專利名稱：一種便攜式樹木蒸騰測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物蒸騰耗水測定領(lǐng)域，特別涉及一種便攜式樹木蒸騰測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
水資源短缺已經(jīng)成為世界性的問題。植物蒸騰耗水測定是研究植物抗旱特性、節(jié)水農(nóng)業(yè)、節(jié)水林業(yè)及生態(tài)環(huán)境的重要手段。植物蒸騰耗水測試的儀器主要采用國外進(jìn)ロ的多種光合測定儀器，儀器價格昂貴，實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜，測試成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種造價低廉、簡單實(shí)用的便攜式樹木蒸騰測量裝置，以及基于該測量裝置的測量方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。(I) 一種便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，包括ー個透明的水平圓柱狀葉室盒，葉室盒的ー側(cè)設(shè)置有密封門，葉室盒內(nèi)設(shè)置水平隔離網(wǎng)，葉室盒的上方設(shè)置有伸入盒內(nèi)的濕度傳感器和溫度傳感器，濕度傳感器和溫度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線連接一數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集盒內(nèi)濕度和溫度數(shù)據(jù)，計算并輸出樹木蒸騰測量數(shù)據(jù)。上述技術(shù)方案的技術(shù)特點(diǎn)和進(jìn)ー步改進(jìn)在于所述葉室盒的直徑為10cm-20cm,長度為25cm_35cm。所述葉室盒采用透明有機(jī)玻璃制成。所述密封門為卡槽式推拉門，推拉門上設(shè)置有橡膠或者硅膠密封條。所述水平隔離網(wǎng)采用鐵絲網(wǎng)。 所述數(shù)據(jù)處理器為筆記本電腦。所述濕度傳感器的測量精度控制在±2%以內(nèi)，測量響應(yīng)時間彡5s。(2) 一種樹木蒸騰測量方法，基于上述便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在干，包括以下步驟首先，將枝葉伸入葉室盒內(nèi)，關(guān)閉密封門；其次，數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集葉室盒內(nèi)的相対濕度和溫度，數(shù)據(jù)采集時間為30-60 秒，通過公式U = D1ZD2X 100%，反求出絕對濕度值，即為單位容積的累積蒸騰量，其中， U-相対濕度(RH%)辦-絕對濕度(g*L) ;D2-相應(yīng)溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度(g*L)； 采用冪函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率E (g いs—1)，然后，忽略氣壓和風(fēng)對蒸騰速率的影響，葉面蒸騰速率Pr = E*V/SPr-葉面蒸騰速率，(g JiT2 sベ)；E-單位容積的蒸騰速率(g L s-1) ；V-葉室盒體積(L) ; S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2)；
最后，通過葉面積儀測定枝葉葉面積和整樹葉面積，即可反推整樹蒸騰速率Pr/S = TPr/Ts Pr葉面蒸騰速率(g · πΓ2 · s-1) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2) ；Tpr-樹蒸騰速率， (g · m_2 · s—1) ；TS-整樹葉面積(m2)。上述技術(shù)方案中，優(yōu)先的數(shù)據(jù)采集時間為30-60秒。(3) 一種樹木蒸騰測量方法，基于上述便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，包括以下步驟首先，將枝葉伸入葉室盒內(nèi)，關(guān)閉密封門；其次，數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集葉室盒內(nèi)的相對濕度和溫度，數(shù)據(jù)采集時間不小120 秒，通過公式U = VD2X 100%，反求出絕對濕度值，即為單位容積的累積蒸騰量，其中， U-相對濕度(RH%)辦-絕對濕度(g*L) ;D2-相應(yīng)溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度(g*L)； 采用三次方函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率E (g · L · s—1)；然后，忽略氣壓和風(fēng)對蒸騰速率的影響，葉面蒸騰速率Pr = E*V/SPr-葉面蒸騰速率，(g · πΓ2 · s-1) ；Ε-單位容積的蒸騰速率(g · L · s-1) ；V~葉室盒體積(L) ; S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2)；最后，通過葉面積儀測定枝葉葉面積和整樹葉面積，即可反推整樹蒸騰速率Pr/S = TPr/Ts 葉面蒸騰速率(g · πΓ2 · S-1) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2) ；Tpr-樹蒸騰速率， (g · m_2 · s—1) ；TS-整樹葉面積(m2)。