器周圍的木質部中不同徑向位置的熱場變化，將熱場變形與樹干木質部的液流密度聯(lián)系起來。熱場變形法液流檢測系統(tǒng)(圖1E)包括3個探針和1個加熱器，其中2個探針沿軸向對稱安裝在加熱器的上游和下游，另1個探針沿切向平行于加熱器水平安裝在加熱器側邊，軸向探針測量對稱溫差，切向探針測量不對稱溫差。通過測定加熱器周圍軸向和切向的溫度差來表征由樹液流動而產生的熱場變化，進而確定液流密度。液流密度q(cm3·cm-2·h-1)的一般計算公式為：

其中：Dst表示樹干邊材熱擴散率(m2·s-1)；(K＋Ts-a)/Tas表示溫差比率；ZaxZtg表示傳感器探針間距離的校正因子；Lsw表示邊材深度。K表示零液流下Ts-a的絕對值，其中Ts-a為Tsym與Tas的差。Tsym表示對稱探針間的溫差；Tas表示非對稱探針間的溫差；Zax表示軸向上游探針與加熱器的距離；Ztg表示切向探針與加熱器的距離。

HFD傳感器也可以記錄反向流量，即將Tsym改為負值。因此，計算公式轉換為：

用HFD法測量液流密度，非零液流下，利用線性外推法能準確測得零液流密度，相比其他熱技術方法優(yōu)勢顯著。同時HFD法結合了對稱與非對稱溫差測量，利用對稱溫差測量低液流密度較為有效，而測得的高液流密度與實際蒸騰量線性關系不顯著，因此高液流密度準確性不夠[30]。而利用非對稱溫差測量是中高液流密度準確性較高。因此，HFD法對于低液流量和高液流量都可以準確測定。

HFD法廣泛應用于液流指數(shù)(the sap flow index，SFI) 的測定。SFI是植物水分狀況的敏感指標，用來決定植物是否需要灌溉。SFI值通過在加熱器周圍軸向等距安裝差動熱電偶測得，是液流速率測定的原始數(shù)據(jù)之一[31]。此外，HFD法可以直接監(jiān)測木質部的水分運動[32]，通過沿著木質部半徑的不同深度，用圍繞普通線性加熱器的傳感器進行液流測定，具有快速響應和高度敏感的特性。NADEZHDINA[33]在對楓樹Acerspp.水運輸路徑的研究中，利用HFD法測定楓樹木質部液流，證實了楓樹的維管結構具有完整拓撲結構。

1.5 外熱比法

外熱比法(External Heat-Ratio，EHR)是在熱比率法的基礎上提出的，用外部加熱元件代替插入式加熱元件，其基本原理與激光脈沖法(laser heat-pulse gauge，LHPG)類似。不同點是后者用近紅外激光源代替插入式加熱元件，并通過紅外攝像機從外部監(jiān)控熱量傳播，熱脈沖速度由溫度數(shù)據(jù)確定，并與液流速率相關。HELFTER等[34]利用激光脈沖法對小莖木本植物的液流速率進行了測定，發(fā)現(xiàn)小莖木本植物韌皮部與木質部液流速率幾乎一致。CLEARWATER等[35]首次提出了外熱比法(圖1F)，將1個微型外部加熱器(電子芯片電阻)和溫度傳感器(精密熱電偶)粘在軟木塊上，并壓在莖干表面。釋放熱脈沖后，根據(jù)2個熱電偶的增溫比來計算液流密度。利用外熱比法可以測定灌木液流速率[36]，研究植物水動力學，對直徑較小的莖干具有良好的適用性。外熱比法最小可測直徑為5 mm，可測液流密度為0.36～50.00 cm3·cm-2·h-1，較少應用于直徑較大的莖干。因此，下一步可改進EHR技術，用于測定較大莖段植物的液流密度。

2 問題與建議

2.1 熱技術方法的不足與改進

探針的使用會對樹干邊材造成一定的破壞，使得探針處樹干邊材的熱均勻性改變，從而降低測量結果的準確性。GREEN等[37]用二維的“熱-液流”模型確定不同傷口大小的校正因子，給出了補償脈沖法和T-max法的校正因子表，并通過比較美洲黑楊Populus deltoides與白柳Salix alba的液流通量值與實際蒸騰速率值的關系證明了校正因子的有效性。TESTI等[38]在補償熱脈沖法的基礎上提出了校準平均梯度法(calibrated average gradient，CAG)，有效測定了低速液流，使用也較為簡易。

LANGENSIEPEN等[39]發(fā)現(xiàn)：為更好地適應小麥Triticum aestivum莖的解剖結構和熱物理特性，在應用莖熱平衡法測量小麥液流速率時，通過引入降噪方程可有效提高液流計的測量精度。TRCALA等[40]利用熱場變形法的溫度場理論，通過改變傳感器的幾何形狀(從垂直到水平)來改善熱平衡法的傳感性能，實現(xiàn)了零液流和反向液流的測定。這種方法也被稱為線性熱平衡法[41]，是從基礎傳導—對流傳熱方程解析得出的精確方程，不僅提高了液流測定的精度，而且基于熱導率信息實現(xiàn)了水含量的估算。NAKANO等[42]發(fā)現(xiàn)：對金柑Fortunella crassifocia進行環(huán)剝處理后，可利用熱平衡法測定其韌皮部和木質部的液流速率。

