你是否對植物的水分運(yùn)輸過程感到好奇？你是否想知道如何準(zhǔn)確地測量植物的莖流？這篇文章中，我們將探討一種新的熱脈沖法，它可以解決傳統(tǒng)熱脈沖法在測量植物莖流時的局限性。
 

在植物生理學(xué)研究中，準(zhǔn)確測量植物的水分傳輸速率對于理解植物水分關(guān)系至關(guān)重要。傳統(tǒng)的熱脈沖法（Heat Pulse Method）作為測量植物水分傳輸?shù)牧餍蟹椒�，在某些方面表現(xiàn)出色，但也存在一定的局限性。一項發(fā)表在Tree Physiology上的研究為熱脈沖法帶來了新的理論突破，有望解決這些局限性。

熱脈沖法通過測量植物組織內(nèi)熱的傳播速度來估算水分流動速率。然而，現(xiàn)有的方法如熱比率法（Heat Ratio Method, HRM）和Tmax最大溫度法，只能在有限的流速范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確性，無法在更大的范圍內(nèi)使用。為了解決這一問題，研究者提出了一種新的方法——對偶方法（Dual Method Approach, DMA），將HRM和Tmax兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)合，理論上可以覆蓋整個可觀測的熱流范圍。
 

文章作者與團(tuán)隊在這項研究中重新審視了導(dǎo)熱/對流方程，并發(fā)現(xiàn)HRM方程與Péclet方程（描述導(dǎo)熱與對流比例的無量綱數(shù)）等價。研究假設(shè)當(dāng)導(dǎo)熱/對流比例，即Péclet數(shù)等于1時，慢速與快速方法之間的轉(zhuǎn)換發(fā)生，并提出通過包含這個轉(zhuǎn)換值來改進(jìn)DMA。

研究者使用水壓系統(tǒng)在15種木本被子植物的113個莖上人為地施加了從慢到極快的水分通量梯度，并通過HRM、Tmax和DMA方法估算水分通量密度，并與通過稱重法測量的水分通量密度進(jìn)行了比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)Péclet數(shù)小于或等于1時，HRM可提供準(zhǔn)確的結(jié)果，但Tmax超出了測量范圍。當(dāng)Péclet數(shù)大于1時，HRM在大約15 cm/hr的速度下達(dá)到最大熱速度，不再準(zhǔn)確，而Tmax則提供了準(zhǔn)確的結(jié)果。而DMA能夠在整個觀測范圍內(nèi)輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。線性回歸分析顯示，與稱重法測量的水分通量的相關(guān)性，HRM的r²為0.541，Tmax為0.879，而DMA可達(dá)到0.940。
 

這項研究不僅證實(shí)了DMA在測量植物水分傳輸方面的有效性，還通過引入Péclet方程，理論上解決了HRM和Tmax方法的局限性。隨著這一理論的確立，HRM和Tmax這類單獨(dú)的植物莖流測量方法已被DMA所取代。

DMA 的優(yōu)點(diǎn)不僅僅在于它能夠測量更廣泛的液流速度范圍，還在于它能夠提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。與傳統(tǒng)方法相比，DMA 可以更好地處理熱不平衡的情況，從而減少測量誤差。

此外，DMA 還具有操作簡單、測量快速等優(yōu)點(diǎn)。它只需要在樹木的樹干上安裝一個熱脈沖傳感器，就可以快速地測量樹木的液流速度。
 

測量木質(zhì)部熱速度的熱脈沖探針示意圖。(a)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電纜;(b)環(huán)氧樹脂體，PCB或模數(shù)接口;(c)下游，外部熱敏電阻(溫度)傳感器;(d)上游外熱敏電阻;(e)下游內(nèi)熱敏電阻;(f)上游內(nèi)熱敏電阻;(g)下游溫度探頭;(h)帶有內(nèi)部加熱元件的加熱探頭;(1)上游溫度探頭。(g)和(h)以及(i)和(h)之間的標(biāo)稱距離為0.006 m。探頭的標(biāo)稱長度為0.030米。不按比例。
 

15種木本植物木質(zhì)部的熱平衡和不平衡測定。藍(lán)圈和紅圈分別為β≤1和>1時的實(shí)測數(shù)據(jù)。1:1的關(guān)系用虛線表示。(A) α與β;(B) 下游溫度針的ΔTd,max vs . ΔTd;(C) 上游溫度指針的ΔTu，max vs. ΔTu。當(dāng)數(shù)據(jù)落在1:1虛線上時，熱平衡發(fā)生，這總是發(fā)生在上游溫度針上。當(dāng)β > 1時，α與β發(fā)生熱不平衡，這是由下游溫度針的熱不平衡引起的。
 

基于此原理，文章作者開發(fā)出了商業(yè)化的插針式植物莖流傳感器Implexx（識別下方二維碼，了解更多），現(xiàn)在科學(xué)家可以直接將這項新技術(shù)應(yīng)用到自己的莖流研究中。作者期望DMA技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于植物水分關(guān)系的精確測量，為植物生理學(xué)研究和水資源管理提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。如果你對植物的水分運(yùn)輸過程感興趣，或者想了解更多關(guān)于熱脈沖法的信息，那么不妨關(guān)注我們。