全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$% # % 年 ## 月 林 业 科 学 &’()*+(, &(-.,) &(*(’,) ./01!"!*/1## */23!$ % # %
基于活立木介电特性的植物茎体含水量测量方法
赵燕东#4王海兰#4胡培金#4尹伟伦$"#1北京林业大学工学院4北京 #%%%75#$1北京林业大学生物科学与技术学院4北京 #%%%75$关键词’4茎体含水率# 测量# 传感器 中图分类号! &:#71!5444文献标识码!,444文章编号!#%%# >:!77#$%#%$## >%#:6 >%8 收稿日期’$%%6 >%7 >#8# 修回日期’ $%#% >%: >##& 基金项目’ 国家自然科学基金"5%":#:#8$ # 国家*十一五+重大支撑项目"$%%"C,K%5,%#$ #林业公益性行业科研专项"$%%:%!%!%$ #北京
市教育委员会共建项目建设计划科学研究与科研基地建设项目"$%%7$ &
73.’+"<0",3.&/$,()6 !%&)’@’.F1&’.,*")’.)’T&/.<")!%&)’E(.%.-’,(-!,"#.,’(./ H=G/BGIU/IJ#4LGIJFGD0GI#4FE kMDPDI#4BDI LMD0EI$
"#1<0640))406 @$%)6)! A)4B406 ’$()*+(,7048)(*4+,4A)4B406 #%%%75# $1@$%)6)$&A4$%$64"/%!"4)0")/01 A4$+)"#0$%$6,!
A)4B406 ’$()*+(,7048)(*4+,4A)4B406 #%%%75$
78/’,&-’’4+/UMTMV;DIM/XS0GITYGTMVR/ITMIT/I 0^DIM! GWMIW/V! =NUVGE0DR! CK^!WMIW/VZGWMU /I &LA"&TGIUDIJ^LG2M
AGTD/$;MGWEVM;MITSVDIRDS0MYGWUM2M0/SMU3+/M2G0EGTMT=MXMGWDZD0DTN/XT=MSV/S/WMU TMR=IDQEM! GR/;SGVGTD2M M_SMVD;MITZMTYMMI T=MUM2M0/SMU WMIW/V"CK^!WMIW/V$ GIU GG0VMGUNMWTGZ0DW=MU &@^-" &@+NSM&GS @0/Y&NWTM;W!
OMV;GIN$YGWR/IUERTMU /2MVT=MSGWTTY/NMGVW3+=MM_SMVD;MITG0VMWE0TW/ZTGDIMU XV/;Z/T= DIWTVE;MITWW=/YMU GJ//U GJVMM;MIT"K$ u%1:"$3+=MVMX/VM! T=MSV/S/WMU TMR=IDQEMDWGSV/;DWDIJT//0DI UNIG;DRG0N;/IDT/VDIJS0GITWTM;YGTMV3 9.: ;",’4S0GITYGTMVR/ITMIT# ;MGWEVM# WMIW/V<br44为给植物的旱情提供及时%可靠的信息!探索简 单%灵敏%迅速%准确的植物旱情信息诊断方法一直 为国内外植物%园林科研工作者关注的热点& 目前! 对植物旱情的诊断主要是依据植物的生理指标!如 植物组织含水量%水势%叶面蒸腾速率%气孔张开度 等!但这些指标普遍存在测试繁琐%费时的缺点!