HPV&TDP互補(bǔ)雙模式樹干液流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馬瑞晨 谷子芮 周嘉豪

(浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

0 引言

樹干液流是植物體內(nèi)由于葉片失水，從而引起水分通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)饺~片的過(guò)程[1]。它是土壤-植物-大氣連續(xù)體水流路徑中一個(gè)關(guān)鍵的鏈接，承接了龐大的地下根系所吸收、匯集的土壤水，決定了整個(gè)樹冠的蒸騰量，可反映植物體內(nèi)的水分傳輸狀況。評(píng)估植被水分蒸騰是水文、生態(tài)和農(nóng)業(yè)科學(xué)重要的研究對(duì)象。通過(guò)精確的測(cè)量液流量，可以基本確定植物的蒸騰耗水量，對(duì)干旱和半干旱地區(qū)的植被水分蒸騰量評(píng)估、進(jìn)行節(jié)水灌溉具有重要的指導(dǎo)意義。液流測(cè)算已廣泛應(yīng)用于個(gè)體水平上的水分蒸騰研究，樹液流動(dòng)具有日周期變化規(guī)律：由清晨至中午隨著時(shí)間變化逐漸增強(qiáng)，午后達(dá)到最峰值，而后減弱，隨著氣溫下降再達(dá)到最低值[2-3]。

為了在不破壞樹木正常生理狀態(tài)下測(cè)量樹液流量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出多種測(cè)量樹木蒸騰耗水的方法。1984 年小谷圭司運(yùn)用傳統(tǒng)方法用樹液著色法研究松樹枯萎病及其復(fù)蘇現(xiàn)象，用水溶性著色素示蹤樹液流動(dòng)法，診斷早期松枯病癥及其恢復(fù)現(xiàn)象[4]。但該方法存在很多缺陷，如實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)才能觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此無(wú)法反映液流實(shí)時(shí)流動(dòng)狀態(tài)。2006 年徐速提出高密度電阻率成像法[5](ERT法)，以生長(zhǎng)中的樹木為研究對(duì)象，通過(guò)在樹干布置電極，研究樹木電阻率與樹干含水量之間的關(guān)系，討論了樹干中水分的流動(dòng)特性。源自現(xiàn)代成像技術(shù)熱紅外和磁共振NMR應(yīng)用于樹液流量測(cè)量將有效地提高測(cè)量精度，然而儀器價(jià)格昂貴，且難以通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域林木蒸騰耗水。

自1935年Huber提出用熱量作為示蹤劑，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出熱脈沖法、熱消散法、熱比率法等熱技術(shù)應(yīng)用于樹木液體流動(dòng)檢測(cè)。熱脈沖法憑借基于熱理論基礎(chǔ)下的可靠性、科學(xué)性、移動(dòng)便攜、微創(chuàng)低功耗受到眾多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注[6-7]。

本項(xiàng)目就是建立在熱脈沖法的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種HPV&TDP互補(bǔ)雙模式樹干液流檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用熱技術(shù)法監(jiān)測(cè)個(gè)體植株蒸騰耗水的研發(fā)思路，將會(huì)有利于精確及時(shí)地估算樹林的蒸騰耗水量[8]。

1 雙模式(HPV和TDP)莖流儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

調(diào)查研究分析現(xiàn)有熱技術(shù)在設(shè)計(jì)測(cè)量裝置方面所存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的互補(bǔ)雙模式莖流儀，其主要特點(diǎn)在于體積小、功耗低、價(jià)格低、可長(zhǎng)期戶外值守以及可上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。此外，雙模式莖流儀針對(duì)熱脈沖法在監(jiān)測(cè)液流方面的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，以熱消散法為輔，從而提升樹干液流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

1.1 傳感器選型設(shè)計(jì)

