基于熱平衡法的植物莖流傳感器標(biāo)定試驗(yàn)研究

基于熱平衡法的植物莖流傳感器標(biāo)定試驗(yàn)研究

0熱平衡法檢測(cè)植物蒸騰量的方法植物莖流是指植物在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的液體上升流，它可以反映植物的生理狀態(tài)信息。土壤中的液態(tài)水進(jìn)入植物的根系后,通過莖稈的輸導(dǎo)向上運(yùn)送到達(dá)冠層再由氣孔蒸騰轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水?dāng)U散到大氣中去,在這一過程中,莖稈中的液體一直處于流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)莖稈內(nèi)液流在一點(diǎn)被加熱,則液流攜帶一部分的熱量向上傳輸,一部分與水體發(fā)生熱交換,還有一部分則以輻射的形式向周圍發(fā)散,根據(jù)熱傳輸與熱平衡理論通過一定的數(shù)學(xué)計(jì)算即可求得莖稈的水流通量,即植物的蒸騰速率。近年來,國(guó)內(nèi)外在測(cè)量植株莖稈液流運(yùn)動(dòng)以確定作物蒸騰速率方面的研究進(jìn)展很快。植物蒸騰量的熱學(xué)測(cè)定法大致可分為熱脈沖法、熱平衡法和熱擴(kuò)散法等3類。熱平衡法通常用于測(cè)定直徑較小的植物或器官,如植物莖桿、小枝、苗木等。由于試驗(yàn)對(duì)象為番茄莖稈,莖稈較細(xì),熱容小,并且為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和無損檢測(cè)的目的,莖流傳感器采用了莖熱平衡法設(shè)計(jì),對(duì)于莖流較小的情況仍有很精確的測(cè)量結(jié)果,與熱脈沖法相比,無須將溫度探頭插入莖稈中,可以直接得到測(cè)定結(jié)果。幾種常用的檢測(cè)莖流方法對(duì)比如表1所示。本文主要是對(duì)基于熱平衡法的莖流傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)的研究,提出了此傳感器的標(biāo)定方法及實(shí)際測(cè)試效果,通過標(biāo)定試驗(yàn)的數(shù)據(jù),計(jì)算出傳感器輸出值與莖流量有很高的決定系數(shù)R2=0.96~0.97,分辨率為1×10-3g/min,精度為±3%。為該莖流傳感器在今后的實(shí)際應(yīng)用提供了參考和借鑒。1檢測(cè)原理和傳感器設(shè)計(jì)1.1熱源的減少熱平衡法的基本思想是:如果向莖稈的一部分提供一定數(shù)量的恒定熱源,在莖稈內(nèi)有一定數(shù)量莖流流過的條件下,此處莖稈的溫度會(huì)趨向于定值。在理想情況下,即不存在熱損失時(shí),提供的熱量應(yīng)等于被莖流帶走的熱量。這個(gè)論點(diǎn)構(gòu)成了熱平衡法測(cè)定莖流的基礎(chǔ)。1.2溫度測(cè)量接頭根據(jù)熱平衡法,莖流檢測(cè)傳感器采用包裹式設(shè)計(jì)。探頭外殼是塑料絕熱材料,以盡量減小傳感器外部溫度對(duì)內(nèi)部檢測(cè)環(huán)境造成的影響,內(nèi)層由一個(gè)加熱元件及兩組熱電堆所組成,溫度測(cè)量探頭可以獲得莖稈中液流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱傳輸,可用于測(cè)定直徑較小的草本植物莖稈或其他器官,如植物莖桿、小枝、苗木等。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,由于莖稈中水的流動(dòng),將加熱元件產(chǎn)生的熱量向植株上端即傳感器探頭中下游電堆方向輸送,造成兩個(gè)電堆的溫度差異,由此產(chǎn)生與溫差相對(duì)應(yīng)的電勢(shì),再通過放大電路將此信號(hào)放大輸出即可得到與莖流量對(duì)應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)。2莖流傳感器檢測(cè)方法設(shè)計(jì)如圖3所示莖流標(biāo)定試驗(yàn)裝置,截取一段新鮮的番茄莖稈(長(zhǎng)約200mm左右,直徑:5~8mm)將其下端固定在一個(gè)充滿Hoagland溶液的密封玻璃瓶里,Hoagland溶液可以為莖流提供合適的養(yǎng)分并模擬植物的莖液,避免番茄莖桿在測(cè)試過程中過早的萎蔫。使。