TDM法測定液流速率需要估算線性回歸關系，確定零液流狀態(tài)下的溫差，而這個過程會產生一定誤差[43]，許多情況下準確性受到質疑[44]。因此用熱擴散法確定樹木的蒸騰量時，有必要對測量樹種液流量估計方程進行校準[45-47]。

外熱比法也存在一些不足。首先，大多數(shù)加熱傳感器從加熱芯片的中心到兩側感溫元件有一定的窄間距。隨著熱量沿橫截面向內傳播和沿莖軸上下傳播，熱量到達木質部導管時變得非常分散，來自液流的熱比率信號會減弱。其次，加熱器和溫度傳感器被安置在1個矩形的不導電硅酮/軟木塊中，無法有效隔絕環(huán)境溫度對檢測溫度的影響，增加了液流檢測結果的誤差。再次，矩形加熱芯片橫壓在圓柱形樹干上，載荷不均勻，加熱器元件使用窄的矩形芯片電阻，比圓形芯片更容易斷開。為此，王勝[48]開發(fā)了1種新設計的EHR加熱傳感器，增加了加熱元件至溫度傳感器的間距，使之更適應直徑較大的莖干。改良后的裝置莖干直徑檢測范圍擴大，可用于胸徑較小的樹木測量。

2.2 基于熱技術液流速度測量的常用方法比較

目前，基于熱技術的樹干液流測定方法日趨完善，不同方法具有相對應的優(yōu)勢和劣勢。由表1可知：不同熱技術方法液流測定裝置均包括為加熱器提供能量的能量供應單元和用于收集檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄儀。具體來看，熱脈沖法不受環(huán)境條件以及樹冠結構及根系特性的影響，裝置簡潔，但存在一定的靈敏度和精度問題。熱平衡法無需標定，測量精度有所提高，但僅適于測定高液流密度。熱擴散法是目前研究蒸騰耗水特性應用最廣泛的方法，測定結果較準確，儀器成本較低，安裝簡單，有較成熟的商業(yè)化產品，但測定結果容易被低估。熱場變形法操作復雜，應用較少，但該方法能夠準確測定零液流以及逆向液流，測定精度與范圍也有很大的提升。外熱比法與激光脈沖法均可實現(xiàn)精確的零破壞檢測，但僅適用于胸徑較小的樹干，另外，激光脈沖法裝置成本昂貴，未能普及。

表1 樹干液流的測定方法對比Table 1 Comparison of methods for sap flow measurement

2.3 活立木液流測定方法選擇建議

利用熱技術方法測定液流速率，可以精確估算樹木蒸騰耗水量[54]，但不同熱技術方法的測量精度、測定范圍以及適用性不盡相同，實際應用時應根據(jù)不同實驗條件選擇不同的熱技術方法。選擇熱技術方法測定樹干液流通常需要考慮樹木胸徑大小、熱技術方法的誤差范圍、熱技術方法的測定精度、熱技術方法的可行性等因素。

首先，不同胸徑活立木應選用不同的熱技術方法，外熱比法和莖熱平衡法適合測定胸徑較小的樹木，樹干熱平衡法適合測定胸徑較大的樹木。其次，不同熱技術方法可測得的液流速率范圍不同，補償熱脈沖法、T-max法以及熱擴散法測定低速液流的誤差較大，莖熱平衡法測定高液流速率時誤差較大，熱比率法和熱場變形法測定液流范圍較廣。熱場變形法和外熱比法可以測定逆向液流，熱場變形法還可以準確測定零液流。熱脈沖法、熱平衡法和熱擴散法較成熟[55]，應用較廣泛，可行性較高。另外，將不同測定范圍的熱技術方法組合使用，可以有效提高測定精度。不同植物的液流速率不同。向日葵Helianthus annuus和玉米Zea mays等植物的液流速率相對較低，在利用T-max方法測定時，測量值總是略高于實際值[56]；換成熱比率法測定也不夠精確，而采用T-max法與熱比率法組合測量則較為準確。

3 熱技術方法應用展望

利用熱技術方法測定液流速率約80多年的研究，方法不斷得到改進與創(chuàng)新，在校準度、測定范圍和測定精度上均有所提高，同時，實驗操作不斷簡化，數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動化采集和存儲，并逐步實現(xiàn)連續(xù)時間以及多層空間的同步測定[57]。其中，熱脈沖法、熱平衡法、熱擴散法經一系列的發(fā)展與完善，極大程度上減小了測量誤差[58]。熱擴散法還形成了成熟的商業(yè)化產品，并得到了廣泛的應用。雖然利用外熱比法和熱場變形法測定活立木液流速率的研究有限，但外熱比法實現(xiàn)了精確的零破壞檢測，熱場變形法液流速率測定范圍廣，并可準確的測定零液流和逆向液流。在利用外熱比法測定液流速率時，需要針對不同樣本以及實驗條件設計不同的量規(guī)，這是外熱比法的不足之處。因此，外熱比法和熱場變形法亟待更為深入研究。

目前，熱技術方法成為液流測量的首要選擇。在未來，應用熱技術測定樹干液流仍需關注以下熱點：在完善研究活立木蒸騰耗水特點的同時，結合土壤生物因子和氣象因子與樹干液流的關系，進一步深入研究活立木生理作用；從微觀和宏觀方面監(jiān)控水分運動，研究水分利用與樹木生長的關系；在生產實際方面，進一步完善活立木單株和森林林區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，為實現(xiàn)高效的林區(qū)治理提供有力依據(jù)。