宋博華，高 歌，高 珊，孫琳琳，李冰雪

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

植物的蒸騰作用是其水分利用的主要方式，拉動水分在“土壤—植物—大氣”連續(xù)體體系中不斷循環(huán)遷移。蒸騰耗水與植物生命表征直接聯(lián)系，決定著植物的水分盈缺和灌溉與否[1]。對活立木蒸騰耗水的準(zhǔn)確測定，可以為低耗水樹種選擇、合理密度配置以及城市園林綠化等工作提供理論依據(jù)和參考[2]。樹木蒸騰耗水產(chǎn)生的水勢差會拉動水分通過木質(zhì)部向上運輸進(jìn)而形成液流，因此樹干液流可作為評估樹木蒸騰耗水能力的一項重要指標(biāo)[3-4]。目前，有多種方法可以評估樹木蒸騰耗水能力，多數(shù)是通過測定樹木液流速率來估算蒸騰耗水量和耗水能力。不同樹干液流測定方法測量精度不同，在選擇樹干液流速率測量方法時需要考慮實驗研究目的、活立木樹種的生理條件和實驗研究所處的自然環(huán)境等因素。目前液流速率的測量主要有同位素示蹤法和熱技術(shù)法[5]2類。其中同位素示蹤法通過將化學(xué)同位素作為示蹤劑注射到樹木木質(zhì)部，從而檢測樹木液流速率；但該方法在野外應(yīng)用不便，且測定精度較低，有待改進(jìn)[6]。利用熱技術(shù)法測定樹干液流不受外界環(huán)境和樹木自身結(jié)構(gòu)影響，安裝布置操作相對簡易，并且對樹木組織結(jié)構(gòu)損傷較小，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢[7]，因此被廣泛應(yīng)用于樹干液流測定、液流速率與環(huán)境因子的關(guān)系研究中[8-10]。如王檬檬等[11]應(yīng)用熱技術(shù)法研究了晉西黃土區(qū)蘋果Malus pumila樹液流速率與太陽輻射、大氣水份等的關(guān)系；溫淑紅等[12]應(yīng)用熱技術(shù)法分析了寧南黃土陵區(qū)山桃Amygdalus davidiana樹樹干液流速率與太陽輻射、溫度、風(fēng)速的關(guān)系；楊潔等[13]應(yīng)用熱技術(shù)法研究了樹干液流時滯效應(yīng)，并精確估算樹木的蒸騰耗水；還有學(xué)者[14-15]應(yīng)用熱技術(shù)法探究樹干木質(zhì)部徑向不同深度的液流速率和不同時間尺度下的液流速率特征等。目前常用的測量樹干液流的熱技術(shù)法主要有熱脈沖法(Heat Pluse Velocity Method，HPVM)、熱平衡法、熱擴散法、熱場變形法以及外熱比法等，前3種方法在國內(nèi)應(yīng)用較多，后2種方法在國外有較為詳細(xì)的應(yīng)用描述，但在國內(nèi)的研究有限。鑒于此，本研究綜述了現(xiàn)有的樹干液流無損檢測方法，闡述這些方法的基本原理、裝置布置、應(yīng)用領(lǐng)域和最新研究案例，對不同熱技術(shù)方法的測量精度、適用范圍、潛在優(yōu)勢以及今后改進(jìn)方向等方面進(jìn)行討論和比較，并對不同研究目標(biāo)和實驗條件下適用的測定方法給出建議，展望各自在液流研究方面的應(yīng)用前景。

1 基于熱技術(shù)的液流檢測方法

1.1 熱脈沖法

熱脈沖法最早由HUBER等[16]提出，首次用熱作為液體流動的示蹤劑，利用熱脈沖測量植物液流速率。該裝置由加熱元件和2個熱電偶組成探針塊，通過測量加熱器發(fā)出熱脈沖隨著液流上升到達(dá)熱電偶處所需的時間，計算液流速率(圖1A)。由于熱傳導(dǎo)和對流會使得測量結(jié)果偏高，MARSHALL[17]利用熱流方程建立了熱脈沖法的模型框架，為熱脈沖法的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 不同類型傳感器示意圖Figure 1 Different kinds of heat-ratio sensor

