樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)的研制

張標(biāo)，張冬梅，張浪，馮仲科*，孫林豪

（1.北京林業(yè)大學(xué)，精準(zhǔn)林業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10083；2.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，城市困難立地生態(tài)園林國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200232）

根系吸收水分對(duì)植物生長發(fā)育、維持自身溫度、運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)有著重要的作用[1-2]。水分供應(yīng)促進(jìn)了光合作用和干物質(zhì)積累；樹干內(nèi)部液流自下而上的流通將吸收的大量熱能散發(fā)出去，保護(hù)植物不受損傷[3-4]；各類營養(yǎng)物質(zhì)溶解于水中被植物根系吸收，是植物健康生長的保證。

根系吸收的水分大部分都被用來進(jìn)行蒸騰作用，因此，研究蒸騰耗水特性對(duì)樹木生長及其水分利用具有重要意義。林木蒸騰耗水量的精準(zhǔn)測定一直是植物生理學(xué)者和生態(tài)水文學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5]，測定方法也廣泛應(yīng)用于蒸騰/蒸散模型、水域水資源分布及利用等研究[6-10]。測定方式分為實(shí)測法和估測法：估測法適用于林分和區(qū)域尺度，模型通用性低；而實(shí)測法通常適用于葉片和個(gè)體，精度較高、適用性強(qiáng)，因此蒸騰耗水普遍采用實(shí)測法進(jìn)行研究。實(shí)測植物液流的方法有很多，包括染料法、放射性同位素法、示蹤法、葉市法、離體稱重法[11]、磁流體動(dòng)力學(xué)法、蒸滲儀法、整樹容器法[12]、快速稱重法以及熱脈沖[13-14]、熱平衡[15-16]、熱擴(kuò)散[17-18]等。與其他方法相比，熱擴(kuò)散法具有結(jié)果精準(zhǔn)可靠、測量方式簡單、易于建模等優(yōu)點(diǎn)，該方法測定單木水平的蒸騰耗水量，從根本上消除了整樹容器法、葉室法和快速稱重法進(jìn)行尺度擴(kuò)展求算整株蒸騰耗水量過程中產(chǎn)生的取樣誤差和測量誤差，結(jié)果更加精準(zhǔn)；與染料法、放射性同位素法相比，該方法更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和存儲(chǔ)，而且能實(shí)現(xiàn)多探頭任意時(shí)間間隔的測量；利用熱擴(kuò)散方法測定的單木耗水結(jié)果可通過建模將尺度擴(kuò)大到群體水平，為某種樹木的生產(chǎn)實(shí)踐提供重要的理論指導(dǎo)。

樹木是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，環(huán)境因子對(duì)于樹干液流的影響同時(shí)也反映了樹木本身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[19]。因此研究樹干液流速率不能忽視環(huán)境因子對(duì)其造成的影響[20-21]?；跓峒夹g(shù)法的液流針雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較為動(dòng)態(tài)、連續(xù)、準(zhǔn)確、無損的測定[22-23]，但是只能采集樹干液流數(shù)據(jù)，無法同時(shí)收集氣象和土壤數(shù)據(jù)。雖然可以通過在樣點(diǎn)附近布置氣象站的方法，實(shí)時(shí)獲取立地環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，但樹干液流與氣象及土壤數(shù)據(jù)的時(shí)間匹配過程繁瑣，容易造成數(shù)據(jù)匹配錯(cuò)誤，不適用海量數(shù)據(jù)的分析。

為實(shí)現(xiàn)樹干液流快速、精準(zhǔn)測量與分析，本文開發(fā)了樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于TDP（thermal design power）液流計(jì)來測定樹干液流，集成氣象和土壤因子傳感器，通過NB物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)建立可視化平臺(tái)來精確地描繪和反映樹干液流速率和環(huán)境因子的時(shí)空變化規(guī)律，為研究樹干液流速率長期變化規(guī)律和樹木的合理灌溉提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（圖1）自下而上分為采樣層、硬件層和軟件層。采樣層采集系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)包含樹干液流、氣象因子和土壤因子。硬件層通過部署監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，由樹干液流、氣象和土壤傳感器對(duì)環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和收集，對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析、處理后，通過數(shù)據(jù)通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?。軟件層通過數(shù)據(jù)通信接口來接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，再通過數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)，最后由數(shù)據(jù)展示模塊實(shí)現(xiàn)可視化。

圖1 樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Monitoring system of tree sap flow

