全 文 ：林业科学研究 2007, 20( 3): 370~ 374
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2007) 03037005
热扩散式树木液流国产化传感器性能分析*
张劲松1, 孟 平1, 刘 尉 2, 施生锦 1, 王鹤松 1, 高 峻 1, 任庆福1
( 1.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京 100091;
2.中国农业大学资源与环境学院,北京 100094)
摘要: 本研究以整树盆栽称重法 (M BW )为标准,美国 Dynamax公司同类感器 ( m dTDP )为对照, 以大叶女贞、栓皮栎
为供试树种, 对国产化热扩散式液流 ( TDP)传感器 ( c fTDP)的性能进行了验证, 结果表明: M BW 法得到的蒸腾速率
与由 cfTDP测算得到的大叶女贞液流速率具有很好的相关关系, 且无显著性差异 (P < 0. 05);二者 30 m in平均值的
线性相关系数为 0. 90(样本数为 215); 二者日总量之间相关系数可达 0. 99,其相对误差的最大值、最小值及平均值
分别为 13. 3%、0. 5% 、8. 7%。 c fTDP测算得到的树干液流密度与 m dTDP测算得到的树干液流密度日变化趋势完
全一致, 二者具有很好的线性相关关系, 相关系数大于 0. 98,且无显著性差异 (P < 0. 05)。
关键词: 热扩散式传感器; 树木液流; 国产化技术; 性能分析
中图分类号: S715. 4 文献标识码: A
收稿日期: 20070112
基金项目: 科技部科研条件专项目 /科学仪器升级改造课题 ( JG200432 )、国家林业局 948项目 ( 2005425 )、国家 十一五 科技支撑
课题 ( 200603BADA11 )部分研究内容
作者简介: 张劲松 ( 1968! ) ,男,浙江永嘉人,博士、研究员,主要研究方向:复合农林业、农 (林 )业气象.
Perform ance Analysis for the Dom estic TDP Sensor for
M easuring Sap Flow in Trees
ZHANG J insong1, MENG Ping1, LIU Wei2, SH I Shengjin2, WANG H esong 1, GAO Jun1, REN Q ingfu1
( 1. Research In stitu te of Forestry, CAF; Key Laboratory ofT ree B reeding and Cu ltivat ion, State Fores try Adm in istrat ion, Bej ing 100091, Ch ina;
2. College ofResources and Env ironm ental Sciences, Ch ina AgriculturalU n ivers ity, Bei jing 100094, Ch ina )
Abstract: Taking who letree we ighing method (MBW ) as criterion, and compared w ith sim ilar sensormade by Dy
namax (mdTDP) , the performance o f domestic TDP sensor ( cfTDP) were assessed by measuring the sap flow (SF )
and transp iration rate (TR ) ofL igustrum leucadendra andQuercus variabilis as testmaterials. The results are as fo l
lows: ( 1) TheTR o f had good correlation w ith SF derived from the cfTDP method and therew as no sign ificant differ
ence betw een them (P < 0. 05) . The linear correlat ion coefficient betw een the average value o fTR and that ofSF in 30
m inutes w as 0. 90 ( n= 215), the maximum was 0. 99 daily. Them ax ima,l m inima l and average values of re lat ive er
ror betw een the to talTR and the totalSF da ily w ere 13. 3% , 0. 5% and 8. 7% respective ly. ( 2) The da ily sap flux
density value derived from the cfTDP method had complete consistencyw ith that derived from mdTDP method.
