在美國加州的Fresno地區，很多杏樹(shù)上已經(jīng)安裝了Dynamax制造的莖流傳感器。這些傳感器能夠清楚準確地告訴種植者這些杏樹(shù)是否受到水分脅迫，以及灌溉是否適量。
Dynamax從1989年就開(kāi)始研發(fā)制造莖流傳感器。最初研發(fā)的是TDP熱擴散插針式莖流傳感器，而最新研發(fā)的EXO-SkinTM外皮包裹式莖流傳感器在安裝時(shí)無(wú)需鉆孔，對測試樣株的影響很小。
Dynamax總裁Mike van Bavel介紹說(shuō)：“莖流傳感器可以測量得到杏樹(shù)的蒸騰耗水量”。除了杏樹(shù)，Dynamax的莖流傳感器還可被用于山核桃、桃子、櫻桃、李子、藍莓、草莓、玉米和棉花等作物的莖流監測。他說(shuō)：“讓作物本身告訴你它已經(jīng)消耗了多少水，進(jìn)而你就能知道需要再補充多少”。
使用莖流傳感器的節水作用非常顯著(zhù)。在過(guò)去幾年間，在美國加利福尼亞州的Napa和Sonoma地區，已經(jīng)有超過(guò)200多個(gè)葡萄園中安裝了Dynamax莖流傳感器。葡萄酒從業(yè)人員說(shuō)：“這種監測可以幫助每年節水數十萬(wàn)加侖，而時(shí)機合適的精準虧缺灌溉能夠顯著(zhù)提高葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)。”
從作物系數Kc到莖流脅迫系數Ks
作物系數Kc（Crop Coefficient, Kc）
地表蒸發(fā)和作物蒸騰共同組成了地表作物蒸發(fā)散（Crop Evapotranspiration）。如果，作物生長(cháng)良好，沒(méi)有病蟲(chóng)害，且作物根區土壤水分供應充足，把這種條件下的地表作物蒸發(fā)散（Crop Evapotranspiration）確定為理想狀態(tài)下的作物需水量，用符號ETc表示。在此時(shí)的氣象條件下，通過(guò)模型計算，可以得到潛在蒸發(fā)散，用符號ETo表示。二者的比值被稱(chēng)之為作物系數Kc。由于這三者之間存在上述的關(guān)系，研究者通?？梢愿鶕撛谡舭l(fā)散ETo和作物系數Kc，來(lái)推斷理想狀態(tài)下的作物需水量ETc，進(jìn)而指導灌溉。
世界糧農組織FAO根據分段單值平均法，計算出了不同作物在理想狀態(tài)下的作物系數Kc。這種方法把作物系數在整個(gè)生長(cháng)季內的變化過(guò)程概括為幾個(gè)階段。
- 初始生長(cháng)期,從播種到作物覆蓋率接近10%。此階段內作物系數為K c ini；
- 快速發(fā)育期, 從覆蓋率10% 到充分覆蓋(大田作物覆蓋率達到70%～80%);此階段內作物系數從Kc ini 提高到Kc mid。
- 生育中期,從充分覆蓋到成熟期開(kāi)始,葉片開(kāi)始變黃。此階段內作物系數為Kc mid。
- 成熟期，從葉片開(kāi)始變黃到生理成熟或收獲。此階段內作物系數從Kc mid 下降到Kc end。
莖流脅迫系數Ks（Sap Flow Stress Coefficient，Ks）
與作物系數Kc類(lèi)似，如果同步測量作物實(shí)測莖流量和同期氣象數據，研究者可以計算得到作物實(shí)際莖流總量ETa（mm）以及潛在蒸發(fā)散ETo。兩者的比值稱(chēng)之為莖流脅迫系數（Sap Flow Stress Coefficient），用Ks表示（公式如下），如果Ks越接近1，說(shuō)明作物受到的脅迫越小。因此，對于作物而言，可根據Ks的動(dòng)態(tài)變化，研究如何實(shí)施虧缺灌溉*。
Ks = ETa / ETo
美國Dynamax先進(jìn)的莖流采集系統FLGS-TDP（插針式）或Flow32（包裹式）以及內置潛在蒸發(fā)散計算模型的Dynamet科研級無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站，可幫助研究者時(shí)時(shí)采集到不同作物的莖流和潛在蒸發(fā)散數據。進(jìn)而可以將植物的莖流脅迫狀態(tài)定量化。
