活立木茎干水分状况实时检测传感器研究

赵燕东 黄红伦 赵 玥,3 刘卫平 米 雪

(1.北京林业大学工学院, 北京 100083; 2.城乡生态环境北京实验室, 北京 100083;3.林草生态碳中和智慧感知研究院, 北京 100083; 4.定州市绿谷农业科技发展有限公司, 定州 073006)

0 引言

活立木茎干水分状况是植物生命状态的有效体现,活立木在生长、落叶、休眠等不同阶段,其体内水分含量会呈现出不同变化规律[1],茎干含水率可以反映活立木的抗旱、抗寒能力;液流是树液在根、茎和枝中的运动,液流密度可以反映活立木的生命活力,液流的准确测量在水文和气候研究、植物生长检测中具有重要意义[2]。常见茎干含水率检测方法有核磁共振法[3]、电容法[4]、时域反射法[5]、驻波率法[6-7]等。常见茎干液流检测方法有热扩散法[8]、补偿热脉冲法[9]、热比率法[10]、Tmax法[11]以及Sapflow+法[12]等。

茎干含水率是准确检测热平衡点、判断零液流条件、测量液流密度的基本参数[8,13],活立木茎干不同高度的含水率、不同方位的液流密度可能存在显著差异[14-16]。关于同时检测活立木茎干水分和液流参数的文献有限[12,16-19],检测方法可分为两类:①在茎干相近的空间位置(方位相反或不同高度处)分别安装液流传感器探头和含水率传感器探头[19-20],该类方法对树木的伤害较大,且没有考虑树干的空间异质性影响。②基于有些原理的液流计可在测量茎干液流的同时估算边材的体积热比等参数[12,18],结合SWANSON等[21]给出的边材热特性与含水率的转换公式得到边材含水率,该类方法估算含水率的精度远低于传统的茎干含水率测量方法(如时域反射法、驻波率法等)。

为弥补上述两类方法的缺陷,本文以杨树为实验对象,将基于驻波率原理的茎干水分检测方法和基于热比率法原理的茎干液流检测方法结合,设计活立木茎干水分和液流复合参数检测传感器(下文统称为复合传感器)。复合传感器的含水率检测单元和液流检测单元复用一套三针式探头,减少对树木造成的伤害,无需考虑树干的空间异质性影响,实时、原位、准确地检测活立木树干同一空间位置的含水率和液流密度。

1 复合传感器检测原理和设计

1.1 复合传感器检测原理

1.1.1基于驻波率法的茎干含水率检测原理

基于驻波率法(SWR法)的活立木茎干含水率测量原理如图1所示,测量装置由100 MHz信号源、50 Ω同轴传输线、检波电路、差分放大电路和平行探针组成。

图1 茎干含水率测量原理图

在信号源频率及探针材料和几何参数(长度、半径、间距等)确定的情况下,探针阻抗只与检测介质的表观介电常数有关,同轴传输线两端电压差为

(1)

式中UAB——同轴传输线两端电压差,V

AL——信号源幅值,V

ZL——平行探针阻抗,Ω

ZC——同轴传输线特征阻抗,Ω

WULLSCHLEGER等[22]采用时域反射法对4种落叶阔叶树种进行研究,得出茎干含水率和表观介电常数之间关系的经验公式为

θ=-0.251+4.66×10-2ε-4.93×10-4ε2

(2)

式中θ——茎干体积含水率,%

ε——茎干表观介电常数

综上,传输线两端的电压差、茎干体积含水率都与被测茎干的介电常数有一定关系,赵燕东等[7,20]基于SWR法设计了BD-IV型植物茎体水分传感器,以柳树、杨树、桃树、海棠树等活立木为实验对象,验证了该传感器的检测性能,结合标定方程可以准确测量活立木体积含水率,本研究设计的含水率检测单元的原理就是SWR法。

1.1.2基于热比率法的茎干液流检测原理

BURGESS等[10]推导出热比率法(下文统称为HRM法),该方法共有3个平行探针沿树干径向插入树干,中间探针提供热脉冲,上、下探针安装有温度检测元件且与中间探针的距离相同。热比率法计算热脉冲速率的公式为

