常用植物茎流液流传感器对比

1. 文档目的

植物液流传感器常用于估算整株蒸腾耗水、评价植物水分胁迫、制定灌溉策略，以及研究根—茎—冠之间的水分运输。不同传感器采用不同的加热和测温方式，其输出量、适用流速范围、对植物的损伤程度和校准要求并不相同。

本文按照测量原理而非品牌进行比较，不把产品价格、外壳形式或厂商标称精度作为主要依据。文中的“较好”“一般”和“较差”均为条件性评价，不能替代特定植物、特定茎径和特定环境下的实测校准。

2. 比较前必须明确的概念

2.1 不同传感器测得的量不完全相同

常见输出包括：

  • 热脉冲速度；
  • 木质部液流速度；
  • 单位边材面积的液流密度；
  • 某一茎段或整株的体积/质量液流量；
  • 日累计耗水量。

热耗散法和多数热脉冲法首先得到局部边材的液流密度或速度。若要换算成整株液流量，还需要边材面积、径向液流分布以及测点周向代表性等信息。茎热平衡法通常直接估算被加热茎段的总液流量，但其能量平衡也会受环境散热、保温和接触状态影响。

2.2 “精度”不能用一个百分数概括

客观评价至少应区分：

  • 重复性：同一条件下重复测量的一致程度；
  • 相对变化准确性：能否可靠反映昼夜变化、水分胁迫和灌溉响应；
  • 绝对准确度：测量值与真实整株液流量的接近程度；
  • 低流速检测能力；
  • 高流速测量上限；
  • 反向液流识别能力；
  • 长期漂移和重新安装后的可比性；
  • 从局部探针结果外推到整株液流量的不确定性。

已有综合研究发现，不同液流方法之间以及同一种方法内部都存在较大差异；热耗散方法通常更适合监测相对变化，而经过合适校准的热脉冲方法更有潜力用于绝对液流定量。对具体茎段进行实测校准，一般比直接套用通用经验公式可靠。

3. 主要传感器类型

3.1 热耗散法（TD、TDP、Granier法）

原理

通常使用上下两根探针，其中一根持续加热，另一根作为参考。液流增强时，加热探针周围的热量被水流带走，两个探针之间的温差发生变化，再利用经验关系换算为边材液流密度。

适用植物

  • 中等或较大直径的木本植物；
  • 具有足够边材厚度、能够容纳探针的乔木和灌木；
  • 果树、人工林和森林样地中的长期连续监测。

细茎、薄边材、空心茎以及木质部结构高度不均匀的植物使用难度较大。若探针长度超过实际边材厚度，心材会参与温度平均并产生偏差。

适用环境与条件

  • 适合野外长期连续运行；
  • 连续加热功耗通常高于间歇式热脉冲法；
  • 需要良好的保温、防雨和太阳辐射屏蔽；
  • 通常需要确定每日或某一时段的零流温差基线。

在夜间仍持续蒸腾、土壤水分再分配明显、干旱区夜间液流不为零，或者根系存在反向液流时，零流假设可能造成系统误差。

植物损伤

需要钻孔并将探针插入边材，属于侵入式测量。通常为两孔结构，损伤程度低于三针或多针热脉冲系统，但仍会造成局部导管阻塞、伤口反应、树脂分泌或愈伤组织形成。

安装难度

结构和布线相对简单，但仍要求：

  • 两根探针平行；
  • 插入深度一致；
  • 探针与木质部紧密接触；
  • 正确判断边材深度；
  • 安装区充分遮光、保温和防水。

测量性能与局限

优点是结构简单、成本较低、数据连续，适合大规模布点和相对变化监测。主要局限包括：

  • 低流速灵敏度有限；
  • 通常不能可靠判断反向液流；
  • 依赖零流基线；
  • 通用经验公式可能不适用于所有物种；
  • 对径向液流不均匀、探针长度和边材厚度敏感；
  • 从单点液流密度外推到整株液流量时可能产生较大误差。

3.2 瞬态或循环热耗散法（TTD、CHD）

原理

在传统热耗散结构基础上周期性加热和停止加热，通过升温、降温或瞬态温度响应估算液流，减少持续加热时间。

主要特点

  • 平均功耗可低于连续热耗散法；
  • 可利用加热和冷却阶段的数据改善基线判断；
  • 对自然温度梯度的处理空间更大；
  • 控制和算法复杂度高于传统热耗散法；
  • 一个完整测量周期通常比连续温差测量更长。

