趙燕東 黃紅倫 趙 玥,3 劉衛(wèi)平 米 雪

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083; 2.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;3.林草生態(tài)碳中和智慧感知研究院, 北京 100083; 4.定州市綠谷農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司, 定州 073006)

0 引言

活立木莖干水分狀況是植物生命狀態(tài)的有效體現(xiàn),活立木在生長、落葉、休眠等不同階段,其體內(nèi)水分含量會(huì)呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律[1],莖干含水率可以反映活立木的抗旱、抗寒能力;液流是樹液在根、莖和枝中的運(yùn)動(dòng),液流密度可以反映活立木的生命活力,液流的準(zhǔn)確測(cè)量在水文和氣候研究、植物生長檢測(cè)中具有重要意義[2]。常見莖干含水率檢測(cè)方法有核磁共振法[3]、電容法[4]、時(shí)域反射法[5]、駐波率法[6-7]等。常見莖干液流檢測(cè)方法有熱擴(kuò)散法[8]、補(bǔ)償熱脈沖法[9]、熱比率法[10]、Tmax法[11]以及Sapflow+法[12]等。

莖干含水率是準(zhǔn)確檢測(cè)熱平衡點(diǎn)、判斷零液流條件、測(cè)量液流密度的基本參數(shù)[8,13],活立木莖干不同高度的含水率、不同方位的液流密度可能存在顯著差異[14-16]。關(guān)于同時(shí)檢測(cè)活立木莖干水分和液流參數(shù)的文獻(xiàn)有限[12,16-19],檢測(cè)方法可分為兩類:①在莖干相近的空間位置(方位相反或不同高度處)分別安裝液流傳感器探頭和含水率傳感器探頭[19-20],該類方法對(duì)樹木的傷害較大,且沒有考慮樹干的空間異質(zhì)性影響。②基于有些原理的液流計(jì)可在測(cè)量莖干液流的同時(shí)估算邊材的體積熱比等參數(shù)[12,18],結(jié)合SWANSON等[21]給出的邊材熱特性與含水率的轉(zhuǎn)換公式得到邊材含水率,該類方法估算含水率的精度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的莖干含水率測(cè)量方法(如時(shí)域反射法、駐波率法等)。

為彌補(bǔ)上述兩類方法的缺陷,本文以楊樹為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將基于駐波率原理的莖干水分檢測(cè)方法和基于熱比率法原理的莖干液流檢測(cè)方法結(jié)合,設(shè)計(jì)活立木莖干水分和液流復(fù)合參數(shù)檢測(cè)傳感器(下文統(tǒng)稱為復(fù)合傳感器)。復(fù)合傳感器的含水率檢測(cè)單元和液流檢測(cè)單元復(fù)用一套三針式探頭,減少對(duì)樹木造成的傷害,無需考慮樹干的空間異質(zhì)性影響,實(shí)時(shí)、原位、準(zhǔn)確地檢測(cè)活立木樹干同一空間位置的含水率和液流密度。

1 復(fù)合傳感器檢測(cè)原理和設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合傳感器檢測(cè)原理

1.1.1基于駐波率法的莖干含水率檢測(cè)原理

基于駐波率法(SWR法)的活立木莖干含水率測(cè)量原理如圖1所示,測(cè)量裝置由100 MHz信號(hào)源、50 Ω同軸傳輸線、檢波電路、差分放大電路和平行探針組成。

圖1 莖干含水率測(cè)量原理圖

在信號(hào)源頻率及探針材料和幾何參數(shù)(長度、半徑、間距等)確定的情況下,探針阻抗只與檢測(cè)介質(zhì)的表觀介電常數(shù)有關(guān),同軸傳輸線兩端電壓差為

(1)

式中UAB——同軸傳輸線兩端電壓差,V

AL——信號(hào)源幅值,V

ZL——平行探針阻抗,Ω

ZC——同軸傳輸線特征阻抗,Ω

WULLSCHLEGER等[22]采用時(shí)域反射法對(duì)4種落葉闊葉樹種進(jìn)行研究,得出莖干含水率和表觀介電常數(shù)之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為

θ=-0.251+4.66×10-2ε-4.93×10-4ε2

(2)

式中θ——莖干體積含水率,%

ε——莖干表觀介電常數(shù)

