植物生理生態監測系統，如何搭配傳感器？

應該如何配置生理生態系統呢？

主要是根據想要監測的指標，搭配對應的傳感器，下文將介紹植物相關傳感器的用途、特點等

1、植物水分生理研究

植物的水分利用是非常重要的，關系到蒸騰、光合作用，以及灌溉條件等等。那首先介紹的傳感器就是植物莖干液流傳感器，可根據研究的植物和經費去選擇：如果是喬木，就得用插針式的，用TDP原理、熱脈沖或者熱比法的傳感器；如果是直徑較小的蔬菜水果，就用包裹式的傳感器。現在插針式TDP原理的傳感器已經有國產的替代。

（2）熱平衡法（Heat Balance Method）是一種基于能量守恒原理的植物莖干液流測量技術，通過精確控制并量化莖干局部區域的熱量輸入與散失，直接計算液流速率。該方法無需破壞植物組織，尤其適用于小直徑莖干（如草本植物、灌木或幼樹）的液流監測。代表品牌有美國Dynamax、捷克EMS Brno等。

（3）熱消散法（Thermal Dissipation Method）是一種基于熱量傳輸原理的植物莖干液流測量技術，由法國科學家Granier在1985年提出（故也稱Granier法），是目前應用最廣泛的液流監測方法之一。其核心原理是通過測量莖干中加熱探針與未加熱探針之間的溫差變化，間接推算出木質部液流速率。代表品牌有德國Ecomatik、美國Dynamax等

（4）熱場變形法（Heat Field Deformation, HFD）是一種基于溫度場動態變化的高精度植物莖干液流測量技術，能夠同時分析液流速率、方向及導管結構特性。HFD通過捕捉加熱引起的溫度場空間分布變化，提供更全面的植物水分運輸信息，尤其適合研究復雜液流模式（如雙向流動或導管異質性）。代表品牌為澳大利亞ICT等。傳感器采用數十至數百個微型熱電偶或紅外熱像儀組成，覆蓋莖干周向和徑向，捕捉三維溫度場。設備成本高，需專業算法和計算資源處理海量溫度場數據。

2、葉片/冠層溫濕度監測

也有專用于單個葉片表面溫度測量的傳感器，是采用熱敏電阻直接接觸測量的，德國Ecomatik公司的這種傳感器還可以同時測量空氣溫度，這樣可以計算葉表面溫度和空氣溫度的差值，用于評估植物水分盈虧

直接接觸式的傳感器可能對葉片周圍微環境產生干擾，所以廠家會做各種測試避免這個。另外安裝需要固定，不適合快速移動測量，長期接觸可能損傷嬌嫩葉片。

4、植物生長測量傳感器

澳大利亞Implexx公司也有相關傳感器，類似的針對直徑大于6cm的樹木推薦用DE-1T型，直徑較小的用SD-5T（5~25mm）和SD-10T（20~70mm），還有果實膨大類傳感器。不過DE-1T是用一個鉆固定到樹干，對樹有輕微的損傷。

5、植被指數測量傳感器

Apogee公司通過一個向上和一個向下的雙波長（650nm和810nm）測量傳感器，測量冠層入射和反射光強弱，進而計算得到NDVI。另外，市面也有很多多光譜相機/物候相機，通過特定波段濾波片，采集反射光譜圖像，再通過軟件處理計算得到植被指數數據，這樣既有圖像，又有光譜信息。

6、光合熒光測量傳感器

植物的光合速率和葉綠素熒光指標一般是用便攜式設備進行測量的，不過也有部分廠家生產用于在線監測的探頭。目前筆者僅了解到有德國WALZ和美國Opti-Sciences公司有測量葉綠素熒光參數的探頭，并且價格不菲，預算有限的短期項目不建議使用。另外，這種畢竟是單點測量，數據的代表性有限，加之主動激發式、功耗大，請酌情考慮。