(3)

式中Vh——热脉冲在树干中的传播速度,cm/h

k——边材热扩散系数,取0.002 5 cm2/s[10,23]

x——中间探针与上下探针距离,取0.6 cm

ΔTu、ΔTd——加热前后上方、下方探针的温度变化值,K

探针插入茎干会造成“因伤效应”,对热脉冲速率的测量产生影响,该影响可以进行校正,校正公式为

(4)

式中Vc——校正后的热脉冲速率,cm/h

a、b、c——校正系数,取值参考文献[21],随伤口宽度、探针尺寸和间距而变化

将Vc转换为液流密度公式[24]为

(5)

式中Vs_HRM——通过HRM法计算的液流密度,cm/h

ρd——干材密度(干材质量与鲜材体积的比值)g/cm3

ρw——水的密度,取1 g/cm3

cd、cw——20℃时干材和水比热容,取1 200、4 186 J/(kg·K)

Mc——鲜材质量含水率(鲜材含水质量与干材质量的比值),g/g

本研究液流检测单元的测量原理就是HRM法,该方法可以准确检测零速、反向和低速液流[25]。

1.1.3基于热扩散法的茎干液流检测原理

GRANIER[8]提出的热扩散法(Thermal dissipation probe,TDP法)原理液流密度计算公式为

(6)

式中Vs_TDP——通过TDP法计算的液流密度,cm/h

dT——加热探针和感温探针的温差,K

dTmax——零液流条件下的dT,K

由于零液流条件难以识别,dTmax取dT的每日最大值,本研究使用TDP法的商用液流计与复合传感器的液流检测单元进行对比实验。

1.2 复合传感器探头设计

HRM法液流计和SWR法含水率传感器的探头都含有3个探针,为减少多个探针插入树干对树木造成的伤害,复合传感器的含水率检测单元和液流检测单元复用一套三针式探头,通过继电器控制2个检测单元的分时供电,可以独立测量茎干同一位置的含水率和液流,复合探头的结构如图2所示。

图2 复合探头结构图

复合探头使用3个304不锈钢空心注射针头作为探针,每个探针长35 mm,外径1.3 mm,内径0.8 mm,上、下探针与中间探针之间的距离均为6 mm。每根探针的顶部使用电烙铁焊接密封,中间探针的尾部焊接到水分测量电路板的正极探针焊盘上,为水分检测电路的正极,上下探针的尾部焊接到负极探针焊盘上,为水分检测电路的负极。探头外壳(长30 mm,宽40 mm,高40 mm)使用ABS树脂通过3D打印制作,在含水率检测单元工作时,被测茎干的含水率可以通过含水率检测单元测量的电压代入标定方程计算得到。

中间探针内部加热元件采用电阻约为24 Ω的镍铬电热丝管,两条引线连接到12 V继电器的电压输出端,在液流检测单元工作时,单片机控制继电器的开闭从而控制加热脉冲的时间(本研究加热时间为5 s); 上下探针内部的中间位置(距离针头约18 mm)装有负温度系数热敏电阻,热敏电阻与10 kΩ精密电阻串联接入3.3 V和地之间,由单片机内部的ADC模块测量热敏电阻分得的电压,从而求其阻值并换算得到加热前后热敏电阻的平均温度变化,结合式(4)～(6)可以得到茎干液流密度。复合传感器的探头安装如图3所示,将探头安装在杨树(2年生,胸径9.8 cm)树干北侧距离地面1.3 m高度处,用铝箔和塑料薄膜包裹探头安装部位的茎干以隔热和防水,采集器固定在其下方的树干上,系统采用12 V直流电源供电。