上述技術(shù)方案中，采用三次方函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行分段線性擬合，尋找最佳擬合點(diǎn)，然后在最佳擬合點(diǎn)的前后取30-60秒的累積蒸騰量數(shù)據(jù)，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率E (g · L · S-1)。本發(fā)明的便攜式樹木蒸騰測量裝置，主要包括葉室盒、溫度傳感器、濕度傳感器和數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器為筆記本電腦，葉室盒為直徑10cm-20cm，長度25cm-35cm的透明圓柱狀。整個裝置簡單小巧，容易便攜，造價低廉、簡單實(shí)用。本發(fā)明的測量原理科學(xué)，測量方法簡單，設(shè)備投入低。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明的一種便攜式樹木蒸騰測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為葉室盒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為卡槽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為推拉門的結(jié)構(gòu)示意圖；圖I-圖4中1、葉室盒；101、盒體；102、水平隔離網(wǎng)；103、密封門；104、卡槽； 105、推拉門；2、溫度傳感器；3、濕度傳感器；4、數(shù)據(jù)線；5、數(shù)據(jù)處理器。圖5為密閉容器葉片累積蒸騰量的冪函數(shù)模型曲線圖；圖6為密閉容器葉片累積蒸騰量的三次方函數(shù)模型曲線圖7為8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)測定累積蒸騰量的冪函數(shù)曲線圖；圖8為8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)測定累積蒸騰量的三次方函數(shù)曲線圖；圖5-圖8中橫坐標(biāo)為時間,單位為秒(S);縱坐標(biāo)為累積蒸騰量,單位為(g *L)。圖9-圖13分別為冪函數(shù)模型下8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)測定的前30s到前 60s不同時間段進(jìn)行數(shù)據(jù)線性擬合的曲線圖，其中橫坐標(biāo)為時間，単位為秒(s);縱坐標(biāo)為累積蒸騰量，單位為(g*L)。圖14-圖18分別為三次方函數(shù)模型下8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11 點(diǎn)、12點(diǎn)測定的蒸騰速率函數(shù)和蒸騰速率變化率函數(shù)的曲線圖，其中橫坐標(biāo)為時間，単位為秒(s);主縱坐標(biāo)為蒸騰速率，單位為(g L s—1),副縱坐標(biāo)為蒸騰速率變化率,無單位。圖19-圖23分別為三次方函數(shù)模型下8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)測定不同穩(wěn)態(tài)時間段進(jìn)行數(shù)據(jù)線性擬合的曲線圖，橫坐標(biāo)為時間，単位為秒(S);縱坐標(biāo)為累積蒸騰量， 單位為(g U。圖24為本發(fā)明的便攜式樹木蒸騰測量裝置(又名DMT-D動態(tài)測定儀)與光合儀的測量數(shù)據(jù)對比圖，其中橫坐標(biāo)為時間，単位為小時(h);縱坐標(biāo)為蒸騰速率，單位為 (g * ia2 * S-1)。
具體實(shí)施例方式參照圖1，為本發(fā)明的一種便攜式樹木蒸騰測量裝置，主要包括葉室盒I、溫度傳感器2、濕度傳感器3和數(shù)據(jù)處理器5。其中。葉室盒I為透明的水平圓柱狀，葉室盒I的一側(cè)設(shè)置有密封門，用于伸入帶葉的枝條。葉室盒I的上方設(shè)置有伸入盒內(nèi)的濕度傳感器 3和溫度傳感器2，濕度傳感器3和溫度傳感器2分別通過數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)處理器5，數(shù)據(jù)處理器5采用筆記本電腦實(shí)現(xiàn)其功能，實(shí)時采集盒內(nèi)濕度和溫度數(shù)據(jù)，計算并輸出樹木蒸騰測量數(shù)據(jù)。其中，濕度傳感器3的測量精度控制在±2%以內(nèi)，溫度傳感器的精度控制在 ±1%。測量響應(yīng)時間< 5s，以保證測量精度；本實(shí)施例采用溫濕度傳感器，其濕度測量范圍:0-100% rh，溫度測量范圍:0-100°C，濕度測量精度:±2% rh，溫度測量精度為:±1% K，測量響應(yīng)時間為5s。參照圖2，為葉室盒的具體結(jié)構(gòu)，該盒體101采用透明有機(jī)玻璃制成，以保證被測量葉片能夠繼續(xù)產(chǎn)生光合作用，其直徑為15cm，長度為30cm。密封門103為卡槽式推拉門， 其中卡槽104如圖3所示，推拉門105如圖4所示，并且上推拉門105設(shè)置有橡膠或者硅膠密封條，密封條厚度即可。密封條主要防止葉片蒸發(fā)的水汽泄露出葉室，I。盒體 101內(nèi)設(shè)置水平隔離網(wǎng)102，水平隔離網(wǎng)102為鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)距離葉室盒頂部為5cm，被測定的樹葉或者帶葉的小枝條在放入葉室盒時，位于水平隔離網(wǎng)下方，防止直接接觸傳感器， 并對測量枝葉起到固定的作用。本發(fā)明的便攜式樹木蒸騰測量裝置的測量方法基于以下測量原理。