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专利名称：一种便携式树木蒸腾测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及植物蒸腾耗水测定领域，特别涉及一种便携式树木蒸腾测量装置及其測量方法。
背景技术：
水资源短缺已经成为世界性的问题。植物蒸腾耗水测定是研究植物抗旱特性、节水农业、节水林业及生态环境的重要手段。植物蒸腾耗水测试的仪器主要采用国外进ロ的多种光合测定仪器，仪器价格昂贵，实验步骤复杂，测试成本高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种造价低廉、简单实用的便携式树木蒸腾测量装置，以及基于该测量装置的測量方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。(I) 一种便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，包括ー个透明的水平圆柱状叶室盒，叶室盒的ー侧设置有密封门，叶室盒内设置水平隔离网，叶室盒的上方设置有伸入盒内的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器分别通过数据线连接一数据处理器，所述数据处理器实时采集盒内湿度和温度数据，计算并输出树木蒸腾测量数据。上述技术方案的技术特点和进ー步改进在于所述叶室盒的直径为10cm-20cm,长度为25cm_35cm。所述叶室盒采用透明有机玻璃制成。所述密封门为卡槽式推拉门，推拉门上设置有橡胶或者硅胶密封条。所述水平隔离网采用铁丝网。 所述数据处理器为笔记本电脑。所述湿度传感器的測量精度控制在±2%以内，測量响应时间彡5s。(2) 一种树木蒸腾测量方法，基于上述便携式树木蒸腾测量装置，其特征在干，包括以下步骤首先，将枝叶伸入叶室盒内，关闭密封门；其次，数据处理器实时采集叶室盒内的相対湿度和温度，数据采集时间为30-60 秒，通过公式U = D1ZD2X 100%，反求出绝对湿度值，即为单位容积的累积蒸腾量，其中， U-相対湿度(RH%)办-绝对湿度(g*L) ;D2-相应温度下可能达到的最大绝对湿度(g*L)； 采用幂函数模型对累积蒸腾量数据进行线性拟合，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率E (g いs—1)，然后，忽略气压和风对蒸腾速率的影响，叶面蒸腾速率Pr = E*V/SPr-叶面蒸腾速率，(g JiT2 sベ)；E-单位容积的蒸腾速率(g L s-1) ；V-叶室盒体积(L) ; S-叶室盒内叶面积(m2)；
最后，通过叶面积仪测定枝叶叶面积和整树叶面积，即可反推整树蒸腾速率Pr/S = TPr/Ts Pr叶面蒸腾速率(g · πΓ2 · s-1) ;S-叶室盒内叶面积(m2) ；Tpr-树蒸腾速率， (g · m_2 · s—1) ；TS-整树叶面积(m2)。上述技术方案中，优先的数据采集时间为30-60秒。(3) 一种树木蒸腾测量方法，基于上述便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，包括以下步骤首先，将枝叶伸入叶室盒内，关闭密封门；其次，数据处理器实时采集叶室盒内的相对湿度和温度，数据采集时间不小120 秒，通过公式U = VD2X 100%，反求出绝对湿度值，即为单位容积的累积蒸腾量，其中， U-相对湿度(RH%)办-绝对湿度(g*L) ;D2-相应温度下可能达到的最大绝对湿度(g*L)； 采用三次方函数模型对累积蒸腾量数据进行线性拟合，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率E (g · L · s—1)；然后，忽略气压和风对蒸腾速率的影响，叶面蒸腾速率Pr = E*V/SPr-叶面蒸腾速率，(g · πΓ2 · s-1) ；Ε-单位容积的蒸腾速率(g · L · s-1) ；V~叶室盒体积(L) ; S-叶室盒内叶面积(m2)；最后，通过叶面积仪测定枝叶叶面积和整树叶面积，即可反推整树蒸腾速率Pr/S = TPr/Ts 叶面蒸腾速率(g · πΓ2 · S-1) ;S-叶室盒内叶面积(m2) ；Tpr-树蒸腾速率， (g · m_2 · s—1) ；TS-整树叶面积(m2)。