1.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。主控模塊采用STC15W4K48s4(宏晶科技)型號(hào)單片機(jī)，具有高速、低功耗、抗干擾、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在感知模塊中，通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（-ADS1256，24位，8通道，德州儀器)獲取液流傳感器液流參數(shù)，通過RS485總線來讀取氣象傳感器和土壤傳感器獲取的環(huán)境因子。通信模塊內(nèi)有NB-IOT芯片(合宙通信Air302,B1、B3、B5、B8頻段)和物聯(lián)卡，用于將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?。交互模塊包含了顯示屏和按鍵，用于裝置操作人員查看數(shù)據(jù)或輸入指令；儲(chǔ)存模塊內(nèi)嵌有2 Gb的SD卡，用于存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)；電源模塊主要由太陽能板、鋰電池、電源管理芯片和開關(guān)組成，具有供電、充放電、短路保護(hù)、升降壓等功能。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.2 System hardware design

ADS1256為24位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)30 kSPS，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由模擬多路開關(guān)（MUX）、輸入緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、四階△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、時(shí)鐘發(fā)生器、控制器和串行SPI接口等組成。ADS1256采用四線制（時(shí)鐘信號(hào)線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和偏片選線CS）SPI通信方式的從機(jī)工作模式。通過單片機(jī)控制讀寫ADS1256片上的寄存器，通信時(shí)設(shè)置CS為低電平，通過讀取DRDY引腳的電平來判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否完成，使用RDADA或RDATAC命令從DOUT引腳讀取最新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

1.1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于B/S架構(gòu)數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，利用PHP+HTML5+MySQL作為開發(fā)語言和工具。本平臺(tái)采用PHP作為后端開發(fā)語言，HTML5和CSS作用于前端頁面編寫和樣式渲染，前后臺(tái)交互采用AJAX，前端操作相應(yīng)采用JavaScript，Web服務(wù)器選Apache。同時(shí)，針對(duì)不同設(shè)備訪問平臺(tái)的情況，系統(tǒng)采用響應(yīng)式布局。

Ajax傳遞通過Jquery查詢前端的時(shí)間段作為條件，經(jīng)Ajax將前端的查詢條件傳輸給后臺(tái)。后臺(tái)根據(jù)條件查詢構(gòu)建SQL語句，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的液流、氣象和土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，將氣象和土壤的查詢結(jié)果與樹干液流的計(jì)算結(jié)果以json數(shù)據(jù)的格式返回給前端，由前端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的echarts圖形化呈現(xiàn)，以數(shù)據(jù)曲線的形式展示，可以直觀地觀測到各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢。

1.2 液流監(jiān)測

采用TDP-30類型探針監(jiān)測樹干液流，長度30 mm。液流傳感器通過熱擴(kuò)散原理測量植物液流，原理如圖3所示。

圖3 液流傳感器Fig.3 Stem flow sensor

測量時(shí)將2個(gè)縱向?qū)R的探針插入樹干邊材部分，上探針包括加熱器和熱電偶的熱電極，下探針包括熱電偶的另一個(gè)熱電極。接線端子的正負(fù)電源接加熱器、正負(fù)信號(hào)接熱電偶，上探針的加熱器產(chǎn)生恒定熱量，液流上升的途中帶走探針的熱量，因此與下探針的電壓差發(fā)生變化。電壓差dV的時(shí)間分辨率為30 min，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。dV與樹干邊材部分的液流速率存在一定的定量關(guān)系，最終計(jì)算出植物水分的蒸騰量。當(dāng)樹干液流速率為零或最小時(shí)，2個(gè)探針間的溫差dT最大。隨著樹干液流速率增大，樹干邊材部分的導(dǎo)熱率也將增大，則兩探針間的溫差將減小。通過溫差dT與樹干邊材部分的液流速率的函數(shù)關(guān)系，反演出植物水分的蒸騰量。樹干液流速率根據(jù)Grannier[24]定義的公式計(jì)算。

式中，K為無量綱參數(shù)；dV為TDP上、下探頭的瞬時(shí)電壓差，mV，dVmax為最高探針電壓差，mV；V是樹干的液流速率，cm·h-1。

2021年9月在上海市園林科學(xué)規(guī)劃院青松基地進(jìn)行試驗(yàn)，樹干液流監(jiān)測選用2顆白玉蘭，在距地面1.3 m處樹干安裝了美國Dynamax公司生產(chǎn)的FLGS-TDP包裹插針式植物液流儀作為對(duì)照。本文設(shè)計(jì)儀器安裝在與對(duì)照設(shè)備等高但不同方位的位置。將安裝處刮去粗皮，插入TDP探針，用泡沫塊和膠帶固定住探針，外層包裹絕緣、防輻射材料，防止外界溫度及雨水干擾。

1.3 環(huán)境因子監(jiān)測

本文設(shè)計(jì)的樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)除監(jiān)測液流指標(biāo)外，還可同步監(jiān)測氣象因子和土壤因子，每30 min自動(dòng)采集1次。氣象指標(biāo)包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽總輻射、二氧化碳含量；土壤指標(biāo)包括溫度、濕度、pH。此外，飽和水汽壓也是影響樹干液流的關(guān)鍵環(huán)境因子，由空氣溫度與相對(duì)濕度計(jì)算[25-26]。