綜上,傳輸線兩端的電壓差、莖干體積含水率都與被測(cè)莖干的介電常數(shù)有一定關(guān)系,趙燕東等[7,20]基于SWR法設(shè)計(jì)了BD-IV型植物莖體水分傳感器,以柳樹、楊樹、桃樹、海棠樹等活立木為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,驗(yàn)證了該傳感器的檢測(cè)性能,結(jié)合標(biāo)定方程可以準(zhǔn)確測(cè)量活立木體積含水率,本研究設(shè)計(jì)的含水率檢測(cè)單元的原理就是SWR法。

1.1.2基于熱比率法的莖干液流檢測(cè)原理

BURGESS等[10]推導(dǎo)出熱比率法(下文統(tǒng)稱為HRM法),該方法共有3個(gè)平行探針沿樹干徑向插入樹干,中間探針提供熱脈沖,上、下探針安裝有溫度檢測(cè)元件且與中間探針的距離相同。熱比率法計(jì)算熱脈沖速率的公式為

(3)

式中Vh——熱脈沖在樹干中的傳播速度,cm/h

k——邊材熱擴(kuò)散系數(shù),取0.002 5 cm2/s[10,23]

x——中間探針與上下探針距離,取0.6 cm

ΔTu、ΔTd——加熱前后上方、下方探針的溫度變化值,K

探針插入莖干會(huì)造成“因傷效應(yīng)”,對(duì)熱脈沖速率的測(cè)量產(chǎn)生影響,該影響可以進(jìn)行校正,校正公式為

(4)

式中Vc——校正后的熱脈沖速率,cm/h

a、b、c——校正系數(shù),取值參考文獻(xiàn)[21],隨傷口寬度、探針尺寸和間距而變化

將Vc轉(zhuǎn)換為液流密度公式[24]為

(5)

式中Vs_HRM——通過HRM法計(jì)算的液流密度,cm/h

ρd——干材密度(干材質(zhì)量與鮮材體積的比值)g/cm3

ρw——水的密度,取1 g/cm3

cd、cw——20℃時(shí)干材和水比熱容,取1 200、4 186 J/(kg·K)

Mc——鮮材質(zhì)量含水率(鮮材含水質(zhì)量與干材質(zhì)量的比值),g/g

本研究液流檢測(cè)單元的測(cè)量原理就是HRM法,該方法可以準(zhǔn)確檢測(cè)零速、反向和低速液流[25]。

1.1.3基于熱擴(kuò)散法的莖干液流檢測(cè)原理

GRANIER[8]提出的熱擴(kuò)散法(Thermal dissipation probe,TDP法)原理液流密度計(jì)算公式為

(6)

式中Vs_TDP——通過TDP法計(jì)算的液流密度,cm/h

dT——加熱探針和感溫探針的溫差,K

dTmax——零液流條件下的dT,K

由于零液流條件難以識(shí)別,dTmax取dT的每日最大值,本研究使用TDP法的商用液流計(jì)與復(fù)合傳感器的液流檢測(cè)單元進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.2 復(fù)合傳感器探頭設(shè)計(jì)

HRM法液流計(jì)和SWR法含水率傳感器的探頭都含有3個(gè)探針,為減少多個(gè)探針插入樹干對(duì)樹木造成的傷害,復(fù)合傳感器的含水率檢測(cè)單元和液流檢測(cè)單元復(fù)用一套三針式探頭,通過繼電器控制2個(gè)檢測(cè)單元的分時(shí)供電,可以獨(dú)立測(cè)量莖干同一位置的含水率和液流,復(fù)合探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合探頭結(jié)構(gòu)圖

復(fù)合探頭使用3個(gè)304不銹鋼空心注射針頭作為探針,每個(gè)探針長35 mm,外徑1.3 mm,內(nèi)徑0.8 mm,上、下探針與中間探針之間的距離均為6 mm。每根探針的頂部使用電烙鐵焊接密封,中間探針的尾部焊接到水分測(cè)量電路板的正極探針焊盤上,為水分檢測(cè)電路的正極,上下探針的尾部焊接到負(fù)極探針焊盤上,為水分檢測(cè)電路的負(fù)極。探頭外殼(長30 mm,寬40 mm,高40 mm)使用ABS樹脂通過3D打印制作,在含水率檢測(cè)單元工作時(shí),被測(cè)莖干的含水率可以通過含水率檢測(cè)單元測(cè)量的電壓代入標(biāo)定方程計(jì)算得到。

