基于莖干水分包絡(luò)分析的活立木凍融檢測方法

趙燕東 劉宇琦 田 昊 趙 玥

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京 100048; 4.智慧林業(yè)研究中心， 北京 100083)

0 引言

溫度是植物生長的主要環(huán)境因素之一[1-2]，低溫所引發(fā)的植物凍融災(zāi)害是一種全球范圍內(nèi)普遍存在的自然災(zāi)害，每年都會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。為此，文獻(xiàn)[5-6]提出基于生態(tài)、形態(tài)、代謝和生化指標(biāo)的植物凍融狀況評(píng)估檢測方法，但存在測量結(jié)果誤差較大，且難以實(shí)時(shí)檢測的缺點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，文獻(xiàn)[7-8]將核磁成像技術(shù)用于對(duì)植物凍融狀況的分析，但該檢測方法檢測設(shè)備昂貴、存在輻射風(fēng)險(xiǎn)和破壞植物結(jié)構(gòu)等內(nèi)在缺陷，所以應(yīng)用領(lǐng)域受限。此外超聲波聲發(fā)射分析技術(shù)[9-12]也被用于檢測植物凍融變化狀況，該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無損檢測，應(yīng)用前景良好，但相關(guān)儀器設(shè)備昂貴，難以在農(nóng)林業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。

可見，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的活立木凍融狀況檢測原理適用范圍局限性較大，檢測性能也有待提高。當(dāng)前有學(xué)者提出利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度的差異來構(gòu)成檢測樹莖含水率進(jìn)而獲取樹莖凍融信息的原理，這類原理可以歸為兩類：一類是基于時(shí)域反射技術(shù)(Time-domain reflectometry,TDR)[13-15]，利用送入傳輸線脈沖信號(hào)的反射能量來反映活立木莖干(簡稱樹莖)凍融狀況；另一類是基于駐波比技術(shù)(Voltage standing wave ration,SWR)[16-21]，利用傳輸線上駐波信號(hào)的幅值之比來反映樹莖凍融狀況。SWR法不存在測量時(shí)間差，所以更易實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時(shí)檢測。然而現(xiàn)有的基于SWR技術(shù)并融合潛熱效應(yīng)原理的檢測方法[22]存在數(shù)據(jù)需要連續(xù)獲取、對(duì)樹木破壞性大和受環(huán)境因素干擾大等缺點(diǎn)，不是凍融狀況檢測的最佳方法。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)凍融狀況的無損、實(shí)時(shí)檢測為研究目標(biāo)，分析越冬期活立木的凍融狀況與樹莖水分含量及環(huán)境溫度的聯(lián)系，將SWR技術(shù)與包絡(luò)分析原理相融合，提出基于包絡(luò)分析的活立木凍融狀況檢測方法，以期為植物的防凍保溫提供有效預(yù)警，并為其抗寒性評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的活立木莖干水分及環(huán)境溫度復(fù)合傳感器[22](統(tǒng)稱為活立木凍融檢測傳感器)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹莖凍融過程中樹莖水分含量(簡稱水分指標(biāo))及環(huán)境溫度的同步、實(shí)時(shí)獲取。傳感器測量原理與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中水分指標(biāo)信息由環(huán)形探頭獲取，探頭使用304不銹鋼彈片長條制作，彈片長條的中部固定在傳感器外殼上，并與內(nèi)部測量電路相連，安裝時(shí)只需將環(huán)形探頭套于樹莖上，探頭的彈性可確保傳感器位置固定；水分指標(biāo)由基于駐波比法的水分測量電路[23]確定(圖1綠色部分)。傳感器輸出的電壓(U)與樹莖體積含水率線性對(duì)應(yīng)，然而本文研究對(duì)象為樹莖的凍融狀況，無需得到體積含水率的真實(shí)數(shù)值，因此，直接用傳感器輸出的電壓表征水分指標(biāo)(W)[24]。

環(huán)境溫度信息由柱形探頭獲取，探頭使用金屬鉑制作，探頭一端固定在傳感器外殼上，并與內(nèi)部測量電路相連，另一端貼近樹莖外表皮；環(huán)境溫度由基于鉑電阻法的溫度測量電路[25]確定(圖1紫色部分)，電路輸出的電壓信號(hào)可轉(zhuǎn)換為環(huán)境溫度(T)。