上述技术方案中，采用三次方函数模型对累积蒸腾量数据进行分段线性拟合，寻找最佳拟合点，然后在最佳拟合点的前后取30-60秒的累积蒸腾量数据，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率E (g · L · S-1)。本发明的便携式树木蒸腾测量装置，主要包括叶室盒、温度传感器、湿度传感器和数据处理器，数据处理器为笔记本电脑，叶室盒为直径10cm-20cm，长度25cm-35cm的透明圆柱状。整个装置简单小巧，容易便携，造价低廉、简单实用。本发明的测量原理科学，测量方法简单，设备投入低。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图I为本发明的一种便携式树木蒸腾测量装置的结构示意图；图2为叶室盒的结构示意图；图3为卡槽的结构示意图；图4为推拉门的结构示意图；图I-图4中1、叶室盒；101、盒体；102、水平隔离网；103、密封门；104、卡槽； 105、推拉门；2、温度传感器；3、湿度传感器；4、数据线；5、数据处理器。图5为密闭容器叶片累积蒸腾量的幂函数模型曲线图；图6为密闭容器叶片累积蒸腾量的三次方函数模型曲线图7为8点、9点、10点、11点、12点测定累积蒸腾量的幂函数曲线图；图8为8点、9点、10点、11点、12点测定累积蒸腾量的三次方函数曲线图；图5-图8中横坐标为时间,单位为秒(S);纵坐标为累积蒸腾量,单位为(g *L)。图9-图13分别为幂函数模型下8点、9点、10点、11点、12点测定的前30s到前 60s不同时间段进行数据线性拟合的曲线图，其中横坐标为时间，単位为秒(s);纵坐标为累积蒸腾量，单位为(g*L)。图14-图18分别为三次方函数模型下8点、9点、10点、11 点、12点測定的蒸腾速率函数和蒸腾速率变化率函数的曲线图，其中横坐标为时间，単位为秒(s);主纵坐标为蒸腾速率，单位为(g L s—1),副纵坐标为蒸腾速率变化率,无单位。图19-图23分别为三次方函数模型下8点、9点、10点、11点、12点测定不同稳态时间段进行数据线性拟合的曲线图，横坐标为时间，単位为秒(S);纵坐标为累积蒸腾量， 单位为(g U。图24为本发明的便携式树木蒸腾测量装置(又名DMT-D动态测定仪)与光合仪的测量数据对比图，其中横坐标为时间，単位为小时(h);纵坐标为蒸腾速率，单位为 (g * ia2 * S-1)。
具体实施例方式參照图1，为本发明的一种便携式树木蒸腾测量装置，主要包括叶室盒I、温度传感器2、湿度传感器3和数据处理器5。其中。叶室盒I为透明的水平圆柱状，叶室盒I的一侧设置有密封门，用于伸入带叶的枝条。叶室盒I的上方设置有伸入盒内的湿度传感器 3和温度传感器2，湿度传感器3和温度传感器2分别通过数据线连接数据处理器5，数据处理器5采用笔记本电脑实现其功能，实时采集盒内湿度和温度数据，计算并输出树木蒸腾测量数据。其中，湿度传感器3的測量精度控制在±2%以内，温度传感器的精度控制在 ±1%。测量响应时间< 5s，以保证測量精度；本实施例采用温湿度传感器，其湿度测量范围:0-100% rh，温度测量范围:0-100°C，湿度测量精度:±2% rh，温度测量精度为:±1% K，测量响应时间为5s。參照图2，为叶室盒的具体结构，该盒体101采用透明有机玻璃制成，以保证被测量叶片能够继续产生光合作用，其直径为15cm，长度为30cm。密封门103为卡槽式推拉门， 其中卡槽104如图3所示，推拉门105如图4所示，并且上推拉门105设置有橡胶或者硅胶密封条，密封条厚度即可。密封条主要防止叶片蒸发的水汽泄露出叶室，I。盒体 101内设置水平隔离网102，水平隔离网102为铁丝网，铁丝网距离叶室盒顶部为5cm，被测定的树叶或者带叶的小枝条在放入叶室盒时，位于水平隔离网下方，防止直接接触传感器， 并对测量枝叶起到固定的作用。本发明的便携式树木蒸腾测量装置的測量方法基于以下測量原理。蒸腾是水气分子从叶肉细胞间隙通过气孔向空气中扩散的过程，其结果使叶片周围的空气湿度増加；发明人认为，在一定空间内，只要测得叶片周围一定体积的空气中在一定时间内相对湿度的变化，即可求得叶片蒸腾速率。