植物生理生态监测系统，如何搭配传感器？

2025-08-22 17:53:39 点将科技系统集成部 9

植物生理生态监测系统是用来长期测量植物生理状态和生长环境指标的设备。其中生理状态有水分转运利用，冠层温湿度，根系、茎干、枝条、果实生长变化，光合效率等，生长环境指标如光照、空气温湿度、土壤水分等。

监测系统一般由数据采集器、监测传感器、供电系统、防护机箱、支架等组成的。数据下载方式从早期的现场电脑下载，转变为无线传输（4G、LoRa、北斗等），用户可以远程电脑或者手机查看实时数据。

应该如何配置生理生态系统呢？

主要是根据想要监测的指标，搭配对应的传感器，下文将介绍植物相关传感器的用途、特点等

1、植物水分生理研究

植物的水分利用是非常重要的，关系到蒸腾、光合作用，以及灌溉条件等等。那首先介绍的传感器就是植物茎干液流传感器，可根据研究的植物和经费去选择：如果是乔木，就得用插针式的，用TDP原理、热脉冲或者热比法的传感器；如果是直径较小的蔬菜水果，就用包裹式的传感器。现在插针式TDP原理的传感器已经有国产的替代。

（1）热脉冲法（Heat Pulse Method）是一种通过向植物茎干施加短暂热脉冲并追踪其传播过程来测量液流速率的技术。该方法最早于20世纪50年代提出，因其高精度和可测量逆向液流的特点，被广泛应用于树木、藤本植物及部分农作物的水分运输研究。代表品牌有澳大利亚Implexx、德国ecomatik等。

热脉冲传感器一般采用3根探针，即加热探针、上游温度探针、下游温度探针。上下游温度探针上一般有多个测量点，适合直径大于3cm的茎干。热脉冲法采用间歇加热，功耗较低。

澳大利亚Implexx的热脉冲传感器分3cm长度和6cm长度2种款型，上下游探针上分别有2个和5个测温点，每个测温点可以测量周围1cm直径区域，保证有效测到导水层。

（2）热平衡法（Heat Balance Method）是一种基于能量守恒原理的植物茎干液流测量技术，通过精确控制并量化茎干局部区域的热量输入与散失，直接计算液流速率。该方法无需破坏植物组织，尤其适用于小直径茎干（如草本植物、灌木或幼树）的液流监测。代表品牌有美国Dynamax、捷克EMS Brno等。

（3）热消散法（Thermal Dissipation Method）是一种基于热量传输原理的植物茎干液流测量技术，由法国科学家Granier在1985年提出（故也称Granier法），是目前应用最广泛的液流监测方法之一。其核心原理是通过测量茎干中加热探针与未加热探针之间的温差变化，间接推算出木质部液流速率。代表品牌有德国Ecomatik、美国Dynamax等

（4）热场变形法（Heat Field Deformation, HFD）是一种基于温度场动态变化的高精度植物茎干液流测量技术，能够同时分析液流速率、方向及导管结构特性。HFD通过捕捉加热引起的温度场空间分布变化，提供更全面的植物水分运输信息，尤其适合研究复杂液流模式（如双向流动或导管异质性）。代表品牌为澳大利亚ICT等。传感器采用数十至数百个微型热电偶或红外热像仪组成，覆盖茎干周向和径向，捕捉三维温度场。设备成本高，需专业算法和计算资源处理海量温度场数据。

液流类传感器因为需要通过探针加热测量温度变化，所以功耗较大，如果在室内可以使用交流电，室外建议配置大功率的太阳能板和蓄电池进行供电。

2、叶片/冠层温湿度监测

冠层温度传感器通过一个窄视场的窗口接收来自物体表面的红外辐射能量，转化为电信号，通过采集器计算得到温度数据。这类测量的不是单个叶片，而是视场内的冠层，精度可以达到0.3℃左右，响应时间在0.6秒，响应快。

红外冠层温度传感器的缺点是易受环境影响，强太阳光反射、水汽、灰尘等都会影响。此外，这种传感器的成本比较高。

也有专用于单个叶片表面温度测量的传感器，是采用热敏电阻直接接触测量的，德国Ecomatik公司的这种传感器还可以同时测量空气温度，这样可以计算叶表面温度和空气温度的差值，用于评估植物水分盈亏

直接接触式的传感器可能对叶片周围微环境产生干扰，所以厂家会做各种测试避免这个。另外安装需要固定，不适合快速移动测量，长期接触可能损伤娇嫩叶片。

3、叶片湿度传感器通过模拟叶片表面，利用电容原理（水的高介电常数导致电容值升高）来检测其表面水膜的存在和多少，并将这种物理变化转化为可量化的电信号，最终输出叶片表面的实际湿润程度或湿润持续时间信息。

叶片湿度传感器可以用于病害防治，许多病原真菌（如霜霉病、晚疫病、白粉病等）的孢子萌发和侵染需要叶片持续湿润一段时间（称为“叶片湿润时间”）。

4、植物生长测量传感器

直接测量植物生长的传感器（英文是Dendrometer），比如茎干、枝条或者果实的生长变化，这类的原理都是滑动变阻，还是以进口品牌为主（Ecomatik、Implexx、Dynamax等）。这个对于传感器的精度要求较高，微米级的形变都要能被记录。