蒸騰是水氣分子從葉肉細(xì)胞間隙通過氣孔向空氣中擴(kuò)散的過程，其結(jié)果使葉片周圍的空氣濕度増加；發(fā)明人認(rèn)為，在一定空間內(nèi)，只要測得葉片周圍一定體積的空氣中在一定時間內(nèi)相對濕度的變化，即可求得葉片蒸騰速率。但是，在測量過程中需要克服以下問題(I)由于葉片蒸騰使得密閉空間內(nèi)空氣濕度増大，抑制蒸騰速率，需要確定葉室盒內(nèi)濕度増大造成蒸騰速率下降的臨界時間，即找到濕度増大對葉片蒸騰影響最小的時段，這個時段稱為穩(wěn)態(tài)。換言之，穩(wěn)態(tài)是蒸騰速率比較穩(wěn)定或基本不變的狀態(tài)。(2)利用穩(wěn)態(tài)時的測量數(shù)據(jù)，建立濕度與蒸騰速率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。本發(fā)明在測量植物蒸騰速率的過程中，通過現(xiàn)有的濕度傳感器直接獲取密閉空間的相対濕度數(shù)據(jù)，通過公式U = D1ZD2X 100% (U-相対濕度(RH% ) ;D「絕對濕度(g L)； D2-相應(yīng)溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度(g L))，反求出絕對濕度值，即每單位容積的氣體所含水分的重量，也代表單位容積的累積蒸騰量。單位容積的累積蒸騰量的瞬時變化率， 即為單位容積的蒸騰速率E (g L S-1)。忽略氣壓和風(fēng)對蒸騰速率的影響，葉面蒸騰速率Pr = E*V/SPr-葉面蒸騰速率，(g JiT2 s-1) ；E-單位容積的蒸騰速率(g いs-1) ；V-葉室盒體積(L) ; S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2)。(3)葉面蒸騰速率的測定屬于局部測定，通過葉面積儀測定枝葉葉面積和整樹葉面積，即可反推整樹蒸騰速率Pr/S = TPr/TsPr-葉面蒸騰速率(g JiT2 S-1) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2) ；Tpr-樹蒸騰速率， (g m_2 s—1) ；TS-整樹葉面積(m2)。本發(fā)明中，葉室盒體積V(L)為固定值，葉室盒內(nèi)葉面積S(m2)采用葉面積儀測量， 其關(guān)鍵在于確定E-単位容積的蒸騰速率(g L s—1)。發(fā)明人經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)采集和分析發(fā)現(xiàn)，假設(shè)溫度和壓カ不變的情況下，葉室盒內(nèi)累積蒸騰量與測定時間為非線性函數(shù)模型，并尋找到了兩種非線性函數(shù)模型，分別為冪函數(shù)I = Xa(y-累積蒸騰量(g L) ;x-測定時間(S))和三次方函數(shù)y = ax3+bx2+cx+d, (y_累積蒸騰量(g*L) ;x-測定時間(s) ;a、b、c、d為系數(shù))。如圖5冪函數(shù)模型曲線和圖 6三次方函數(shù)模型曲線所示。根據(jù)圖5、圖6觀察可知，蒸騰速率達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間段，一般持續(xù)時間為30s到60s。下面分別以冪函數(shù)模型和三次方函數(shù)模型說明單位容積的蒸騰速率E (g L S-1) 的計算方法。一、冪函數(shù)模型法由圖5觀察可見，冪函數(shù)模型中，穩(wěn)態(tài)時所處時間段主要位在測定時間的靠前時段。穩(wěn)態(tài)位置從Os開始取定，持續(xù)時間取30s到60s，也即冪函數(shù)模型曲線對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)時間段，該穩(wěn)態(tài)時間段內(nèi)采集的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，根據(jù)上述有效數(shù)據(jù)對冪函數(shù)y = Xa進(jìn)行線性擬合。以8月23日米脂盆栽實(shí)驗(yàn)為例，天氣為典型睛天，在整8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12 點(diǎn)時間進(jìn)行局部枝葉濕度計測定。圖7為8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)、12點(diǎn)測定累積蒸騰量的冪函數(shù)擬合曲線，在進(jìn)行冪函數(shù)y = Xa的最小二乗法線性擬合中，其決定系數(shù)R2值均大于 0. 94，并符合圖5中冪函數(shù)模型。對不同測定時間點(diǎn)，每次測量的前30s到前60s不同時間段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合 (圖8-圖12所示)，其最大決定系數(shù)R2所對應(yīng)的持續(xù)時間段即為最佳擬合時間段。最佳擬合時間即是要尋找的穩(wěn)態(tài)時間段，如表I所示。表I不同測量時間的穩(wěn)態(tài)時間段
權(quán)利要求
