恒美智造茎流计、植物茎流测定仪｜知识图谱与技术手册

一、树干里的水，往上走多快

一棵成年树一天用掉多少水，这个问题看着简单，答起来不容易。整株连盆称重是准的，可只能用在盆栽与幼树上；大树挖不出来，也搬不上秤。同位素标记能追水的去向，但一次标记只能出几个点，价钱还不低。剩下的一条路是从树干里下手：水往上走，必然从木质部通过，只要量出通过的速度，再乘上通道的截面，一天的水量就有了。这条路上量出来的数不是蒸腾，是茎流；两者在白天接近，在夜里和雨天要分开看。

茎流与蒸腾为什么会分开。水从根上来，到叶片气孔散出去，中间有一段储在树干与枝条里。清晨气孔刚开、水还没上来，茎流小于蒸腾，差额由树体储水补；午后气孔半关，蒸腾降下来，茎流还在往上走，多出来的水又存回去。一天算总账，两者差不太多；要算到小时，就得把储水这一项单独拿出来。做水分生理的人清楚这一条，做灌溉管理的人常常忽略，算出来的日耗水偏大，灌水量跟着偏多。所以报数据的时候，宜把茎流与估算蒸腾分成两列，各标各的口径，别合成一个数交给下游。

恒美智造的这台属于探针式这一类，型号 HM-JL01，一个主机带一对针。这个品类的叫法很杂：按对象叫植物茎流测定仪，按做法叫探针式植物茎流测量仪，按设备叫植物茎流计，按量叫茎流量测定仪，按整机叫茎流计，说的都是同一件事——把针插进树干，量水走多快。叫法不同，买的时候要问的却是同一句：针插多深、一台管几个点、数据怎么倒出来。这三个问题问清，名字怎么叫都不影响选型。这五种叫法在招标文件里常常混着出现，写参数时按一种写、后面括号注上别名，评审才不会认错。

表1 一棵树喝多少水，三条路各有短处

表注：茎流法换来的是连续，不是全准；一棵树一天的水，靠一小时一点连起来。

二、两根探针，一个温差

做法来自热消散法，上世纪八十年代由法国学者提出，后来成了国际上常用的一套。核心是两根针：上面一根缠着电阻丝，通上恒定电流，自己发热；下面一根不加热，只做参照，温度跟着周围边材走。两根针相隔十到十五厘米，都插进边材，也就是树里真正输水的那一层。水在流，就把上针的热量带走了，两针温差变小；水不流，热量散不掉，温差就大。温差的大小，反过来就是流速的快慢。

温差要变成一个能比的数，中间隔着一道归一化。夜里气孔关着，水几乎不动，这时候两针温差达到当天的高点，记作基准；白天的温差与基准一比，得到一个无量纲的系数，再由这个系数算出液流密度。这一步的道理不难，难在基准每晚都在变：土壤温度、树干含水量、天气，都会让它漂一点。所以基准不能一次定死，要按夜更新；不更新，一场雨过后整条曲线都抬起来，看着像树突然喝了很多水。更新基准这件事，宜写进操作手册的日常项，像记天气一样每天记一笔；记上三个月，哪天的数据有问题，翻本子就知道。

针本身的讲究也不少。针长三十三毫米，这个长度是按常见树种边材厚度定的：太短够不到输水层，太长会顶到心材。针体用不锈钢，外面裹一层 Teflon 涂层，一是防氧化，二是插拔时少带伤边材。温度用 T 型热电偶测，直接接到分析仪上，中间不加放大器，为的是少一层漂移。恒美智造随箱给一套专用钻孔工具，孔径与针径配合，孔打歪了针就贴不实，贴不实的针，读数一直偏低。涂层这层东西看不见，磨掉了也照样能插，只是数据开始慢慢漂；等到发现的时候，往往已经漂了一个月。

表2 上针加热、下针参照，温差怎么变成流速

表注：末一步靠夜间大的温差做基准；基准错了，白天每一分钟都跟着错。

三、液流密度、日累计、整树耗水：三个词

瞬时液流密度是基础的一个数，单位是单位边材面积在单位时间里通过的水量，常用毫升每平方厘米每小时，也有用厘米每立方厘米每分钟的，看软件怎么标。它反映的是此刻水走得多快，适合看一天之内的起伏：几点开始上升、午间有没有回落、傍晚什么时候停。这个数不能直接拿去比两棵树，因为两棵树的边材面积不一样，密度相同，实际水量差得远。