Key words: TDP sensor; sap flow in trees; dom estic techno logy; perfo rmance ana lysis
蒸腾是植物耗水的主要方式, 选择合适的测定
方法来测算林木蒸腾耗水量是开展植物水分生态特
征等相关研究工作的基础 [ 1]。鉴于林地或森林生态
系统因下垫面的非均一性、林木冠层结构的复杂性、
不同部位叶片之间的变异性、土壤空间结构的变异
性、根系分布的复杂性,以及由此所导致蒸腾与蒸发
分开计量的更加困难性等原因, 故目前被用于测定
林木蒸腾,并具有相对较高稳定性及精度的可行途
第 3期 张劲松等: 热扩散式树木液流国产化传感器性能分析
径是通过热扩散式 ( TDP)液流 ( SAP FLOW )法直接
测定单株蒸腾量。 Fredrik等 [ 2 ]总结了国际上对树
干液流量和蒸腾关系的研究成果, 指出在正常情况
下一天的蒸腾量与液流量相等, 因而在日时间尺度
上,可以用树干液流量表征蒸腾量 [ 3]。目前 TDP传
感器在国外已得到普遍应用, 主要产家在美国、德
国、澳大利亚等国 [ 4]。
近几年来, 我国虽开始应用 TDP技术, 但目前
由于不能解决 TDP工艺技术,特别是传感器制作技
术,现有 TDP传感器几乎全部来之国外, 最终因进
口价格昂贵,如: TDP传感器在国内销售单价 350~
500美元, 从而限制了这一技术在我国的推广应用,
使我国林木蒸腾耗水规律及其相关研究进展落后于
国际水平。因此,突破国外技术壁垒, 实现 TDP传
感器国产化生产, 在不降低稳定性及测定精度的前
提条件下,大幅度降低传感器单价, 具有十分重要的
现实意义。本文将分析国产化 TDP传感器的性能,
为其技术的推广与应用提供科学依据。
1 TDP传感器的结构与原理
1. 1 结构
TDP传感器由特殊工艺制作的感应探针、高灵
敏度的热电偶温差传感器和高电阻率的加热电阻构
成。本国产化 TDP传感器 ( cfTDP)探针内径为 1. 25
mm, 根据实际应用, 长度可制成 5~ 80 mm, 探针外
涂抹特富龙使探针均匀受热。探针分加热端探针和
参考端探针。两探针内部分别放置热电偶的 2个结
点,加热端探针内部集成线状加热电阻,加热电阻的
大小适应探针的长度变化, 其值为 20~ 50 , 加热
电压为 1. 25~ 2. 5 V, 加热功率为 0. 05~ 0. 12 W。
参考端探针内部无加热电阻。探针头部和尾部用环
氧树脂胶密封用于防水。 cfTDP与 Granier型的主要
区别在于,前者将加热电阻整合于探针内部,无需再
加套铝制或铜制的导热管, 使应用更加方便,且对于
树干液流的感应灵敏度更高。
1. 2 原理及测算公式
1. 2. 1 树干液流 应用 TDP测算树干液流速率
时,将 1根加热探针插入树干的木质部,将另 1根不
加热探针 (参考端探针 )插入它下方一定距离的木
质部, 再测量两探针间的温差 ( dT )。加热探针的热
量随着树干液流的流动向上扩散, 从而导致了加热
探针的冷却。当树干液流密度为零或最小时, dT 达
最大。随着树干液流密度增大, 树干木质部的导热
率也增大, dT将减小。dT 与木质部的液流密度存在
一定的定量关系, Granier等 [ 4~ 6]通过一系列标定试
验得到了 dT与液流密度之间的关系式如下:
Fd = 119( dTM /dT - 1)
1. 231
( 1)
SF= Fd ∀SA ∀ 3. 6 ( 2)
式 ( 1)、( 2)中: Fd为树干液流密度 ( g# m - 2 #
s
- 1
); SF为树干液流速率 ( L# h- 1 ) , 可近似为蒸腾
速率; SA为边材面积 ( cm2 ) ; dTM 为一日内最大温差
值, dT为某时刻温差值。
1. 2. 2 方差分析 采用单因素方差分析法 [ 7, 8] , 求
算组间差异、组内差异、总变异及 F值。
2 试验地概况及试验设计
试验地点位于河南省济源市境内的黄河小浪底
森林生态系统定位研究站。该研究站地处太行山南
段,黄河流域北缘, 属温带大陆性季风气候; 全年日
照时数为 2 367. 7 h;历年平均降水量 641. 7 mm, 但
由于受季风气候的影响, 年内季节性分布不均匀,
6! 9月多年平均降水量为 438. 0 mm, 占全年的