但是，在测量过程中需要克服以下问题(I)由于叶片蒸腾使得密闭空间内空气湿度増大，抑制蒸腾速率，需要确定叶室盒内湿度増大造成蒸腾速率下降的临界时间，即找到湿度増大对叶片蒸腾影响最小的时段，这个时段称为稳态。換言之，稳态是蒸腾速率比较稳定或基本不变的状态。(2)利用稳态时的測量数据，建立湿度与蒸腾速率的转换关系。本发明在測量植物蒸腾速率的过程中，通过现有的湿度传感器直接获取密闭空间的相対湿度数据，通过公式U = D1ZD2X 100% (U-相対湿度(RH% ) ;D「绝对湿度(g L)； D2-相应温度下可能达到的最大绝对湿度(g L))，反求出绝对湿度值，即每单位容积的气体所含水分的重量，也代表单位容积的累积蒸腾量。单位容积的累积蒸腾量的瞬时变化率， 即为单位容积的蒸腾速率E (g L S-1)。忽略气压和风对蒸腾速率的影响，叶面蒸腾速率Pr = E*V/SPr-叶面蒸腾速率，(g JiT2 s-1) ；E-单位容积的蒸腾速率(g いs-1) ；V-叶室盒体积(L) ; S-叶室盒内叶面积(m2)。(3)叶面蒸腾速率的測定属于局部測定，通过叶面积仪測定枝叶叶面积和整树叶面积，即可反推整树蒸腾速率Pr/S = TPr/TsPr-叶面蒸腾速率(g JiT2 S-1) ;S-叶室盒内叶面积(m2) ；Tpr-树蒸腾速率， (g m_2 s—1) ；TS-整树叶面积(m2)。本发明中，叶室盒体积V(L)为固定值，叶室盒内叶面积S(m2)采用叶面积仪测量， 其关键在于确定E-単位容积的蒸腾速率(g L s—1)。发明人经过大量的数据采集和分析发现，假设温度和压カ不变的情况下，叶室盒内累积蒸腾量与測定时间为非线性函数模型，并寻找到了两种非线性函数模型，分别为幂函数I = Xa(y-累积蒸腾量(g L) ;x-测定时间(S))和三次方函数y = ax3+bx2+cx+d, (y_累积蒸腾量(g*L) ;x-測定时间(s) ;a、b、c、d为系数)。如图5幂函数模型曲线和图 6三次方函数模型曲线所示。根据图5、图6观察可知，蒸腾速率达到稳态的时间段，一般持续时间为30s到60s。下面分别以幂函数模型和三次方函数模型说明单位容积的蒸腾速率E (g L S-1) 的计算方法。一、幂函数模型法由图5观察可见，幂函数模型中，稳态时所处时间段主要位在測定时间的靠前时段。稳态位置从Os开始取定，持续时间取30s到60s，也即幂函数模型曲线对应的稳态时间段，该稳态时间段内采集的数据为有效数据，根据上述有效数据对幂函数y = Xa进行线性拟合。以8月23日米脂盆栽实验为例，天气为典型睛天，在整8点、9点、10点、11点、12 点时间进行局部枝叶湿度计測定。图7为8点、9点、10点、11点、12点测定累积蒸腾量的幂函数拟合曲线，在进行幂函数y = Xa的最小二乗法线性拟合中，其决定系数R2值均大于 0. 94，并符合图5中幂函数模型。对不同測定时间点，每次测量的前30s到前60s不同时间段数据进行线性拟合 (图8-图12所示)，其最大决定系数R2所对应的持续时间段即为最佳拟合时间段。最佳拟合时间即是要寻找的稳态时间段，如表I所示。表I不同测量时间的稳态时间段
权利要求
1.一种便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，包括一个透明的水平圆柱状叶室盒，叶室盒的一侧设置有密封门，叶室盒内设置水平隔离网，叶室盒的上方设置有伸入盒内的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器分别通过数据线连接一数据处理器，所述数据处理器实时采集盒内湿度和温度数据，计算并输出树木蒸腾测量数据。
2.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述叶室盒的直径为 10cm_20cm,长度为 25cm_35cm。
3.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述叶室盒采用透明有机玻璃制成。
4.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述密封门为卡槽式推拉门，推拉门上设置有橡胶或者硅胶密封条。