且 测试结果易受外界干扰& 除测试植物生理特性指标 外!也常根据土壤含水量诊断旱情!虽然该方法比较 成熟!但土壤含水量并不能完全准确地代表植物旱 情& 植物属于生物体!是介于导体和绝缘体之间的 电介质!是由木质%气体和水组成的多孔介质& 其中 水分是影响植物介电特性最主要的因素!又因为水 是植物组织的主要组成部分!因此以其介电特性反 映植物的生理状况是可行的& 另外!介电特性检测 方法具有简单%迅速%可靠等特点& #4植物茎体含水率测量方法介绍 直接进行植物茎体含水量的测量可以起到事半 功倍的效果& 国外针对植物体含水率的测量提出很 多方法!采用诸多技术手段!如烘干法%7射线法 "JG;;G^VGN$ ")UYGVUW)+/%I! #675 $%核磁共振法 " IER0MGV;GJIMTDRVMW/IGIRM$"CNVIM)+/%I! #67"$%计 算机层析成像技术 "R/;SETMVT/;/JVGS=N$ "AGWR=D
)+/%I!#668$%电阻法和介电常数法& 在以上诸多方 法中!*射线法存在潜在的安全隐患!核磁共振法和 计算机层析成像技术成本高!且使用不方便!不能实 现野外的定点长期监测& 因此!实际使用较多的是 烘干法%电阻法%植物体积测量法和介电常数法& 烘干法的优点是数值准确!一般作为相关仪器 的标定!而不是直接用于测量植物体含水率& 取样 对植物的生理活动有较大伤害!在关键部位取样 "如树干$造成的伤害更大# 取样时在切口处会有水
分流出!尤其在含水量很高的树干上取样!水分损耗
会更多# 植物不同部位贮存水分量的差异很大!采
用烘干法估算植物的水分分布和平衡有很大的局限
性# 烘干法无法实现在线测量!且周期长&
*G;dMI 等"#6"%$将木材工业中测量木材含水 率的电阻法做了改进!用以测量植物体含水率& 但 是 ]MUMVWdD"#6"#$的研究发现’ 电阻法灵敏度欠
佳!并且植物组织的相对含水率与电阻值的联系并
不紧密& 宋蜇存等"#66!$的研究表明’ 活乔木组织 的绝对含水率与电阻值之间不是单值函数!因此电 阻法测量植物体含水率存在局限性& 植物茎体含水量的变化直接导致植物体体积的 林 业 科 学 !" 卷4 变化& 这种变化可用高精度的 .MVTDRG0KMIUV/;MTMV 直接从树干长度上测出& 植物茎体含水量的变化和 树干长度变化之间的关系可用 5 种方法测得’ 观测 结束后将树伐倒!同时测其质量和长度的变化# 通 过实地测量而建立得$ 个变量之间的数学模型!用
户可以用实测数据确定其中的参数# 用 k/V/;MTMV
直接测量蒸腾率!从中减去树干流!即可求得植物茎
体含水量和树干长度变化之间的关系&
介电常数法是目前使用最广泛的方法!其中
+KA技术是国外使用最多的 # 种& 针对木材的介
电常数!国外专家学者做了很多富有成效的研究工
作& LD0DG;"#6:8$综合考虑频率%含水率%温度%纹 理方面对介电性质的影响!认为对介电性质影响较 大的因子是频率和含水率!受温度%纹理方面的影响 次之!树种%密度对介电性质的影响则更小些& ’/IWTGIT‘等"#66%$在 +/SS 等 " #67% $的研究基础 上!将 +KA技术应用于活立木茎体含水率的测量& ’/IWTGIT‘ 等 " #66%$% F/0ZV//d 等 " #66%
LE0WR=0MJMV等 "#66"$%(V2DIM等"#66:$以及 *GU0MV
等"$%%5$先后将 +KA技术应用于寻找活立木含水