68. 3%;试验区土壤以石灰岩风化母质淋溶性褐色
土 -棕壤土为主, 土层厚度 50~ 80 cm。
2. 1 与整树称重法的对比试验设计
供试树种为 6年生大叶女贞 ( Ligustrum lucidum
A i.t ),生长情况见表 1。以单株盆栽称重法为标准,
对 cfTDP性能进行验证。 cfTDP探针长度为 30mm,
数据采集器为 SQ2020, 每 2 m in采集 1次, 每 30 m in
输出 1组平均值。每 2~ 3 d对盆灌溉 1次,使土壤达
饱和,使用多层薄膜覆盖土壤表面,以防止土壤蒸发,
确保蒸散量近似于蒸腾量。称重法采用的电子天平
为 LA /LP64001S( Sarto rius, German),量程 64 kg,分辨
率 0. 1 g, 每 30 m in记录 1次数据。每天观测时段:
7: 00! 20: 00,观测时期: 2006年 8月 3日至 11日。
2. 2 与国外同类传感器的对比试验设计
供试树种为 6年生大叶女贞 (见 2. 1节 )、29年
生栓皮栎 (Quercus variabilis B.l )。栓皮栎生长情况
见表 1,其中, 栓皮栎设置 3个样株 (相当于 3个重
复 )。以美国 Dynamax 公司生产的 TDP 传感器
(mdTDP)为对照,比较 cfTDP与 mdTDP之间的性能
差异性,二者探针长度均为 30 mm。数据采集器同
2. 1节,每 2m in采集 1次, 每 10 m in输出 1组平均
值。 cfTDP与 mdTDP插针方位分别为正北、北偏西
约 60∃,二者距地面均约 1. 0 m 处。观测时间为:
2006年 7月 14日至 20日。
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林 业 科 学 研 究 第 20卷
表 1 供试树种的生长情况
生长指标 大叶女贞 栓皮栎样株 1# 样株 2# 样株 3#
树干直径 / cm 8. 4 9. 5 9. 6 9. 8
边材半径 / cm 4. 1 3. 5 3. 5 3. 6
树高 /m 3. 1 8. 2 8. 1 8. 2
3 结果与分析
3. 1 与整树称重法的对比
整树称重法 (M BW )是目前测量单株植物蒸腾
耗水相对最为准确的方法,可被作为标准对 TDP法
液流测算经验公式进行验证 [ 7]。本研究表明
(图 1) :利用国产化 TDP测算得到的大叶女贞每 30
m in液流平均速率 (SF )与 MBW法测定得到的每 30
m in平均蒸腾速率 ( TR )的日变化趋势基本一致。
SF与 TR具有很好的线性相关关系 (图 2) , 二者相
关系数为 0. 900 6 ( n = 215)。试验观测日内 SF 与
TR的平均值分别为 151. 3、163. 9 g# h- 1,二者仅相
差 7. 7%。方差计算表明: F = 1. 95 < F 0. 05 = 3. 86,
说明由国产化 TDP传感器测算得到的大叶女贞树
每 30 m in平均液流速率与整树称重法测定得到的
每 30 m in平均蒸腾速率无显著差异。
图 1 国产化 TDP传感器测算得的树干液流速率 (SF )与称重法得的蒸腾速率 (TR )变化趋势的比较
图 2 国前化 TDP传感器测算得的树干液流速率 ( SF )
与称重法得到的蒸腾速率 (TR )的回归关系
从图 1还可知:由国产化 TDP传感器测算得的树
干液流速率 (SF )的变化比称重法得的蒸腾速率 (TR )
要滞后,从而导致 SF与 TR存在一定的差异。其主要
原因在于: ( 1)树干液流的流动由蒸腾作用驱动, 因此
树干液流变化会滞后于树冠蒸腾的变化; ( 2) TDP传
感器内部热电偶对探针热量的变化有一个响应过程。
为消除日内这种滞后性误差,本研究分析了液流日累
计值 ( sumSF )与蒸腾日累计值 ( sumTR )的关系,结果
表明: SumSF与 SumTR的变化趋势更为相近 (图 3、
4),相对误差最大值、最小值及平均值分别为 13. 3%、
0. 49%、8. 7%,线性相关系数大于 0. 98,与 Braun[ 9]验
证 G rainer型 TDP传感器的结论基本一致。可见 , 国