基于脈沖加熱的方法包括補償熱脈沖法、最大溫差法(T-max法)以及熱比率法。其中補償熱脈沖法(Compensation Heat Pulse Method，CHPM)通過測量2個對稱放置在線性加熱器兩側(cè)的溫度傳感器達(dá)到相同溫度時的時間來計算液流密度，該裝置安裝探針時會對周圍木材組織造成損傷而導(dǎo)致液流速率失真，因此需要根據(jù)不同探針間距設(shè)置校正參數(shù)[18]，從而使液流速率的測量值更接近真實值。T-max法[19]的裝置由加熱器和1個溫度探針組成，通過記錄從發(fā)出熱脈沖至溫度探針到達(dá)最大溫度時的時間，再根據(jù)MARSHALL的基礎(chǔ)理論計算液流速率。該方法設(shè)備簡單，僅需確定被測樹干邊材的導(dǎo)熱系數(shù)，即可計算樹干液流密度。熱比率法(Heat Ratio Method，HRM)基于補償熱脈沖法提出[20]，測量范圍可以達(dá)到零值甚至延伸至負(fù)值，其裝置由1個加熱器和2個安裝在加熱器上下游的溫度探針組成，通過測定2個探針的增溫比即可計算液流速率。

1.2 熱平衡法

熱平衡法(Heat Balance Method，HBM)的原理是當(dāng)樹干內(nèi)通過一定量液流時，加熱元件作為熱源會向樹干提供已知的熱量，直至樹干溫度趨于穩(wěn)定。若不考慮熱傳導(dǎo)以及隔熱層損失熱量，熱源提供的熱量應(yīng)與被液流帶走的熱量相等，可根據(jù)這種熱平衡關(guān)系計算液流速率。熱平衡法可分為莖熱平衡法和樹干熱平衡法[21]。

1.2.1 莖熱平衡法 莖熱平衡法 (Stem Heat Balance，SHB)[22]以環(huán)形加熱元件作為熱源，提供穩(wěn)定的熱量，熱量散失途徑包括樹干液流帶走、熱傳導(dǎo)向樹干上下方散失和對流散失。裝置(圖1B)設(shè)計為包裹式，利用包裹式隔熱層(通常為聚苯乙烯泡沫)防止熱輻射造成的熱量散失(樹干周圍的熱輻射忽略不計)。加熱元件上下方安裝2對熱電偶，用來測定液流通過后的溫差，依據(jù)熱量平衡關(guān)系計算液流。SHB法適用于測定胸徑較小的樹干，其優(yōu)點是檢測時不需要標(biāo)定，不需要將熱電偶插入樹干中，對樹木無直接損傷。

1.2.2 樹干熱平衡法 樹干熱平衡法 (Trunk Heat Balance，THB)[23]的原理與莖熱平衡法類似，均通過熱量平衡關(guān)系計算液流，不同點是THB法測量裝置(圖1C)由插入樹干的加熱片和1對熱電偶組成，2個熱電偶分別安裝在緊挨加熱片上端(溫度場最大值)和加熱片下端(不受溫度場影響)位置，通過記錄液流通過前后樹干溫度差來計算液流。THB法同樣不需要標(biāo)定，并且可測定胸徑較大的樹干。但THB法設(shè)備較多，安裝相對復(fù)雜，易對樹干造成微損傷。目前熱平衡法的應(yīng)用較為廣泛，通常用來研究環(huán)境因子與液流速率的關(guān)系以及耗水特性。

1.3 熱擴散法

熱擴散法(Thermal Dissipation Method，TDM)[24]又稱Granier法，是目前應(yīng)用最廣泛的液流測定方法。該裝置(圖1D)包含2個傳感器探針，沿液流方向插入樹干中。下游(上部)探針包括加熱元件(長約20 mm)，并纏繞在裝有熱電偶的鋼針上，熱電偶尖端正對加熱元件的中間；下游(上部)探針不加熱，用作參考探頭，以測量木質(zhì)部的環(huán)境溫度。工作時下游探針以恒定功率(0.2 W)連續(xù)加熱，受液流的散熱影響，2個探頭間存在溫度差異，因此可通過溫差與液流速率間的關(guān)系計算液流速率。