中間探針內(nèi)部加熱元件采用電阻約為24 Ω的鎳鉻電熱絲管,兩條引線連接到12 V繼電器的電壓輸出端,在液流檢測(cè)單元工作時(shí),單片機(jī)控制繼電器的開閉從而控制加熱脈沖的時(shí)間(本研究加熱時(shí)間為5 s); 上下探針內(nèi)部的中間位置(距離針頭約18 mm)裝有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,熱敏電阻與10 kΩ精密電阻串聯(lián)接入3.3 V和地之間,由單片機(jī)內(nèi)部的ADC模塊測(cè)量熱敏電阻分得的電壓,從而求其阻值并換算得到加熱前后熱敏電阻的平均溫度變化,結(jié)合式(4)～(6)可以得到莖干液流密度。復(fù)合傳感器的探頭安裝如圖3所示,將探頭安裝在楊樹(2年生,胸徑9.8 cm)樹干北側(cè)距離地面1.3 m高度處,用鋁箔和塑料薄膜包裹探頭安裝部位的莖干以隔熱和防水,采集器固定在其下方的樹干上,系統(tǒng)采用12 V直流電源供電。

圖3 復(fù)合傳感器探頭安裝圖

1.3 復(fù)合傳感器采集器設(shè)計(jì)

1.3.1采集器硬件設(shè)計(jì)

復(fù)合傳感器的采集器硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 采集器硬件框圖

采集器以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心,采用12 V直流電源供電。電源模塊將輸入的12 V電源先濾波處理,用于控制加熱電熱絲繼電器的供電;濾波后的12 V電壓經(jīng)過降壓處理,轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的5 V和3.3 V電源,為含水率檢測(cè)單元和控制系統(tǒng)供電;時(shí)鐘模塊采用RX8025T芯片,提供精確的系統(tǒng)時(shí)間; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用外接SD卡,用于本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù);RS485模塊用于實(shí)現(xiàn)采集器與上位機(jī)之間的通信以修改重要的計(jì)算參數(shù)值;繼電器模塊控制含水率檢測(cè)單元和液流檢測(cè)單元的分時(shí)供電,防止兩個(gè)不同測(cè)量原理的電路相互干擾;STM32微控制器通過其內(nèi)部集成的ADC模塊采集含水率檢測(cè)單元的輸出電壓以及液流檢測(cè)單元溫度探針的溫度;采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器計(jì)算處理,得到莖干含水率和液流密度。

1.3.2采集器程序設(shè)計(jì)

復(fù)合傳感器兩次測(cè)量的時(shí)間間隔選為10 min,圖5為單次測(cè)量流程圖。

圖5 單次測(cè)量流程圖

圖5中實(shí)線邊框矩形內(nèi)是含水率測(cè)量過程,虛線邊框矩形內(nèi)是液流測(cè)量過程。檢測(cè)含水率時(shí),使用繼電器控制水分檢測(cè)電路的5 V總電源供電和斷電,單片機(jī)內(nèi)部的ADC模塊采集電路的輸出電壓,代入標(biāo)定方程可得到莖干含水率。檢測(cè)液流時(shí),先測(cè)量上下探針在加熱脈沖前5 s的平均溫度,作為原始溫度,使用繼電器控制液流檢測(cè)單元的12 V加熱線管加熱5 s,再測(cè)量上下探針在熱脈沖后60～100 s的溫度平均值,減去原始溫度值得到的平均溫度上升量,代入式(3)～(5)可以計(jì)算液流密度。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 含水率檢測(cè)單元性能測(cè)試

2.1.1含水率檢測(cè)單元量程測(cè)試

參考文獻(xiàn)[7],使用有機(jī)溶劑法對(duì)復(fù)合傳感器含水率檢測(cè)單元進(jìn)行性能和量程測(cè)試。選用不同介電常數(shù)的有機(jī)溶劑及其與水的混合液體來模擬不同含水率的莖干,溶液的介電常數(shù)見表1。

表1 有機(jī)溶液的介電常數(shù)

取容量為500 mL的燒杯(直徑9 cm),將復(fù)合傳感器探頭固定在燒杯上方,探針向下正對(duì)燒杯中心,依次向燒杯中加入各種測(cè)試液體直到液體完全浸沒探針,記錄含水率檢測(cè)單元輸出的電壓,結(jié)果如圖6所示。

圖6 含水率檢測(cè)單元輸出電壓對(duì)介電常數(shù)的響應(yīng)