更進(jìn)一步，Dynamax近期研發(fā)的SapIP分布式植物生理生態(tài)監測系統，可將采集的莖流和氣象數據實(shí)時(shí)發(fā)送到Agrisensors.NET云數據平臺，利用電腦或手機，就可隨時(shí)查看最終的莖流脅迫系數Ks數據，為精準灌溉提供在線(xiàn)決策。
*虧缺灌溉是一種作物灌溉制度的優(yōu)化策略。在整個(gè)生育期，作物生長(cháng)存在干旱敏感期，在干旱敏感期是不能缺乏水分灌溉的。除了灌溉敏感期，適當的減少水分灌溉或是不灌溉，在盡量不減少作物產(chǎn)量的同時(shí)，提升作物品質(zhì)以及其作物的水分利用效率。
植物蒸騰耗水總量ETa
它是計算莖流脅迫系數Ks的必要參數
在Dynamax的莖流脅迫系數Ks模型中，ETa是指樣地內所有植株單位時(shí)間內通過(guò)蒸騰作用向大氣中釋放的水汽量。若要獲取ETa，需要首先測量單株植物的莖流速度，之后乘以樣方內植株數量，或根據樣地葉面積指數，計算得到樣地內所有植株的莖流總量。目前，依據測量?jì)x器的不同，獲取單株植物莖流速度的方式有三種。
前兩種測量方式可以獲取單株植物的莖流速度，但是不包含“云服務(wù)”功能；而SapIP莖流監測網(wǎng)絡(luò )則可利用Dynamax研發(fā)的云服務(wù)功能。用戶(hù)可隨時(shí)登錄Agrisensors.NET獲取單株植株的莖流數據。
根據樣株的具體情況：是草本還是喬木？節間距大還是??？研究者可選擇不同的傳感器。例如，對于草本植物而言，如西紅柿、黃瓜，只能選擇Dynagage包裹式莖流傳感器；而對于楊樹(shù)，TDP熱擴散插針式莖流傳感器則是更優(yōu)的選擇；而對于節間距短的植物葡萄來(lái)說(shuō)，則只能采用EXO-SkinTM外皮包裹式莖流傳感器。
Dynamax在Penman 模型基礎上做了進(jìn)一步 修正
ETo是植物需水量的潛在值，指土壤水分供應充足的條件下，在地面開(kāi)闊、生長(cháng)茂密、8-15cm高的矮草地上的蒸發(fā)散量。ETo可根據當地的氣象條件進(jìn)行計算。常用的計算方法包括：布萊尼-克雷多公式（適用于干旱、半干旱地區）、水汽擴散法公式（精度高）、能量平衡法、Penman綜合法公式。其中，Penman綜合法公式已經(jīng)被大多數學(xué)者接受。
Dynamax的多種氣象站，標準蒸發(fā)散模型內置于氣象站中，可提供每小時(shí)（mm/h）或整天(mm)的數據。計算原型依然是基于Penman綜合法。在此模型基礎上，C.H.M. Van Bavel博士做了進(jìn)一步訂正，使得目前的模型可以輸出每小時(shí)的標準蒸發(fā)散數據，這使得模型計算得到的數據和實(shí)際情況更加接近。
Dydamax提供了一系列的標準氣象站供用戶(hù)選擇。值得一提的是，最新推出的SapIP-MICRO微氣象監測系統，可精細化研究中小尺度上的微氣候差異，并可利用Agrisensors.NET云服務(wù)平臺，幫助研究者隨時(shí)查看研究區的標準蒸發(fā)散數據。進(jìn)一步的，結合植物莖流數據ETa，就可計算得到莖流脅迫系數Ks。
莖流脅迫系數Ks監測平臺
圖1 AgriSensors.Net 云服務(wù)平臺
圖2 植物莖流日動(dòng)態(tài)
圖3 植物脅迫系數Ks動(dòng)態(tài)
美國Dynamax采用先進(jìn)的植物莖流傳感器以及穩定的SapIP系統，可直接測量得到植物的蒸騰耗水量。采集的數據可直接成圖顯示在A(yíng)griSensors.NET平臺上（圖2）。單株植物瞬時(shí)的測量結果可用于推算得到每天的蒸騰總量，結合單位樣地面積上植物的總株數或葉面積指數，可計算得到樣地的植物蒸騰耗水總量Eta（圖1）。
該系統內所采集的氣象數據可估算得到該地區的植物需水量潛在值ETo，進(jìn)而就可計算植物莖流脅迫系數了（圖3）。在不考慮地表蒸發(fā)的前提下，理想的莖流脅迫系數應該為1。
在實(shí)際應用中，種植者只需要確定該作物所能接受的脅迫狀態(tài)是怎樣的，并參考土壤水分測量結果，然后就可恢復灌溉。有些情況下，對于特定作物來(lái)說(shuō)，一段時(shí)間的脅迫是必要的，這反而有助于作物果實(shí)的生長(cháng)。
Ks植物水分脅迫系數是實(shí)現精準灌溉的數據基礎！