摘要：植物茎流（液流）是植物水分传输的核心过程，直接反映了植物蒸腾耗水规律及其对水分胁迫的响应，在植物生理生态、森林水文和精准灌溉等领域具有重要的基础研究价值。基于热扩散原理的插针式茎流监测系统，采用恒定供热方式对插入树干边材的探针进行加热，利用液流向上运输过程中对热量的对流效应，通过测量加热探针与参比探针之间的温差变化，依据能量平衡原理实时计算茎流通量。两针式传感器设计通常仅升高1℃-5℃，对作物无害且无须标定，已被科学证明对绝大部分作物和许多树种有效。系统支持多通道扩展与多环境因子同步监测，适用于长期野外连续观测。本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为植物生理生态、农学及林学领域的技术人员提供参考。

1. 植物茎流测定方法的技术比较与选型指南
1.1 植物茎流测定的意义与方法体系

植物茎流（Sap Flow）是指水分在植物木质部导管中由根系向冠层运移的液流过程，是植物蒸腾耗水量的直接度量。准确测定茎流速率和茎流通量，对于理解植物水分关系、量化林分蒸腾耗水、指导农田灌溉决策以及评估生态系统水分平衡具有重要的基础性意义。

目前，基于热技术原理的茎流测定方法主要有四类：

热脉冲法（Heat Pulse Velocity Method, HPVM） ：通过向茎秆中某一点瞬间施加短暂热脉冲，监测热脉冲在茎流带动下的移动速度来推算茎流速率。该方法不受地形限制，但在低蒸腾状态下测定结果具有不确定性。

茎干热平衡法（Stem Heat Balance Method, SHB） ：通过测量加热元件输入的热量与茎流带走的热量之间的平衡关系来计算茎流。该方法无须探针钻孔，但成本较高。

热扩散法（Thermal Dissipation Probe Method, TDP） ：由Granier（1985）首先提出，采用恒定供热方式加热插入边材的探针，通过测量加热探针与参比探针之间的温差来推算茎流速率。该方法因操作简便、精度高、成本相对较低，在树木生理学和森林水文学中应用极为广泛。

激光热脉冲法（Laser Heat Pulse Method, LHPG） ：利用激光作为热源，属于较新的技术路线。

1.2 热扩散法（TDP）的技术原理

热扩散式探针法由Granier于1985年建立，其物理基础可概括为恒定供热条件下的能量平衡原理。

两针式TDP传感器的结构如下：将两根热电偶探针直接插入树木边材中，上面的探针内含一个电加热器（采用恒定电流或恒定电压加热），下面的探针作为参照（不加热）。加热探针持续向周围边材供热，由于液流向上的运输作用，被液流带走的热量与茎流速率直接相关——茎流速率越大，被带走的热量越多。

系统实时测量加热探针与参照探针之间的温差dT。当茎流为零时（通常发生在黎明前），温差达到最大值dTm（约10-13℃）；茎流产生后，液流带走部分热量，温差dT随之降低。通过dT与dTm的比值，应用Granier经验公式即可计算茎流速率。

实际测量中仅加热升高1℃-5℃，对作物无害。该方法的突出优势在于茎流探头无须标定，可直接通过能量平衡和植物液体流动的热对流速率测量茎流通量。

1.3 热扩散法与其他热技术方法的比较

对比维度	热脉冲法（HPV）	茎干热平衡法（SHB）	热扩散法（TDP）
加热方式	瞬时脉冲加热	持续恒定加热	持续恒定加热
测量原理	热脉冲移动速度	热量平衡	温差-流速经验公式
探针数量	多针（3-5针）	包裹式（无探针）	两针
标定需求	需标定	无须标定	无须标定
适用对象	乔木、灌木	草本、幼树、乔木	乔木（胸径>5 cm）
低蒸腾表现	不确定性较大	较好	较好
成本	中等	较高	较低

1.4 选型要点与选购指南

在选用插针式茎流监测系统时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

传感器类型与针长选择：两针式TDP传感器适用于胸径大于5 cm的植物茎干。针长（典型30 mm）应根据被测植物的树皮厚度和边材深度选择，确保加热区域（针顶部区域）完全位于活跃边材中。部分系统支持两针和四针两种规格。