TDM法常用來研究樹干液流與環(huán)境因子的關(guān)系。萬艷芳等[25]應(yīng)用熱擴散技術(shù)測定并分析了青海云杉Picea crassifolia樹干液流密度與環(huán)境因子的關(guān)系，確定液流密度的主要環(huán)境影響因子是太陽輻射。朱敏捷等[26]利用熱擴散法測定了尾葉桉Eucalyptus urophylla樹干液流，研究了樹干液流的方位差異以及與環(huán)境因子的關(guān)系。姚增旺等[27]應(yīng)用熱擴散探針測定梭梭Haloxylon ammodendron樹干液流，研究了樹干液流與環(huán)境因子之間的時滯效應(yīng)。另外，通過測定單株樹干液流還可以推算林分蒸騰量。王志超等[28]研究了林分蒸騰耗水規(guī)律后發(fā)現(xiàn)：忽略夜間林分蒸騰耗水量會導(dǎo)致對林分蒸騰耗水量的估計不準(zhǔn)確。

1.4 熱場變形法

基于熱脈沖法測量樹木液流密度時，需要測量熱脈沖前后溫度，獲得溫度差，這就要求木材具有較高的熱穩(wěn)定性；熱脈沖法兩側(cè)測量需要時間間隔，可以測得液流密度的最大值為45 cm3·cm-2·h-1，說明該方法具有一定的局限性。為解決以上問題，NADEZHDINA等[29]提出了熱場變形法(Heat Field Deformation，HFD)，通過記錄線性加熱器周圍的木質(zhì)部中不同徑向位置的熱場變化，將熱場變形與樹干木質(zhì)部的液流密度聯(lián)系起來。熱場變形法液流檢測系統(tǒng)(圖1E)包括3個探針和1個加熱器，其中2個探針沿軸向?qū)ΨQ安裝在加熱器的上游和下游，另1個探針沿切向平行于加熱器水平安裝在加熱器側(cè)邊，軸向探針測量對稱溫差，切向探針測量不對稱溫差。通過測定加熱器周圍軸向和切向的溫度差來表征由樹液流動而產(chǎn)生的熱場變化，進(jìn)而確定液流密度。液流密度q(cm3·cm-2·h-1)的一般計算公式為：

其中：Dst表示樹干邊材熱擴散率(m2·s-1)；(K＋Ts-a)/Tas表示溫差比率；ZaxZtg表示傳感器探針間距離的校正因子；Lsw表示邊材深度。K表示零液流下Ts-a的絕對值，其中Ts-a為Tsym與Tas的差。Tsym表示對稱探針間的溫差；Tas表示非對稱探針間的溫差；Zax表示軸向上游探針與加熱器的距離；Ztg表示切向探針與加熱器的距離。

HFD傳感器也可以記錄反向流量，即將Tsym改為負(fù)值。因此，計算公式轉(zhuǎn)換為：

用HFD法測量液流密度，非零液流下，利用線性外推法能準(zhǔn)確測得零液流密度，相比其他熱技術(shù)方法優(yōu)勢顯著。同時HFD法結(jié)合了對稱與非對稱溫差測量，利用對稱溫差測量低液流密度較為有效，而測得的高液流密度與實際蒸騰量線性關(guān)系不顯著，因此高液流密度準(zhǔn)確性不夠[30]。而利用非對稱溫差測量是中高液流密度準(zhǔn)確性較高。因此，HFD法對于低液流量和高液流量都可以準(zhǔn)確測定。

HFD法廣泛應(yīng)用于液流指數(shù)(the sap flow index，SFI) 的測定。SFI是植物水分狀況的敏感指標(biāo)，用來決定植物是否需要灌溉。SFI值通過在加熱器周圍軸向等距安裝差動熱電偶測得，是液流速率測定的原始數(shù)據(jù)之一[31]。此外，HFD法可以直接監(jiān)測木質(zhì)部的水分運動[32]，通過沿著木質(zhì)部半徑的不同深度，用圍繞普通線性加熱器的傳感器進(jìn)行液流測定，具有快速響應(yīng)和高度敏感的特性。NADEZHDINA[33]在對楓樹Acerspp.水運輸路徑的研究中，利用HFD法測定楓樹木質(zhì)部液流，證實了楓樹的維管結(jié)構(gòu)具有完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.5 外熱比法