傳感器的整體結(jié)構(gòu)由信號(hào)源(高頻電磁波、恒定激勵(lì)源)、水分測量探頭、溫度測量探頭、檢測與信號(hào)處理電路及保護(hù)外殼組成(圖1實(shí)物結(jié)構(gòu)部分)。通過傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，水分指標(biāo)即為水分測量電路輸出電壓，在環(huán)形探頭內(nèi)側(cè)介質(zhì)從干燥樹莖變?yōu)槌睗駱淝o，直至變?yōu)榧兯畷r(shí)，其輸出電壓從0.392 V增大到1.966 V；此外，環(huán)境溫度從-40℃變化到80℃時(shí)，溫度測量電路輸出電壓從1.969 V增大至2.905 V[22]。通過傳感器擾動(dòng)因素分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所得數(shù)據(jù)可能受樹莖直徑、環(huán)境溫濕度和電導(dǎo)率的影響[16,24]。但試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)為非鹽堿地植物的越冬期，這一時(shí)期，樹莖直徑因植物處于休眠期而變化不大[19]；環(huán)境溫度較低，傳感器輸出穩(wěn)定[24]；環(huán)境濕度在雨天或積雪融化時(shí)會(huì)有所上升，從而使傳感器測得的水分指標(biāo)略高于樹莖水分的實(shí)際值，然而考慮到此時(shí)環(huán)境溫度必然高于冰點(diǎn)，不會(huì)對(duì)凍融狀況的判斷產(chǎn)生影響。綜上所述，傳感器所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，滿足實(shí)際測量要求。

1.2 活立木莖干水分凍融狀況

針對(duì)不同樹種，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于喬木類植物，當(dāng)環(huán)境溫度突降至冰點(diǎn)時(shí)，樹莖內(nèi)溫度滯后于環(huán)境溫度2 h左右下降至冰點(diǎn)，而結(jié)冰過程用時(shí)在6 h左右[22]。這說明前2 h的環(huán)境溫度影響著當(dāng)前時(shí)刻的凍融狀況。然而環(huán)境溫度與植物的生理狀態(tài)間接相關(guān)，無法單獨(dú)成為凍融狀況的判斷依據(jù)[26]。

樹莖水分指標(biāo)在進(jìn)入越冬期后會(huì)隨著平均氣溫的變化而發(fā)生明顯的改變，越冬期樹木落葉并基本處于休眠狀態(tài)，蒸騰作用減小，根部吸水能力降低，樹木生理作用對(duì)水分指標(biāo)影響微弱，凍融過程中樹莖內(nèi)水與冰的相互轉(zhuǎn)化是水分指標(biāo)變化的主要原因[19,22]，2017年9月27日—2018年6月27日期間，在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，使用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自制活立木莖干水分傳感器實(shí)時(shí)獲取花楸樹的水分指標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖2所示(數(shù)據(jù)采集間隔為10 min，為直觀表現(xiàn)所得數(shù)據(jù)隨日期的變化情況，圖中橫坐標(biāo)刻度以日期為間隔，下同)。由圖2可以看出，水分指標(biāo)與同期的平均氣溫的變化存在相似的趨勢(shì)，水分指標(biāo)在冬季和其他季節(jié)有著明顯不同的數(shù)據(jù)特征，冬季水分指標(biāo)的日極差明顯高于其他季節(jié)，而且冬季水分指標(biāo)的平均值明顯低于其他季節(jié)。這說明水分指標(biāo)在冬季因樹莖內(nèi)水與冰相互轉(zhuǎn)化而發(fā)生改變，其變化情況可反映植物的凍融狀況。

綜合上述研究得出，活立木的凍融狀況不僅與環(huán)境溫度相關(guān)，還與樹木的水分指標(biāo)關(guān)系密切。因此，將水分指標(biāo)與環(huán)境溫度相結(jié)合，嘗試性提出一種基于活立木莖干水分序列包絡(luò)分析的方法來實(shí)時(shí)檢測其凍融特性，為植物防凍災(zāi)提供理論及技術(shù)支撐。

