全 文 ：热脉冲技术 ３种方法组合在测量树干液流中的应用∗
王　 胜１，２　 樊　 军１，３∗∗
（ １中国科学院水利部水土保持研究所 ／黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西杨凌 ７１２１００； ２中国科学院大学，
北京 １０００４９； ３西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西杨凌 ７１２１００）
摘　 要　 利用树干液流方法获取树木蒸腾特征对理解树木水分生理、森林生态和森林系统水
分交换具有重要意义．利用广泛应用于土壤热参数和土壤蒸发测量的三针热脉冲探头，基于
热比率法（ＨＲＭ）、最大温度法（Ｔ⁃Ｍａｘ）和单针热脉冲法（ＳＨＰＰ）同时实现了旱柳液流密度的
测定，并与热扩散探针（ＴＤＰ）测量结果进行对比分析．结果表明： 三针热脉冲探头安装约 ５ 周
后进入稳定测量阶段，３ 种方法初期测量结果比稳定测量阶段高 １３５％ ～ ２２０％，ＨＲＭ、Ｔ⁃Ｍａｘ
和 ＳＨＰＰ 法与 ＴＤＰ 测量结果具有显著的线性相关性，Ｒ２分别为 ０．９３、０．７３ 和 ０．９１，ＳＨＰＰ 与
ＨＲＭ法测定结果的 Ｒ２达到 ０．９４．ＨＲＭ在低速和逆向液流时测量具有较高的精度；ＳＨＰＰ 探头
配置简单、测量精度高，但无法甄别液流方向，是测定液流非常有前途的方法；Ｔ⁃Ｍａｘ 测量液
流误差较大，无法测量＜５ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１的液流，不建议单独用于液流测量，但其能够准确测
定树干热扩散系数，并可用于其他方法液流计算．建议根据试验目的，选取不同方法或者几种
方法组合进行树干液流测量．
关键词　 树干液流； 热比率法（ＨＲＭ）； 最大温度法（Ｔ⁃Ｍａｘ）； 单针热脉冲法（ＳＨＰＰ）； 旱柳
∗国家自然科学基金项目（４１２７１２３９，５１２３９００９）和中国科学院“西部行动计划”项目（ＫＺＣＸ２⁃ＸＢ３⁃１３）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｆａｎｊｕｎ＠ ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃１０⁃０８收稿，２０１５⁃０３⁃２６接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０８－２２４４－０９　 中图分类号　 Ｓ７１５．４， Ｓ７１８．４⁃３３　 文献标识码　 Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｈｅａｔ ｐｕｌｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ⁃ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｔｅｍ ｓａｐ ｆｌｏｗ．
ＷＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ１，２， ＦＡＮ Ｊｕｎ１，３ （ １ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉ⁃
ｅｎｃｅｓ ／ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒｙｌａｎｄ Ｆａｒｍｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ
７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ；
３Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ，
Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（８）： ２２４４－２２５２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｔｒｅｅ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏ⁃
ｄｏｌｏｇｙ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｒｅｅ ｗａｔｅｒ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ， ｆｏｒｅｓｔ ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｗａｔｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅ． Ｔｒｉ⁃ｐｒｏｂｅ
ｈｅａｔ ｐｕｌｓｅ ｓｅｎｓｏｒｓ， ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｓｏｉｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓ⁃
ｕｒｅｍｅｎｔ， ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ Ｓａｌｉｘ ｍａｔｓｕｄａｎａ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｄｅｎｓｉｔｙ （Ｖｓ） ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｖｉａ ｈｅａｔ⁃
ｒａｔｉｏ ｍｅｔｈｏｄ （ＨＲＭ）， Ｔ⁃Ｍａｘ ｍｅｔｈｏｄ （Ｔ⁃Ｍａｘ） ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｐｒｏｂｅ ｈｅａｔ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｂｅ （ＳＨＰＰ） ｍｅｔｈ⁃
ｏｄ， ａｎｄ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ Ｇｒａｉｎｅｒ’ ｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｐｒｏｂｅｓ
（ＴＤＰ） ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ， ｉｔ ｔｏｏｋ ａｂｏｕｔ ｆｉｖｅ ｗｅｅｋｓ ｔｏ ｒｅａｃｈ ａ ｓｔａｂｌｅ ｍｅａ⁃
ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ ａｆｔｅｒ ＴＰＨＰ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ， Ｖｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ａｆｔｅｒ ｉｎ⁃
ｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｗａｓ １３５％－２２０％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ Ｖｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ， ａｎｄ Ｖｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｖｉａ
ＨＲＭ， Ｔ⁃Ｍａｘ ａｎｄ ＳＨＰＰ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｖｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｖｉａ ＴＤＰ
ｍｅｔｈｏｄ， ｗｉｔｈ Ｒ２ ｏｆ ０．９３， ０．７３ ａｎｄ ０．９１， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ａｎｄ Ｒ２ ｆｏｒ Ｖｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＳＨＰＰ ａｎｄ ＨＲＭ
ｒｅａｃｈｅｄ ０．９４． ＨＲＭ ｈａｄ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｏｗ ｒａｔｅｓ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅ ｓａｐ ｆｌｏｗ．
ＳＨＰＰ ｍｅｔｈｏｄ ｓｅｅｍｅｄ ｔｏ ｂｅ ｖｅｒｙ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｆｏｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｗｈｅｒｅａｓ ｉｔ ｃｏｕｌｄｎ’ｔ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｌｏｗ． Ｔ⁃Ｍａｘ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｄ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ
ｈｉｇｈｅｒ ｅｒｒｏｒ ｉｎ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄｎ’ｔ ｍｅａｓｕｒｅ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｂｅｌｏｗ ５ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１，
ｔｈｕｓ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｌｏｎｅ， ｈｏｗｅｖｅｒ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａ⁃
ｔｉｎｇ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｗｈｅｎ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｓｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ｏｒ
ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｔｅｍ ｓａｐ ｆｌｏｗ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｕｒｐｏｓｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓａｐ ｆｌｏｗ； ｈｅａｔ⁃ｒａｔｉｏ ｍｅｔｈｏｄ （ＨＲＭ）； Ｔ⁃Ｍａｘ ｍｅｔｈｏｄ （ Ｔ⁃Ｍａｘ）； ｓｉｎｇｌｅ⁃ｐｒｏｂｅ ｈｅａｔ
ｐｕｌｓｅ ｍｅｔｈｏｄ （ＳＨＰＰ）； Ｓａｌｉｘ ｍａｔｓｕｄａｎａ．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ８月　 第 ２６卷　 第 ８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ａｕｇ． ２０１５， ２６（８）： ２２４４－２２５２
　 　 树木整株蒸腾耗水量的测定历来是生理生态学
家、林学家、农艺学家、水文学家和微气候学家等共
同关注的问题，这一问题既是树木水分生理的核心，
也是贯穿整个森林生态和森林培育等研究的基
础［１］ ．树木根系吸收的土壤液态水，由茎疏导组织向
上运输在木质部形成上升液流，液流运达冠层，经由
气孔蒸腾转化为气态水扩散至大气，因此可以用测
定树干液流的方法估计整株蒸腾量．早期树干液流
速率的测定是通过染料法［２－３］实现的，但该法必须
破坏性地切断树干来确定染料上升的距离．Ｈｕｂｅｒ［４］
首次提出用热来标记植物组织液流，由于其非破坏
性和便于长期自动监测的特点，许多基于热动力学
原理的方法相继产生．总体而言，热动力学方法按照
加热方式可以分为热脉冲法和持续加热法．热脉冲
法是向径向插入树干边材的线性热源施加短时热脉
冲，通过测量加热前后热源周围温度差异计算液流
密度．Ｍａｒｓｈａｌｌ［５］系统地提出了热对流⁃扩散方程以