式中，VPD為飽和水汽壓，hPa；Ta為空氣溫度，℃；RH為空氣相對(duì)濕度，%；a、b、c為常數(shù)，取值分別為0.611 kPa、17.62 kPa和243.12℃。

1.4 研究方法

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的Pearson相關(guān)性分析樹干液流與各環(huán)境因子的關(guān)系，選取相關(guān)系數(shù)大于0.5的環(huán)境因子與樹干液流建立多元線性回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 白玉蘭液流速率對(duì)比

選取9月1—7日的對(duì)照儀器和本文設(shè)計(jì)儀器的監(jiān)測結(jié)果繪制液流密度日動(dòng)態(tài)曲線（圖4）?？梢钥闯觯琩V在10∶00—13∶00持續(xù)降低，上、下探針溫差減小，隨后在13∶00開始，持續(xù)升高，22∶00達(dá)到峰值，由此至第2天10∶00持穩(wěn)定狀態(tài)，上、下探針溫差平穩(wěn)。

圖4 電壓差、液流密度日動(dòng)態(tài)曲線對(duì)比Fig.4 Voltage difference，sap flow density day dynamic curve comparison

對(duì)于白玉蘭，本文設(shè)計(jì)儀器和對(duì)照設(shè)備的電壓差和液流速率趨勢相近，所得電壓差的相關(guān)系數(shù)為0.834 3，液流速率的相關(guān)系數(shù)為0.876 5。由于樹干不同方位邊材液流速率有差異[27-28]，兩款設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果略有差異，但整體趨勢相同，電壓差和液流速率的相關(guān)系數(shù)均大于0.834 3，屬于顯著相關(guān)，表明本文設(shè)計(jì)儀器監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可信。

2.2 環(huán)境因子監(jiān)測

2.2.1 氣象因子動(dòng)態(tài)變化分析選取9月1—7日氣象因子監(jiān)測指標(biāo)繪制動(dòng)態(tài)曲線（圖5），可以看出，監(jiān)測期間每天的溫度、濕度、太陽總輻射曲線圖多為單峰波段，于13∶00附近達(dá)到最大峰值，此后持下降趨勢；C02含量通常在夜晚達(dá)到最大峰值；風(fēng)速則是不規(guī)律的多峰波段。

圖5 氣象因子日動(dòng)態(tài)曲線Fig.5 Daily dynamic curve of meteorological factors

2.2.2 土壤因子動(dòng)態(tài)變化分析 土壤因子日變化趨勢如圖6所示?？梢钥闯觯寥罍囟然倦S著空氣溫度的變化浮動(dòng)，氣溫從早開始上升，到14∶00左右達(dá)到最高溫，表土溫度也隨之上升，但由于土溫的滯后現(xiàn)象，通常要在14∶00后或更遲的時(shí)間才達(dá)到最高溫度。土壤濕度和土壤pH的浮動(dòng)與樹干液流速率趨勢對(duì)比較不規(guī)律。

圖6 土壤因子日動(dòng)態(tài)曲線Fig.6 Daily dynamic curve of soil factors

2.3 環(huán)境因子相關(guān)性分析

選取本文設(shè)計(jì)儀器監(jiān)測的環(huán)境因子與全天、日間、夜間3個(gè)時(shí)段的白玉蘭液流速率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，全天時(shí)段Sf與除了pH之外的其他環(huán)境因子均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中與Ta、WS、Rs、VPD、St、Sh均呈正相關(guān)關(guān)系，與RH、CO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。各個(gè)環(huán)境因子對(duì)Sf的影響機(jī)理不同，Ta與St的提升通過促進(jìn)植物體內(nèi)的活性酶，從而增強(qiáng)了蒸騰作用；在監(jiān)測期間，WS在0～2 m·s-1之間浮動(dòng)，在此范圍內(nèi)WS促進(jìn)了Sf，考慮原因?yàn)槲L(fēng)降低了葉片的濕度；Sh決定了根系附近的水分含量，在一定程度內(nèi)影響了根系的吸水能力；Rs直接影響植物的光合作用，隨著Rs的增加，植物蒸騰作用增強(qiáng)，Sf隨之增大；RH間接影響Sf，RH降低，VPD相對(duì)增大，植物蒸騰作用增加，相反蒸騰作用減小；CO2含量的提高會(huì)使葉片氣孔關(guān)閉，抑制了蒸騰作用。pH的相關(guān)系數(shù)較小，說明土壤pH對(duì)樹干液流速率的影響不大。Ta、RH、Rs、CO2、VPD的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，Ta、VPD的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.675和0.647。日間時(shí)段Sf與Ta、RH、Rs、VPD、Sh呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較大的有Ta、RH、Rs、VPD，分別為0.465、-0.430、0.445、0.439。夜間時(shí)段，Sf與Qs有極顯著的相關(guān)性，與RH、Sh也有較高的相關(guān)性，而與其余環(huán)境因子的相關(guān)性并不顯著。由3個(gè)時(shí)段環(huán)境因子相關(guān)性分析研究表明，不同時(shí)段環(huán)境因子對(duì)液流速率的影響程度不同。