1.3 基于活立木莖干水分序列包絡(luò)分析的凍融狀況檢測原理

包絡(luò)分析[27]是時(shí)間序列信號(hào)處理的常用方法。對(duì)于一段時(shí)間長度的信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的采樣間隔求取信號(hào)的峰值，將其峰值點(diǎn)連接起來，就可以得到信號(hào)數(shù)據(jù)上方和下方的兩條線，將其稱為包絡(luò)線。活立木水分指標(biāo)和環(huán)境溫度隨時(shí)間規(guī)律性波動(dòng)，屬于時(shí)間序列信號(hào)，可以采用包絡(luò)分析進(jìn)行處理。

包絡(luò)分析需要選取合適的信號(hào)采樣間隔，以圖2中花楸樹的水分指標(biāo)為例，本研究對(duì)比了不同采樣間隔(采樣間隔變化范圍360～1 800 min，變化梯度60 min)下水分指標(biāo)的包絡(luò)線，圖3為其中最具代表性的3種采樣間隔(1 200、1 320、1 440 min)下的包絡(luò)分析圖像?？梢钥闯?，采樣間隔選取過小(圖3a虛線區(qū)域)，繪制的包絡(luò)線與水分指標(biāo)的貼合程度過于緊密，部分水分指標(biāo)的非極值信息被一并獲??；而采樣間隔選取過大(圖3c虛線區(qū)域)，繪制的包絡(luò)線與水分指標(biāo)的貼合程度相對(duì)稀疏，部分水分指標(biāo)的極值信息丟失；采樣間隔選取1 320 min(圖3b)，繪制的包絡(luò)線能較好地反映水分指標(biāo)極值的變化趨勢(shì)。因此，本研究將包絡(luò)分析的采樣間隔選取為1 320 min。

分析圖3b可以發(fā)現(xiàn)，花楸樹在10月中旬進(jìn)入越冬期后水分指標(biāo)包絡(luò)上下線的數(shù)值均有所下降，且兩者差值明顯增大。同樣的，可以對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行包絡(luò)分析，由1.2節(jié)可知，環(huán)境溫度無法準(zhǔn)確表征凍融狀況，然而當(dāng)環(huán)境溫度的最低值低于冰點(diǎn)時(shí)，樹莖才有可能在一定時(shí)間后出現(xiàn)凍融狀況，因此環(huán)境溫度的最低值(即環(huán)境溫度的包絡(luò)下線值)可作為凍融判斷的輔助指標(biāo)[19]，對(duì)水分指標(biāo)判斷出的凍融狀況進(jìn)行一定程度的校準(zhǔn)，環(huán)境溫度包絡(luò)分析的采樣間隔同樣選取為1 320 min。

因此，活立木的凍融狀況可借助包絡(luò)分析方法進(jìn)行定量表示，即通過當(dāng)前時(shí)刻下前1 320 min的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前時(shí)刻下后1 320 min以內(nèi)可能出現(xiàn)的最大凍融狀況。進(jìn)一步取水分指標(biāo)包絡(luò)上下線的平均值(簡稱包絡(luò)均值)，并結(jié)合環(huán)境溫度的包絡(luò)下線值，建立更為直觀的活立木莖干凍融狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)(簡稱凍融指標(biāo))計(jì)算模型，為活立木凍融狀況的評(píng)估提供參考。

1.4 凍融指標(biāo)計(jì)算模型

計(jì)算凍融指標(biāo)首先需要判斷樹莖是否進(jìn)入凍融狀態(tài)。由1.3節(jié)可知，當(dāng)水分指標(biāo)包絡(luò)線均值低于設(shè)定的閾值(該閾值因樹種和環(huán)境的不同而有所差異，在1 400～1 500 mV范圍內(nèi)選取，為經(jīng)驗(yàn)值[22])，且環(huán)境溫度包絡(luò)下線值同時(shí)低于設(shè)定的閾值(對(duì)于非鹽堿地區(qū)的植物，該閾值一般取0℃[19])時(shí)，判定樹莖進(jìn)入凍融狀態(tài)，即樹莖進(jìn)入凍融狀態(tài)的必要條件為

(1)

(2)

Tε——環(huán)境溫度包絡(luò)下線值對(duì)應(yīng)的閾值，℃

進(jìn)而引入符號(hào)函數(shù)，將凍融狀態(tài)的判斷結(jié)果與-1、0或1直接對(duì)應(yīng)，并通過當(dāng)前測得的水分指標(biāo)計(jì)算得到未經(jīng)歸一化的凍融指標(biāo)，即當(dāng)