及温度场分布解析解，给相继提出的补偿热脉冲法
（ＣＨＲＭ）、最大温度法（Ｔ⁃Ｍａｘ）和热比率法（ＨＲＭ）
提供了理论基础．补偿热脉冲法利用与线性热源上
下非对称排列的两个温度探针达到相同温度的时间
来计算液流密度．为解决无法测量低速和逆向液流
的缺陷，Ｂｕｒｇｅｓｓ等［６］使用上下对称分布的温度探针
利用上下探针增温之比计算液流并命名为热比率
法，但其无法测量高于 ４５ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１的液流．
Ｃｏｈｅｎ等［７］运用 Ｍａｒｓｈａｌｌ［５］的解析解提出，通过测量
位于线性热源上方一定距离的温度探针升温最大所
需时间（ ｔＭ）即可获得液流密度，该方法被称为最大
温度法．持续加热的方法主要有热扩散法（ＴＤＰ）、热
场变形法（ＨＦＤ）和热平衡法（ＨＢＭ）等，其中，Ｇｒａｉ⁃
ｎｅｒ［８］提出的热扩散法（ＴＤＰ）因配置简单、结果可
靠，成为目前应用最广泛的方法［９－１０］ ．前期研究利用
Ｇｒａｉｎｅｒ探针测量旱柳树干液流，发现在未遭受严重
干旱胁迫的情况下，Ｇｒａｉｎｅｒ 探针所测树干液流与潜
在蒸散、水汽压亏缺等具有极高的相关性［１１］ ． Ｌｕ
等［９］综述了 ＴＤＰ 法测量木质部液流的进展，充分展
示了它的可靠性及其缺点．近年来，Ｍａｈｊｏｕｂ 等［１２］提
出了一种介于热脉冲与持续加热之间的方法，采取
循环加热的方式用单针探头实现了液流密度测量，
该方法被称为瞬态热扩散法（ＴＴＤ），因其配置极为
简单、操作便捷，引起了许多学者的兴趣［１３－１５］ ．
相邻探针等间距排列的三针热脉冲探头目前广
泛应用于土壤热参数和土壤内部蒸发等［１６－１８］的动
态监测，而在树干液流测量方面鲜有应用．探索三针
热脉冲技术在树干液流中的应用，实现土壤蒸发和
树干液流的同步测定对林地耗水研究具有重要意
义．另外，目前国内液流测定应用较广泛的是热扩散
法和补偿热脉冲法，随着研究内容的深入和水平的
提升，更多技术方法应该得到重视以满足多样化的
研究需求．为此，本文选择旱柳作为试验树种，使用
三针热脉冲探头技术，利用热比率法、最大温度法以
及受瞬态热扩散法（ＴＴＤ） ［１２］以及本研究提出的单
针热脉冲法（ＳＨＰＰ）同时测定液流密度，并与热扩
散法测量结果进行比较，对不同测量方法进行评估，
期望给液流测定提供更多的方法选择和参考．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 测量原理
１􀆰 １􀆰 １热比率法（ＨＲＭ）　 热源与边材的热量交换既
包含通过木质部导管发生的热传导，又包含通过液
流发生的热对流． Ｍａｒｓｈａｌｌ［５］提出了基于热传导⁃对
流原理的热流方程，并给出解析解，即释放短时热脉
冲后 ｔ（ｓ）时刻距离线性热源 ｒ ＝ ｘ２＋ｙ２处的增温值
ΔＴ（℃）：
ΔＴ＝ Ｑ
４πｋｔ
ｅｘｐ －
（ｘ－Ｖｈ ｔ） ２＋ｙ２
４ｋｔ
é
ë
êê
ù
û
úú （１）
式中： Ｑ 为热源线性功率（Ｗ·ｍ－１）；ｋ 为边材热扩
散系数（ｍ２·ｓ－１）；Ｖｈ为热脉冲速率（ｍ·ｓ
－１）；ｘ 和 ｙ
分别是某点与热源的轴向和切向距离（ｍ）．热比率
法（ＨＲＭ）通过测量与线性热源上下等间距 ｘ 处的
升温之比（ΔＴＵ ／ ΔＴＬ）得到热脉冲速率 Ｖｈ，再求得液
流密度 Ｖｓ（ｍ３·ｍ
－２·ｓ－１）．Ｖｈ理论公式为：
Ｖｈ ＝
ｋ
ｘ
ｌｎ（ΔＴＵ ／ ΔＴＬ） （２）
探针间距误差对液流密度测量影响很大，实
际操作中必须给予考虑．在 ＨＲＭ 法中上下探针和
加热针的校正间距（ ｘＵ和 ｘＬ，ｍ）是在零液流条件
（ΔＴＵ ／ ΔＴＬ最小）时原位测量得到的．首先假定 ｘＬ为
正确的 ｘ值（本研究中 ｘ ＝ ０．００６ ｍ），用式（３）求得
校正 ｘＵ；再假定 ｘＵ为正确的 ｘ 值，求得校正 ｘＬ ．因无
法确定间距误差产生于哪一端，将得到的两组（ｘＵ，
ｘＬ）分别带入式（４）取平均值，即为待求热脉冲速率
Ｖｈ，再通过式（５）进行伤流校正．
ｘＬ ＝ ４ｋｔｌｎ（ΔＴＵ ／ ΔＴＬ）＋ｘＵ （３）
Ｖｈ ＝
４ｋｔｌｎ（ΔＴＵ ／ ΔＴＬ）＋（ｘＵ２－ｘＬ ２）
２ｔ（ｘＵ－ｘＬ）
（４）
Ｖｃ ＝ＢＶｈ （５）
５４２２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王　 胜等： 热脉冲技术 ３种方法组合在测量树干液流中的应用　 　 　 　 　 　
１􀆰 １􀆰 ２最大温度法（Ｔ⁃Ｍａｘ） 　 Ｃｏｈｅｎ 等［７］利用解析
解（１）提出了一种改进的热脉冲法，即最大温度法，
该法通过测量位于线性热源上方 ｘＵ某处的单根温
度探头升温最大的时刻 ｔＭ（ ｓ）计算热脉冲速率 Ｖｈ，
再用式（８）进行伤流校正．
Ｖｈ ＝ ｘＵ２－４ｋｔＭ ／ ｔＭ （６）
唯一需要确定的参数热扩散率 ｋ在零液流条件
下由下式获得：
ｋ＝ ｘＵ２ ／ （４ｔＭ） （７）
Ｖｃ ＝ａＶｈ＋ｂ （８）
当获得了校正热脉冲速率 Ｖｃ后，最终通过式
（９）求得液流密度 Ｖｓ：
Ｖｓ ＝
Ｖｃρｂ（ｃｗ＋ｍｃｃｓ）
ρｓｃｓ
（９）
式中：ρｂ为边材干密度 （ ｋｇ·ｍ
－３ ）； ρｓ为液流的密
度（ｋｇ·ｍ－３）；ｍｃ为边材质量含水量； ｃｓ为液流比
热容（Ｊ·ｋｇ－１ ·℃ －１ ）； ｃｗ 为木基质比热容 （ Ｊ ·
ｋｇ－１·℃ －１）．详细参数求算方法参考文献［７］．
１􀆰 １􀆰 ３热扩散法（ＴＤＰ）　 热扩散探针（ＴＤＰ）测量原
理为将内置电热丝和温度传感器的探针插入具有水
分传导功能的树干边材中，给电热丝施加恒定电压
持续供热，当最终达到热动平衡状态即稳态时，加热
探针和位于其正下方的参考温度探针之间的温差
（ΔＴｉ，℃）与液流密度 Ｖｓ有关．Ｇｒａｉｎｅｒ［８］定义了无量
纲指数 Ｋ ｉ，并建立液流密度与 Ｋ ｉ的关系：
Ｋ ｉ ＝（ΔＴｍａｘ－ΔＴｉ） ／ ΔＴｉ （１０）
Ｖｓ ＝ ０．０１１９Ｋ ｉ １．２３１ （１１）
式中：ΔＴｍａｘ为零液流条件下的温差值．
１􀆰 １􀆰 ４单针热脉冲法（ ＳＨＰＰ） 　 Ｍａｈｊｏｕｂ 等［１２］在稳
态热扩散法的基础上开发出仅用单根探针测定液流
密度的瞬态热扩散法．探针内置电阻丝和温度传感
器，一个测量周期分为加热阶段和散热阶段，加热阶
段在电阻丝两端施加持续约 １０ ｍｉｎ 的恒定电压，边