率与其介电常数之间的关系模型的研究之中&
LE0WR=0MJMV等"#66"$采用 +KA法监测 3")((5;(5= "散孔材$%O,**/ *,%8/+4"/"散孔材$%M5)("5*/%;/"环 孔材$和 MI2(405*"环孔材$! 种落叶阔叶树种的木 组织含水量季节性变化情况& 他们针对这 ! 个树种 做了标定试验 "探针为双针平行不锈钢探头!总长 #8 R;!插入深度 #5 R;!间距$18 R;$!并结合 ’/IWTGIT‘等"#66%$的数据!得出了自称通用的体积
含水量)))有效介电常数标定等式& LE0WR=0MJMV
等"#66"$指出 +KA技术可以有效地观测树干含水 量的季节性变化!但是也存在不足’ +KA测量的是 波导探头附近一定体积范围内含水量的平均值!在 测量散孔材树种的含水量时误差并不大!但是对于 环孔材树种就会产生较大的误差!这源于二者的心 材贮存水分能力的差异& (V2DIM等"#66"$提出了 #
种 +KA无损检测方法!采取的主要措施是缩短波导
棒的长度& *GU0MV等 "$%%5$人综合以上研究!对
+KA监测土壤含水率和柠檬树"@4+(5*%4=$05=$树
干含水率的性能做评估研究& 通过与叶水势的变化
值同步比较!证实采用介电常数法测量木本植物茎
体的含水率是可靠的!并且验证 +KA可以很好地跟
踪水分胁迫造成的茎体含水率的变化& +KA波导
探头的长度受限制!使用较短波导探头可以减小对
植物的损伤!并且减少水分分布差异引入的误差!但
是系统分辨率会降低!波导太长信号的衰减会很大&
同时 +KA技术的实现要求比较高!生产成本比较
高!目前国内在这方面的研究尚属空白&
$4基于活立木介电特性(((驻波率的活立木茎体 水分测量方法 44本文引出的植物水分传感器是基于驻波率原理 "FMGV;MI )+/%I! #68!# F/0ZV//d )+/%I!#66$$的!测量 原理如图 # 所示& 该装置由 #%% ]F‘信号源!同轴传 输线%高频检波电路和双针平行不锈钢探针组成& 图 #4植物水分传感器测量装置示意图 @DJ3#4+=MMQEDS;MIT/XYGTMVR/ITMITWMIW/V 考虑到在高频下同轴电缆的分布电容%电感%电 导等参数的影响!信号源产生的高频电磁波沿着传输 线传送到探头& 由于探头的阻抗与传输线的阻抗不 同!一部分的信号将反射回信号源& 在传输线上!入 射波与反射波叠加形成驻波!在传输线上各点的电压 幅值存在变化& 由驻波率测量原理!取 ,!C两点的 差动信号作为传感器变换电路的输出!即得到下式’ 7,C ‘$3
]-f]’
]-b]’
!
其中 ,为信号的幅值!]R为同轴传输线的特征阻
抗& 本试验中 ]’为 8% 8的标准同轴电缆& 在信
号源振幅 3和 ]’恒定的情况下!传输线两端的电
位差 7,C只与探针阻抗 ]-有关&
探针阻抗 ]-可以由下式估算’
]- ‘fB
#$% 槡, 0I K ( R/T$!&槡,.
"
!
其中 ]-是长度为 -的探针阻抗! . 是传输线长度!
K为两探针间距!(为探针半径!,是被测植物茎体
的介电常数!"为电磁波在被测介质中的传播速度&
由上式可以看出’ 在测量频率 &及探针几何参
数 .!K与 (确定的情况下! 探针阻抗只与介电常数
,有关之外& 植物的介电特性主要取决于植物的含
水量& 当含水率不同时!植物体的介电性质就不同!
