[实用新型]一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。

背景技术

植物的生长离不开水，水在植物-大气-土壤中进行循环，一方面保证了植物的生命活动，维持了生态的平衡和发展，另一方面也是生命活动的结果。

我国是水资源十分匮乏的农业大国，农业用水量占总耗水量的70％，因此在保证农业稳产、高产的前提下，大力发展节水灌溉实现水资源的合理利用，变丰水高产为节水高产，是一项十分紧迫而重要的任务。

长期以来，人们把土壤含水量或大气的相对湿度作为控制农作物灌溉的指标，但它毕竟是一个间接指标，对反映作物的缺水比较迟钝、滞后，且精度低。因此科研人员一直在寻求一种植物生理需水信息作为反映植物缺水的直接指标，以便得到比较灵敏、迅速和精确的信息。有了可靠的需水信息，就能做到在植物需水时，及时、适度地灌溉，这是节水灌溉控制系统设计的基础。

植物从土壤中吸收水分，同时又向大气中蒸发水分，植物体内的水分以气态散失到大气中的过程，称为蒸腾作用。通常植物从土壤中吸收的水分绝大部分以蒸腾的方式散失，约占总耗水量的99.8％。为了实现节水灌溉，必然要涉及到作物蒸散量的测定，在许多情况下要求将作物总蒸散量分解为蒸腾与蒸发两部分。一般认为作物的蒸腾是完成作物正常生理过程所必需的，而农田蒸发过程只是作物蒸腾过程中伴随的不可避免的无效水分损失。单纯蒸腾的测定是比较困难的，现有的实际测定农田水分消耗的方法，诸如水量平衡法，能量平衡波文比发，称重式蒸渗仪法以及涡度相关法都只能测定农田蒸散总量，而无法将之分解为蒸腾与蒸发两部分。

由于植物蒸腾作用引起的茎内液流的上升，称之为茎流。茎流量等于茎流速度与植物导管面积的乘积。因此通过测定植物的茎流速度就可以得出植物的蒸腾量，从而为植物-大气-土壤连续系统提供一种水分测量的方法；茎流作为一种水分生理指标，比土壤水分更适用于监视作物的生理过程，指导农田精量灌溉。

目前对植物茎流的测定方法有重量法及热量法等许多种。热量法是利用安装在植株茎部的热源发生器和探测器测定茎流的方法。热量法茎流测试技术可根据测量原理分为两大类别：热波速法和热平衡法。

一是热波速法(Heat Plus Velocity)，其基本原理是：向电加热元件通以短暂即逝的电流，产生热脉冲波动，在加热点的上或者下游放置温度检测元件，记录茎秆监测点处的温度变化曲线，根据热力学的扩散模型，推导液流速度及液流量。根据不同的检测方法以及扩散模型，又分为热脉冲法、热扩散法和热场变形几种。此类方法在检测过程中，热源和检测元件均需侵入植物茎内。其不足之处在于：1)要在植物的茎部打孔以便放入热源和检测装置；改变了植物本身的茎流状态；2)在安装的时候很容易使得加热器和探针不能够很好的对准，从而影响测量结果；3)加热的过程中可能导致木质部失去活性，从而影响测的结果的准确性。

另一种是热平衡法(Thermal Heat Balance)，其工作原理是：向电加热元件通以稳定持久的电流，产生持久的热量输入，输入热量会被流动的茎液带走，同时还会像周围空间辐射，根据热扩散的模型，计算出被茎液带走的热量和向周围空间扩散的热量。根据茎液带走的热量等可以推算出茎秆内液体流速和流量。根据热加热元件和温度检测元件放置的位置不同，又分为树干热平衡法和茎热平衡法。其中树干热平衡法是要将加热元件和检测元件侵入树干的内部；而茎热平衡法为非侵入式，把加热元件和检测元件放置在植物茎的表面。此类方法的除了具有上面所述方法的不足之处外，还要进行茎流速度为零时的扩散模型校正。而何时茎流速度为零，只能根据经验判断，一般认为破晓之处或者雨后之时的茎流量为零，另外在测量的结果受外部环境变化的影响。

目前热脉冲植物茎流测量产品全部为进口产品，在国内市场上主要由：格林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合研制开发的SF系列茎流传感器，澳大利亚ICT公司产的HRM热比率法茎流探头。其特点：首先：采用的方法是通过测量测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对热波动速度进行二次三项式或三次三项式回归和修正，才能获得茎流流速。其次：现有的产品主要适用于果林等木本植物。测定草本植物存在烧伤茎秆的问题，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决；另外，加热元件和测温结点因为要插入植物茎秆内，所以对微小茎秆，会造成植物微小茎秆损伤；进口产品价格昂贵。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于激光热脉冲的无线植物茎流检测装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：