为给植物的旱情提供及时、可靠的信息，探索简单、灵敏、迅速、准确的植物旱情信息诊断方法一直为国内外植物、园林科研工作者关注的热点。目前，对植物旱情的诊断主要是依据植物的生理指标，如植物组织含水量、水势、叶面蒸腾速率、气孔张开度等，但这些指标普遍存在测试繁琐、费时的缺点，且测试结果易受外界干扰。除测试植物生理特性指标外，也常根据土壤含水量诊断旱情，虽然该方法比较成熟，但土壤含水量并不能完全准确地代表植物旱情。植物属于生物体，是介于导体和绝缘体之间的电介质，是由木质、气体和水组成的多孔介质。其中水分是影响植物介电特性最主要的因素，又因为水是植物组织的主要组成部分，因此以其介电特性反映植物的生理状况是可行的。另外，介电特性检测方法具有简单、迅速、可靠等特点。

1 植物茎体含水率测量方法介绍

直接进行植物茎体含水量的测量可以起到事半功倍的效果。国外针对植物体含水率的测量提出很多方法，采用诸多技术手段，如烘干法、γ射线法(gamma-ray) (Edwards et al., 1983)、核磁共振法(nuclear magnetic resonance) (Byrne et al., 1986)、计算机层析成像技术(computer tomography) (Raschi et al., 1995)、电阻法和介电常数法。在以上诸多方法中，γ射线法存在潜在的安全隐患，核磁共振法和计算机层析成像技术成本高，且使用不方便，不能实现野外的定点长期监测。因此，实际使用较多的是烘干法、电阻法、植物体积测量法和介电常数法。

烘干法的优点是数值准确，一般作为相关仪器的标定，而不是直接用于测量植物体含水率。取样对植物的生理活动有较大伤害，在关键部位取样(如树干)造成的伤害更大; 取样时在切口处会有水分流出，尤其在含水量很高的树干上取样，水分损耗会更多; 植物不同部位贮存水分量的差异很大，采用烘干法估算植物的水分分布和平衡有很大的局限性; 烘干法无法实现在线测量，且周期长。

Namken等(1960)将木材工业中测量木材含水率的电阻法做了改进，用以测量植物体含水率。但是Mederski(1961)的研究发现:电阻法灵敏度欠佳，并且植物组织的相对含水率与电阻值的联系并不紧密。宋蜇存等(1994)的研究表明:活乔木组织的绝对含水率与电阻值之间不是单值函数，因此电阻法测量植物体含水率存在局限性。

植物茎体含水量的变化直接导致植物体体积的变化。这种变化可用高精度的Vertical Dendrometer直接从树干长度上测出。植物茎体含水量的变化和树干长度变化之间的关系可用3种方法测得:观测结束后将树伐倒，同时测其质量和长度的变化; 通过实地测量而建立得2个变量之间的数学模型，用户可以用实测数据确定其中的参数; 用Porometer直接测量蒸腾率，从中减去树干流，即可求得植物茎体含水量和树干长度变化之间的关系。