莖稈和橡膠導(dǎo)管末端充分浸入溶液中,莖桿上端用一根橡膠導(dǎo)管連接將莖流液導(dǎo)入稱量容器。將莖流傳感器夾持在番茄莖稈上,通過電子天平(型號(hào)YP402N,精度d=0.01g)稱量在一定時(shí)間內(nèi)收集的流經(jīng)番茄莖稈的莖流液質(zhì)量,同時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)時(shí)刻傳感器的輸出電壓值,最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,完成莖流傳感器的標(biāo)定。試驗(yàn)分為兩部分,第一部分是保持儲(chǔ)液瓶與密封玻璃瓶相對(duì)高度h一定,即在同一壓強(qiáng)下,對(duì)莖流量與傳感器輸出電壓值穩(wěn)定性的測(cè)定;第二部分是改變壓強(qiáng)大小,標(biāo)定不同壓強(qiáng)下莖流量與傳感器輸出電壓值。下面對(duì)標(biāo)定步驟詳述之。首先,將儲(chǔ)液瓶固定在一定高度h,將干燥的燒杯放在電子秤上并清零,將莖流傳感器探頭夾持在番茄莖稈上較平滑的部分,使傳感器與莖稈充分接觸,在試驗(yàn)過程中盡量保持測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定性,主要包括環(huán)境溫度、光照條件的穩(wěn)定和無風(fēng)的環(huán)境。預(yù)熱約30min,傳感器輸出電壓值穩(wěn)定后開始進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量開始時(shí)要使莖稈上端引流橡膠導(dǎo)管中的液體處于即將有液體流出的狀態(tài),每隔10min稱量一次莖流液的質(zhì)量,同時(shí)記錄下傳感器輸出的電壓值,如此測(cè)量6次,數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)第二部分,將裝置中密閉玻璃瓶位置固定,調(diào)整儲(chǔ)液瓶與其的相對(duì)高度,使密閉玻璃瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)改變,測(cè)出不同相對(duì)高度下莖流液的質(zhì)量與對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓值。每改變一個(gè)相對(duì)高度要使傳感器和莖流量穩(wěn)定一段時(shí)間后再進(jìn)行測(cè)量,記錄6個(gè)不同相對(duì)高度的測(cè)量數(shù)據(jù),如表3所示。為了確保傳感器的可重復(fù)性,驗(yàn)證傳感器輸出值與莖流量的相關(guān)性,試驗(yàn)更換了莖稈樣本,在相同光照條件不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行了重復(fù),數(shù)據(jù)詳見表4。以上為莖流傳感器標(biāo)定試驗(yàn)的方法及步驟,接下來對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1莖流傳感器輸出值與番茄莖流量的一致性表2為儲(chǔ)液瓶與密封玻璃瓶相對(duì)高度一定的情況下測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),每隔5min記錄一次。室內(nèi)溫度(29.0±0.1)℃,莖稈長(zhǎng)約160mm,直徑約6.5mm,儲(chǔ)液瓶與密封玻璃瓶相對(duì)高度1000mm,基本無空氣流動(dòng),日光燈照明恒定條件下進(jìn)行試驗(yàn)。由上表中數(shù)據(jù)可以看出,在其他環(huán)境因素基本相同,同一壓強(qiáng)下傳感器的輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,在外界環(huán)境相同的條件下,可以通過改變壓強(qiáng)來改變植物的莖流量對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。表3、表4為分別在25.4℃與30.2℃環(huán)境溫度下用不同植株的番茄莖稈在不同相對(duì)高度下,傳感器輸出的電壓均值與番茄莖稈莖流量均量的數(shù)據(jù)記錄,此數(shù)據(jù)是在各高度下每5min測(cè)量一次,連續(xù)測(cè)3次的平均值。