本檢測(cè)裝置主要采用K型熱電偶作為傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在本裝置中K型熱電偶通過(guò)與其相連接的 MAX6675 數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片將熱探針采集的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為加熱針釋放的熱脈沖信號(hào)。顯示儀器包括2.8寸TFT液晶屏，調(diào)節(jié)器控制采用單片機(jī)內(nèi)部RTC集成電路。記錄儀表包括SD 卡存儲(chǔ)，其采用SDIO接口與STM32F10系列單片機(jī)函數(shù)庫(kù)包含的FATFS文件系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)以文本的格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2 無(wú)線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至服務(wù)器，無(wú)線傳輸模塊采用了Air202芯片設(shè)計(jì)。Air202是一款功耗低、穩(wěn)定性高的集成式GPRS無(wú)線芯片，采用虛擬卡版本的Air202芯片，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)穩(wěn)壓電路給Air202芯片供電，將芯片的程序下載接口外接以方便下載程序，通過(guò)USART與主控模塊單元相連。

在本系統(tǒng)中通過(guò)Air202采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便于操作者遠(yuǎn)程監(jiān)控樹干液流動(dòng)態(tài)、預(yù)測(cè)液流濱化趨勢(shì)，從而科學(xué)管理林木以及節(jié)水灌溉。

1.3 主控模塊電路設(shè)計(jì)

主控模塊采用STM32F103單片機(jī)為主控核心的最小系統(tǒng)，本設(shè)備在 STM32 開發(fā)版上進(jìn)行各實(shí)體模塊的測(cè)試，并進(jìn)一步完善信號(hào)的分辨率、加熱針工作方式以及液流速率的轉(zhuǎn)換等各個(gè)功能。通過(guò)單片機(jī)連接主控單元控制繼電器模塊給加熱針供電、實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)片上存儲(chǔ)，通過(guò)連接采集模塊和無(wú)線模塊分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，太陽(yáng)能與12V鉛蓄電池協(xié)同供電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件工作流程

莖流儀啟動(dòng)后，首先對(duì)單片機(jī)、液晶屏、SD卡等模塊進(jìn)行初始化。初始化之后進(jìn)入對(duì)樹干液流進(jìn)行低速率判斷，若樹干液流速率低于設(shè)定的閾值，則進(jìn)入TDP(熱耗散)模式，使用雙探針采集數(shù)據(jù)，此時(shí)的采集周期較長(zhǎng)，大概為3 h左右。若高于測(cè)定的閾值，則會(huì)直接進(jìn)入HPV(熱脈沖)模式；當(dāng)進(jìn)入TDP(熱耗散)模式后，液流可能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，當(dāng)液流速率變高(高于閾值)時(shí)，也會(huì)自動(dòng)切換為HPV(熱脈沖)模式。進(jìn)入HPV(熱脈沖)模式后使用三探針進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集周期約為30 min。數(shù)據(jù)采集完畢后會(huì)直接進(jìn)行匯總存儲(chǔ)，然后無(wú)線傳輸至服務(wù)器。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

截取無(wú)患子、樂(lè)昌含笑和銀杏莖段，莖段截面積均為16.62 cm2。試驗(yàn)用到的器材，主要包括鐵架臺(tái)、橡膠管和微型電子秤。通過(guò)前期多次試驗(yàn)，記錄的上、下游傳感器處溫升分別在3.00 ℃±0.60 ℃和2.40 ℃±0.40 ℃范圍內(nèi)。

圖2 莖流儀系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方法——天平稱重法測(cè)算莖段液流

樹液流量估算中的很大一部分不確定性可歸因于莖間變異性[9]，通過(guò)誤差校正公式可以盡可能消除這些不確定性。盆栽稱重法或大型稱重滲透儀可以使系統(tǒng)更接近自然條件[10]，但盆栽稱重法限制了莖直徑的范圍，大型稱重滲透儀試驗(yàn)操作困難，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量[11]。而大多數(shù)切莖校準(zhǔn)試驗(yàn)使用氣壓或者水柱來(lái)產(chǎn)生通過(guò)莖段的水流，試驗(yàn)操作科學(xué)易行。利用天平稱重法進(jìn)行莖段試驗(yàn)，主要目的為了提高基于熱技術(shù)的樹干液流測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度。