图 3 国产化 TDP测算得的树干液流日累计值 ( sumSF )
与称重法得的蒸腾日累计值 ( sumTR )变化趋势的比较
图 4 国产化 TDP测算得的树干液流日累计值 ( sumSF )
与称重法得的蒸腾日累计值 ( sumTR )的回归关系
产化 TDP传感器精度较高。
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第 3期 张劲松等: 热扩散式树木液流国产化传感器性能分析
3. 2 与美国 Dynamax公司 TDP传感器的比较
目前, 国内使用的 TDP传感器几乎均为美国
Dynamax公司生产。从图 5可知, 由国产化 TDP传
感器测算得到的树干液流密度 ( cfFd )与 Dynamax公
司同类传感器 ( mdTDP)测算得到的树干液流密度
(mdFd )日变化趋势完全一致,二者具有很好的线性
相关 (图 6) ,相关系数大于 0. 98, 优于美国 Dynamax
公司 30mmTDP传感器与 Gra in ier型的对比结果 [ 10 ]。
图 5 国产化 TDP传感器和美国 Dynam ax公司 TDP传感器测算得到的树干液流密度 ( Fd)变化趋势的比较
试验观测期内,大叶女贞的 cfFd与 mdFd的平
均值分别为 4. 21、4. 13 g# m- 2 # s- 1, 方差计算表
明: F= 0. 011 7< < F0. 05 = 3. 84。栓皮栎的 cfFd与
mdFd的平均值分别为 4. 02、4. 13 g# m- 2 # s- 1, 方
差计算表明: F = 0. 611 < F 0. 05 = 3. 84。说明用这 2
种传感器测得的树干液流密度无显著差异 ( P <
0. 05)。
从图 5、6可知, 国产化 TDP传感器和美国 Dy
namax公司 TDP传感器测算得的树干液流密度在不
同树种间及同一树种不同样株间的差异不一。相对
栓皮栎,大叶女贞树木质部的生长密度比较均一, 所
以, 2种 TDP传感器树干液流密度的测值差异程度
比栓皮栎的小。对于同一样株, 上述差异的主要原
因是 2种传感器的探针不可能插在相同位置, 而且
位置越近,因互相热量干扰程度越大,二者计算得到
的液流量差异越大;但位置相差越大,因树干结构本
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林 业 科 学 研 究 第 20卷
身存在木质部生长密度的不均一性, 导致方位间液
流存在一定差异。由此可见, 国产化 TDP传感器与
美国 Dynamax公司生产的同类型号传感器在测定精
度、一致性及稳定性等方面不存在本质的差异性,可
以认为本类传感器具有良好的性能。
图 6 不同树种由国产化 TDP传感器测得的树干液流密度 ( cfFd )和美国 Dynam ax公司 TDP传感器测得的树干液流密度 (m dFd )的回归关系
4 结论与讨论
本试验以大叶女贞为例, 国产化 30 mm 型
TDP传感器测算得的树干液流量与称重法得到
的蒸腾量的差异很小, 该结论与 B raun[ 9 ] 验证
Gra iner型 TDP传感器的结论基本一致。二者 30
m in平均值的相关系数在 0. 90以上 ,且无显著性
差异 ( P < 0. 05)。日平均值相关系数可达 0. 98,
相对误差平均值为 8. 7%。
以大叶女贞、栓皮栎为供试树种,国产化 30 mm
型 TDP传感器与美国 Dynam ax公司同类传感器相
比,二者测算出的树干液流密度日变化趋势完全一
致,具有很好的线性相关关系,相关系数大于 0. 98,
且无显著性差异 (P < 0. 05)。
国产化 TDP传感器可以满足用以测算树木液流
及蒸腾的要求,而且单价约为 1 200元,仅为国外同类
商业化产品单价的 40%左右,具有显著的价格优势。
国家知识产权局已接受国产化 TDP传感器的专利申
请,国产化 TDP传感器现已在中国科学院植物研究
所、中国农业大学、中国林业科学研究院林业研究所、
中国药用植物研究所等单位推广应用。本研究对突
破 TDP传感器国外技术壁垒,促进我国植物水分生理
生态等相关主题研究水平的提高具有重要的意义。
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