5.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述水平隔离网采用铁丝网。
6.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述数据处理器为笔记本电脑。
7.根据权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，所述湿度传感器的测量精度控制在±2%以内，测量响应时间< 5s。
8.—种树木蒸腾测量方法，基于权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，包括以下步骤首先，将枝叶伸入叶室盒内，关闭密封门；其次，数据处理器实时采集叶室盒内的相对湿度和温度，数据采集时间为30-60秒，通过公式U = D1ZiD2 X 100%，反求出绝对湿度值，即为单位容积的累积蒸腾量，其中，U-相对湿度(RH% )办-绝对湿度(g*L) ;D2-相应温度下可能达到的最大绝对湿度(g*L);采用幂函数模型对累积蒸腾量数据进行线性拟合，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率 E(g · L · S-1),然后，忽略气压和风对蒸腾速率的影响，叶面蒸腾速率Pr = E*V/SPr-叶面蒸腾速率，(g · m_2 · s-1) ；E-单位容积的蒸腾速率(g · L · s-1) ；V-叶室盒体积 (L) ;S-叶室盒内叶面积(m2)；最后，通过叶面积仪测定枝叶叶面积和整树叶面积，即可反推整树蒸腾速率Pr/S = TPr/TsP「叶面蒸腾速率(g ·πΓ2 *s_1) ;s-叶室盒内叶面积(m2) 树蒸腾速率，(g ·πΓ2 *s_1)； Ts-整树叶面积(m2)。
9.一种树木蒸腾测量方法，基于权利要求I所述的便携式树木蒸腾测量装置，其特征在于，包括以下步骤首先，将枝叶伸入叶室盒内，关闭密封门；其次，数据处理器实时采集叶室盒内的相对湿度和温度，数据采集时间不小120秒，通过公式U = D1ZiD2 X 100%，反求出绝对湿度值，即为单位容积的累积蒸腾量，其中，U-相对湿度(RH% )办-绝对湿度(g*L) ;D2-相应温度下可能达到的最大绝对湿度(g*L);采用三次方函数模型对累积蒸腾量数据进行线性拟合，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率 E(g L s—1)；然后，忽略气压和风对蒸腾速率的影响，叶面蒸腾速率 Pr = E*V/SPr-叶面蒸腾速率，(g m_2 s-1) ；E-単位容积的蒸腾速率(g いs-1) ；V-叶室盒体积 (L) ;S-叶室盒内叶面积(m2)；最后，通过叶面积仪測定枝叶叶面积和整树叶面积，即可反推整树蒸腾速率Pr/S = TPr/TsP「叶面蒸腾速率(g *m-2 *s_1) ;S-叶室盒内叶面积(m2) 树蒸腾速率，(g *m-2 *s_1)； Ts-整树叶面积(m2)。
10.根据权利要求9所述的树木蒸腾测量方法，其特征在于，采用三次方函数模型对累积蒸腾量数据进行分段线性拟合，寻找最佳拟合点，然后在最佳拟合点的前后取30-60秒的累积蒸腾量数据，计算线性拟合系数E，即为单位容积的蒸腾速率E (g L S-1)。
全文摘要
本发明涉及植物蒸腾耗水测定领域，公开了一种便携式树木蒸腾测量装置及其测量方法。该便携式树木蒸腾测量装置，包括一个透明的水平圆柱状叶室盒，叶室盒的一侧设置有密封门，叶室盒内设置水平隔离网，叶室盒的上方设置有伸入盒内的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器分别通过数据线连接一数据处理器，所述数据处理器实时采集盒内湿度和温度数据，计算并输出树木蒸腾测量数据。本发明的测量原理科学，测量方法简单，并且设备投入低。
文档编号G01N25/20GK102608155SQ20121006364
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者梁宇, 汪星, 汪有科 申请人:西北农林科技大学