1.一種便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，包括一個透明的水平圓柱狀葉室盒，葉室盒的一側(cè)設(shè)置有密封門，葉室盒內(nèi)設(shè)置水平隔離網(wǎng)，葉室盒的上方設(shè)置有伸入盒內(nèi)的濕度傳感器和溫度傳感器，濕度傳感器和溫度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線連接一數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集盒內(nèi)濕度和溫度數(shù)據(jù)，計算并輸出樹木蒸騰測量數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述葉室盒的直徑為 10cm_20cm,長度為 25cm_35cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述葉室盒采用透明有機(jī)玻璃制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述密封門為卡槽式推拉門，推拉門上設(shè)置有橡膠或者硅膠密封條。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述水平隔離網(wǎng)采用鐵絲網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理器為筆記本電腦。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，所述濕度傳感器的測量精度控制在±2%以內(nèi)，測量響應(yīng)時間< 5s。
8.—種樹木蒸騰測量方法，基于權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，包括以下步驟首先，將枝葉伸入葉室盒內(nèi)，關(guān)閉密封門；其次，數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集葉室盒內(nèi)的相對濕度和溫度，數(shù)據(jù)采集時間為30-60秒，通過公式U = D1ZiD2 X 100%，反求出絕對濕度值，即為單位容積的累積蒸騰量，其中，U-相對濕度(RH% )辦-絕對濕度(g*L) ;D2-相應(yīng)溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度(g*L);采用冪函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率 E(g · L · S-1),然后，忽略氣壓和風(fēng)對蒸騰速率的影響，葉面蒸騰速率Pr = E*V/SPr-葉面蒸騰速率，(g · m_2 · s-1) ；E-單位容積的蒸騰速率(g · L · s-1) ；V-葉室盒體積 (L) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2)；最后，通過葉面積儀測定枝葉葉面積和整樹葉面積，即可反推整樹蒸騰速率Pr/S = TPr/TsP「葉面蒸騰速率(g ·πΓ2 *s_1) ;s-葉室盒內(nèi)葉面積(m2) 樹蒸騰速率，(g ·πΓ2 *s_1)； Ts-整樹葉面積(m2)。
9.一種樹木蒸騰測量方法，基于權(quán)利要求I所述的便攜式樹木蒸騰測量裝置，其特征在于，包括以下步驟首先，將枝葉伸入葉室盒內(nèi)，關(guān)閉密封門；其次，數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集葉室盒內(nèi)的相對濕度和溫度，數(shù)據(jù)采集時間不小120秒，通過公式U = D1ZiD2 X 100%，反求出絕對濕度值，即為單位容積的累積蒸騰量，其中，U-相對濕度(RH% )辦-絕對濕度(g*L) ;D2-相應(yīng)溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度(g*L);采用三次方函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率 E(g L s—1)；然后，忽略氣壓和風(fēng)對蒸騰速率的影響，葉面蒸騰速率 Pr = E*V/SPr-葉面蒸騰速率，(g m_2 s-1) ；E-単位容積的蒸騰速率(g いs-1) ；V-葉室盒體積 (L) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2)；最后，通過葉面積儀測定枝葉葉面積和整樹葉面積，即可反推整樹蒸騰速率Pr/S = TPr/TsP「葉面蒸騰速率(g *m-2 *s_1) ;S-葉室盒內(nèi)葉面積(m2) 樹蒸騰速率，(g *m-2 *s_1)； Ts-整樹葉面積(m2)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樹木蒸騰測量方法，其特征在于，采用三次方函數(shù)模型對累積蒸騰量數(shù)據(jù)進(jìn)行分段線性擬合，尋找最佳擬合點(diǎn)，然后在最佳擬合點(diǎn)的前后取30-60秒的累積蒸騰量數(shù)據(jù)，計算線性擬合系數(shù)E，即為單位容積的蒸騰速率E (g L S-1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及植物蒸騰耗水測定領(lǐng)域，公開了一種便攜式樹木蒸騰測量裝置及其測量方法。該便攜式樹木蒸騰測量裝置，包括一個透明的水平圓柱狀葉室盒，葉室盒的一側(cè)設(shè)置有密封門，葉室盒內(nèi)設(shè)置水平隔離網(wǎng)，葉室盒的上方設(shè)置有伸入盒內(nèi)的濕度傳感器和溫度傳感器，濕度傳感器和溫度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線連接一數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器實(shí)時采集盒內(nèi)濕度和溫度數(shù)據(jù)，計算并輸出樹木蒸騰測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明的測量原理科學(xué)，測量方法簡單，并且設(shè)備投入低。
文檔編號G01N25/20GK102608155SQ20121006364
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者梁宇, 汪星, 汪有科 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)