3.3 數(shù)據(jù)分析處理

試驗(yàn)記錄各莖段在不同水柱高度下的液流速率如圖3所示，結(jié)合無(wú)患子、樂(lè)昌含笑和銀杏的樹種特異性可知，無(wú)患子為落葉喬木，栓塞水平相對(duì)比其他樹種較低，因此，在水柱的壓力作用下，其滲水速率較大。而銀杏樹種有較強(qiáng)的耐旱性，其莖段栓塞水平相對(duì)較高，因而滲水速率也相應(yīng)的低于其他兩個(gè)樹種。

研究比較熱脈沖與熱耗散模型在測(cè)量液流速率的特點(diǎn)，通過(guò)HPV 模型測(cè)量液流的趨勢(shì)線相比較TDP模型，在液流速率較高時(shí)與原始值較接近。而TDP模型在測(cè)量較低液流速率(<10 cm/h)，有較顯著的優(yōu)勢(shì)。

大多數(shù)切莖校準(zhǔn)試驗(yàn)的設(shè)置使用氣壓或者水柱來(lái)產(chǎn)生通過(guò)莖段的水流，而應(yīng)用大氣壓的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與大型稱重儀分析確定的液流流速相比，存在顯著的低估[12]。

圖3 莖段實(shí)驗(yàn)的液流速度變化

通過(guò)探針測(cè)得的液流數(shù)據(jù)分別與莖段滲水速率進(jìn)行擬合優(yōu)度分析，選取絕對(duì)系數(shù)較高的擬合模型作為液流校正模型。由前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，測(cè)得速率與莖段滲水速率的校正模型決定系數(shù)均在0.94以上，校正后的液流模型測(cè)量準(zhǔn)確性有所提升。

3.4 誤差分析

TDP和HPV等方法測(cè)量樹干液流進(jìn)行林分蒸騰量估算會(huì)低估真實(shí)用水量，如Granier探針莖流計(jì)由于內(nèi)部預(yù)先設(shè)定了修正參數(shù)，往往只適用于個(gè)別樹種，特別是對(duì)毛竹耗水的測(cè)算過(guò)程中，將出現(xiàn)較大誤差。熱探針離熱源越遠(yuǎn)，對(duì)加熱針釋放的熱量的敏感性就越小[13]。相比于單一模式持續(xù)加熱的TDP莖流計(jì)，改進(jìn)HPV法莖流計(jì)更節(jié)約能耗，適合野外長(zhǎng)期值守。

4 結(jié)語(yǔ)

HT雙模式莖流計(jì)對(duì)于熱脈沖法在監(jiān)測(cè)液流方面的不足之處有所改進(jìn)，結(jié)合了熱耗散法的優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)約了能耗，還提升了監(jiān)測(cè)樹干液流的精確性和實(shí)效性，而且對(duì)被監(jiān)測(cè)植物的損害很小，盡可能地減少了設(shè)備對(duì)樹木本身的影響。本莖流計(jì)造價(jià)低，組件簡(jiǎn)單，有利于后期的的系統(tǒng)維護(hù)和功能升級(jí)，且兼有顯示、存儲(chǔ)、上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能，為今后建設(shè)系統(tǒng)的云平臺(tái)打下了基礎(chǔ)。同樣地，莖流計(jì)的運(yùn)用范圍與意義也是十分深遠(yuǎn)的。全球變暖帶來(lái)的危害使得人們認(rèn)識(shí)到植物蒸騰作用在調(diào)節(jié)氣候變化上的重要性，正確估算生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰量，對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化至關(guān)重要。不僅在樹木蒸騰方面，沙漠干旱地區(qū)的樹木種植也極其需要精準(zhǔn)灌溉測(cè)算，其莖流數(shù)據(jù)對(duì)于本身的種植有重要的指導(dǎo)意義。良好生態(tài)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，是增進(jìn)民生福祉的優(yōu)先領(lǐng)域。莖流計(jì)在當(dāng)下作為科研設(shè)備擁有一定的研究?jī)r(jià)值，它的研發(fā)與運(yùn)用在生態(tài)保護(hù)上也有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。