材介质和探针逐步升温至热动平衡状态，散热阶段
切断电热丝两端电压停止加热，使边材介质和探针
散热降温回落至环境温度．温度升降快慢与液流密
度有关，对于处于散热阶段中的任意时刻 ｔｉ（ ｓ），定
义一个液流指数 Ｉ（ ｔｉ）：
Ｉ（ ｔｉ）＝
１
ｔｉ
ｌｎ
Ｔ０－Ｔｗ
Ｔｔｉ－Ｔｗ
（１２）
式中：Ｔ０为加热阶段结束时的探针温度（℃）；Ｔｗ为
散热阶段结束时的探针温度（℃）．液流密度 Ｖｓ与指
数 Ｉ（ ｔｉ）的关系为：
Ｖｓ ＝ｍＩ（ ｔｉ）＋ｎ （１３）
式中：ｍ和 ｎ 是经试验校正得到的与 ｔｉ有关的系数．
通过分析 Ｍａｈｊｏｕｂ等［１２］的理论推导过程发现，并不
需要经过单针热扩散探针长时间加热达到热动平衡
状态，利用包含线性热源和热敏电阻的单针热脉冲
探针即可完成测量，热脉冲停止后的加热针在散热
阶段温度回落快慢与液流密度有关，式（１２）和（１３）
依旧适用，此时重新定义 Ｔ０为脉冲停止时加热探针
的温度（℃），Ｔｗ为脉冲释放前加热针所测环境温度
（℃），Ｔｔｉ为散热阶段 ｔｉ时刻加热针温度（℃），ｍ和 ｎ
是与 ｔｉ及边材损伤程度有关的校正参数．
１􀆰 ２　 试验设置
试验区位于陕西省榆林市神木县六道沟小流
域，处于黄土高原水蚀风蚀交错带，是典型的生态脆
弱区，属中温带半干旱气候，多年平均降水量 ４３７
ｍｍ．试验样地位于一片风沙土旱柳林，旱柳（ Ｓａｌｉｘ
ｍａｔｓｕｄａｎａ）是当地常见的乡土树种，边材厚度较薄
且径向分布较为均匀．试验选取 ３ 株旱柳作为待试
样木，树龄为 ３０年左右，基本参数见表 １．
试验所用三针热脉冲探头由 ３根相互平行的直
径 １．３ ｍｍ、长 ４０ ｍｍ 的不锈钢针管构成，相邻针管
间距均为 ６ ｍｍ．每根针管内距针尖 １０ ｍｍ处均内置
热敏电阻元件用于温度测量（分辨率 ０．０２ ℃），位于
中间的针管还内置电热丝（约 ２５ Ω），构成线性热
源，钢针内部空隙用高导热率的环氧树脂填充．
２０１４年 ５月上旬在待试旱柳树干离地面高约 １
ｍ处刮除探头待安装处的树表糙皮，通过钻孔模片
用 １．２ ｍｍ钻头电钻沿轴线方向垂直钻出 ３ 个深度
１８ ｍｍ相邻间距 ６ ｍｍ 小孔，将三针热脉冲探头插
入钻孔，之后在插入钢针部位用中性硅胶密封，防止
病菌和雨水侵入结合部位，用隔热锡箔片包裹中间
加热针露出部分防止露出部分线性热源通过空气给
上下探针二次加热，整个探头用隔热锡箔片包裹防
止探头遭受雨淋或阳光直射，三针热脉冲探头安装
完成．
表 １　 待试样木主要参数
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｔｒｅｅｓ
树木编号
Ｔｒｅｅ Ｎｏ．
胸径
ＤＢＨ
（ｃｍ）
边材厚度
Ｓａｐｗｏｏｄ
ｄｅｐｔｈ
（ｃｍ）
边材面积
Ｓａｐｗｏｏｄ
ａｒｅａ
（ｃｍ２）
株高
Ｐｌａｎｔ
ｈｅｉｇｈｔ
（ｍ）
冠幅
Ｃａｎｏｐｙ
ｓｉｚｅ
（ｍ×ｍ）
１ １３．４ １．４３ ４６．７ ４．１ ２．１×２．４
２ １３．１ １．３９ ４３．９ ４．４ ２．５×２．６
３ １４．６ １．５５ ５７．７ ４．６ ４．２×４．５
６４２２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
　 　 探头通过线缆连接至数据采集器 ＣＲ２３ＸＴＤ
（Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｌｏｇａｎ，ＵＴ，ＵＳＡ）和加热电路，自动控制
热脉冲的释放、数据采集和记录．试验每 ３０ ｍｉｎ进行
一次测量，每次测量持续 １８０ ｓ，每间隔 １ ｓ采集一次
上下针和加热针温度，在 ｔ＝ １０ ｓ时给加热丝两端施
加 ８ Ｖ持续 ５ ｓ的直流电压，产生持续 ５ ｓ的热脉冲．
在待试旱柳的三针热脉冲探头安置上部约 １０ ｃｍ处
同时安置热扩散式茎流计（ＴＤＰ），具体配置和安装
见前期研究［１１］，和三针热脉冲探头同步测量液流密
度．试验持续至 ８月中旬，结束后将三针热脉冲探头
取出，测量因为探针的插入和加热而产生的机械损
伤尺寸．６ 月中旬在旱柳林选取相同规格和长势的
旱柳，采集边材样本用排水法测量边材密度，用烘干
法测质量含水量，用于边材热扩散系数和液流密度
计算．按照 ＨＲＭ、Ｔ⁃Ｍａｘ、ＳＨＰＰ 和 ＴＤＰ 法分别计算
液流密度．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 三针热脉冲探头温度变化特征及其与液流密
度的关系
经由径向插入树干边材的线性热源产生的短时
脉冲热在热对流⁃扩散作用下在边材中进行热传输，
并引起边材热源周围温度场的动态变化．加热针温
度随着热脉冲的释放而急剧升高，加热停止温度即
开始回落，最大增温 ２１ ～ ２７ ℃，单个探头在测量期
间最大增温值较为稳定，变异系数不超过 １．８％．温
度下降时段分为两个阶段，脉冲停止 １０ ｓ 内温度快
速下降阶段和 １０ ｓ 后缓慢回落至边材环境温度的
慢速下降阶段．距离线性热源上部 ０．６ ｃｍ 处的边材
受热脉冲的影响而产生最大 ０．４ ～ ０．７ ℃的增温量，
另一侧对称位置最大增温为 ０．１５～０．４０ ℃ ．
　 　 加热针和上下针增温曲线与液流密度密切相关
（图 １）．当液流密度越大时，由于较强的热对流作用
使上部针升温越高，更快达到最大值，随后降温也更
快；而下部针增温幅度更小，降温更慢．试验显示，在
热脉冲释放后 ６０～１００ ｓ内，上下部探针升温之比的
指数 Ｆ（ ｔ）随时间变动十分微弱，斜率均＜０􀆰 ０１，液流
密度越大，Ｆ（ ｔ）越大，当 Ｖｓ ＴＤＰ ＝ ０ ｃｍ３·ｃｍ
－２·ｈ－１
时，Ｆ（ ｔ）接近于 ０（图 ２Ａ），因此，选取热脉冲释放后
６０～１００ ｓ Ｆ（ ｔ）的均值用于液流的计算．上部探针达
到最高温度所需时间 ｔＭ为 ４８ ～ ９４ ｓ，ｔＭ随液流密度
的升高而缩短（图 ２Ｂ）．加热探针停止加热 ５０ ｓ 后，
Ｉ（ ｔ）在不同液流密度下具有稳定而持续的差异（图
２ Ｃ），与液流密度具有极好的线性相关性（表２），在
图 １　 测量周期内不同液流密度下三针热脉冲探头上
（ΔＴＵ）、下（ΔＴＬ）部针和加热针（ΔＴＨ）温差动态
Ｆｉｇ．１　 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｏｆ ｕｐｐｅｒ （ΔＴＵ）， ｌｏｗｅｒ