进口品牌中较为常用的是德国ecomatik公司的，对于较粗的乔木茎干类，建议用DD-L（直径），DC（周长，下图左上），DR（半径），DV（垂直）；如果是果树、蔬菜或者农作物，建议用DD-S（直径，下图右上）。同时还有测量根茎的DD-RO，以及测量水果的DF系列型号（下图，下方）

澳大利亚Implexx公司也有相关传感器，类似的针对直径大于6cm的树木推荐用DE-1T型，直径较小的用SD-5T（5~25mm）和SD-10T（20~70mm），还有果实膨大类传感器。不过DE-1T是用一个钻固定到树干，对树有轻微的损伤。

这类生长变化传感器都有一个测量范围或者形变上限，对于速生树种，建议选择较大测量范围的，另外快到上限了建议重新安装下，避免超量程。

5、植被指数测量传感器

植物长势还可以通过植被指数传感器测量，比如大家熟悉的NDVI（归一化植被指数）、PRI(叶片光化学指数)等，能反映植被冠层的叶绿素含量情况。

Apogee公司通过一个向上和一个向下的双波长（650nm和810nm）测量传感器，测量冠层入射和反射光强弱，进而计算得到NDVI。另外，市面也有很多多光谱相机/物候相机，通过特定波段滤波片，采集反射光谱图像，再通过软件处理计算得到植被指数数据，这样既有图像，又有光谱信息。

6、光合荧光测量传感器

植物的光合速率和叶绿素荧光指标一般是用便携式设备进行测量的，不过也有部分厂家生产用于在线监测的探头。目前笔者仅了解到有德国WALZ和美国Opti-Sciences公司有测量叶绿素荧光参数的探头，并且价格不菲，预算有限的短期项目不建议使用。另外，这种毕竟是单点测量，数据的代表性有限，加之主动激发式、功耗大，请酌情考虑。

7、生长环境因子测量传感器

生长环境主要是用小气候测量相关的传感器，比较简单。野外系统着重关注下光合有效辐射PAR、日照时间、总辐射、风速风向、雨量、空气温湿度和土壤水分温度盐分条件。如果室内（温室、阳光房、大棚等）安装的系统关注的环境指标可以减少，主要是光合有效辐射PAR、照度、空气温湿度、CO₂和土壤环境。

8、辐射霜冻传感器

霜冻灾害对于农林等经济作物的产量和品质影响是比较大的，霜冻事件期间作物的保护取决于植物温度预测的准确性。通常，气温并不能完全预测霜冻事件的发生时间、持续时间和严重程度，因为在某些环境条件下，植物冠层温度可能与气温有显著差异

在晴朗、平静的夜晚，即使气温保持在0℃以上，植物叶片温度也会降至冰点以下，这被称为辐射霜冻。这是由于地表附近缺乏空气混合（风），地表净长波辐射平衡为负（地表发出的长波辐射比地表从晴朗天空吸收的长波辐射多）。而在阴天或刮风的情况下，不会发生辐射霜冻事件。

Apogee公司的SF系列辐射霜冻传感器由一个模拟叶片的精密热敏电阻组成。传感器提供了叶片温度的近似值，可用于预测叶片上的霜冻。传感器是防风雨的，用于在植物叶片的相同环境条件下进行连续温度测量。

霜冻传感器可以用在种植园、果园等，也可以用在科研单位，比如江苏大学的老师就把这个传感器用到了茶树霜冻的研究实验中。（文献：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、物候相机

物候是大自然中的生物表现出的重复周期性事件，比如植物花期的开始和结束时间、鸟类的孵卵与结巢时间等。物候相机就是用来观测这些周期性事件的工具，实际是一种多通道的光谱成像传感器，可以长期在野外部署。

早期的多光谱相机多是便携式测量或者搭载到无人机上短期测量，没有特别多是固定式的，主要受到供电等限制。

功能上说，物候相机除了拍摄特定波段的灰度图片，还可以根据选择的波段计算植被指数，比如NDVI、RCC、GCC等，当然需要厂家开发的专用平台软件才能实现。也有厂家开发了物种识别、数量时间统计、特征标记等功能的软件，所以各具特色。

物候相机还可以选配变焦和云台功能，有云台后相机可以变换观测角度，实现不同位点的观测。数据是可以远程传输的，可以用2-3米的三脚支架，或者安装到观测高塔上。

10、日光诱导叶绿素荧光

日光诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Fluorescence,SIF）与植被光合作用关系密切，传统的PAM荧光是主动激发式，而SIF是被动接收，直接测量太阳光诱导产生的植物叶绿素荧光能量。此外，SIF还可以用于GPP（生态系统总初级生产力）的反演计算，因为国家双碳战略（碳中和和碳达峰）的提出，目前越来越多的科研人员在做这个工作。

设备的核心是1nm以下分辨率的光谱仪，光谱仪是通过光纤收集入射和地面反射的光谱信息，一般选择650~800nm范围。目前算法有多种，标准的FLD、3FLD、iFLD、PCA等等。值得注意的是，光谱仪要定期通过标准的反射率板去标定，否则数据不理想。这类设备的原理和研究方法还在摸索中，不过市面上已经有相关产品陆续推出，比如Campbell公司的FluoreSens 10、点将科技公司的DJ-631A等。

植物生理生态监测系统，如何搭配传感器？

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