通道数与扩展能力：根据研究规模选择传感器通道数（1-8个可选）。系统还应支持扩展测量空气温湿度、风速风向、降雨、辐射、土壤多参数等环境因子，以建立茎流与环境因子的定量关系。

数据采集与存储能力：数据采集器应具备足够的模拟输入通道（典型8个单端输入），支持SDI-12、RS485/RS232等多种通讯协议。内置存储容量应满足长期无人值守监测需求（典型32 MB可存储数万条记录）。

供电与野外适应性：系统应支持交直流两用或太阳能供电。工作温度范围应覆盖-20℃至70℃，湿度100%。更低工作温度可通过定制扩展至-40℃。

数据管理与远程传输：内置GPS和高精度大气压力传感器可同步记录地理位置与环境气压。支持云平台数据存储和移动网络传输（LTE CAT1）的系统便于远程数据管理。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 测试前的准备工作

传感器检查：检查探针是否完好、无弯曲，加热线和热电偶线连接正常。确认探针长度（30 mm）和直径（2 mm）与安装目标匹配。

安装位置选择：选择树干通直、无明显节疤和损伤的部位。安装高度通常距地面1.3 m（胸高处）或根据研究设计确定。传感器应安装于树干北侧以避开阳光直射对温差的干扰。

钻孔准备：使用专用定位工具在树干上沿轴向（上下）钻两个安装孔，孔径与探针直径匹配（2 mm）。两孔间距应精确控制（通常约40 mm），确保上下探针位于同一径向线上。

2.2 标准操作流程

第一步——探针安装：将加热探针（上）和参照探针（下）分别插入预钻孔中，确保探针与边材紧密接触。探针的加热区域（针顶部20 mm）应完全位于边材内。用导热硅脂填充探针与孔壁之间的空隙以提高热传导效率。

第二步——防雨与线缆保护：在探针安装处覆盖防雨罩，防止雨水沿探针渗入树干。线缆沿树干向下固定，多余线缆盘绕保护。

第三步——系统连接与参数设置：将传感器通过5米线缆（可延长至20米）连接至数据采集器。在配套软件中设置采样间隔（推荐10-30分钟）、传感器通道和加热参数。加热探针采用可调精密电压源供电。

第四步——数据采集：系统按设定的时间间隔自动记录温差dT。软件根据Granier经验公式将温差换算为茎流速率（cm·s⁻¹），再结合边材面积计算出茎流通量（L·h⁻¹或kg·h⁻¹）。

第五步——数据下载与处理：通过USB接口或移动网络远程下载数据。中文操作软件可直接导出茎流速率、瞬时液流量、日累计耗水量等参数。

2.3 操作经验与注意事项

• dTm的确定：dTm是计算茎流的关键基准参数，应在夜间（通常凌晨2:00-4:00）茎流接近于零时确定。建议连续观测数夜取平均值作为dTm。

• 边材面积的准确测量：茎流通量的计算需要边材面积数据。可通过生长锥取样或根据胸径-边材面积经验公式估算。边材面积测量误差会直接影响茎流通量的绝对精度。

• 探针的长期稳定性：TDP传感器可在野外长期连续工作。建议每3-6个月检查一次探针的加热和测温功能，确保数据质量。探针寿命通常为数年。

• 温度补偿：环境温度日变化和季节变化会影响温差测量。系统内置的温度监测功能可辅助数据校正。

• 安装数量的确定：根据树体直径，每棵树通常安装1-4套传感器。对于直径较大的树木，建议在树干不同方位安装多套传感器以消除边材液流径向分布不均带来的误差。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 两针式TDP传感器的标准化与Granier模型的工程化

TDP技术由Granier于1985年建立，其核心贡献在于建立了温差系数K与茎流速率Fd之间的经验公式。这一模型将复杂的茎流测量简化为温差测量和公式计算，使TDP法成为森林水文学和植物生理生态学研究中最广泛采用的茎流测定手段。