（ΔＴＬ） ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ （ΔＴＨ） ｐｒｏｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎ⁃
ｓｉｔｉｅｓ ｉｎ ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄ．
Ａ： Ｖｓ ＴＤＰ ＝ ０ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１； Ｂ： Ｖｓ ＴＤＰ ＝ １５ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１； Ｃ：
Ｖｓ ＴＤＰ ＝ ３０ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１ ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
停止加热 ６０ ｓ 时两者的相关程度达到最高（Ｒ２ ＝
０􀆰 ９１），因此选择热脉冲停止 ６０ ｓ 时刻用于液流
计算．
表 ２　 液流指数 Ｉ（ ｔ）与液流密度（Ｖｓ）的线性相关性分析
［Ｖｓ ＝ｍＩ（ ｔ）＋ｎ］
Ｔａｂｌｅ ２ 　 Ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｕｘ ｉｎｄｅｘ
Ｉ（ ｔ） ａｎｄ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ Ｖｓ ［Ｖｓ ＝ｍＩ（ ｔ）＋ｎ］
冷却阶段历时
Ｔｉｍｅ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ
ｐｅｒｉｏｄ （ｓ）
拟合参数
Ｆｉｔｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
ｍ ｎ
Ｒ２
２０ ８４８３．４ －１０１８．４ ０．６７７
３０ ５８８５．１ －５３６．８ ０．８６４
４０ ４５２５．３ －３３７．０ ０．８９６
５０ ３８８４．２ －２４６．１ ０．９０８
６０ ３５１４．４ －１９４．５ ０．９１２
７０ ３３１１．３ －１６３．１ ０．９０７
８０ ３１６７．７ －１４０．８ ０．９０１
９０ ３０７３．９ －１２４．７ ０．８８９
１００ ３００９．６ －１１２．４ ０．８７６
７４２２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王　 胜等： 热脉冲技术 ３种方法组合在测量树干液流中的应用　 　 　 　 　 　
图 ２　 不同液流密度（Ｖｓ）上下探针增温之比的指数 Ｆ（ ｔ）、下
部针增温值 ΔＴＵ和液流指数 Ｉ（ ｔ）的动态变化
Ｆｉｇ．２　 Ｄｙｎａｍｉｃ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｎｅｅｄｌｅｓ ｈｅａｔ ｒａｔｉｏ ｅｘｐｏｎｅｎ⁃
ｔｉａｌ Ｆ（ ｔ）， ｌｏｗｅｒ ｎｅｅｄｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ΔＴＵ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｉｎｄｅｘ
Ｉ（ ｔ） ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ （Ｖｓ）．
　 　 伤口大小是运用热脉冲技术最重要的误差来
源，本试验中伤口直径均约 ０．２ ｃｍ，采用表 ３中的方
案进行伤流校正，其中 ＨＲＭ 法采用 Ｂｕｒｇｅｓｓ 等［６］提
出的校正方案，因缺乏所用规格探头的 Ｔ⁃Ｍａｘ 和
ＳＨＰＰ 校正方案，因此试验依据 ＴＤＰ 测量结果给出
相应的校正参数．
２􀆰 ２　 树干液流不同方法测量结果的比较
运用 ＴＤＰ 法和基于热脉冲技术的 ３ 种方法分
别计算液流密度，结果显示：在 ＴＤＰ 探针插入初期，
表 ３　 试验 ＨＲＭ、Ｔ⁃Ｍａｘ 和 ＳＨＰＰ 法计算液流采用的校正
系数［６］
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ＨＲＭ， Ｔ⁃Ｍａｘ ａｎｄ ＳＨＰＰ ｍｅｔｈｏｄｓ［６］
方法
Ｍｅｔｈｏｄ
校正系数 ［Ｖｃ ＝ａＶｈ＋ｂ， Ｖｃ ＝ＢＶｈ， 或 Ｖｓ ＝ｍＩ（６０）＋ｎ］
Ｂ ａ ｂ ｍ ｎ
ＨＲＭ １．８９０５ － － － －
Ｔ⁃Ｍａｘ － ３．０９３ ２．０２０１ － －
ＳＨＰＰ － － － ３５１４．４ －１９４．５
液流密度测量值最高达 ６０ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１，在 １ 周
内逐步下降至最高值 ２８ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１，随后进入
稳定测量阶段，初期测量结果比稳定测量阶段高约
１２０％．基于热脉冲技术的 ３ 种方法均需要约 ５ 周进
入稳定测量阶段，初期测量结果比稳定测量阶段高
１３５％～２２０％．试验站自动气象站的气象资料显示
（数据未列出），期间影响液流的太阳辐射和水汽亏
缺值等没有大幅波动，因而探针安装初期液流测定
值的变化主要来源于与探针接触部位机械损伤和热
损伤的逐步平衡和稳定的过程，而非液流本身．稳定
测量阶段，６月中旬至 ８月中旬，ＴＤＰ 法平均液流密
度为 ７．０３ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１，ＨＲＭ法平均液流密度为
４􀆰 ３４ ｃｍ３ ·ｃｍ－２ ·ｈ－１，仅为 ＴＤＰ 法测量结果的
６１％；而依据 ＴＤＰ 法确定校正系数的 Ｔ⁃Ｍａｘ 法和
ＳＨＰＰ 法测量结果与 ＴＤＰ 法相近（表４）．
　 　 选取 ７ 月 １６—３０ 日的测量结果绘制液流密度
日动态曲线（图 ３），结果显示，４ 种方法所测液流
密度日动态均为单峰曲线，１０：００—１４：００ 最高，
４：００—６：００最低．尽管 ４ 种方法液流密度变化基本