外熱比法(External Heat-Ratio，EHR)是在熱比率法的基礎(chǔ)上提出的，用外部加熱元件代替插入式加熱元件，其基本原理與激光脈沖法(laser heat-pulse gauge，LHPG)類似。不同點是后者用近紅外激光源代替插入式加熱元件，并通過紅外攝像機從外部監(jiān)控?zé)崃總鞑ィ瑹崦}沖速度由溫度數(shù)據(jù)確定，并與液流速率相關(guān)。HELFTER等[34]利用激光脈沖法對小莖木本植物的液流速率進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)小莖木本植物韌皮部與木質(zhì)部液流速率幾乎一致。CLEARWATER等[35]首次提出了外熱比法(圖1F)，將1個微型外部加熱器(電子芯片電阻)和溫度傳感器(精密熱電偶)粘在軟木塊上，并壓在莖干表面。釋放熱脈沖后，根據(jù)2個熱電偶的增溫比來計算液流密度。利用外熱比法可以測定灌木液流速率[36]，研究植物水動力學(xué)，對直徑較小的莖干具有良好的適用性。外熱比法最小可測直徑為5 mm，可測液流密度為0.36～50.00 cm3·cm-2·h-1，較少應(yīng)用于直徑較大的莖干。因此，下一步可改進(jìn)EHR技術(shù)，用于測定較大莖段植物的液流密度。

2 問題與建議

2.1 熱技術(shù)方法的不足與改進(jìn)

探針的使用會對樹干邊材造成一定的破壞，使得探針處樹干邊材的熱均勻性改變，從而降低測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。GREEN等[37]用二維的“熱-液流”模型確定不同傷口大小的校正因子，給出了補償脈沖法和T-max法的校正因子表，并通過比較美洲黑楊Populus deltoides與白柳Salix alba的液流通量值與實際蒸騰速率值的關(guān)系證明了校正因子的有效性。TESTI等[38]在補償熱脈沖法的基礎(chǔ)上提出了校準(zhǔn)平均梯度法(calibrated average gradient，CAG)，有效測定了低速液流，使用也較為簡易。

LANGENSIEPEN等[39]發(fā)現(xiàn)：為更好地適應(yīng)小麥Triticum aestivum莖的解剖結(jié)構(gòu)和熱物理特性，在應(yīng)用莖熱平衡法測量小麥液流速率時，通過引入降噪方程可有效提高液流計的測量精度。TRCALA等[40]利用熱場變形法的溫度場理論，通過改變傳感器的幾何形狀(從垂直到水平)來改善熱平衡法的傳感性能，實現(xiàn)了零液流和反向液流的測定。這種方法也被稱為線性熱平衡法[41]，是從基礎(chǔ)傳導(dǎo)—對流傳熱方程解析得出的精確方程，不僅提高了液流測定的精度，而且基于熱導(dǎo)率信息實現(xiàn)了水含量的估算。NAKANO等[42]發(fā)現(xiàn)：對金柑Fortunella crassifocia進(jìn)行環(huán)剝處理后，可利用熱平衡法測定其韌皮部和木質(zhì)部的液流速率。

TDM法測定液流速率需要估算線性回歸關(guān)系，確定零液流狀態(tài)下的溫差，而這個過程會產(chǎn)生一定誤差[43]，許多情況下準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑[44]。因此用熱擴散法確定樹木的蒸騰量時，有必要對測量樹種液流量估計方程進(jìn)行校準(zhǔn)[45-47]。

外熱比法也存在一些不足。首先，大多數(shù)加熱傳感器從加熱芯片的中心到兩側(cè)感溫元件有一定的窄間距。隨著熱量沿橫截面向內(nèi)傳播和沿莖軸上下傳播，熱量到達(dá)木質(zhì)部導(dǎo)管時變得非常分散，來自液流的熱比率信號會減弱。其次，加熱器和溫度傳感器被安置在1個矩形的不導(dǎo)電硅酮/軟木塊中，無法有效隔絕環(huán)境溫度對檢測溫度的影響，增加了液流檢測結(jié)果的誤差。再次，矩形加熱芯片橫壓在圓柱形樹干上，載荷不均勻，加熱器元件使用窄的矩形芯片電阻，比圓形芯片更容易斷開。為此，王勝[48]開發(fā)了1種新設(shè)計的EHR加熱傳感器，增加了加熱元件至溫度傳感器的間距，使之更適應(yīng)直徑較大的莖干。改良后的裝置莖干直徑檢測范圍擴大，可用于胸徑較小的樹木測量。