Granier原始公式的适用性近年来也受到关注，研究者正在针对不同树种进行校正研究。现代数据采集系统允许用户根据特定树种输入自定义校准参数。

3.2 多通道同步采集与环境因子集成监测

现代插针式茎流监测系统的核心技术特征之一是高度集成化的多参数同步采集能力。系统支持8个单端模拟输入，可同时连接多个茎流传感器。更重要的是，系统支持扩展测量空气温度、相对湿度、大气压、风速风向、降雨量、土壤水分、土壤温度、土壤电导率、土壤水势、总辐射和光合有效辐射等多种环境因子。

这一多参数集成能力使研究者能够在同一时间尺度上建立茎流与气象因子、土壤因子的定量关系，为深入理解植物水分关系的驱动机制提供了全面的数据基础。

3.3 远程数据传输与云平台管理

现代茎流监测系统已从单纯的数据采集器发展为完整的物联网监测节点。系统内置LTE CAT1移动通讯模块和SIM卡，支持数据的远程无线传输。云端数据免费存储服务使研究者无需频繁前往野外现场下载数据。

内置高精度GPS模块自动记录每个监测点的精确位置。这一功能在大规模、多站点联网监测中尤为重要——研究者可通过云平台同时管理分布在多个地点的茎流监测站，实时查看各站点的茎流动态。

3.4 太阳能独立供电与低功耗设计

野外长期监测对供电系统的可靠性提出了严苛要求。现代茎流监测系统配备内置MPPT功能的太阳能充电控制电路，支持太阳能电池板为内置磷酸铁锂电池（16Ah/12.8V可选）充电。系统休眠功耗仅0.22mA，测量状态功耗12mA（不含传感器），网络发送时最大40mA。

100W太阳能板配合100Ah蓄电池的供电套件可在连续阴雨天维持系统正常运行，工作温度范围覆盖-40℃至50℃。LCD显示屏直观显示工作状态和功率信息。

3.5 技术发展趋势

当前，植物茎流监测技术正呈现以下发展趋势：

从单点向网络化发展：多节点无线传感网络结合云平台，实现区域尺度林分蒸腾耗水的实时动态监测。

从单参数向多参数融合发展：茎流数据与气象、土壤、辐射等多源数据深度融合，构建完整的植物水分关系模型。

从人工校准向智能校准发展：基于机器学习的dTm自动识别和异常数据诊断，减少人工干预。

传感器的微型化与低损伤化：探针直径进一步缩小，降低对树木边材的机械损伤。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准与学术规范

TDP法自Granier（1985）提出以来，已被国际树木生理学和森林水文学界广泛采纳为标准方法。目前国际上尚无针对茎流监测的强制性标准，但存在以下公认的学术规范：

• 边材面积测定规范：茎流通量的计算需准确测定边材面积。通常采用生长锥取样或基于胸径的经验公式估算。

• dTm确定规范：应在茎流为零的夜间时段（通常凌晨）确定最大温差dTm。建议连续观测至少3个夜晚取平均值。

• Granier公式的应用：Fd = 0.0119 × K^1.231是计算TDP数据的标准方法。针对特定树种可进行校正。

• 数据质量控制：应记录探针安装深度、边材厚度、树皮厚度等安装参数。

4.2 国内相关标准与规范

目前，国内尚未发布专门针对植物茎流监测的国家标准或行业标准。在实际科研工作中，茎流监测通常参考以下规范：

• 森林生态系统长期定位观测方法：涉及林木液流测定的技术规范

• 农田生态系统长期定位观测方法：涉及作物茎流测定的技术要求

• GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》 ：提供了土壤基本物理性质的测定方法（与茎流监测中土壤参数测量相关）

5. 市场分析
5.1 需求驱动力

森林水文学与全球变化研究：TDP法被广泛应用于树木单株液流与耗水特征、林分蒸腾耗水量估计等研究。在全球气候变化背景下，森林生态系统水分循环研究的需求持续增长。

精准农业与灌溉管理：茎流监测可实时反映作物的水分胁迫状态，为精准灌溉决策提供直接依据。在设施农业和果园管理中，茎流传感器的应用日益普及。

城市林业与园林绿化：城市树木的水分管理对绿化养护至关重要。茎流监测可指导行道树和景观树的精准浇水。

生态修复与植被恢复：在干旱半干旱地区的植被恢复工程中，茎流监测用于评估造林树种的耗水特性和水分适应性。

5.2 技术发展趋势

未来，植物茎流监测仪器市场将呈现以下趋势：

国产化与成本降低：随着国内厂商技术成熟，TDP茎流监测系统的成本持续下降，应用范围从科研机构向基层推广。

物联网化与云端化：远程数据传输和云平台管理将成为标准配置。

多参数一体化：茎流、气象、土壤多参数一体化监测站将成为主流产品形态。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握插针式茎流监测系统的原理与操作技能，以下培训资源可供参考：