一致，但在测量细节方面的表现并不一致．Ｔ⁃Ｍａｘ 法
能反映液流密度整体变化趋势和日动态，但无论在
低液流的夜间还是高液流的白天，测量结果均非常
紊乱，尤其在低液流时测量结果变异很大，还出现许
多因测量失败（当 ｔＭ＞ｔＭ０时）而产生的间断点．ＨＲＭ
和 ＳＨＰＰ 法相对 ＴＤＰ 法在高液流的午间常有小幅
波动，而 ＴＤＰ 法则呈现出锐利的“峰”，而在低液流
的夜间 ＨＲＭ法能获得更稳定精确的结果．对比不同
方法测量结果显示（图 ４），ＨＲＭ 和 ＳＨＰＰ 法与 ＴＤＰ
法测量结果之间具有良好的线性相关性，Ｒ２分别为
０􀆰 ９３和 ０．９１．尽管 Ｔ⁃Ｍａｘ与 ＴＤＰ 法的结果呈现出正
的相关性，但 Ｒ２仅为 ０．７３，当 ＴＤＰ 法测定的 Ｖｓ ＜５
ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１时， Ｔ⁃Ｍａｘ 法无法反映液流密度
变化．
表 ４　 ３株旱柳平均液流密度及平均日液流量
Ｔａｂｌｅ ４ 　 Ａｖｅｒａｇｅ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ （ Ｖｓ ） ａｎｄ ｄａｉｌｙ ｓａｐ
ｖｏｌｕｍｅ （Ｍ） ｏｆ ｔｈｒｅｅ Ｓａｌｉｘ ｍａｔｓｕｄａｎａ ｔｒｅｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＤ）
方法
Ｍｅｔｈｏｄ
液流密度
Ｖｓ （ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１）
液流量
Ｍ （Ｌ·ｄ－１）
ＨＲＭ ４．３４±０．２０ ５．１５±０．９０
Ｔ⁃Ｍａｘ ７．３９±０．６４ ８．８１±１．８２
ＳＨＰＰ ７．２１±０．３７ ８．５５±１．５１
ＴＤＰ ７．０３±０．６３ ８．３７±１．８０
８４２２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ３　 ＨＲＭ、Ｔ⁃Ｍａｘ、ＳＨＰＰ 和 ＴＤＰ 所测液流密度动态变化
Ｆｉｇ．３　 Ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ＨＲＭ， Ｔ⁃Ｍａｘ，
ＳＨＰＰ ａｎｄ ＴＤＰ ｍｅｔｈｏｄｓ．
３　 讨　 　 论
３􀆰 １　 液流密度测量误差分析
通过与 ＴＤＰ 法对比测量，证明了基于热脉冲技
术的 ＨＲＭ、Ｔ⁃Ｍａｘ和 ＳＨＰＰ 法在液流密度测定中的
可行性，但同其他热动力学方法一样，技术方法本身
以及测定值与真实值之间都存在一定误差．相比热
扩散探针，热脉冲探针输入边材的热功率更高，从而
导致树干边材更严重的热损伤和机械损伤，研究指
出机械损伤不但会干扰液流路径，而且在伤口处形
成侵填体，阻塞液流通道，引起液流密度的低估［１９］ ．
试验中热脉冲探针热量输入强度是热扩散探针的
１０倍，达 ６４ Ｗ·ｍ－１，产生的伤口直径达 ２ ｍｍ．与绝
大多数研究［２０－２１］ 做法一致，本研究采用 Ｂｕｒｇｅｓｓ
等［６］的校正方案对 ＨＲＭ 法进行伤流校正，鉴于
Ｂｕｒｇｅｓｓ方案对不同树种的适用性研究极少，建议在
应用 ＨＲＭ法时按树种补充校正试验．本研究依据
ＴＤＰ 法测量结果给出了 Ｔ⁃Ｍａｘ和 ＳＨＰＰ 法对应的校
正系数，虽然研究证实 Ｇｒａｉｎｅｒ原始校正参数在诸多
树种［２２－２３］和人工合成介质［２４］中都具有良好的适用
性，但因输入热功率、探针材质和探针与边材热接触
等差异，测量值与真实值之间可能存在较大误
差［２５］，因此在具体研究中有必要开展基于离体组织
和整株称量的校正试验．
零点液流的确定是准确获取液流密度的基础，
试验中 ＴＤＰ 和 ＨＲＭ 法分别选取了稳定测量阶段
ΔＴｍａｘ和 ΔＴＵ ／ ΔＴＬ最小时作为零液流时刻，这些时刻
均处于夜间．有研究指出，因植物新陈代谢引起的水
分运动、持续干旱期间树木内部水分缓慢补充和因
水汽压亏缺及高风速引起的冠层失水，生长季夜间
往往存在一定速率的液流［９，２０］，而液流通常在树木
秋季落叶以后才停止． Ｌｕ 等［９］还指出，在不同的生
长阶段确定零液流的特征值并不固定，会随着边材
含水量动态变化、探针和植物组织热接触状况的变
化而改变，这些因素都对获取准确液流密度带来潜
在误差．Ｔ⁃Ｍａｘ在液流非常低时，达到最大温差所需
要的时间 ｔＭ不再随液流的减小而继续增加，因而零
液流时 ｔＭ并非最大［２６］，必须参考其他方法零液流时
刻或切断液流路径来确定零液流 ｔＭ值．
热扩散系数 ｋ是许多热力学方法测定液流十分
重要的参数，树干 ｋ 常为 ０．００１４ ～ ０．００４０ ｃｍ２·ｓ－１，
但在液流测定中却没有得到足够重视．目前，绝大多
数研究把 ｋ 设为定值 ０．００２５ ｃｍ２·ｓ－１，或者由边材
密度和含水率计算得出．本研究 ＨＲＭ 按后者确定
ｋ，这种做法存在两个问题：第一，含水率常常被曲解
为自由水而忽略结合水，因此 ｋ 可能产生超过 １０％
的误差［２７］；第二，树干并非各向同性，而是各向异性
介质，因而轴向和切向 ｋ 存在差异，热扩散⁃对流理
论中 ｋ实质上指轴向的热扩散系数，通过边材密度
和含水率计算出的 ｋ 并不能准确表征轴向 ｋ，可能
导致液流测定误差［２８］ ．Ｔ⁃Ｍａｘ 通过零液流时加热针
上方一定距离温度探针达到最大温差所需时间 ｔＭ
直接获得轴向热扩散系数，且适当增加探针间距可
以减少 ｋ测量误差［２７］ ．本研究通过边材密度和含水
率计算出 ｋ ＝ ０．００１９ ｃｍ２·ｓ－１，通过 Ｔ⁃Ｍａｘ 法测得
ｋ＝ ０．００１７ ｃｍ２·ｓ－１，尽管本次试验两者没有显现出
９４２２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王　 胜等： 热脉冲技术 ３种方法组合在测量树干液流中的应用　 　 　 　 　 　
图 ４　 不同方法液流密度 Ｖｓ测量结果对比
Ｆｉｇ．４　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ Ｖｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ．
下角标字母代表相应的液流测定方法 Ｓｕｂｓｃｒｉｐｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ．