2.2 基于熱技術(shù)液流速度測量的常用方法比較

目前，基于熱技術(shù)的樹干液流測定方法日趨完善，不同方法具有相對應(yīng)的優(yōu)勢和劣勢。由表1可知：不同熱技術(shù)方法液流測定裝置均包括為加熱器提供能量的能量供應(yīng)單元和用于收集檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄儀。具體來看，熱脈沖法不受環(huán)境條件以及樹冠結(jié)構(gòu)及根系特性的影響，裝置簡潔，但存在一定的靈敏度和精度問題。熱平衡法無需標(biāo)定，測量精度有所提高，但僅適于測定高液流密度。熱擴散法是目前研究蒸騰耗水特性應(yīng)用最廣泛的方法，測定結(jié)果較準(zhǔn)確，儀器成本較低，安裝簡單，有較成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，但測定結(jié)果容易被低估。熱場變形法操作復(fù)雜，應(yīng)用較少，但該方法能夠準(zhǔn)確測定零液流以及逆向液流，測定精度與范圍也有很大的提升。外熱比法與激光脈沖法均可實現(xiàn)精確的零破壞檢測，但僅適用于胸徑較小的樹干，另外，激光脈沖法裝置成本昂貴，未能普及。

表1 樹干液流的測定方法對比Table 1 Comparison of methods for sap flow measurement

2.3 活立木液流測定方法選擇建議

利用熱技術(shù)方法測定液流速率，可以精確估算樹木蒸騰耗水量[54]，但不同熱技術(shù)方法的測量精度、測定范圍以及適用性不盡相同，實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)不同實驗條件選擇不同的熱技術(shù)方法。選擇熱技術(shù)方法測定樹干液流通常需要考慮樹木胸徑大小、熱技術(shù)方法的誤差范圍、熱技術(shù)方法的測定精度、熱技術(shù)方法的可行性等因素。

首先，不同胸徑活立木應(yīng)選用不同的熱技術(shù)方法，外熱比法和莖熱平衡法適合測定胸徑較小的樹木，樹干熱平衡法適合測定胸徑較大的樹木。其次，不同熱技術(shù)方法可測得的液流速率范圍不同，補償熱脈沖法、T-max法以及熱擴散法測定低速液流的誤差較大，莖熱平衡法測定高液流速率時誤差較大，熱比率法和熱場變形法測定液流范圍較廣。熱場變形法和外熱比法可以測定逆向液流，熱場變形法還可以準(zhǔn)確測定零液流。熱脈沖法、熱平衡法和熱擴散法較成熟[55]，應(yīng)用較廣泛，可行性較高。另外，將不同測定范圍的熱技術(shù)方法組合使用，可以有效提高測定精度。不同植物的液流速率不同。向日葵Helianthus annuus和玉米Zea mays等植物的液流速率相對較低，在利用T-max方法測定時，測量值總是略高于實際值[56]；換成熱比率法測定也不夠精確，而采用T-max法與熱比率法組合測量則較為準(zhǔn)確。

3 熱技術(shù)方法應(yīng)用展望

利用熱技術(shù)方法測定液流速率約80多年的研究，方法不斷得到改進(jìn)與創(chuàng)新，在校準(zhǔn)度、測定范圍和測定精度上均有所提高，同時，實驗操作不斷簡化，數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動化采集和存儲，并逐步實現(xiàn)連續(xù)時間以及多層空間的同步測定[57]。其中，熱脈沖法、熱平衡法、熱擴散法經(jīng)一系列的發(fā)展與完善，極大程度上減小了測量誤差[58]。熱擴散法還形成了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，并得到了廣泛的應(yīng)用。雖然利用外熱比法和熱場變形法測定活立木液流速率的研究有限，但外熱比法實現(xiàn)了精確的零破壞檢測，熱場變形法液流速率測定范圍廣，并可準(zhǔn)確的測定零液流和逆向液流。在利用外熱比法測定液流速率時，需要針對不同樣本以及實驗條件設(shè)計不同的量規(guī)，這是外熱比法的不足之處。因此，外熱比法和熱場變形法亟待更為深入研究。

目前，熱技術(shù)方法成為液流測量的首要選擇。在未來，應(yīng)用熱技術(shù)測定樹干液流仍需關(guān)注以下熱點：在完善研究活立木蒸騰耗水特點的同時，結(jié)合土壤生物因子和氣象因子與樹干液流的關(guān)系，進(jìn)一步深入研究活立木生理作用；從微觀和宏觀方面監(jiān)控水分運動，研究水分利用與樹木生長的關(guān)系；在生產(chǎn)實際方面，進(jìn)一步完善活立木單株和森林林區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，為實現(xiàn)高效的林區(qū)治理提供有力依據(jù)。