该类方法是否优于传统热耗散法，取决于具体算法、加热周期、环境温度变化速度和校准方式，不能仅凭“瞬态”或“低功耗”名称判断准确度。

3.3 补偿热脉冲法（CHP、CHPM）

原理

在木质部中插入加热针及上、下游温度探针。加热针发出短时热脉冲，系统记录热量随液流移动后的温度响应，通过温差补偿时间或相关模型计算热脉冲速度。

适用植物与环境

  • 具有足够木质部厚度的木本植物；
  • 中等至较高液流速度条件；
  • 适合希望降低平均加热功耗的野外系统；
  • 可用于树干、较粗枝条和部分根系研究。

植物损伤

典型结构需要三个钻孔，侵入点多于双针热耗散法。探针周围的导管会受到钻孔和插针影响，因此通常需要进行伤口修正。

安装难度

对几何安装误差较敏感：

  • 三根针必须平行；
  • 针距必须准确；
  • 温度针和加热针的相对位置必须符合算法假设；
  • 钻孔偏斜会直接改变实际热传输距离。

测量性能与局限

补偿热脉冲法在中等液流条件下应用成熟，脉冲加热也有利于降低平均功耗。但传统补偿法在低流速下分辨能力有限，一般不适合可靠测量零流附近的小幅变化和反向液流。

3.4 热比率法（HRM）

原理

加热针位于上、下游温度针之间，两根温度针与加热针通常等距。加热后比较上、下游温升的比值，据此计算热脉冲速度。液流方向改变时，上下游温升关系也随之改变。

适用植物

  • 木本乔木和灌木；
  • 需要测量低液流的植物；
  • 可能发生反向液流的树干、枝条或根系；
  • 干旱区、夜间液流、水力再分配和根系吸水研究。

适用条件

HRM尤其适合：

  • 零流附近的小液流；
  • 夜间微弱液流；
  • 正向和反向液流识别；
  • 间歇测量和低平均功耗系统。

在很高液流速度下，上游温升可能非常小，信噪比和有效量程可能受到限制。因此HRM并不是所有流速范围内都优于其他热脉冲算法。

植物损伤

典型HRM为三针结构，需要三个钻孔。对植物的局部损伤通常高于双针热耗散法，但实际损伤还取决于针径、钻孔质量、测量时长、植物种类和伤口恢复能力。

安装难度

安装要求较高，主要包括：

  • 上下温度针与加热针的实际距离准确；
  • 三针平行；
  • 温度传感元件处于目标边材深度；
  • 避免钻孔过大或针与孔壁接触不良；
  • 对针距误差、探针偏斜和伤口影响进行修正。

测量性能与局限

HRM的主要优势是低流速和反向流能力。其绝对液流量仍依赖：

  • 热扩散率；
  • 木材含水状态；
  • 探针伤口修正；
  • 边材面积；
  • 边材径向液流分布；
  • 物种或茎段校准。

因此，HRM能输出带方向的热脉冲速度，并不意味着无需校准即可获得高准确度的整株液流量。

3.5 T-max热脉冲法

原理

加热针产生脉冲后，记录下游温度探针达到最大温升所需的时间，并根据峰值时间和针距估算热脉冲速度。

特点

  • 概念直观；
  • 对采样频率、峰值识别和噪声处理有较高要求；
  • 低流速下峰值出现较慢且不明显；
  • 高流速下峰值可能出现很快，需要更高时间分辨率；
  • 对实际针距和探针安装损伤敏感。

T-max适用范围取决于采样周期、传感器热惯性、加热强度和算法实现，不宜把某一仪器的量程视为该方法的通用量程。

3.6 单针及组合热脉冲法（SPHP、Dual等）

原理与目的

通过单根探针复用加热和测温功能，或组合不同热脉冲计算方法，以减少探针数量、扩大量程或改善低流速性能。

优点

  • 钻孔数量可能减少；
  • 机械安装和植物损伤有望降低；
  • 适合传感器小型化；
  • 具有低成本和低功耗部署潜力。

局限

  • 同一探针既加热又测温时，传感器自身热惯性影响更明显；
  • 可能需要较长的热恢复时间；
  • 算法、结构和标定尚未像经典方法一样统一；
  • 不同实现之间不能仅按“单针”名称直接比较。

3.7 热场变形法（HFD）

原理

连续加热在木质部形成温度场，通过轴向和切向布置的多支温度探针测量热场形状变化，估算液流方向和液流密度。

适用植物与场景

  • 中大型树木；
  • 边材较厚、需要研究径向液流分布的植物；
  • 低流速和反向液流研究；
  • 需要多个边材深度测量的森林生态项目。

优点

  • 可获得更丰富的热场信息；
  • 可研究边材径向液流剖面；
  • 具有低流速和方向识别能力。

局限

  • 探针数量较多；
  • 钻孔和接线复杂；
  • 功耗通常高于间歇热脉冲法；
  • 对自然温度梯度、探针位置和木材热特性敏感；
  • 数据处理和参数标定复杂；
  • 多探针增加了局部损伤和安装误差来源。