由圖6可知,復(fù)合傳感器的含水率檢測(cè)單元輸出電壓與介電常數(shù)(6～53.3范圍內(nèi))具有良好的線性關(guān)系(R2=0.970 1)。由式(2)可知,所選溶液對(duì)應(yīng)的莖干含水率為1%～85%,復(fù)合傳感器含水率檢測(cè)單元的量程為0～85%。

2.1.2含水率檢測(cè)單元穩(wěn)定性測(cè)試

向80 g干燥的白楊木屑中分別加入0、30、60、90、120 g水并攪拌均勻,依次將不同含水率的木屑?jí)喝胫睆? cm容量500 mL的塑料量杯并擰上蓋子防止水分蒸發(fā)。在量杯側(cè)面鉆孔,將傳感器探針插入量杯并固定。對(duì)裝滿上述不同含水率的木屑以及空氣的量杯分別連續(xù)測(cè)量120 min,探針插入后的每10 min記錄一次傳感器輸出電壓,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 含水率檢測(cè)單元穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

圖7中,在對(duì)5種不同含水率的白楊木屑及空氣的測(cè)試中,含水率檢測(cè)單元在120 min內(nèi)電壓輸出值波動(dòng)范圍均在5 mV以內(nèi),對(duì)應(yīng)的最大莖干含水率波動(dòng)在0.6%全量程內(nèi),表明含水率檢測(cè)單元的穩(wěn)定性良好。

2.1.3含水率檢測(cè)單元標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

本研究參照文獻(xiàn)[20]以海棠樹干為實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)BD-IV型莖體水分傳感器標(biāo)定的方法,對(duì)含水率檢測(cè)單元輸出電壓與干燥法計(jì)算的楊樹莖干體積含水率的關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)地(北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)三頃園苗圃,116°21′14″E,40°0′54″N)選取一顆長勢(shì)良好、胸徑約9 cm的楊樹,截取長度約15 cm的樹干段,用排水法測(cè)得鮮木段的體積V0,并將其完全浸入水中24 h以增加莖干水分含量。將木段放入25℃的干燥箱,每隔6 h取出測(cè)量其質(zhì)量m并將復(fù)合傳感器探針插入木段中間位置,記錄含水率檢測(cè)單元的輸出電壓。重復(fù)上述過程直至木段質(zhì)量和含水率檢測(cè)單元輸出電壓趨于穩(wěn)定后,將木段放置于60℃的干燥箱內(nèi)72 h后取出,質(zhì)量記為m0,視為木段干質(zhì)量。則干燥法計(jì)算莖干體積含水率的公式為

(7)

式中θ——木段體積含水率,%

擬合由式(7)計(jì)算的體積含水率和標(biāo)定過程中對(duì)應(yīng)含水率檢測(cè)單元輸出電壓的關(guān)系,得到擬合標(biāo)定方程如圖8所示。

圖8 含水率檢測(cè)單元標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

莖干體積含水率與含水率檢測(cè)單元輸出電壓存在良好的線性關(guān)系(R2=0.982 0),說明復(fù)合傳感器的含水率檢測(cè)單元可以準(zhǔn)確測(cè)量活立木莖干含水率。

2.1.4含水率檢測(cè)單元與BD-IV植物莖體水分傳感器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選用三針式BD-Ⅳ型莖體水分傳感器[7,19-20]與復(fù)合傳感器的含水率檢測(cè)單元進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。2個(gè)傳感器的探頭安裝示意圖如圖9所示,將對(duì)比的BD-IV型莖體水分傳感器探頭安裝在復(fù)合傳感器探頭的對(duì)面相同高度處。

圖9 含水率檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)示意圖

每10 min記錄一次2個(gè)傳感器的含水率測(cè)量值,連續(xù)監(jiān)測(cè)10 d,實(shí)驗(yàn)完成后拆除BD-IV型水分傳感器,二者對(duì)含水率的檢測(cè)結(jié)果如圖10所示,對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖如圖11所示。

圖10 莖干含水率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖11 莖干含水率檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)散點(diǎn)圖

由圖10、11可知,復(fù)合傳感器含水率檢測(cè)單元與BD-IV型傳感器對(duì)同一棵楊樹的含水率測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,二者檢測(cè)的結(jié)果每日變化形狀和規(guī)律一致,存在顯著線性相關(guān)性(R2=0.980 0),同一時(shí)刻測(cè)量值接近,兩條測(cè)量曲線高度重合,說明復(fù)合傳感器也可以準(zhǔn)確檢測(cè)活立木莖干含水率。

2.2 液流檢測(cè)單元與ST1221型熱擴(kuò)散式液流計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