7、生長環境因子測量傳感器

生長環境主要是用小氣候測量相關的傳感器，比較簡單。野外系統著重關注下光合有效輻射PAR、日照時間、總輻射、風速風向、雨量、空氣溫濕度和土壤水分溫度鹽分條件。如果室內（溫室、陽光房、大棚等）安裝的系統關注的環境指標可以減少，主要是光合有效輻射PAR、照度、空氣溫濕度、CO₂和土壤環境。

8、輻射霜凍傳感器

霜凍災害對于農林等經濟作物的產量和品質影響是比較大的，霜凍事件期間作物的保護取決于植物溫度預測的準確性。通常，氣溫并不能完全預測霜凍事件的發生時間、持續時間和嚴重程度，因為在某些環境條件下，植物冠層溫度可能與氣溫有顯著差異

在晴朗、平靜的夜晚，即使氣溫保持在0℃以上，植物葉片溫度也會降至冰點以下，這被稱為輻射霜凍。這是由于地表附近缺乏空氣混合（風），地表凈長波輻射平衡為負（地表發出的長波輻射比地表從晴朗天空吸收的長波輻射多）。而在陰天或刮風的情況下，不會發生輻射霜凍事件。

Apogee公司的SF系列輻射霜凍傳感器由一個模擬葉片的精密熱敏電阻組成。傳感器提供了葉片溫度的近似值，可用于預測葉片上的霜凍。傳感器是防風雨的，用于在植物葉片的相同環境條件下進行連續溫度測量。

霜凍傳感器可以用在種植園、果園等，也可以用在科研單位，比如江蘇大學的老師就把這個傳感器用到了茶樹霜凍的研究實驗中。（文獻：Lu, Y.-Z., Hu, Y.-G., Tian, J.-T., Song, H., & Snyder, R. L. (2019). Artificial Radiation Frost Chamber for Frost Formation on Tea. Applied Sciences, 9(22), 4726. https://doi.org/10.3390/app9224726）

9、物候相機

物候是大自然中的生物表現出的重復周期性事件，比如植物花期的開始和結束時間、鳥類的孵卵與結巢時間等。物候相機就是用來觀測這些周期性事件的工具，實際是一種多通道的光譜成像傳感器，可以長期在野外部署。

早期的多光譜相機多是便攜式測量或者搭載到無人機上短期測量，沒有特別多是固定式的，主要受到供電等限制。

功能上說，物候相機除了拍攝特定波段的灰度圖片，還可以根據選擇的波段計算植被指數，比如NDVI、RCC、GCC等，當然需要廠家開發的專用平臺軟件才能實現。也有廠家開發了物種識別、數量時間統計、特征標記等功能的軟件，所以各具特色。

物候相機還可以選配變焦和云臺功能，有云臺后相機可以變換觀測角度，實現不同位點的觀測。數據是可以遠程傳輸的，可以用2-3米的三腳支架，或者安裝到觀測高塔上。

10、日光誘導葉綠素熒光

日光誘導葉綠素熒光（Solar-Induced Fluorescence,SIF）與植被光合作用關系密切，傳統的PAM熒光是主動激發式，而SIF是被動接收，直接測量太陽光誘導產生的植物葉綠素熒光能量。此外，SIF還可以用于GPP（生態系統總初級生產力）的反演計算，因為國家雙碳戰略（碳中和和碳達峰）的提出，目前越來越多的科研人員在做這個工作。

設備的核心是1nm以下分辨率的光譜儀，光譜儀是通過光纖收集入射和地面反射的光譜信息，一般選擇650~800nm范圍。目前算法有多種，標準的FLD、3FLD、iFLD、PCA等等。值得注意的是，光譜儀要定期通過標準的反射率板去標定，否則數據不理想。這類設備的原理和研究方法還在摸索中，不過市面上已經有相關產品陸續推出，比如Campbell公司的FluoreSens 10、點將科技公司的DJ-631A等。