植物莖流測(cè)量的發(fā)展歷程

德國(guó)植物生理學(xué)家Huber于1932年提出熱脈沖法最先利用熱脈沖作為植物液流的示蹤物，并率先運(yùn)用于實(shí)際研究。Huber使用一根電阻線作為熱脈沖源，通過(guò)安裝在電阻線下方的單個(gè)熱電偶感知熱脈沖到達(dá)的時(shí)間，此即莖流計(jì)的雛形。但此法卻很難解釋清除熱電偶的溫度升降變化。后來(lái)Huber又采用了在熱源上下不等距設(shè)置熱電偶探頭的方法，將熱脈沖在液流傳導(dǎo)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)和外界環(huán)境中的熱干擾有效地區(qū)分開(kāi)。然而，Huber測(cè)得的熱脈沖傳導(dǎo)速率卻顯著低于實(shí)際液流速率。Marshall改進(jìn)了Huber的設(shè)計(jì)，將加熱元件和測(cè)溫結(jié)點(diǎn)插入植物的木質(zhì)部，他假定熱脈沖在移動(dòng)時(shí)液流跟木質(zhì)部之間不存在阻礙，熱量可以在樹(shù)液和邊材之間自由交換。但依據(jù)Marshall的理論計(jì)算出的液流速率也低于實(shí)際速率，需要進(jìn)行修正。Swanson發(fā)現(xiàn)以往測(cè)算中熱脈沖速率和實(shí)際液流量存在偏差的真正原因是：“因傷效應(yīng)”，從而否定了Marshall關(guān)于莖內(nèi)木質(zhì)部同質(zhì)性的假設(shè)。他認(rèn)為在安裝熱敏探頭時(shí)探頭周?chē)鷵p傷部位會(huì)產(chǎn)生愈傷組織，使得探頭周?chē)鷧^(qū)域的熱傳導(dǎo)性能降低，導(dǎo)致熱脈沖速率低于真實(shí)液流速率。如果計(jì)算中對(duì)這種損傷作用加以修正，將大大提高熱脈沖技術(shù)的可應(yīng)用性。Swanson于1981年通過(guò)數(shù)值計(jì)算模型模擬熱對(duì)流及傳導(dǎo)現(xiàn)象給出了修正參數(shù)表。Swanson的研究是熱脈沖技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)里程碑。Edwards等為了求得更準(zhǔn)確的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)樹(shù)干斷面內(nèi)的流量，研究了形成層以下不同深度處的液流變化，得出了液流速率隨深度變化的關(guān)系。至此熱脈沖液流檢測(cè)方法及理論系統(tǒng)構(gòu)建完成。

Granier等又在熱脈沖速率法的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，將利用熱脈沖滯后效應(yīng)委員李的熱脈沖液流檢測(cè)儀改進(jìn)為利用雙熱電偶檢測(cè)耗散為原理的熱擴(kuò)散液流探針測(cè)量裝置。于熱脈沖方法相比較，熱擴(kuò)散探針的一個(gè)突出特點(diǎn)是能夠連續(xù)放熱，實(shí)現(xiàn)連續(xù)或任意時(shí)間間隔的液流速率的測(cè)定。熱擴(kuò)散法具有更高準(zhǔn)確度，正越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于樹(shù)干液流的研究。

