HPV&TDP互補雙模式樹干液流監測系統

馬瑞晨 谷子芮 周嘉豪

(浙江農林大學信息工程學院，浙江 臨安 311300)

0 引言

樹干液流是植物體內由于葉片失水，從而引起水分通過木質部運輸到葉片的過程[1]。它是土壤-植物-大氣連續體水流路徑中一個關鍵的鏈接，承接了龐大的地下根系所吸收、匯集的土壤水，決定了整個樹冠的蒸騰量，可反映植物體內的水分傳輸狀況。評估植被水分蒸騰是水文、生態和農業科學重要的研究對象。通過精確的測量液流量，可以基本確定植物的蒸騰耗水量，對干旱和半干旱地區的植被水分蒸騰量評估、進行節水灌溉具有重要的指導意義。液流測算已廣泛應用于個體水平上的水分蒸騰研究，樹液流動具有日周期變化規律：由清晨至中午隨著時間變化逐漸增強，午后達到最峰值，而后減弱，隨著氣溫下降再達到最低值[2-3]。

為了在不破壞樹木正常生理狀態下測量樹液流量，國內外學者陸續提出多種測量樹木蒸騰耗水的方法。1984 年小谷圭司運用傳統方法用樹液著色法研究松樹枯萎病及其復蘇現象，用水溶性著色素示蹤樹液流動法，診斷早期松枯病癥及其恢復現象[4]。但該方法存在很多缺陷，如實驗時間過長才能觀察到實驗結果，因此無法反映液流實時流動狀態。2006 年徐速提出高密度電阻率成像法[5](ERT法)，以生長中的樹木為研究對象，通過在樹干布置電極，研究樹木電阻率與樹干含水量之間的關系，討論了樹干中水分的流動特性。源自現代成像技術熱紅外和磁共振NMR應用于樹液流量測量將有效地提高測量精度，然而儀器價格昂貴，且難以通過無線傳感網絡監測區域林木蒸騰耗水。

自1935年Huber提出用熱量作為示蹤劑，國內外學者陸續提出熱脈沖法、熱消散法、熱比率法等熱技術應用于樹木液體流動檢測。熱脈沖法憑借基于熱理論基礎下的可靠性、科學性、移動便攜、微創低功耗受到眾多國內外研究學者的關注[6-7]。

本項目就是建立在熱脈沖法的基礎上，研發出一種HPV&TDP互補雙模式樹干液流檢測系統。運用熱技術法監測個體植株蒸騰耗水的研發思路，將會有利于精確及時地估算樹林的蒸騰耗水量[8]。

1 雙模式(HPV和TDP)莖流儀系統硬件設計

調查研究分析現有熱技術在設計測量裝置方面所存在的問題，設計一款基于物聯網技術的互補雙模式莖流儀，其主要特點在于體積小、功耗低、價格低、可長期戶外值守以及可上傳實時數據等。此外，雙模式莖流儀針對熱脈沖法在監測液流方面的不足之處進行改進，以熱消散法為輔，從而提升樹干液流監測的準確性和科學性。

圖1 系統原理示意圖

1.1 傳感器選型設計

本檢測裝置主要采用K型熱電偶作為傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用，具有測量精度高、測量范圍廣、構造簡單等特點。在本裝置中K型熱電偶通過與其相連接的 MAX6675 數字轉換芯片將熱探針采集的指標轉換為加熱針釋放的熱脈沖信號。顯示儀器包括2.8寸TFT液晶屏，調節器控制采用單片機內部RTC集成電路。記錄儀表包括SD 卡存儲，其采用SDIO接口與STM32F10系列單片機函數庫包含的FATFS文件系統，可將數據以文本的格式進行存儲。

1.2 無線傳輸模塊電路設計

為了能夠實現數據無線傳輸至服務器，無線傳輸模塊采用了Air202芯片設計。Air202是一款功耗低、穩定性高的集成式GPRS無線芯片，采用虛擬卡版本的Air202芯片，可實現無線通信數據傳輸，通過穩壓電路給Air202芯片供電，將芯片的程序下載接口外接以方便下載程序，通過USART與主控模塊單元相連。

在本系統中通過Air202采集數據實時上傳至服務器平臺進行數據處理，便于操作者遠程監控樹干液流動態、預測液流濱化趨勢，從而科學管理林木以及節水灌溉。

1.3 主控模塊電路設計

主控模塊采用STM32F103單片機為主控核心的最小系統，本設備在 STM32 開發版上進行各實體模塊的測試，并進一步完善信號的分辨率、加熱針工作方式以及液流速率的轉換等各個功能。通過單片機連接主控單元控制繼電器模塊給加熱針供電、實時時鐘顯示、環境溫度監測、數據片上存儲，通過連接采集模塊和無線模塊分別進行數據采集和傳輸，太陽能與12V鉛蓄電池協同供電。