导致探针阻抗改变并形成不同的驻波率!这样传输
线上各点电压幅值的变化也不一样& 所以通过测量
传输线上不同 $点电压幅值差达到测量活立木茎体 %7# 4第 ## 期 赵燕东等’ 基于活立木介电特性的植物茎体含水量测量方法 含水率的目的& 54材料与方法 51#4CK^!型活立木茎体含水率测量仪与 &@^-树 干茎流仪测量结果相关性4以 #8 年生柳树为试验 材料!在活立木茎体同侧安装德国生产的 &@^-树干 茎流仪及北京林业大学工学院研发的 CK^!型活立 木茎体水分传感器 "安装如图$$& &@^-树干茎流 仪的探针长度为 55 ;;!&$!&%! &5 之间的间距为
#%% ;;!&%!&# 之间的间距也为 #%% ;;& CK^!型
活立木茎体水分传感器的探针直径为 5 ;;!两探针
间距为 5% ;;!长度为 58 ;;&
从 $%%7 年 : 月 #: 日至$%%7 年 6 月 $% 日实时 监测植物茎体水分传感器输出电压与树干茎流& 每 444 图$4&@^-树干茎流仪 "左$和 CK^!型植物 茎体水分传感器"右$
@DJ3$4CK^! WTM;YGTMVR/ITMITWMIW/VYDT= &@+NSM&GS @0/Y&NWTM;W 天上午 6 点分别记录植物茎体水分传感器输出电压 与树干茎流量!去除前 # 个月由于探针嵌入植物茎 体而引起的测量误差!取$%%7 年 7 月 #: 日至 $%%7 年 6 月$% 日数据如下图’
图 54植物茎体含水量与茎流之间的关系
@DJ354AM0GTD/I ZMTYMMI WTM;YGTMVR/ITMITGIU WGS X0/Y
44选取了天气状况差异较大的连续几天"5 月 $6 日)! 月 # 日$CK^和 &@^-茎流计输出电压值曲线
图"图 !$!由两图对照可以看出$ 者的变化趋势基
本趋于一致&
图 !45 月 $6 日)! 月 # 日 CK^!植物水分传感器与 &@^-植物茎流计输出电压 @DJ3!4./0TGJMREV2M/XCK^! GIU &@^-DI WM2MVG0R/ITDIE/EWUGNWYDT= UDXMVMITDG0YMGT=MVR/IUDTD/I 44对以上$ 组数据进行归一后相关处理后得出水
分传感器与茎流仪输出电压关系曲线图’
51$4数据处理4分别对 CK^!型物茎体水分传感 器输出电压与树干茎流量进行归一化处理’ 7‘ 7Df7;DI 7;G_f7;DI ! "#$
’‘
’Df’;DI
’;G_f’;DI
! " $$其中’ 7是 CK^!型植物茎体水分传感器输出电压 的归一值!7D是 CK^!型植物茎体水分传感器输出 电压的测量值!7;G_是 CK^!型植物茎体水分传感 器输出电压的最大测量值!7;DI是 CK^!型植物茎体 #7# 林 业 科 学 !" 卷4 水分传感器输出电压的最小测量值& ’D是树干茎 流量的归一值!是树干茎流量的测量值!是树干茎流 量的最大测量值!’;DI是树干茎流量的最小测量值& !$ ‘# 0) 0 4‘# "174f157$ ‘# 0 ."17# f157$ $ b"17$ f157$ $ b3 b"170 f157$ $/ ‘%1$$ : 8%8
44由归一化后的差值求得的均值和方差可以看
出!CK^!型植物茎体水分传感器输出电压与树干
茎流量没有显著差异& 说明 CK^!型植物茎体水分
传感器基本可以用于观测植物茎体含水量的变化&
图 845 月 $6 日)! 月 # 日植物茎体 含水量与茎流之间的关系 @DJ384AM0GTD/I ZMTYMMI WTM;YGTMV R/ITMITGIU WGS X0/Y 5154应用 CK^!型植物茎体水分传感器实时检测 白玉兰树茎体水分变化情况4在北京林业大学校园 内选取 # 棵 #% 年生!生长情况良好的白玉兰 "H/60$%4/ 1)051/+/$树!树干周长约 8$ R;!直径约
#" R;!树干高 #17 ;& 植物水分传感器两探针间距
5% ;;!探针直径 5 ;;!长度 8% ;;& 沿树干 #18 ;