显著差异，但相比设定值或者计算值，Ｔ⁃Ｍａｘ 法直接
获得了准确的测量值．
除此之外，环境温度梯度、探针接触状况［２９］、测
温元件精度等对热脉冲法测量结果有较大影响．因
为热脉冲引起线性热源周围探针的最大温差往往都
不到 １ ℃，温度测量精确、稳定和尽可能小的外界环
境干扰有助于提高液流测量准确性，本研究午间高
液流时热脉冲技术测量结果有小幅波动，可能是环
境温度梯度引起的． Ｖｅｒｇｅｙｎｓｔ 等［１０，３０］研究指出，边
材含水量的动态变化也将引起液流密度估计误差．
３􀆰 ２　 液流密度测量方法评价
热动力学方法依据热量传输原理，利用探针间
或探针自身的温差来反映树干边材液流密度变
化，因操作简便、对树体破坏性小以及易于长期自
动观测等优势，被称为最美妙的测量液流速度的方
法［３１－３２］ ．热脉冲技术采用周期性短时加热方式，利
用短暂热脉冲释放引起的探针间温度变化差异与液
流密度的关系获取液流密度．相比热扩散探针，热脉
冲技术需要更强的热量输入功率，引起树干边材更
严重的机械损伤，试验显示探针安装后需要约 ５ 周
进入稳定测量状态，而热扩散探针仅需 １周左右．
由于 ＨＲＭ法在低速和逆向液流中的良好适用
性，使其在旱区林木耗水、根部液流、夜间树木水分
生理［２０］等研究方面具有巨大潜力；但缺点也十分明
显，即无法测量高于 ４５ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１的液流［６］，
当液流达到一定程度时，探针温差不再随液流密度
的增加而增加，高液流时午间常常呈现“Ｍ”型曲线，
本研究并未观测到明显的“Ｍ”型，这是由于试验区
域水分缺乏旱柳液流较低，我们观测的最高值仅为
２８ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１；鉴于 Ｂｕｒｇｅｓｓ 等［６］的伤流校正
方案并没有在不同树种中得到广泛验证，建议后续
对不同树种开展校正研究，还建议利用 Ｔ⁃Ｍａｘ 法测
得 ｋ用于液流密度计算，以期获得更准确的测量结
果．Ｔ⁃Ｍａｘ的提出要早于 ＨＲＭ，但因测量精度差、不
适于低于 ５～１０ ｃｍ３·ｃｍ－２·ｈ－１液流测定［３３］，到目
前为止鲜有 Ｔ⁃Ｍａｘ在实际运用方面的文献报道，因
此不建议单独使用 Ｔ⁃Ｍａｘ 用于液流密度的测定；而
它有一个长期被忽略的优势，即可以准确测定树干
轴向热扩散系数 ｋ，因此利用 Ｔ⁃Ｍａｘ 测定 ｋ 并同时
采用其他液流测定方法对降低误差有重要意义，建
议后续研究探讨不同探针间距对 ｋ 测定的影响，从
而确定最佳的探针间距．单针热脉冲法（ＳＨＰＰ）是本
研究在 Ｍａｈｊｏｕｂ 等［１２］的瞬态热扩散法（ＴＴＤ）基础
上提出的，试验证明具有较高的液流密度测量精度，
它仅需单根热脉冲探针，相比多针探头，试验设备简
单、安装简便，还能减少多针设备探针间距产生的潜
在误差；而相比 ＴＴＤ技术一次完整测量需要 ３０ ｍｉｎ
或更长时间，ＳＨＰＰ 仅需约 ３ ｍｉｎ，极大减少因气象
因子短时改变引起的误差；缺陷是单针探针无法甄
别液流方向，无法测量逆向液流．当然，目前针对
０５２２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
ＳＨＰＰ 技术的研究尚不完善，后续研究建议着眼于
探求合适的脉冲热量输入功率、ＳＨＰＰ 适用的液流
密度测量范围和提出恰当的伤流校正方案．
４　 结　 　 论
三针热脉冲探头能够运用热比率法（ＨＲＭ）、最
大温度法（Ｔ⁃Ｍａｘ）和单针热脉冲法（ ＳＨＰＰ）３ 种方
法同时实现液流密度的测定．ＨＲＭ 和 ＳＨＰＰ 与热扩
散法（ＴＤＰ）液流密度测量结果相关性较好，Ｒ２分别
达到 ０．９３和 ０．９１；Ｔ⁃Ｍａｘ与 ＴＤＰ 液流测量结果相关
性较差，Ｒ２仅为 ０．７３．三针热脉冲探头插入树干边材
完成安装后，经历约 ５ 周树干液流进入稳定测量阶
段，安装初期 ３种方法测得液流密度比稳定测量时
高 １３５％～２２０％．ＨＲＭ 能够准确测定低速和逆向液
流，十分适合于旱树木水分生理、根部液流特征和夜
间树木水分生理研究；Ｔ⁃Ｍａｘ 液流测量误差较大，不
建议单独用于液流密度测定，但其能准确直接测定
热扩散系数，建议用其他方法计算液流密度；ＳＨＰＰ
技术探针配置简单、测量精度高，缺点是无法甄别液
流方向．可以根据试验目的不同，选取不同方法或者
几种方法组合进行树干液流测量．
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美霞）， ｅｔ ａｌ． Ｓａｐ ｆｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ Ｓａｌｉｘ ｍａｔｓｕ⁃
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ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｅ： Ｅｘ⁃
ｐｌｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｇｉｍｅ． Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ，
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［１３］　 Ａｙｕｔｔｈａｙａ ＳＩＮ， Ｄｏ Ｆ， Ｐａｎｎｅｎｇｐｅｔｃｈ Ｋ， ｅｔ ａｌ． Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ
ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｘｙｌｅｍ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｅ⁃
ｍｅｎｔ： Ｍｕｌｔｉ⁃ｓｐｅｃｉｅｓ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．