3.8 包裹式热平衡法（SHB）

原理

在茎外包覆加热器和温度传感器，通过输入热量、轴向传导热、径向散热及液流携带热量之间的能量平衡，计算通过整个茎段的液流量。

适用植物

  • 草本植物；
  • 农作物；
  • 藤本植物；
  • 幼苗、幼树和细枝；
  • 不适合插入多根探针的细茎。

植物损伤

通常不需要钻孔，因此从木质部穿刺角度看属于非侵入式或微损伤方法。但“非侵入式”不等于完全无影响。长期包裹可能造成：

  • 局部温升；
  • 表皮受压；
  • 水汽积聚；
  • 真菌或组织坏死；
  • 茎径生长受到限制。

安装难度

  • 必须选择与茎径匹配的传感器尺寸；
  • 加热器和传感器需紧密贴合茎表面；
  • 需要良好保温和环境屏蔽；
  • 安装后要检查茎生长和局部过热；
  • 茎径显著变化后需要重新安装。

测量性能与局限

其优势是能够直接估算整个被测茎段的总液流量，不必再由局部边材测点乘以边材面积。但在低流速时，液流带走的热量相对于轴向传导和环境散热较小，能量平衡误差可能明显增加。强风、太阳辐射、降雨和外界温度快速变化也会影响结果。

3.9 树干或扇区热平衡法（THB、TSHB）

这类方法将热平衡原理应用于较大树干或边材扇区，可用于中大型树木。与细茎热平衡法相比，其加热结构、绝热设计和功率需求更高，安装也更复杂。部分扇区式结构需要插入电极或温度探针，不能简单归为无损测量。

其主要优势是更接近直接测量某个树干截面或扇区的总液流，主要局限则包括：

  • 加热功率较大；
  • 结构复杂；
  • 环境热损失修正困难；
  • 扇区代表性和整树外推仍可能产生误差；
  • 不适合太阳能容量很小的低功耗节点。

3.10 外置热比率及其他外贴式热学方法（EHR等）

特点

加热器和温度传感器安装在茎表面，尽量避免向木质部钻孔，适合细茎、柔嫩茎或不允许穿刺的植物。

优点

  • 木质部直接损伤小；
  • 安装后可拆除；
  • 对珍稀植物和短期测量有吸引力。

局限

  • 树皮厚度和导热特性影响明显；
  • 传感器与茎表面的接触状态非常关键；
  • 受风速、太阳辐射和环境温度变化影响较大；
  • 厚树皮、大直径或表面不规则树干不一定适用；
  • 往往需要按植物种类、茎径和安装结构校准。

4. 核心横向比较

方法

典型适用对象

低流速能力

反向流

输出特点

植物损伤

功耗特征

连续热耗散TD/TDP*

中大型木本植物

一般至较弱

通常不能

局部液流密度

两孔侵入

连续加热，中等

瞬态热耗散TTD/CHD

木本植物

取决于算法

通常有限

局部液流密度

通常两孔侵入

间歇加热，较低

补偿热脉冲CHP

木本植物

一般

传统形式较弱

热脉冲速度

三孔侵入

脉冲加热，较低

热比率HRM*

木本植物、根和枝

较好

可以

带方向热脉冲速度

三孔侵入

脉冲加热，较低

T-max热脉冲

木本植物

一般

通常有限

热脉冲速度

通常两至三孔

脉冲加热，较低

单针热脉冲

细至中等木本茎

取决于实现

取决于算法

速度或密度

单孔侵入

较低

热场变形HFD

中大型树木

较好

可以

液流密度及径向分布

多孔侵入

连续加热，中高

包裹热平衡SHB*

草本、作物、藤本、幼茎

低流时可能较差

视算法而定

整个茎段液流量

不钻孔但可能积热压迫

连续加热，中高

树干/扇区热平衡

中大型树木

取决于结构

取决于算法

树干或扇区流量

中等至较高

较高

外置热比率EHR

细茎、珍稀或不宜钻孔植物

取决于接触和校准

可能

茎段液流估计

较低

取决于加热方式

*市场常见的植物液流传感器

表中的能力评价以方法的一般特性为依据。具体传感器的探针长度、加热功率、温度分辨率、采样频率和算法可能改变实际表现。

5. 不同应用场景的选择建议

5.1 草本作物、藤本和细茎植物

优先考虑尺寸匹配的包裹热平衡传感器或经过验证的外贴式方法。插针式传感器可能因茎径不足而破坏大比例的导水组织。

5.2 果树灌溉和水分胁迫监测

若重点是昼夜变化、灌溉响应和相对胁迫，可考虑热耗散法。若需要识别夜间低流、反向流或更可靠地计算绝对流量，可考虑HRM或其他经过校准的热脉冲方法。

5.3 成年乔木长期蒸腾监测

热耗散法结构简单，适合多点长期部署；热脉冲法可以减少平均加热功耗，并提供更丰富的低流速信息。无论采用哪种方法，大树都应考虑多方位、多深度测量，否则单点难以代表整个边材。