日累计是把一天之内的瞬时值按采样间隔加起来，单位换成升或者毫米。这个数用来比日、比月、比处理，做灌溉试验的人常拿它当因变量。累加的精度取决于采样间隔：设成一分钟，一天一千四百多个点，曲线平滑；设成三十分钟，一天不到五十个点，午间那个回落的尖就抓不住。间隔不是越小越好，卡容量与电池都有限，常见做法是平时十分钟、关键期一分钟。间隔换档要记在本子上；哪天从十分钟改成了一分钟，累加的时候要按段分开算，不能直接相加。

单株耗水是第三个词，仪器不给，要自己算：液流密度乘上边材面积。边材面积看着好算，其实要破坏性取样——用生长锥在胸高处取一根木芯，量出边材厚度，再按圆环面积公式算。一棵树取一次，取完把孔封上。不取木芯，就只能停在密度上，报出去的是相对值；审稿人一问一棵树一天多少升，答不上来。恒美智造在方案模板里把这一步单列成一行，提醒用户别把密度当成水量。边材面积这一项，一棵树取一次就够；同一株第二年可以按胸径的增长估出来，估出来的数在表上标个估字。

表3 三个词，从一分钟到一棵树

表注：第三个词不是仪器给的；边材面积要取木芯量，不量就只能停在密度上。

四、一个型号，单通道怎么铺点位

HM-JL01 就一个型号，两万五含标准配置：主机、一对探针、钻孔工具、电池、充电器、存储卡、软件与说明书。参数不复杂：测量指标是瞬时液流密度，单通道，采样间隔一到九十九分钟可调，存储 2GB，显示屏 320 乘 160，8.4V 可充锂电池，也可以改接太阳能板，工作温度 10 到 60 摄氏度，湿度 0 到 很高RH。参数表不长，但每一条都对着一个使用场景。恒美智造把这台机器的配置按整机报，加一台就是加一套，配件清单列在报价单背面，没有藏在别处的项。

单通道这三个字要先说清：一台主机只能接一对针，也就是一个点位。要看四棵树，要么买四台，要么一台轮着插——轮着插的代价是每换一次点位，就要等半天让温差稳定，前后数据接不上。所以做样木观测的课题组，通常按点位买台数，一棵样木一台，主机挂在树干上，一个月取一次卡。恒美智造在报价时按台数算，不按套数打包，用户想加一台就加一台，不必重谈整批。这一条在比价的时候常常被忽略：两台机器报价差不多，一台能接四对针、一台只能接一对，价差其实差在这里。

2GB 能存多久，算一下就清楚。按十分钟一个间隔，一天一百四十四组，一组数据连同时间戳和温度，算它一百字节，一天不到十五千字节；一季九十天，不到一点五兆。这个容量足够放好几年的高频数据，所以卡不是瓶颈，电池才是。8.4V 锂电池在常温下能撑十几天，气温降到十度以下掉得快；野外超过两周没人去的点位，建议直接接太阳能板，或者按两周一次的节奏换电池。所以配套件里电池要按两块备，一块在跑一块在充；山上没人守的点位尤其如此，一块顶不到下次上山，数据就断了。

表4 HM-JL01 的账面

表注：单通道是一台管一个点位；要同时看四棵树，得配四台，或者轮着插。

五、钻孔、插针、封泥、取数：六个动作

头两步是选样木与量尺寸。样木要选生长正常、无病虫害、树干通直的，避开林缘木与被压木，这两类树的液流本来就不典型。选定后量胸径，再用生长锥在计划装针的位置取一根木芯，量边材厚度；边材厚度决定针插多深，一般插到边材厚度的一半到三分之二，插太浅只碰到外层，插太深顶到心材。尺寸记在点位表上，以后重插才有依据。样木定下来之后，编号要刻在小铝牌上钉在树干，别用纸标签，一场雨就糊得看不清，第二年重插针找不着是哪一株。