处!茎向钻观测点 ,! C$组孔!孔组间距 5% R;!两 孔沿树干茎向同一轴线上下排列!并分别安装探针! 为保证探针尖端与植物体接触紧密!最后 8 ;;长 度直接用锤子钉入"图 "$&
44从 $%%7 年 5 月开始!每天上午 6 点读取植物水 分传感器数值 # 次!连续监测白玉兰树茎体含水量 的变化至今!图 : 为$%%7 年 5 月至 $%#% 年$ 月的
茎体含水量变化情况& 传感器嵌入树体后!前 #% 几
天由于白玉兰自身细胞组织被破坏!体液渗出!造成
茎体含水量降低!#% T几天以后!随着白玉兰树细胞
的修复!同时!由于春天的到来!树木复苏!新陈代谢
加速!降雨和灌溉量增加!土壤含水量增加!茎体含
图 "4CK^!型植物茎体水分传感器实验安装图
@DJ3"4CK^! YGTMVR/ITMITWMIW/VDI M_SMVD;MIT
水量逐步升高& 这一现象与国外专家 LE0WR=0MJMV
等"#66"$利用 +KA水分传感器来监测红花槭%黑橡 胶%白栎和裂斗锥栗 ! 种落叶阔叶树种的茎体含水 量结论是一致的& 夏季的到来!植物体内需要更多 的水分来维持蒸腾作用!因此整个暑期白玉兰含水 量达到最高值& 随着秋季的来临!树叶枯萎掉落!植 物体内所需水分减小!直到入冬!植物生理活动急剧 减少!白玉兰树体内的含水量达到最低值并持续到 开春!白玉兰生理活动又开始旺盛起来!所需水分也 随之增加!整个过程都能在曲线当中很好的体现出 来& 因此!说明本项目研制的植物茎体水分传感器 可以应用到植物茎体含水量的实时监测中来& 图 :4白玉兰树的体积含水量与测量日期的关系 @DJ3:4LGTMVR/ITMITDI H/60$%4/ 1)051/+/ GRR/VUDIJT/UGTM
!4结论
本研究在充分研究现有植物茎体水分测量方法
的基础上!对烘干法%电阻法%植物体积测量法以及
介电法测量植物茎体水分的优缺点进行充分对比研
究!烘干法精准!但不能实现在线测量!且测量周期
较长# 电阻法虽然可实现在线测量!但精度不高#而
$7# 4第 ## 期 赵燕东等’ 基于活立木介电特性的植物茎体含水量测量方法 植物体积测量法具有破坏性!同样不能实现在线实 时测量& 根据植物的介电特性来测量其茎体含水率 的方法越来越受到研究人员的重视!本文提出基于 驻波率原理的植物茎体水分测量方法!研制开发具 有独立知识产权的 CK^!型植物茎体水分传感器& 对 CK^!型植物茎体水分传感器与 &@^-树干茎流 仪的测量结果进行相关性研究!首先将它们的测量 结果进行归一处理!然后求取归一值的对应差!求差 值 序 列 的 均 值 和 方 差 分 别 为 >%1%%5 6$ 和
%1 $$: 8%8!相关系数达到 %1:"!说明 $ 种测量方法 的相关性较好& 从而得出’ 依据植物介电特性%利 用驻波率原理来测量植物茎体含水率是一种行之有 效的方法& 在北京林业大学校区内!对 # 棵 #% 年生 白玉兰树茎体水分进行了长达 $ 年的实时监测!结 果表明’ CK^!型植物茎体水分传感器能够达到实 时监测植物茎体水分变化的目的& CK^!型植物茎 体水分传感器是一种快速%安全%准确%操作方便%能 实时监测植物茎体水分变化的%满足科学研究及生 产需求的高性能产品& 参 考 文 献 宋蜇存!林迎忠3#66!3活性对电导法测量木材含水率的影响3东北林 业大学学报!$$ "#$’##5 >##"3 CNVIMO@! @MII ]K! CEVJGV](3#67"3*ER0MGV;GJIMTDRVMW/IGIRM WTEUDMW/XYGTMVDI TVMMWMRTD/IW3,JVDR@/V]MTM/V/0!57’ 5%: >5#:3 ’/IWTGIT‘\! ]EVS=N@3#66%3]/IDT/VDIJ;/DWTEVMWT/VGJMDI TVMMWEWDIJ +D;MK/;GDI AMX0MRT/;MTVN3\/EVIG0/XFNUV/0/JN! ##6’ 5# >!$3
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!责任编辑4王艳娜"
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