(3)

(4)

(5)

其中sgn()為符號(hào)函數(shù)，其取值為-1、0或1，即σ1、σ2均為0時(shí)表明樹莖開始進(jìn)入凍融狀態(tài)(處于臨界狀態(tài))，等于-1時(shí)表明樹莖處于凍融狀態(tài)中，因此σ1、σ2均不等于1時(shí)判斷樹莖進(jìn)入凍融狀態(tài)(即此時(shí)為本試驗(yàn)的主要研究時(shí)期)。I′i為第i時(shí)刻未經(jīng)歸一化的凍融指標(biāo)(mV)，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，可得第i時(shí)刻的凍融指標(biāo)(mV)

(6)

Ii取值范圍因歸一化處理而被限制在0～1之間，將式(1)、(2)、(5)代入式(6)，可最終得到凍融指標(biāo)計(jì)算模型，即

(7)

式(7)成立的條件為σ1、σ2均不等于1。

通過包絡(luò)分析構(gòu)建的凍融指標(biāo)計(jì)算模型，將水分指標(biāo)(W)和環(huán)境溫度(T)結(jié)合起來，并用凍融指標(biāo)(I)加以表征，通過實(shí)時(shí)獲取凍融指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)活立木凍融狀況的有效評(píng)估。

1.5 試驗(yàn)區(qū)概況

為驗(yàn)證上述基于活立木莖干水分序列包絡(luò)分析方法在活立木凍融過程研究中的普適性，在北京市、內(nèi)蒙古自治區(qū)及黑龍江省3地，選用闊葉樹種(紫薇、海棠及香楊樹)為代表進(jìn)行為期5～9個(gè)月的試驗(yàn)，其中紫薇樹試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)三頃園苗圃(116°21′14″E，40°0′54″N)，屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候；海棠樹試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市和林格爾縣和盛生態(tài)科技研究院苗圃(111°50′28″E，40°32′33″N)，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候；香楊樹試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省哈爾濱市帽兒山東北林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(127°34′48″E，45°16′12″N)，同屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 紫薇樹凍融狀況檢測

紫薇樹作為北京市園林綠化的常用樹種，其凍融特性日益受到關(guān)注。本試驗(yàn)選取6株長勢(shì)良好的紫薇樹樣本作為試驗(yàn)對(duì)象，樣本均高25 cm，傳感器安裝高度為10 cm，安裝處樹莖平均直徑4.5 cm(圖4)，監(jiān)測紫薇樹2018年11月1日—2019年4月1日的水分指標(biāo)、環(huán)境溫度及凍融狀況，6組樣本的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相近，隨機(jī)選取其中1組，結(jié)果如圖5所示。

圖5a為傳感器采集到的水分指標(biāo)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)，紫薇樹越冬期的水分指標(biāo)與環(huán)境溫度基本呈同步變化趨勢(shì)，水分指標(biāo)在12月初期因植物進(jìn)入休眠狀態(tài)而小幅度下降，其波動(dòng)范圍也略有增加，在離開越冬期的過程中逐漸恢復(fù)至原水平。此外，在12月初環(huán)境溫度在較長的時(shí)間內(nèi)下降明顯，此時(shí)水分指標(biāo)的下降程度和波動(dòng)范圍同樣發(fā)生了明顯的變化，類似的狀況也出現(xiàn)在了12月末。整體上看，越冬期內(nèi)環(huán)境溫度基本都在冰點(diǎn)上下波動(dòng)，紫薇樹水分指標(biāo)的變化幅度不大，因此樹莖內(nèi)只有少許水分凝結(jié)成冰，且結(jié)冰狀況隨溫度的波動(dòng)而不斷處于凍結(jié)與融化的交替過程中，凍融狀況輕微且變化范圍微小。