介电常数法是目前使用最广泛的方法，其中TDR技术是国外使用最多的1种。针对木材的介电常数，国外专家学者做了很多富有成效的研究工作。William(1975)综合考虑频率、含水率、温度、纹理方面对介电性质的影响，认为对介电性质影响较大的因子是频率和含水率，受温度、纹理方面的影响次之，树种、密度对介电性质的影响则更小些。Constantz等(1990)在Topp等(1980)的研究基础上，将TDR技术应用于活立木茎体含水率的测量。Constantz等(1990)、Holbrook等(1992)、Wullschleger等(1996)、Irvine等(1997)以及Nadler等(2003)先后将TDR技术应用于寻找活立木含水率与其介电常数之间的关系模型的研究之中。Wullschleger等(1996)采用TDR法监测Acer rubrum (散孔材)、Nyssa sylvatica(散孔材)、Quercus alba(环孔材)和Q. prinus(环孔材)4种落叶阔叶树种的木组织含水量季节性变化情况。他们针对这4个树种做了标定试验(探针为双针平行不锈钢探头，总长15 cm，插入深度13 cm，间距2.5 cm)，并结合Constantz等(1990)的数据，得出了自称通用的体积含水量———有效介电常数标定等式。Wullschleger等(1996)指出TDR技术可以有效地观测树干含水量的季节性变化，但是也存在不足: TDR测量的是波导探头附近一定体积范围内含水量的平均值，在测量散孔材树种的含水量时误差并不大，但是对于环孔材树种就会产生较大的误差，这源于二者的心材贮存水分能力的差异。Irvine等(1996)提出了1种TDR无损检测方法，采取的主要措施是缩短波导棒的长度。Nadler等(2003)人综合以上研究，对TDR监测土壤含水率和柠檬树(Citrus limonum)树干含水率的性能做评估研究。通过与叶水势的变化值同步比较，证实采用介电常数法测量木本植物茎体的含水率是可靠的，并且验证TDR可以很好地跟踪水分胁迫造成的茎体含水率的变化。TDR波导探头的长度受限制，使用较短波导探头可以减小对植物的损伤，并且减少水分分布差异引入的误差，但是系统分辨率会降低，波导太长信号的衰减会很大。同时TDR技术的实现要求比较高，生产成本比较高，目前国内在这方面的研究尚属空白。

2 基于活立木介电特性———驻波率的活立木茎体水分测量方法

本文引出的植物水分传感器是基于驻波率原理(Hearmen et al., 1954; Holbrook et al., 1992)的，测量原理如图 1所示。该装置由100 MHz信号源，同轴传输线、高频检波电路和双针平行不锈钢探针组成。

考虑到在高频下同轴电缆的分布电容、电感、电导等参数的影响，信号源产生的高频电磁波沿着传输线传送到探头。由于探头的阻抗与传输线的阻抗不同，一部分的信号将反射回信号源。在传输线上，入射波与反射波叠加形成驻波，在传输线上各点的电压幅值存在变化。由驻波率测量原理，取A，B两点的差动信号作为传感器变换电路的输出，即得到下式:

其中A为信号的幅值，Z_c为同轴传输线的特征阻抗。本试验中Z_C为50 Ω的标准同轴电缆。在信号源振幅A和Z_C恒定的情况下，传输线两端的电位差U_AB只与探针阻抗Z_L有关。

探针阻抗Z_L可以由下式估算:

其中Z_L是长度为L的探针阻抗，L是传输线长度，R为两探针间距，r为探针半径，ε是被测植物茎体的介电常数，c为电磁波在被测介质中的传播速度。

由上式可以看出:在测量频率f及探针几何参数L，R与r确定的情况下，探针阻抗只与介电常数ε有关之外。植物的介电特性主要取决于植物的含水量。当含水率不同时，植物体的介电性质就不同，导致探针阻抗改变并形成不同的驻波率，这样传输线上各点电压幅值的变化也不一样。所以通过测量传输线上不同2点电压幅值差达到测量活立木茎体含水率的目的。

3 材料与方法 3.1 BD-Ⅱ型活立木茎体含水率测量仪与SF-L树干茎流仪测量结果相关性

以15年生柳树为试验材料，在活立木茎体同侧安装德国生产的SF-L树干茎流仪及北京林业大学工学院研发的BD-Ⅱ型活立木茎体水分传感器(安装如图 2)。SF-L树干茎流仪的探针长度为33 mm，S2，S0，S3之间的间距为100 mm，S0，S1之间的间距也为100 mm。BD-Ⅱ型活立木茎体水分传感器的探针直径为3 mm，两探针间距为30 mm，长度为35 mm。

从2008年7月17日至2008年9月20日实时监测植物茎体水分传感器输出电压与树干茎流。每天上午9点分别记录植物茎体水分传感器输出电压与树干茎流量，去除前1个月由于探针嵌入植物茎体而引起的测量误差，取2008年8月17日至2008年9月20日数据如下图:

选取了天气状况差异较大的连续几天(3月29日—4月1日) BD-和SF-L茎流计输出电压值曲线图(图 4)，由两图对照可以看出2者的变化趋势基本趋于一致。

对以上2组数据进行归一后相关处理后得出水分传感器与茎流仪输出电压关系曲线图:

3.2 数据处理

分别对BD-Ⅱ型物茎体水分传感器输出电压与树干茎流量进行归一化处理:

(1)

(2)

其中: U是BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器输出电压的归一值，U_i是BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器输出电压的测量值，U_max是BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器输出电压的最大测量值，U_min是BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器输出电压的最小测量值。F_i是树干茎流量的归一值，是树干茎流量的测量值，是树干茎流量的最大测量值，F_min是树干茎流量的最小测量值。

由归一化后的差值求得的均值和方差可以看出，BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器输出电压与树干茎流量没有显著差异。说明BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器基本可以用于观测植物茎体含水量的变化。

3.3 应用BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器实时检测白玉兰树茎体水分变化情况

在北京林业大学校园内选取1棵10年生，生长情况良好的白玉兰(Magnolia denudata)树，树干周长约52 cm，直径约16 cm，树干高1.8 m。植物水分传感器两探针间距30 mm，探针直径3 mm，长度50 mm。沿树干1.5 m处，茎向钻观测点A，B 2组孔，孔组间距30 cm，两孔沿树干茎向同一轴线上下排列，并分别安装探针，为保证探针尖端与植物体接触紧密，最后5 mm长度直接用锤子钉入(图 6)。

从2008年3月开始，每天上午9点读取植物水分传感器数值1次，连续监测白玉兰树茎体含水量的变化至今，图 7为2008年3月至2010年2月的茎体含水量变化情况。传感器嵌入树体后，前10几天由于白玉兰自身细胞组织被破坏，体液渗出，造成茎体含水量降低，10 t几天以后，随着白玉兰树细胞的修复，同时，由于春天的到来，树木复苏，新陈代谢加速，降雨和灌溉量增加，土壤含水量增加，茎体含水量逐步升高。这一现象与国外专家Wullschleger等(1996)利用TDR水分传感器来监测红花槭、黑橡胶、白栎和裂斗锥栗4种落叶阔叶树种的茎体含水量结论是一致的。夏季的到来，植物体内需要更多的水分来维持蒸腾作用，因此整个暑期白玉兰含水量达到最高值。随着秋季的来临，树叶枯萎掉落，植物体内所需水分减小，直到入冬，植物生理活动急剧减少，白玉兰树体内的含水量达到最低值并持续到开春，白玉兰生理活动又开始旺盛起来，所需水分也随之增加，整个过程都能在曲线当中很好的体现出来。因此，说明本项目研制的植物茎体水分传感器可以应用到植物茎体含水量的实时监测中来。

4 结论

本研究在充分研究现有植物茎体水分测量方法的基础上，对烘干法、电阻法、植物体积测量法以及介电法测量植物茎体水分的优缺点进行充分对比研究，烘干法精准，但不能实现在线测量，且测量周期较长; 电阻法虽然可实现在线测量，但精度不高; 而植物体积测量法具有破坏性，同样不能实现在线实时测量。根据植物的介电特性来测量其茎体含水率的方法越来越受到研究人员的重视，本文提出基于驻波率原理的植物茎体水分测量方法，研制开发具有独立知识产权的BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器。对BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器与SF-L树干茎流仪的测量结果进行相关性研究，首先将它们的测量结果进行归一处理，然后求取归一值的对应差，求差值序列的均值和方差分别为-0.003 92和0.227 505，相关系数达到0.76，说明2种测量方法的相关性较好。从而得出:依据植物介电特性、利用驻波率原理来测量植物茎体含水率是一种行之有效的方法。在北京林业大学校区内，对1棵10年生白玉兰树茎体水分进行了长达2年的实时监测，结果表明: BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器能够达到实时监测植物茎体水分变化的目的。BD-Ⅱ型植物茎体水分传感器是一种快速、安全、准确、操作方便、能实时监测植物茎体水分变化的、满足科学研究及生产需求的高性能产品。