表1 白玉蘭液流速率環(huán)境因子相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis table of environmental factors of Magnolia sap flow rate

選取全天時(shí)段環(huán)境因子大于0.5的主要影響因子Ta、RH、Rs、CO2、VPD建立與白玉蘭液流速率的日變化趨勢圖。由圖7可知，氣象因子的變化規(guī)律對(duì)白玉蘭液流速率有著明顯的影響，液流速率的表現(xiàn)波形變化與Ta、Rs、VPD基本一致，與RH、CO2相反。隨著Rs的增加，Ta升高，RH降低，白玉蘭蒸騰作用增強(qiáng)，樹干液流隨之加快，在13∶00左右達(dá)到峰值。隨后Rs減弱，Ta降低，RH升高，白玉蘭蒸騰作用減弱，樹干液流速率降低，在22∶00至次日7∶00期間液流速率變化趨緩。

圖7 白玉蘭液流速率與主要影響因子日動(dòng)態(tài)曲線Fig.7 Daily dynamic curve of Magnolia sap flow rate and main influencing factors

日間和夜晚期間白玉蘭均進(jìn)行蒸騰作用，但影響植物液流的主要環(huán)境因子不盡相同[29-32]。選取3個(gè)時(shí)段的主要環(huán)境因子作為自變量，以白玉蘭樹干液流速率為因變量，建立全天、日間、夜間3個(gè)時(shí)間段的多元線性回歸模型。分析結(jié)果（表2）表明，3個(gè)時(shí)段的擬合優(yōu)度好壞依次為0.674、0.556、0.349。夜間實(shí)測液流速率與基于環(huán)境因子建立的模型擬合優(yōu)度較低，以此推斷白玉蘭夜間液流為自身補(bǔ)水引起。日間時(shí)段液流速率模型擬合優(yōu)度較高，表明環(huán)境因子的確對(duì)植物液流存在較大的作用。全天時(shí)段的擬合優(yōu)度為最高，因此在分析液流動(dòng)態(tài)及對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)時(shí)，建立全天時(shí)段的回歸模型，可以較好地模擬植物的液流速率。

表2 3個(gè)時(shí)段白玉蘭液流速率多元線性回歸模型Table 2 Multivariate linear regression model of Magnolia sap flow rate in three periods

3 討論

本文針對(duì)目前樹干液流監(jiān)測設(shè)備指標(biāo)單一、無法同時(shí)收集氣象和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸方式不靈活等問題，設(shè)計(jì)了樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的儀器同時(shí)配套Web端數(shù)據(jù)處理和可視化平臺(tái)，可用于監(jiān)測樹干液流速率和分析環(huán)境因子與液流速率的關(guān)系。

根據(jù)樹干液流監(jiān)測系統(tǒng)分析處理的數(shù)據(jù)與對(duì)照設(shè)備對(duì)比，與電壓差的相關(guān)系數(shù)為0.834 3，與液流速率的相關(guān)系數(shù)為0.876 5。將全天、日間和夜間3個(gè)時(shí)段的液流數(shù)據(jù)與環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，白玉蘭樹干液流速率的主要影響因子有Ta、RH、Rs、CO2含量。采用多元線性回歸算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合，建立基于多環(huán)境因子的3個(gè)時(shí)段白玉蘭樹干液流速率模型，R2分別為0.674、0.556、0.349。全天時(shí)段中，影響白玉蘭瞬時(shí)液流速率的主要因素為Ta、RH、Rs、CO2、VPD；而日間與夜間的主要因素為Ta、RH、Rs、VPD和RH、Rs、Sh?？梢姡瑢?duì)于任何時(shí)段，RH和Rs無論在何時(shí)都是影響液流速率的主要因素。由于在日間和夜間范圍內(nèi)，CO2含量均不屬于主要影響因子，CO2含量對(duì)液流速率的影響程度，還需進(jìn)一步的研究和探討。

目前，本研究儀器布置范圍較小，監(jiān)測時(shí)間不夠長，為了進(jìn)一步分析樹干液流與環(huán)境因子的關(guān)系，還需要在更大的時(shí)間尺度和空間尺度上做進(jìn)一步研究。