進(jìn)一步對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析，求取包絡(luò)線均值，并由此計(jì)算出凍融指標(biāo)，如圖5b所示。此時(shí)凍融指標(biāo)較小，不易觀察，因此適當(dāng)縮小凍融指標(biāo)的坐標(biāo)區(qū)間(圖5c)，可以發(fā)現(xiàn)，凍融主要發(fā)生在11月末到次年2月末，其中凍融指標(biāo)相對(duì)明顯的時(shí)間段為12月初和12月末；整個(gè)越冬期凍融指標(biāo)不斷波動(dòng)但均未超過0.004。因此判斷出凍融狀況輕微，與圖5a的分析相吻合。

2.2 海棠樹凍融狀況檢測

海棠樹作為極具觀賞價(jià)值的園林綠化樹種，其凍融特性日益受到關(guān)注。本試驗(yàn)選取6株長勢(shì)良好的海棠樹樣本作為試驗(yàn)對(duì)象，樣本均高35 cm，傳感器安裝高度為13 cm，安裝處樹莖平均直徑5 cm(圖6)，監(jiān)測海棠樹2018年9月1日—2019年6月1日的水分指標(biāo)、環(huán)境溫度及凍融狀況，6組樣本的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相近，隨機(jī)選取其中1組，結(jié)果如圖7所示。

分析圖7a發(fā)現(xiàn)，海棠樹越冬期水分指標(biāo)在10月中旬因植物進(jìn)入休眠狀態(tài)而小幅度下降，其波動(dòng)范圍也略有增加；之后又隨著冬季環(huán)境溫度的降低，在11月以后下降程度逐漸增大，波動(dòng)范圍也明顯增加；在離開越冬期的過程中逐漸恢復(fù)至原水平。此外，在12月初和1月初環(huán)境溫度在較長的時(shí)間內(nèi)下降明顯，此時(shí)水分指標(biāo)的下降程度和波動(dòng)范圍同樣變化明顯。整體上看，越冬期內(nèi)環(huán)境溫度基本都在冰點(diǎn)上下波動(dòng)，但處于冰點(diǎn)下方的比例明顯增多，海棠樹水分指標(biāo)的波動(dòng)范圍較大，因此樹莖內(nèi)有較多的水分凝結(jié)成冰，且結(jié)冰狀況隨溫度的波動(dòng)而不斷處于凍結(jié)與融化的交替過程中，凍融狀況變化范圍較大。

進(jìn)一步分析圖7b發(fā)現(xiàn)，凍融主要發(fā)生在10月末至次年4月初，且凍融指標(biāo)變化幅度較大，最低時(shí)僅有0.1，最高時(shí)可達(dá)到0.7。因此判斷出凍融狀況在整個(gè)越冬期變化較大，嚴(yán)重時(shí)凍融程度較重，輕微時(shí)基本不存在凍融現(xiàn)象，與圖7a及2.1節(jié)中紫薇樹凍融狀況的分析相吻合。

2.3 香楊樹凍融狀況檢測

香楊樹作為集觀賞與用材于一身的園林綠化樹種，其凍融特性日益受到關(guān)注。本試驗(yàn)選取6株長勢(shì)良好的香楊樹樣本作為試驗(yàn)對(duì)象，樣本均高75 cm，傳感器安裝高度為30 cm，安裝處樹莖平均直徑7 cm(圖8)，監(jiān)測香楊樹2018年10月1日—2019年5月1日的水分指標(biāo)、環(huán)境溫度及凍融狀況，6組樣本的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相近，隨機(jī)選取其中1組，結(jié)果如圖9所示。

分析圖9a發(fā)現(xiàn)，香楊樹越冬期水分指標(biāo)的變化分為多個(gè)階段：第1段在11月初到11月中旬，水分指標(biāo)下降程度較低，波動(dòng)范圍略有增加；第2段在11月中旬到12月初，水分指標(biāo)的下降程度變大，波動(dòng)范圍明顯增加；第3段在12月中旬到次年2月中旬，水分指標(biāo)下降到極低的程度，其波動(dòng)范圍略低于前兩個(gè)階段，但明顯高于未凍融階段；第4階段為離開越冬期的階段，水分指標(biāo)逐漸在此過程中恢復(fù)至原水平。因此，第1階段，環(huán)境溫度下降到冰點(diǎn)附近，此時(shí)樹莖內(nèi)少許水分凝結(jié)成冰，且結(jié)冰狀況隨溫度的波動(dòng)而不斷處于凍結(jié)與融化的交替過程中，凍融狀況輕微；第2階段，環(huán)境溫度處于冰點(diǎn)下方的比例增多，此時(shí)樹莖內(nèi)大量水分凝結(jié)成冰，且其中一部分冰還會(huì)隨溫度的波動(dòng)而不斷處于凍結(jié)與融化的交替過程中，凍融狀況較重；第3階段，環(huán)境溫度處于極低的區(qū)間，此時(shí)樹莖內(nèi)絕大部分水分凝結(jié)成冰，且只有小部分樹莖深處的冰會(huì)隨溫度的波動(dòng)而不斷處于凍結(jié)與融化的交替過程中，凍融狀況嚴(yán)重。