熱脈沖法是將兩個(gè)傳感器探針縱向插入被測(cè)織物的木質(zhì)部或莖部中，插入深度相同，探針之間插入一個(gè)加熱元件，加熱器距離上部溫度探頭50mm，距離下部溫度探頭10mm。當(dāng)加熱器釋放熱脈沖時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，上下探針溫度相同時(shí)記錄下所用的時(shí)間，由此求出熱脈沖的速度。對(duì)于低速莖流植物莖流速度慢，兩端探針達(dá)到溫度相同時(shí)所需時(shí)間長(zhǎng)，熱損耗大，測(cè)量結(jié)果誤差大。針對(duì)熱脈沖法的缺陷，新的測(cè)量方法熱比率(HRM)法將加熱器放在了兩個(gè)探針的中點(diǎn)處，隨著熱脈沖釋放熱量，記錄探針t時(shí)刻溫度與（t-1）時(shí)刻溫度之差。熱比率法相較于熱脈沖法的優(yōu)勢(shì)在于：首先在熱比率法中加熱器是處在兩個(gè)探針的中點(diǎn)處，這樣解決了探針位置偏差問(wèn)題。其次因?yàn)闊岜嚷史�測(cè)量的是探針t時(shí)刻溫度與（t-1）時(shí)刻溫度之差所以要比等到兩個(gè)探針溫度相同時(shí)所需的時(shí)間少很多，大大降低了熱脈沖傳導(dǎo)過(guò)程中的熱損耗引起的測(cè)量誤差。

將傳感器探針插入木質(zhì)部中會(huì)導(dǎo)致植物機(jī)械性硬傷，不但會(huì)干擾莖流路徑，而且植物相應(yīng)傷口的機(jī)能會(huì)在傷口處產(chǎn)生侵填體阻塞莖流通道，因此測(cè)量結(jié)果將受到影響會(huì)比實(shí)際值偏小，這里可以采用有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型構(gòu)造出代數(shù)方程來(lái)解決傷口修正問(wèn)題。通常測(cè)得的是離散點(diǎn)的莖流速度，木質(zhì)部中只有邊材輸送莖流，其面積為木材截面積減去心材面積這樣根據(jù)樣品邊材面積對(duì)莖流速度進(jìn)行加權(quán)得到莖流的流量。

熱脈沖法是將兩個(gè)傳感器探針縱向插入被測(cè)織物的木質(zhì)部或莖部中，插入深度相同，探針之間插入一個(gè)加熱元件，加熱器距離上部溫度探頭50mm，距離下部溫度探頭10mm。當(dāng)加熱器釋放熱脈沖時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，上下探針溫度相同時(shí)記錄下所用的時(shí)間，由此求出熱脈沖的速度。對(duì)于低速莖流植物莖流速度慢，兩端探針達(dá)到溫度相同時(shí)所需時(shí)間長(zhǎng)，熱損耗大，測(cè)量結(jié)果誤差大。針對(duì)熱脈沖法的缺陷，新的測(cè)量方法熱比率(HRM)法將加熱器放在了兩個(gè)探針的中點(diǎn)處，隨著熱脈沖釋放熱量，記錄探針t時(shí)刻溫度與（t-1）時(shí)刻溫度之差。熱比率法相較于熱脈沖法的優(yōu)勢(shì)在于：首先在熱比率法中加熱器是處在兩個(gè)探針的中點(diǎn)處，這樣解決了探針位置偏差問(wèn)題。其次因?yàn)闊岜嚷史�測(cè)量的是探針t時(shí)刻溫度與（t-1）時(shí)刻溫度之差所以要比等到兩個(gè)探針溫度相同時(shí)所需的時(shí)間少很多，大大降低了熱脈沖傳導(dǎo)過(guò)程中的熱損耗引起的測(cè)量誤差。

將傳感器探針插入木質(zhì)部中會(huì)導(dǎo)致植物機(jī)械性硬傷，不但會(huì)干擾莖流路徑，而且植物相應(yīng)傷口的機(jī)能會(huì)在傷口處產(chǎn)生侵填體阻塞莖流通道，因此測(cè)量結(jié)果將受到影響會(huì)比實(shí)際值偏小，這里可以采用有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型構(gòu)造出代數(shù)方程來(lái)解決傷口修正問(wèn)題。通常測(cè)得的是離散點(diǎn)的莖流速度，木質(zhì)部中只有邊材輸送莖流，其面積為木材截面積減去心材面積這樣根據(jù)樣品邊材面積對(duì)莖流速度進(jìn)行加權(quán)得到莖流的流量。