中间两步是钻孔与插针。钻孔用随箱的专用工具，孔要正、要直、要与树干表面垂直，孔深比插入深度多两三毫米；打完孔立刻插针，孔放久了会氧化，针插进去接触不良。上下两针相距十到十五厘米，同一方位，都装在北面或东面，避开午后直晒的那一侧。插好后用密封胶把针孔封住，不留缝；雨水顺树皮渗进去，参照针的温度就跟着变，数据一夜之间就乱。孔打完到插针之间不要超过一分钟；边材一暴露在空气里，表面很快就氧化，针贴上去等于隔了一层膜。

末两步是接线与取数。上针的加热线接主机加热口，两针的热电偶线接信号口，线要顺着树干往下走，留一段余量给树长粗；线绷直了，树一长就把接头扯断。主机挂在背阴面，用绑带固定，屏幕朝下防雨。取数按周或者按月，取的时候顺手看一眼夜里的基准有没有正常抬起来，抬不起来多半是针松了或者进了水。六个动作里，封孔与固定这两样看着琐碎，出问题却都出在这两样上，恒美智造在培训时把这两样单列出来讲。取数的时候顺手把当天的天气记一行，晴天、阴天、雨天分开标；后面解释曲线为什么突然掉一截，这一行比参数直接。

还有一件收尾的事：针不能留在树里过冬。北方冬季冻融反复，树体膨缩会把针顶松，针体也容易被冻胀挤弯；第二年开春再想用，这支针基本报废。正确做法是落叶后取针、封孔、登记，把针擦干净涂一层薄油收进盒里。恒美智造在说明书里把收针写在末了一页，很多人翻不到，第二年补针的时候才想起来。这一条在北方尤其要紧；冻土层里的针，一个冬天就能锈死，第二年想拔都拔不出来，只能在旁边重新打孔，位置一偏就接不上。

六、茎流曲线能说明什么

头一个用处是看一天之内的节奏。正常的曲线有天亮后快速上升、上午十点到十一点达到高点、午间略微回落、傍晚缓慢下降这么几个段落。午间那个回落很有信息量：气温高、水汽压差大，气孔半关着自保，茎流跟着下来；回落的深浅，能反映这棵树当时的受旱程度。灌溉试验里常拿这个回落的幅度做指标，比只看日累计细。回落的深浅还与土壤水分有关：土干的时候回落来得早、幅度也大，土湿的时候只是轻轻一顿，几乎看不出。

第二个用处是看连日的变化。灌了一次水，第二天曲线整体抬高、峰值提前；连续干旱，峰值一天比一天低，起涨时间往后推。把这些变化与土壤含水率、气象数据叠在一张图上，能看出这棵树对水的响应有多快。做果园管理的人喜欢这个用法：不用等叶片萎蔫，看曲线什么时候开始压下去，就知道该浇水了。恒美智造在软件里预置了叠加视图，把灌水日期画成竖线，一眼能对上。灌水记录的日期要准，记成昨天下午不如记成具体几点，叠在曲线上才看得出响应有多快。

第三个用处是往林分尺度推。一片林子不可能每株都装针，常规做法是选若干样木，按径级分层，量出每层的平均液流密度与边材面积，再乘上各层的株数，加权求和。这一步的误差主要来自边材面积，不是来自茎流本身；样木选得偏，推出来的林分耗水就偏。所以样木要按径级分布抽，不能图省事全挑大树。这条经验写在很多林业水分研究的方法里，选型时也该问一句厂家的方案模板有没有分层。分层这件事宜在选样木之前就定好；选完再回头分层，常常发现某一层一株也没有，只能补选，补选的树又赶不上同一批。

边界也要说清，恒美智造在方案里把这一句印在参数表下面。茎流测的是树干那一段的通过量，冠层的截留、枝条的蒸腾、树皮的蒸发，都不在这个数里；换算成蒸腾时，通常按树干茎流占全株蒸腾的九成上下估。这个比例随树种、年龄、天气变，不是一个固定系数。所以报数据时把口径写明：报的是茎流，还是估算的蒸腾，两者不能混着说。写清楚这一句，比多测十个点位更能让数据站得住。报数据的时候把口径写在表头：茎流是茎流，蒸腾是蒸腾，两列不能互相替代；写清楚了，别人拿去用才不会算错。