TDP法的液流計(jì)原理簡單且可以測(cè)量零速率、低速率至高速率液流,本研究使用商用ST1221型熱擴(kuò)散式(TDP法)植物液流計(jì)(北京時(shí)域通科技有限公司,ST1221型熱擴(kuò)散式植物液流觀測(cè)系統(tǒng))與復(fù)合傳感器的液流檢測(cè)單元(HRM法)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),用于對(duì)比的ST1221型液流計(jì)探針型號(hào)為STDP10,探針長10 mm,直徑1.2 mm,2個(gè)探針的安裝間距 4 cm,上方為加熱探針,上下方探針溫差通過2個(gè)探針內(nèi)部的熱電偶元件測(cè)得。將STDP10型探針安裝在復(fù)合傳感器探針的正上方約10 cm處,兩個(gè)系統(tǒng)的探頭安裝示意圖如圖12所示。

圖12 探頭安裝示意圖

對(duì)比測(cè)量楊樹7 d的液流變化,測(cè)量結(jié)果如圖13所示。

圖13 莖干液流密度對(duì)比測(cè)量結(jié)果

由圖13可知,復(fù)合傳感器液流檢測(cè)單元(HRM法)的測(cè)量結(jié)果與商用ST1221型熱擴(kuò)散式液流計(jì)(TDP法)的測(cè)量結(jié)果日變化趨勢(shì)一致,但是HRM法白天測(cè)量值較穩(wěn)定,夜間液流密度大于TDP法測(cè)量值,二者測(cè)量值的線性擬合如圖14所示。

圖14 莖干液流密度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由圖14可知,2個(gè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果擬合直線的斜率約為1,說明二者靈敏度一致,二者的測(cè)量結(jié)果具有顯著的線性相關(guān)性(R2=0.899 1)。HRM法所有測(cè)量點(diǎn)的平均值比TDP法高約1.1 cm/h(擬合直線的截距),主要因?yàn)镠RM法可以檢測(cè)到夜間的低速液流,而TDP法認(rèn)為夜間的液流密度為零并據(jù)此條件計(jì)算每天的液流密度,如果夜間零流條件不成立,式(6)中每日選取的dTmax會(huì)小于零流條件的上下探針溫差,TDP法測(cè)量值會(huì)偏小。HRM法可以準(zhǔn)確測(cè)量低速(小于45 cm/h)液流[25],因此對(duì)比實(shí)驗(yàn)中HRM法測(cè)量值會(huì)比TDP法大,測(cè)量更準(zhǔn)確。此外,探針長度和安裝深度不同也可能導(dǎo)致兩種方法測(cè)量值存在偏差。

2.3 莖干含水率和液流密度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2022年7月20日—8月2日,復(fù)合傳感器對(duì)楊樹莖干含水率和液流的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖15所示。

圖15 復(fù)合傳感器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3.1莖干含水率和液流密度相關(guān)性分析

由圖15可知,莖干含水率和液流密度以1 d為周期有規(guī)律地變化。液流密度白天呈“幾”字形,夜晚呈“U”字形,這與文獻(xiàn)[26]研究結(jié)論相同,測(cè)試期間液流密度最小值為0.1 cm/h,最大值為 13.5 cm/h。莖干含水率每日呈單峰(波峰出現(xiàn)在每日05:00—06:00)、單谷(波谷出現(xiàn)在每日15:30—16:30)形狀變化,這與文獻(xiàn)[1]研究結(jié)果一致,測(cè)試期間莖干含水率最小值為38.9%,最大值為54.7%。

楊樹莖干含水率和液流密度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性,Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.795 1,顯著性檢驗(yàn)概率P<0.001,即楊樹的液流密度越大,莖干含水率越小,這與王海蘭[16]使用獨(dú)立的莖干水分傳感器和液流計(jì)對(duì)同一棵柳樹進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到 “2個(gè)參數(shù)存在相關(guān)系數(shù)為-0.534的顯著負(fù)相關(guān)性”的結(jié)論相似。兩個(gè)研究存在相關(guān)性的差別,可能是因?yàn)槲墨I(xiàn)[16]測(cè)量不同高度處的莖干含水率和液流密度,未考慮樹干的空間異質(zhì)性影響,而本研究測(cè)量同一位置的莖干含水率和液流密度;也可能與實(shí)驗(yàn)樹種、環(huán)境因素的差異有關(guān)。

