在美國加州的Fresno地區(qū)，很多杏樹上已經安裝了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是否受到水分脅迫，以及灌溉是否適量。
Dynamax從1989年就開始研發(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無需鉆孔，對測試樣株的影響很小。
Dynamax總裁Mike van Bavel介紹說：“莖流傳感器可以測量得到杏樹的蒸騰耗水量”。除了杏樹，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(jiān)測。他說：“讓作物本身告訴你它已經消耗了多少水，進而你就能知道需要再補充多少”。
使用莖流傳感器的節(jié)水作用非常顯著。在過去幾年間，在美國加利福尼亞州的Napa和Sonoma地區(qū)，已經有超過200多個葡萄園中安裝了Dynamax莖流傳感器。葡萄酒從業(yè)人員說：“這種監(jiān)測可以幫助每年節(jié)水數(shù)十萬加侖，而時機合適的精準虧缺灌溉能夠顯著提高葡萄的產量和品質。”
從作物系數(shù)Kc到莖流脅迫系數(shù)Ks
作物系數(shù)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，作物生長良好，沒有病蟲害，且作物根區(qū)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。在此時的氣象條件下，通過模型計算，可以得到潛在蒸發(fā)散，用符號ETo表示。二者的比值被稱之為作物系數(shù)Kc。由于這三者之間存在上述的關系，研究者通?？梢愿鶕?jù)潛在蒸發(fā)散ETo和作物系數(shù)Kc，來推斷理想狀態(tài)下的作物需水量ETc，進而指導灌溉。
世界糧農組織FAO根據(jù)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(shù)Kc。這種方法把作物系數(shù)在整個生長季內的變化過程概括為幾個階段。
- 初始生長期,從播種到作物覆蓋率接近10%。此階段內作物系數(shù)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(shù)從Kc ini 提高到Kc mid。
- 生育中期,從充分覆蓋到成熟期開始,葉片開始變黃。此階段內作物系數(shù)為Kc mid。
- 成熟期，從葉片開始變黃到生理成熟或收獲。此階段內作物系數(shù)從Kc mid 下降到Kc end。
莖流脅迫系數(shù)Ks（Sap Flow Stress Coefficient，Ks）
與作物系數(shù)Kc類似，如果同步測量作物實測莖流量和同期氣象數(shù)據(jù)，研究者可以計算得到作物實際莖流總量ETa（mm）以及潛在蒸發(fā)散ETo。兩者的比值稱之為莖流脅迫系數(shù)（Sap Flow Stress Coefficient），用Ks表示（公式如下），如果Ks越接近1，說明作物受到的脅迫越小。因此，對于作物而言，可根據(jù)Ks的動態(tài)變化，研究如何實施虧缺灌溉*。
Ks = ETa / ETo
美國Dynamax先進的莖流采集系統(tǒng)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科研級無線傳輸自動氣象站，可幫助研究者時時采集到不同作物的莖流和潛在蒸發(fā)散數(shù)據(jù)。進而可以將植物的莖流脅迫狀態(tài)定量化。
更進一步，Dynamax近期研發(fā)的SapIP分布式植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可將采集的莖流和氣象數(shù)據(jù)實時發(fā)送到Agrisensors.NET云數(shù)據(jù)平臺，利用電腦或手機，就可隨時查看最終的莖流脅迫系數(shù)Ks數(shù)據(jù)，為精準灌溉提供在線決策。
*虧缺灌溉是一種作物灌溉制度的優(yōu)化策略。在整個生育期，作物生長存在干旱敏感期，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?shù)臏p少水分灌溉或是不灌溉，在盡量不減少作物產量的同時，提升作物品質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(shù)Ks的必要參數(shù)
在Dynamax的莖流脅迫系數(shù)Ks模型中，ETa是指樣地內所有植株單位時間內通過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(shù)量，或根據(jù)樣地葉面積指數(shù)，計算得到樣地內所有植株的莖流總量。目前，依據(jù)測量儀器的不同，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”功能；而SapIP莖流監(jiān)測網絡則可利用Dynamax研發(fā)的云服務功能。用戶可隨時登錄Agrisensors.NET獲取單株植株的莖流數(shù)據(jù)。
根據(jù)樣株的具體情況：是草本還是喬木？節(jié)間距大還是小？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，TDP熱擴散插針式莖流傳感器則是更優(yōu)的選擇；而對于節(jié)間距短的植物葡萄來說，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，在地面開闊、生長茂密、8-15cm高的矮草地上的蒸發(fā)散量。ETo可根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件進行計算。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(qū)）、水汽擴散法公式（精度高）、能量平衡法、Penman綜合法公式。其中，Penman綜合法公式已經被大多數(shù)學者接受。
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（mm/h）或整天(mm)的數(shù)據(jù)。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博士做了進一步訂正，使得目前的模型可以輸出每小時的標準蒸發(fā)散數(shù)據(jù)，這使得模型計算得到的數(shù)據(jù)和實際情況更加接近。
Dydamax提供了一系列的標準氣象站供用戶選擇。值得一提的是，最新推出的SapIP-MICRO微氣象監(jiān)測系統(tǒng)，可精細化研究中小尺度上的微氣候差異，并可利用Agrisensors.NET云服務平臺，幫助研究者隨時查看研究區(qū)的標準蒸發(fā)散數(shù)據(jù)。進一步的，結合植物莖流數(shù)據(jù)ETa，就可計算得到莖流脅迫系數(shù)Ks。
莖流脅迫系數(shù)Ks監(jiān)測平臺
圖1 AgriSensors.Net 云服務平臺
圖2 植物莖流日動態(tài)
圖3 植物脅迫系數(shù)Ks動態(tài)
美國Dynamax采用先進的植物莖流傳感器以及穩(wěn)定的SapIP系統(tǒng)，可直接測量得到植物的蒸騰耗水量。采集的數(shù)據(jù)可直接成圖顯示在AgriSensors.NET平臺上（圖2）。單株植物瞬時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(shù)或葉面積指數(shù)，可計算得到樣地的植物蒸騰耗水總量Eta（圖1）。
該系統(tǒng)內所采集的氣象數(shù)據(jù)可估算得到該地區(qū)的植物需水量潛在值ETo，進而就可計算植物莖流脅迫系數(shù)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(shù)應該為1。
在實際應用中，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，對于特定作物來說，一段時間的脅迫是必要的，這反而有助于作物果實的生長。
Ks植物水分脅迫系數(shù)是實現(xiàn)精準灌溉的數(shù)據(jù)基礎！