图3 复合传感器探头安装图

1.3 复合传感器采集器设计

1.3.1采集器硬件设计

复合传感器的采集器硬件设计框图如图4所示。

图4 采集器硬件框图

采集器以STM32F103C8T6单片机为控制核心,采用12 V直流电源供电。电源模块将输入的12 V电源先滤波处理,用于控制加热电热丝继电器的供电;滤波后的12 V电压经过降压处理,转换为精准的5 V和3.3 V电源,为含水率检测单元和控制系统供电;时钟模块采用RX8025T芯片,提供精确的系统时间; 数据存储模块采用外接SD卡,用于本地存储数据;RS485模块用于实现采集器与上位机之间的通信以修改重要的计算参数值;继电器模块控制含水率检测单元和液流检测单元的分时供电,防止两个不同测量原理的电路相互干扰;STM32微控制器通过其内部集成的ADC模块采集含水率检测单元的输出电压以及液流检测单元温度探针的温度;采集的原始数据经过微控制器计算处理,得到茎干含水率和液流密度。

1.3.2采集器程序设计

复合传感器两次测量的时间间隔选为10 min,图5为单次测量流程图。

图5 单次测量流程图

图5中实线边框矩形内是含水率测量过程,虚线边框矩形内是液流测量过程。检测含水率时,使用继电器控制水分检测电路的5 V总电源供电和断电,单片机内部的ADC模块采集电路的输出电压,代入标定方程可得到茎干含水率。检测液流时,先测量上下探针在加热脉冲前5 s的平均温度,作为原始温度,使用继电器控制液流检测单元的12 V加热线管加热5 s,再测量上下探针在热脉冲后60～100 s的温度平均值,减去原始温度值得到的平均温度上升量,代入式(3)～(5)可以计算液流密度。

2 实验与结果分析

2.1 含水率检测单元性能测试

2.1.1含水率检测单元量程测试

参考文献[7],使用有机溶剂法对复合传感器含水率检测单元进行性能和量程测试。选用不同介电常数的有机溶剂及其与水的混合液体来模拟不同含水率的茎干,溶液的介电常数见表1。

表1 有机溶液的介电常数

取容量为500 mL的烧杯(直径9 cm),将复合传感器探头固定在烧杯上方,探针向下正对烧杯中心,依次向烧杯中加入各种测试液体直到液体完全浸没探针,记录含水率检测单元输出的电压,结果如图6所示。

图6 含水率检测单元输出电压对介电常数的响应

由图6可知,复合传感器的含水率检测单元输出电压与介电常数(6～53.3范围内)具有良好的线性关系(R2=0.970 1)。由式(2)可知,所选溶液对应的茎干含水率为1%～85%,复合传感器含水率检测单元的量程为0～85%。

2.1.2含水率检测单元稳定性测试

向80 g干燥的白杨木屑中分别加入0、30、60、90、120 g水并搅拌均匀,依次将不同含水率的木屑压入直径8 cm容量500 mL的塑料量杯并拧上盖子防止水分蒸发。在量杯侧面钻孔,将传感器探针插入量杯并固定。对装满上述不同含水率的木屑以及空气的量杯分别连续测量120 min,探针插入后的每10 min记录一次传感器输出电压,实验结果如图7所示。

图7 含水率检测单元稳定性测试结果

图7中,在对5种不同含水率的白杨木屑及空气的测试中,含水率检测单元在120 min内电压输出值波动范围均在5 mV以内,对应的最大茎干含水率波动在0.6%全量程内,表明含水率检测单元的稳定性良好。

2.1.3含水率检测单元标定实验

本研究参照文献[20]以海棠树干为实验对象对BD-IV型茎体水分传感器标定的方法,对含水率检测单元输出电压与干燥法计算的杨树茎干体积含水率的关系进行了标定实验。从实验地(北京市海淀区北京林业大学三顷园苗圃,116°21′14″E,40°0′54″N)选取一颗长势良好、胸径约9 cm的杨树,截取长度约15 cm的树干段,用排水法测得鲜木段的体积V0,并将其完全浸入水中24 h以增加茎干水分含量。将木段放入25℃的干燥箱,每隔6 h取出测量其质量m并将复合传感器探针插入木段中间位置,记录含水率检测单元的输出电压。重复上述过程直至木段质量和含水率检测单元输出电压趋于稳定后,将木段放置于60℃的干燥箱内72 h后取出,质量记为m0,视为木段干质量。则干燥法计算茎干体积含水率的公式为