由于兩組的環(huán)境溫度、莖稈樣本不同(主要是莖稈直徑大小不同),所以,兩組傳感器輸出值和莖流量在同一高度下有所不同,但兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中傳感器輸出的電壓值和番茄莖稈的莖流量變化趨勢(shì)均保持一致。表3中的數(shù)據(jù)為第一組在室溫為25.4℃環(huán)境下,莖稈樣本長(zhǎng)度約200mm,直徑約5mm莖流傳感器輸出電壓值與番茄莖流量,通過計(jì)算分析,可得莖流傳感器的輸出值與莖流量之間的決定系數(shù)為R2=0.9703。表4中相對(duì)高度為600mm的這組數(shù)據(jù),由于試驗(yàn)條件限制已接近本次標(biāo)定試驗(yàn)的最小模擬莖流量值為相當(dāng)于0.006g/min,即5min收集到0.03g的莖流液,此時(shí)的傳感器輸出值與莖流量仍基本保持較好的線性關(guān)系。表4中的數(shù)據(jù)為第二組在室溫為30.2℃環(huán)境下,莖稈樣本長(zhǎng)度約200mm,直徑約8mm莖流傳感器輸出電壓值與番茄莖流量,通過計(jì)算分析,可得莖流傳感器的輸出值與莖流量之間的決定系數(shù)為R2=0.9608。從上述標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:莖流傳感器輸出值在外界條件一定的情況下具有較好的穩(wěn)定性;傳感器輸出值與植物莖稈莖流量有較好的線性關(guān)系,兩者間的決定系數(shù)R2可達(dá)到0.96以上。并且傳感器的重復(fù)性較好,經(jīng)過用不同株番茄莖稈進(jìn)行多組試驗(yàn)的反復(fù)測(cè)試,傳感器輸出電壓值與莖流量均有較高的決定系數(shù)R2,其值基本在0.96~0.97之間。對(duì)多組標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后,在確定傳感器具有較好的穩(wěn)定性前提下,得出莖流傳感器輸出值與番茄莖稈莖流量具有很高的決定系數(shù),驗(yàn)證了基于熱平衡法的植物莖流傳感器的可行性,通過標(biāo)定可以用此傳感器對(duì)草本植物莖流進(jìn)行較準(zhǔn)確的測(cè)量。3.2測(cè)量環(huán)境因素的影響標(biāo)定試驗(yàn)完成后,還結(jié)合太陽輻射強(qiáng)度傳感器在溫室內(nèi)對(duì)活體番茄莖流進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)如表5所示。試驗(yàn)起始測(cè)量時(shí)間為上午的10時(shí),截止時(shí)間為當(dāng)天下午的15時(shí),每隔15min記錄一次各傳感器的數(shù)據(jù),從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出:溫度的變化趨勢(shì)略滯后于太陽輻射強(qiáng)度變化;莖流量與溫室溫度變化具有很高的一致性,雖然監(jiān)測(cè)當(dāng)天是陰雨天氣,太陽輻射強(qiáng)度變化較大,但仍可以作為參考,且三者的變化符合自然規(guī)律。植物的莖流變化是植物自身一個(gè)復(fù)雜的生理機(jī)能,與外界環(huán)境各種因素相互作用的結(jié)果,這些因素包括土壤水分含量,空氣溫濕度,太陽輻射強(qiáng)度,風(fēng)速等等。植物的莖流量還與傳感器檢測(cè)植株的種類,大小,葉片總面積,莖稈的位置,莖稈的直徑大小都有一定關(guān)系。通過精確測(cè)量植物的莖流量,可以反映出相關(guān)的環(huán)境因素對(duì)其影響程度的大小,有助于進(jìn)一步研究植物的生理狀態(tài)與環(huán)境因素的相互作用。從而,對(duì)探究溫室智能調(diào)控,節(jié)水灌溉,診治植物病蟲害等方面提供有效檢測(cè)工具。在另一方面,又由于受此傳感器的原理方法限制,太陽輻射、風(fēng)速等外界環(huán)境因素對(duì)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)造成一定的影響,降低數(shù)據(jù)的可靠性。因此,在以后的改進(jìn)中,要針對(duì)以上情況對(duì)傳感器的封裝進(jìn)行改進(jìn),以減小外界環(huán)境因素對(duì)傳感器的干擾,提高傳感器的精確度。4植物莖流預(yù)標(biāo)定試驗(yàn)本文通過試驗(yàn)主要得出:1)應(yīng)用本研究所提出的方法和步驟能夠?qū)跓崞胶夥▊鞲衅鞯姆直媛?1×10-3g/min)、精度(±3%)、線性變化范圍(0.006~0.110g/m