你是否對植物的水分運輸過程感到好奇？你是否想知道如何準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，它可以解決傳統熱脈沖法在測量植物莖流時的局限性。
 

在植物生理學研究中，準確測量植物的水分傳輸速率對于理解植物水分關系至關重要。傳統的熱脈沖法（Heat Pulse Method）作為測量植物水分傳輸的流行方法，在某些方面表現出色，但也存在一定的局限性。一項發表在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熱的傳播速度來估算水分流動速率。然而，現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保持準確性，無法在更大的范圍內使用。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兩者的優點進行了結合，理論上可以覆蓋整個可觀測的熱流范圍。
 

文章作者與團隊在這項研究中重新審視了導熱/對流方程，并發現HRM方程與Péclet方程（描述導熱與對流比例的無量綱數）等價。研究假設當導熱/對流比例，即Péclet數等于1時，慢速與快速方法之間的轉換發生，并提出通過包含這個轉換值來改進DMA。

研究者使用水壓系統在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行了比較。

實驗結果顯示，當Péclet數小于或等于1時，HRM可提供準確的結果，但Tmax超出了測量范圍。當Péclet數大于1時，HRM在大約15 cm/hr的速度下達到最大熱速度，不再準確，而Tmax則提供了準確的結果。而DMA能夠在整個觀測范圍內輸出準確數據。線性回歸分析顯示，與稱重法測量的水分通量的相關性，HRM的r²為0.541，Tmax為0.879，而DMA可達到0.940。
 

這項研究不僅證實了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這類單獨的植物莖流測量方法已被DMA所取代。

DMA 的優點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確性和可靠性。與傳統方法相比，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、測量快速等優點。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。
 

測量木質部熱速度的熱脈沖探針示意圖。(a)數據采集系統電纜;(b)環氧樹脂體，PCB或模數接口;(c)下游，外部熱敏電阻(溫度)傳感器;(d)上游外熱敏電阻;(e)下游內熱敏電阻;(f)上游內熱敏電阻;(g)下游溫度探頭;(h)帶有內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)之間的標稱距離為0.006 m。探頭的標稱長度為0.030米。不按比例。
 

15種木本植物木質部的熱平衡和不平衡測定。藍圈和紅圈分別為β≤1和>1時的實測數據。1:1的關系用虛線表示。(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。當數據落在1:1虛線上時，熱平衡發生，這總是發生在上游溫度針上。當β > 1時，α與β發生熱不平衡，這是由下游溫度針的熱不平衡引起的。
 

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