(7)

式中θ——木段体积含水率,%

拟合由式(7)计算的体积含水率和标定过程中对应含水率检测单元输出电压的关系,得到拟合标定方程如图8所示。

图8 含水率检测单元标定实验结果

茎干体积含水率与含水率检测单元输出电压存在良好的线性关系(R2=0.982 0),说明复合传感器的含水率检测单元可以准确测量活立木茎干含水率。

2.1.4含水率检测单元与BD-IV植物茎体水分传感器对比实验

选用三针式BD-Ⅳ型茎体水分传感器[7,19-20]与复合传感器的含水率检测单元进行对比实验。2个传感器的探头安装示意图如图9所示,将对比的BD-IV型茎体水分传感器探头安装在复合传感器探头的对面相同高度处。

图9 含水率检测对比实验示意图

每10 min记录一次2个传感器的含水率测量值,连续监测10 d,实验完成后拆除BD-IV型水分传感器,二者对含水率的检测结果如图10所示,对应的散点图如图11所示。

图10 茎干含水率检测实验结果对比

图11 茎干含水率检测对比实验散点图

由图10、11可知,复合传感器含水率检测单元与BD-IV型传感器对同一棵杨树的含水率测量对比实验中,二者检测的结果每日变化形状和规律一致,存在显著线性相关性(R2=0.980 0),同一时刻测量值接近,两条测量曲线高度重合,说明复合传感器也可以准确检测活立木茎干含水率。

2.2 液流检测单元与ST1221型热扩散式液流计对比实验

TDP法的液流计原理简单且可以测量零速率、低速率至高速率液流,本研究使用商用ST1221型热扩散式(TDP法)植物液流计(北京时域通科技有限公司,ST1221型热扩散式植物液流观测系统)与复合传感器的液流检测单元(HRM法)进行对比实验,用于对比的ST1221型液流计探针型号为STDP10,探针长10 mm,直径1.2 mm,2个探针的安装间距 4 cm,上方为加热探针,上下方探针温差通过2个探针内部的热电偶元件测得。将STDP10型探针安装在复合传感器探针的正上方约10 cm处,两个系统的探头安装示意图如图12所示。

图12 探头安装示意图

对比测量杨树7 d的液流变化,测量结果如图13所示。

图13 茎干液流密度对比测量结果

由图13可知,复合传感器液流检测单元(HRM法)的测量结果与商用ST1221型热扩散式液流计(TDP法)的测量结果日变化趋势一致,但是HRM法白天测量值较稳定,夜间液流密度大于TDP法测量值,二者测量值的线性拟合如图14所示。

图14 茎干液流密度测量结果对比

由图14可知,2个系统测量结果拟合直线的斜率约为1,说明二者灵敏度一致,二者的测量结果具有显著的线性相关性(R2=0.899 1)。HRM法所有测量点的平均值比TDP法高约1.1 cm/h(拟合直线的截距),主要因为HRM法可以检测到夜间的低速液流,而TDP法认为夜间的液流密度为零并据此条件计算每天的液流密度,如果夜间零流条件不成立,式(6)中每日选取的dTmax会小于零流条件的上下探针温差,TDP法测量值会偏小。HRM法可以准确测量低速(小于45 cm/h)液流[25],因此对比实验中HRM法测量值会比TDP法大,测量更准确。此外,探针长度和安装深度不同也可能导致两种方法测量值存在偏差。

2.3 茎干含水率和液流密度对比实验

2022年7月20日—8月2日,复合传感器对杨树茎干含水率和液流的监测结果如图15所示。

图15 复合传感器现场监测结果

2.3.1茎干含水率和液流密度相关性分析

由图15可知,茎干含水率和液流密度以1 d为周期有规律地变化。液流密度白天呈“几”字形,夜晚呈“U”字形,这与文献[26]研究结论相同,测试期间液流密度最小值为0.1 cm/h,最大值为 13.5 cm/h。茎干含水率每日呈单峰(波峰出现在每日05:00—06:00)、单谷(波谷出现在每日15:30—16:30)形状变化,这与文献[1]研究结果一致,测试期间茎干含水率最小值为38.9%,最大值为54.7%。