5.4 干旱区、夜间液流和水力再分配研究

优先考虑能够测量零流附近及反向液流的HRM或HFD。依赖夜间零流基线的传统热耗散法容易在此类条件下产生偏差。

5.5 大规模森林样地

如果预算、安装时间和通道数量是主要限制，热耗散法通常更容易规模化。但应通过抽样树种校准、多深度测量和质量控制来降低系统偏差。

5.6 珍稀植物或不允许钻孔的植物

可考虑外贴式方法或茎热平衡法，同时必须评估长期加热、包裹和压迫造成的间接损伤。若只需要短期趋势，也可使用茎径、水势、叶片气孔导度等非液流指标辅助判断。

5.7 太阳能供电的无人值守节点

应综合计算传感器加热、采集电路、存储、通信和待机功耗。脉冲加热通常比连续加热更适合低功耗节点，但如果DTU预热和通信耗电远大于传感器，加热方式并非唯一决定因素。

6. 常见误差来源

6.1 探针安装

  • 钻孔直径过大；
  • 探针未平行；
  • 实际针距偏离算法参数；
  • 插入深度不一致；
  • 探针与孔壁接触不良；
  • 钻孔产生木屑、空隙或导管堵塞。

6.2 植物结构

  • 边材与心材边界判断错误；
  • 环孔材、散孔材和针叶树的导水结构差异；
  • 径向液流分布不均匀；
  • 树干不同方位液流不同；
  • 木材空洞、腐朽、树脂和伤口组织影响。

6.3 热学参数

  • 热扩散率取值不准确；
  • 木材含水率随季节变化；
  • 树皮和木质部热学性质不同；
  • 传感器自身热容量和导热造成扰动。

6.4 环境条件

  • 自然温度梯度；
  • 太阳直射；
  • 风和降雨；
  • 日温快速变化；
  • 传感器保温层进水；
  • 线缆热传导和电磁干扰。

6.5 从局部测点外推到整株

局部液流密度即使测量准确，乘以一个不准确的边材面积或忽略径向、周向差异后，整株液流量仍可能出现明显误差。因此应把“探针测量误差”和“尺度外推误差”分别报告。

7. 校准与质量控制建议

  • 在可能的情况下，用切取茎段称重、整株称重或其他独立方法进行校准。
  • 对主要树种和主要茎径范围分别校准，不直接假定通用公式适用于全部植物。
  • 记录实际针距、插入深度、探针方位、边材厚度和安装日期。
  • 对侵入式热脉冲方法使用适当的伤口修正。
  • 在大直径树木上布置多个方位或多个边材深度。
  • 保留原始温度、温差或热比率数据，避免只存最终液流量。
  • 设置开路、短路、温升不足、温升饱和和异常基线等状态标志。
  • 定期检查保温、防水、探针松动和树干生长造成的机械变化。
  • 更换传感器或重新安装后，不应默认新旧数据完全连续。
  • 报告算法版本、参数、校准公式和无效数据剔除规则。

8. 综合结论

不存在对所有植物和场景都最优的液流传感器：

  • 热耗散法结构简单、易于规模部署，适合长期相对变化监测，但低流速、反向流和零流基线是主要限制。
  • 补偿热脉冲法适合中等液流，平均功耗较低，但传统形式对低流和反向流的适应性有限。
  • HRM适合低流速、夜间液流和反向流研究，但三针安装、针距误差、伤口修正和边材外推使其仍然需要严格校准。
  • HFD可以提供更丰富的径向和方向信息，但安装、功耗和数据处理复杂。
  • 茎热平衡法适合草本和细茎植物，能够直接估算整个茎段流量，但低流时的能量平衡、环境散热和长期包裹影响不可忽略。
  • 外贴式方法降低了钻孔损伤，但对表面接触、树皮、环境温度和物种校准更加敏感。

选择传感器时，应先明确研究目标是“观察相对变化”还是“获得绝对耗水量”，再根据植物尺寸、液流范围、是否存在反向流、允许损伤程度、供电条件和校准能力做出选择。任何脱离植物类型、安装质量和校准条件的单一“精度指标”，都不适合作为客观选型依据。

9. 主要参考资料

查看更多相关内容

常用植物茎流液流传感器对比
[更多内容]