2 系統軟件設計

2.1 軟件工作流程

莖流儀啟動后，首先對單片機、液晶屏、SD卡等模塊進行初始化。初始化之后進入對樹干液流進行低速率判斷，若樹干液流速率低于設定的閾值，則進入TDP(熱耗散)模式，使用雙探針采集數據，此時的采集周期較長，大概為3 h左右。若高于測定的閾值，則會直接進入HPV(熱脈沖)模式；當進入TDP(熱耗散)模式后，液流可能會隨時間發生變化，當液流速率變高(高于閾值)時，也會自動切換為HPV(熱脈沖)模式。進入HPV(熱脈沖)模式后使用三探針進行數據的采集，采集周期約為30 min。數據采集完畢后會直接進行匯總存儲，然后無線傳輸至服務器。

3 實驗測試與結果分析

3.1 實驗材料

截取無患子、樂昌含笑和銀杏莖段，莖段截面積均為16.62 cm2。試驗用到的器材，主要包括鐵架臺、橡膠管和微型電子秤。通過前期多次試驗，記錄的上、下游傳感器處溫升分別在3.00 ℃±0.60 ℃和2.40 ℃±0.40 ℃范圍內。

圖2 莖流儀系統軟件流程圖

3.2 實驗方法——天平稱重法測算莖段液流

樹液流量估算中的很大一部分不確定性可歸因于莖間變異性[9]，通過誤差校正公式可以盡可能消除這些不確定性。盆栽稱重法或大型稱重滲透儀可以使系統更接近自然條件[10]，但盆栽稱重法限制了莖直徑的范圍，大型稱重滲透儀試驗操作困難，無法應用于實際測量[11]。而大多數切莖校準試驗使用氣壓或者水柱來產生通過莖段的水流，試驗操作科學易行。利用天平稱重法進行莖段試驗，主要目的為了提高基于熱技術的樹干液流測量裝置的測量準確度。

3.3 數據分析處理

試驗記錄各莖段在不同水柱高度下的液流速率如圖3所示，結合無患子、樂昌含笑和銀杏的樹種特異性可知，無患子為落葉喬木，栓塞水平相對比其他樹種較低，因此，在水柱的壓力作用下，其滲水速率較大。而銀杏樹種有較強的耐旱性，其莖段栓塞水平相對較高，因而滲水速率也相應的低于其他兩個樹種。

研究比較熱脈沖與熱耗散模型在測量液流速率的特點，通過HPV 模型測量液流的趨勢線相比較TDP模型，在液流速率較高時與原始值較接近。而TDP模型在測量較低液流速率(<10 cm/h)，有較顯著的優勢。

大多數切莖校準試驗的設置使用氣壓或者水柱來產生通過莖段的水流，而應用大氣壓的校準實驗與大型稱重儀分析確定的液流流速相比，存在顯著的低估[12]。

圖3 莖段實驗的液流速度變化

通過探針測得的液流數據分別與莖段滲水速率進行擬合優度分析，選取絕對系數較高的擬合模型作為液流校正模型。由前期試驗數據分析得出，測得速率與莖段滲水速率的校正模型決定系數均在0.94以上，校正后的液流模型測量準確性有所提升。

3.4 誤差分析

TDP和HPV等方法測量樹干液流進行林分蒸騰量估算會低估真實用水量，如Granier探針莖流計由于內部預先設定了修正參數，往往只適用于個別樹種，特別是對毛竹耗水的測算過程中，將出現較大誤差。熱探針離熱源越遠，對加熱針釋放的熱量的敏感性就越小[13]。相比于單一模式持續加熱的TDP莖流計，改進HPV法莖流計更節約能耗，適合野外長期值守。

4 結語

HT雙模式莖流計對于熱脈沖法在監測液流方面的不足之處有所改進，結合了熱耗散法的優點，不僅節約了能耗，還提升了監測樹干液流的精確性和實效性，而且對被監測植物的損害很小，盡可能地減少了設備對樹木本身的影響。本莖流計造價低，組件簡單，有利于后期的的系統維護和功能升級，且兼有顯示、存儲、上傳實時數據功能，為今后建設系統的云平臺打下了基礎。同樣地，莖流計的運用范圍與意義也是十分深遠的。全球變暖帶來的危害使得人們認識到植物蒸騰作用在調節氣候變化上的重要性，正確估算生態系統的蒸騰量，對于預測未來的氣候變化至關重要。不僅在樹木蒸騰方面，沙漠干旱地區的樹木種植也極其需要精準灌溉測算，其莖流數據對于本身的種植有重要的指導意義。良好生態環境是實現中華民族永續發展的內在要求，是增進民生福祉的優先領域。莖流計在當下作為科研設備擁有一定的研究價值，它的研發與運用在生態保護上也有長遠的戰略意義。