推荐培训主题：《热扩散式探针法在植物茎流连续监测中的应用技术：原理、安装与数据分析》

核心内容建议：

1. 植物茎流的生理生态意义与热技术方法体系

2. Granier热扩散法（TDP）的工作原理——恒定供热、温差测量与能量平衡

3. 两针式TDP传感器的安装——钻孔定位、探针植入与防雨保护

4. 数据采集与处理——dTm的确定、Granier公式的应用与茎流通量计算

5. 边材面积的测量方法与茎流通量的准确换算

6. 多环境因子同步监测的策略——气象、土壤与辐射因子的集成

7. 远程数据传输与云平台数据管理

8. 常见问题解析（探针接触不良、dTm异常、数据断档等）

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

林木蒸腾耗水研究：通过TDP法连续监测树干液流速率，结合边材面积计算单株日耗水量，进而推算林分蒸腾耗水。这是森林水文学和树木生理学最经典的应用场景。

作物水分胁迫诊断：在干旱或半干旱地区，茎流速率的变化可实时反映作物的水分状况，为灌溉决策提供依据。茎流下降可作为启动灌溉的早期预警信号。

植物-大气连续体水分传输研究：通过同步监测茎流与气象因子（辐射、VPD、风速等），建立植物蒸腾对环境因子的响应模型。

不同树种/品种耗水特性比较：在同一环境条件下对不同树种进行茎流同步监测，比较其耗水特征和水分利用效率，为造林树种选择和农业品种选育提供依据。

生态系统碳-水耦合研究：茎流数据与光合、呼吸等碳通量数据结合，研究生态系统碳-水耦合关系。

7.2 数据质量控制要点

dTm的准确测定：dTm是计算茎流速率的关键基准参数。应选择连续数天夜间茎流接近于零时测定dTm，取平均值以减少随机误差。

边材面积的精确测量：茎流通量的计算误差主要来源于边材面积的测量误差。建议对被测植株进行破坏性取样建立边材面积-胸径关系，或使用生长锥多点取样取平均值。

探针与边材的充分接触：探针与边材之间的空隙会降低热传导效率，导致温差数据失真。安装时应使用导热硅脂填充空隙。

环境温度的校正：环境温度的日变化和季节变化会影响温差测量。应在数据分析时考虑环境温度的影响。

数据的时间代表性：茎流具有典型的日变化特征（昼高夜低）。建议以至少3-5天的连续数据作为分析单元，避免单日异常数据的误导。

7.3 方法学注意事项

• 探针长度与边材深度的匹配：探针的加热区域（针顶部20 mm）必须完全位于活跃边材内。如探针过短或插入过深触及心材，测量结果将严重偏低。

• 径向液流梯度的校正：边材中液流速率存在径向分布不均的问题。对于直径较大的树木，建议在不同深度安装多个探针或对单点数据进行校正。

• 探针安装对树木的损伤：虽然TDP法对树木损伤较小，但探针安装仍会造成局部边材损伤。建议在实验结束后评估损伤范围，长期监测时应轮换安装位置。

结语：基于Granier热扩散原理的两针式茎流监测系统，通过恒定供热和温差测量实现了植物茎流的长期、连续、原位监测。TDP法以其操作简便、精度高、无须标定、成本相对较低等优势，已成为树木生理学和森林水文学研究中最广泛采用的茎流测定手段。系统支持1-8个传感器的灵活配置和多环境因子的同步扩展测量，配合太阳能独立供电、远程数据传输和云平台管理等功能，可满足从单株研究到林分尺度监测的多样化需求。随着精准农业、森林水文和全球变化研究的不断深入，热扩散式茎流监测技术将在植物水分关系研究中发挥越来越重要的作用。