原位探针间距与偏转校正方法在液流测量中的田间评估

《Agricultural and Forest Meteorology》：Field evaluation of an in-situ probe spacing and deflection correction method for sap flow measurement

　　

热脉冲法在估算树木液流方面应用广泛，但其准确性极易受探针间距误差的影响，这类误差通常由植入操作不完善或树木生长引起。为解决这一问题，Ren等人于2022年开发了一种极具前景的实时原位校准技术，该技术涉及在低流速条件下进行非线性曲线拟合。然而，该方法的实际应用效能仍需进一步验证。在此，研究人员严格评估了其准确性和田间适用性。结果表明，在60至100秒的时间间隔内，ln(ΔTd/ΔTu)或Vh值的波动能够可靠地指示探针偏转：当Vh波动超过1 cm h?1时，极可能存在探针偏转。数值模拟证明，Ren等人于2022年提出的方法能有效校正各类探针偏转。在田间实验中，该方法不仅降低了60至100秒窗口内的Vh波动，还将苹果树和杨树校正前后的偏差分别减小至3.9 cm h?1和5.6 cm h?1。针对长期实验，研究人员建议速生树种每三个月校正一次探针间距，慢生树种每六个月校正一次。无论间隔多久，该方法均能提供实时校准。因此，Ren等人于2022年提出的实时原位校正方法显著提升了液流速率估算的准确性，并为树木水分利用研究提供了强有力的技术支持。

本文对热脉冲法（Heat Pulse Method）在树木液流（Sap Flow）测量中面临的探针间距误差问题进行了深入的原位校正研究。随着全球气候变化加剧，准确量化植物水分关系是理解陆地生态系统生产力的关键，而液流测量作为核心手段，其数据的精确性至关重要。

研究背景与问题提出

热脉冲法是估算树木液流的主流技术，涵盖了热比法（HR）、补偿热脉冲法（CHP）及T-max法等成熟方案。然而，这些技术的精度高度依赖于探针的几何位置。在实际操作中，钻孔植入难度以及树木径向生长会导致探针发生不可避免的偏转（Deflection），即实际间距偏离初始设定值。这种微小的机械偏差会引入显著的信号噪声，使得低流速或零流速条件下的可靠量化变得困难。现有的校正策略，如使用钻孔模板引导或依赖假设的单探针准确性的计算模型，均无法完美解决长期监测中的动态偏转问题，且多数传统方法必须依赖难以在自然环境中获取的零液流条件。因此，开发一种不依赖严苛条件、能够实时原位校准探针间距的技术迫在眉睫。

关键技术方法

研究人员采用了数值模拟与长期田间试验相结合的策略。在数值模拟阶段，利用Mathematica软件构建了涵盖上下游探针不同偏转类型的温度时间序列，以验证算法的还原能力。在田间试验阶段，选取了具有快速生长特性的苹果树（Malus pumila）和生长相对缓慢的杨树（Populus tomentosa）作为研究对象，在其边材内部署了非对称间距配置的探针（下游探针距离x_d为10 mm，上游探针距离x_u为5 mm）。数据采集系统以15至30分钟为间隔持续记录加热后的温度变化，并利用非线性最小二乘回归算法对60至100秒区间的温度数据进行拟合，从而实时反演实际的探针间距和热物理参数。

研究结果

3.1 探针偏转的判定

研究发现，通过分析热脉冲释放后60至100秒区间的数据特征，可以有效识别探针是否发生偏转。对于探针间距相等的配置，若ln(ΔT_d/ΔT_u)值随时间保持恒定，则表明探针未发生偏转；若该比值呈现上升或下降趋势，则明确指示了间距的不匹配。对于非对称配置，若计算出的热脉冲速度（V_h）在该时间窗内保持稳定，则说明探针位置准确；反之，若V_h出现明显波动且幅度超过1 cm h?1，则可判定发生了探针偏转。

3.2 数值模拟验证

通过人为设定不同的探针偏转量进行数值模拟，结果显示该校正方法表现出极高的还原精度。即便在上下游探针同时发生复杂偏转的情况下，通过非线性曲线拟合反演出的修正后间距（x'_d和x'_u）与预设的真实值几乎完全吻合，最大偏差被控制在0.07 mm以内，证明了该数学模型在处理各种偏转场景时的稳健性。

3.2.1 田间试验表现

在实际的树木监测中，未经校正的探针数据在夜间液流接近停滞时仍显示出较大的异常波动，而经过原位校正后，夜间V_h值成功稳定在零附近，消除了虚假的反向液流信号。苹果树不同深度的测量数据显示，校正前后的均方根误差最高可达5.2 cm h?1，杨树则为5.6 cm h?1。长期监测还发现，随着树木生长，探针间距会发生持续性变化。苹果树的茎干周长增长较快，导致探针平均每月向内偏转约0.068 mm；而杨树的生长速率较慢，月偏转量约为0.024 mm。基于此，研究人员建议在长期野外实验中，针对速生树种应每三个月进行一次校正，而对于慢生树种则可延长至每半年一次。

讨论与结论

讨论

该研究提出的校正方法具有显著优势。首先，它摆脱了对昂贵精密钻孔设备的依赖，非常适合野外作业。其次，也是最重要的一点，该方法不再强制要求必须在绝对零液流的条件下进行，这极大地拓宽了其在实际生态监测中的应用范围。不过，该方法也存在一定的局限性，例如它无法应用于仅配备单温度探针的测量技术，且在长期监测中，树木伤口效应引发的木质部侵填体形成可能会改变周围组织的导热性能，进而对基于恒定热扩散率假设的估算产生轻微干扰。此外，该方法在不同木材解剖结构树种中的普适性仍需进一步验证。

结论

探针偏转是液流测量中无法避免的挑战，而实时原位校正确保了数据的长期可靠性。研究人员通过数值模拟和田间实验证实，基于低流速条件下非线性曲线拟合的校正技术能够有效应对各类探针偏转情况，显著降低测量误差。针对不同生长速度的树种制定差异化的校正频率，不仅能维持数据的高精度，也为树木水分利用及全球水循环研究提供了更为坚实的技术支撑。