2.3.2晴天莖干含水率和液流密度變化規(guī)律

晴天(2022年7月19—23日、2022年7月28日—8月2日),每日05:00—06:00楊樹將要進(jìn)行光合作用,土壤中的水和營養(yǎng)物質(zhì)通過液流傳輸?shù)綐淙~,液流啟動(dòng)。06:00—08:00莖干液流密度由不足3 cm/h快速上升到 10 cm/h以上,并在08:00—17:00保持均值為11.67 cm/h的高速率波動(dòng)。17:00—18:00,光照強(qiáng)度減弱,液流密度極速下降并在20:00前下降到3 cm/h以下。夜間(20:00—次日05:00)液流維持在均值1.57 cm/h的低速率。測(cè)試期間夜間液流不為零,且夜間液流量占全天液流量比例為8.6%,這與文獻(xiàn)[27-28]研究結(jié)論“夜間刺槐樹干液流速率對(duì)整日液流速率的貢獻(xiàn)率為7%～12%”、“夜間液流量約占全天液流量10%” 一致。

日出后光照強(qiáng)度增大、空氣溫度上升,楊樹的生理活動(dòng)加強(qiáng),當(dāng)楊樹生理活動(dòng)耗水速率大于根系從土壤吸收水分的速率時(shí),莖干含水量會(huì)下降。日落后光照強(qiáng)度減小、空氣溫度下降,楊樹的生理活動(dòng)減弱,耗水量和液流密度減小,莖干含水率緩慢上升以補(bǔ)充白天的水分消耗。

2.3.3晴雨天氣對(duì)莖干含水率和液流的影響

2022年7月23日為晴天,全天液流密度變化范圍為0.21～12.35 cm/h,莖干水分波動(dòng)很大,日變化為14.0%。2022年7月27日為雨天,全天液流密度變化范圍為0.20～3.64 cm/h,莖干水分波動(dòng)很小,日變化為4.2%,即晴天莖干液流變化范圍和莖干水分波動(dòng)都大于雨天。

2022年7月26日夜晚—28日早晨一直間歇性降雨,7月26日夜間液流密度為測(cè)試時(shí)段內(nèi)的最小值(平均0.28 cm/h),即雨天夜間的液流密度會(huì)小于晴天,與文獻(xiàn)[29]研究結(jié)論一致。7月27、28日液流啟動(dòng)時(shí)間為07:00和09:00,均滯后于晴天的液流啟動(dòng)時(shí)間(05:00—06:00),即雨天液流啟動(dòng)時(shí)間會(huì)滯后于晴天,與文獻(xiàn)[26]研究結(jié)論一致。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有對(duì)同一棵樹莖干含水率和液流同時(shí)檢測(cè)的方法中存在未考慮莖干空間異質(zhì)性影響、多個(gè)探針對(duì)樹木傷害大以及對(duì)莖干含水率的測(cè)量不準(zhǔn)確的問題,本研究設(shè)計(jì)了活立木莖干含水率和液流復(fù)合傳感器,可以實(shí)時(shí)測(cè)量同一位置的莖干含水率和液流,無需考慮樹干的空間異質(zhì)性影響,減少了多個(gè)探針對(duì)樹木的傷害。

(2)通過有機(jī)溶液實(shí)驗(yàn)、標(biāo)定實(shí)驗(yàn),獲得了含水率檢測(cè)單元的標(biāo)定模型,含水率檢測(cè)單元輸出電壓與介電常數(shù)(6～53.3范圍內(nèi))具有良好的線性關(guān)系,含水率測(cè)量范圍為0～85%,穩(wěn)定性良好,與BD-IV型植物莖體水分傳感器對(duì)同一棵楊樹的對(duì)比測(cè)試結(jié)果一致(R2=0.980 0)。液流檢測(cè)單元與ST1221型熱擴(kuò)散式植物液流計(jì)對(duì)比測(cè)試同一棵楊樹,二者靈敏度一致、液流密度測(cè)試結(jié)果有極顯著的線性關(guān)系(R2=0.899 1),復(fù)合傳感器液流檢測(cè)單元對(duì)低速液流的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

(3)使用復(fù)合傳感器監(jiān)測(cè)莖干含水率和液流密度,得到二者呈顯著的負(fù)相關(guān)性(Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.795 1,P<0.001)。分析了晴雨天氣下莖干含水率和液流密度的變化規(guī)律,雨天液流啟動(dòng)時(shí)間會(huì)滯后于晴天,晴天莖干液流變化范圍和莖干水分波動(dòng)都大于雨天。