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ｔｉｃ ｔａｐｐｉｎｇ ｐａｎｅｌ ｄｒｙｎｅｓｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｐｏｏｒ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｕ⁃
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ｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｗｏ ｍｉｘｅｄ ｄｅｃｉｄｕｏｕｓ ｗｏｏｄｌａｎｄｓ ｄｉｆｆｅｒｉｎｇ ｉｎ
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ｓｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆ⁃
ｆｕｓｉｖｉｔｙ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｏｕｎｄ ａｎｄ ｕｎｂｏｕｎｄ ｗａ⁃
ｔｅｒ． Ｔｒｅｅ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ， ２０１２， ３２： ９３０－９４２
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ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ⁃ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｓ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｈｅａｔ⁃ｐｕｌｓｅ
ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｗｏｏｄ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉ⁃
ｍｅｎｔａｌ Ｂｏｔａｎｙ， ２０１２， ６３： ２８３３－２８３９
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Ｎｏｖｅｌ， ｃｙｃｌｉｃ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ ｉｎ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｅ⁃
ｍｅｎｔｓ． Ⅱ． Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ． Ｔｒｅｅ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，
２０１２， ３２： ９１３－９２９
［３０］ 　 Ｖｅｒｇｅｙｎｓｔ Ｌ． Ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｅｍ Ｗａｔｅｒ
Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｅｖｏｋｅ Ｅｒｒｏｎｅｏｕｓ Ｓａｐ Ｆｌｕｘ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ
ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ Ｐｒｏｂｅｓ． Ｍａｓｔｅｒ Ｔｈｅｓｉｓ． Ｂｅｌ⁃
ｇｉｕｍ： Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｎｔ， ２０１１
［３１］　 Ｆａｎ Ｃ （凡　 超）， Ｑｉｕ Ｙ⁃Ｐ （邱燕萍）， Ｌｉ Ｚ⁃Ｑ （李志
强）， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｍ ｓａｐ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ
ｌｉｔｃｈｉ ｔｒｅｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉ⁃
ｃａ Ｓｉｎｉｃａ （生态学报）， ２０１４， ３４（９）： ２４０１－２４１０ （ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３２］ 　 Ｌｉｕ Ｑ⁃Ｘ （刘庆新）， Ｍｅｎｇ Ｐ （孟 　 平）， Ｚｈａｎｇ Ｚ⁃Ｑ
（李志强）， ｅｔ ａｌ． Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｒｅｅ
ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｃｈｉ⁃
ｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态学报），
２０１１， ２２（１２）： ３３４３－３３５０ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３３］　 Ｇｒｅｅｎ Ｓ， Ｃｌｏｔｈｉｅｒ Ｂ， Ｐｅｒｉｅ Ｅ． Ａ ｒｅ⁃ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅａｔ
ｐｕｌｓｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｃｒｏｓｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓａｐ ｆｌｏｗｓ． Ａｃｔａ Ｈｏｒｔｉ⁃
ｃｕｌｔｕｒａｅ， ２００９： ９５－１０４
作者简介　 王　 胜，男，１９８７年生，硕士研究生． 主要从事土
壤环境物理研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ２００４０４２８０＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 杨　 弘
２５２２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