杨树茎干含水率和液流密度之间存在显著的负相关性,Pearson相关系数为-0.795 1,显著性检验概率P<0.001,即杨树的液流密度越大,茎干含水率越小,这与王海兰[16]使用独立的茎干水分传感器和液流计对同一棵柳树进行实验,得到 “2个参数存在相关系数为-0.534的显著负相关性”的结论相似。两个研究存在相关性的差别,可能是因为文献[16]测量不同高度处的茎干含水率和液流密度,未考虑树干的空间异质性影响,而本研究测量同一位置的茎干含水率和液流密度;也可能与实验树种、环境因素的差异有关。

2.3.2晴天茎干含水率和液流密度变化规律

晴天(2022年7月19—23日、2022年7月28日—8月2日),每日05:00—06:00杨树将要进行光合作用,土壤中的水和营养物质通过液流传输到树叶,液流启动。06:00—08:00茎干液流密度由不足3 cm/h快速上升到 10 cm/h以上,并在08:00—17:00保持均值为11.67 cm/h的高速率波动。17:00—18:00,光照强度减弱,液流密度极速下降并在20:00前下降到3 cm/h以下。夜间(20:00—次日05:00)液流维持在均值1.57 cm/h的低速率。测试期间夜间液流不为零,且夜间液流量占全天液流量比例为8.6%,这与文献[27-28]研究结论“夜间刺槐树干液流速率对整日液流速率的贡献率为7%～12%”、“夜间液流量约占全天液流量10%” 一致。

日出后光照强度增大、空气温度上升,杨树的生理活动加强,当杨树生理活动耗水速率大于根系从土壤吸收水分的速率时,茎干含水量会下降。日落后光照强度减小、空气温度下降,杨树的生理活动减弱,耗水量和液流密度减小,茎干含水率缓慢上升以补充白天的水分消耗。

2.3.3晴雨天气对茎干含水率和液流的影响

2022年7月23日为晴天,全天液流密度变化范围为0.21～12.35 cm/h,茎干水分波动很大,日变化为14.0%。2022年7月27日为雨天,全天液流密度变化范围为0.20～3.64 cm/h,茎干水分波动很小,日变化为4.2%,即晴天茎干液流变化范围和茎干水分波动都大于雨天。

2022年7月26日夜晚—28日早晨一直间歇性降雨,7月26日夜间液流密度为测试时段内的最小值(平均0.28 cm/h),即雨天夜间的液流密度会小于晴天,与文献[29]研究结论一致。7月27、28日液流启动时间为07:00和09:00,均滞后于晴天的液流启动时间(05:00—06:00),即雨天液流启动时间会滞后于晴天,与文献[26]研究结论一致。

3 结论

(1)针对现有对同一棵树茎干含水率和液流同时检测的方法中存在未考虑茎干空间异质性影响、多个探针对树木伤害大以及对茎干含水率的测量不准确的问题,本研究设计了活立木茎干含水率和液流复合传感器,可以实时测量同一位置的茎干含水率和液流,无需考虑树干的空间异质性影响,减少了多个探针对树木的伤害。

(2)通过有机溶液实验、标定实验,获得了含水率检测单元的标定模型,含水率检测单元输出电压与介电常数(6～53.3范围内)具有良好的线性关系,含水率测量范围为0～85%,稳定性良好,与BD-IV型植物茎体水分传感器对同一棵杨树的对比测试结果一致(R2=0.980 0)。液流检测单元与ST1221型热扩散式植物液流计对比测试同一棵杨树,二者灵敏度一致、液流密度测试结果有极显著的线性关系(R2=0.899 1),复合传感器液流检测单元对低速液流的测量更加准确。

(3)使用复合传感器监测茎干含水率和液流密度,得到二者呈显著的负相关性(Pearson相关系数为-0.795 1,P<0.001)。分析了晴雨天气下茎干含水率和液流密度的变化规律,雨天液流启动时间会滞后于晴天,晴天茎干液流变化范围和茎干水分波动都大于雨天。