進(jìn)一步分析圖9b發(fā)現(xiàn)，凍融主要發(fā)生在11月中旬至次年4月中旬，且凍融指標(biāo)最高可達(dá)到0.9，此時(shí)凍融狀況相對(duì)嚴(yán)重，與上述分析均吻合。此外，對(duì)比本團(tuán)隊(duì)同期進(jìn)行的基于潛熱效應(yīng)的凍融檢測試驗(yàn)結(jié)果[22]發(fā)現(xiàn)，凍融指標(biāo)存在相近的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步證明該無損檢測新方法的可靠性。

2.4 討論

綜合分析2.1～2.3節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，溫帶地區(qū)的2組試驗(yàn)對(duì)象(海棠樹和香楊樹)與暖溫帶地區(qū)的試驗(yàn)對(duì)象(紫薇樹)在越冬期內(nèi)凍融過程既存在一定的聯(lián)系，同時(shí)又有明顯的差異。聯(lián)系之處在于3組試驗(yàn)的水分指標(biāo)均因進(jìn)入越冬期而出現(xiàn)不同程度的下降，而在離開越冬期后逐漸恢復(fù)至原水平。差異之處在于3組試驗(yàn)地點(diǎn)的所處緯度逐漸升高，越冬期環(huán)境最低溫度逐漸降低，導(dǎo)致凍融狀況出現(xiàn)不同的階段：紫薇樹僅存在由于植物進(jìn)入(或離開)越冬期而使水分指標(biāo)略微變化的階段，此階段對(duì)應(yīng)的凍融指標(biāo)同樣較小、變化微弱，凍融狀況輕微；海棠樹不僅存在上述階段，還出現(xiàn)了因環(huán)境溫度進(jìn)一步降低而使水分指標(biāo)大幅度變化的新階段，此階段的凍融指標(biāo)同樣在0.3～0.7范圍內(nèi)大幅波動(dòng)變化，凍融狀況加重；香楊樹在具備海棠樹的2種凍融階段的前提下，還出現(xiàn)了隨著環(huán)境溫度完全低于0℃而使水分指標(biāo)達(dá)到極低的新階段，此階段的凍融指標(biāo)在0.9附近基本保持穩(wěn)定，凍融狀況相比其他階段更加嚴(yán)重。試驗(yàn)結(jié)果表明，凍融指標(biāo)可準(zhǔn)確地表征出凍融狀況的差異，本文方法準(zhǔn)確可靠，滿足實(shí)際使用要求。

3 結(jié)論

(1)活立木莖干水分含量與環(huán)境溫度的變化可以作為活立木凍融狀況的表征參數(shù)。

(2)利用基于活立木莖干水分序列包絡(luò)分析的方法，確定最佳信號(hào)采樣間隔為1 320 min，構(gòu)造了凍融狀況檢測的新方法，建立了凍融指標(biāo)的計(jì)算模型，為凍融狀況判斷給出了一種參考指標(biāo)，進(jìn)而為活立木的凍融狀況檢測提供了一種技術(shù)手段。

(3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫薇樹在越冬期的凍融狀況輕微，凍融指標(biāo)最高為0.004；海棠樹的凍融狀況變化較大，凍融指標(biāo)在0.1～0.7之間波動(dòng)變化；香楊樹的凍融狀況相對(duì)嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的凍融指標(biāo)最高時(shí)可達(dá)0.9。試驗(yàn)表明，所提新方法能準(zhǔn)確反映活立木的凍融狀況，適用性好，可靠性高，且應(yīng)用方便，適合在農(nóng)林業(yè)推廣使用。