應(yīng)該如何配置生理生態(tài)系統(tǒng)呢？

主要是根據(jù)想要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，搭配對(duì)應(yīng)的傳感器，下文將介紹植物相關(guān)傳感器的用途、特點(diǎn)等

1、植物水分生理研究

植物的水分利用是非常重要的，關(guān)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(jù)研究的植物和經(jīng)費(fèi)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?，F(xiàn)在插針式TDP原理的傳感器已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)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(cè)量技術(shù)，通過(guò)精確控制并量化莖干局部區(qū)域的熱量輸入與散失，直接計(jì)算液流速率。該方法無(wú)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(shù)）的液流監(jiān)測(cè)。代表品牌有美國(guó)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(cè)量技術(shù)，由法國(guó)科學(xué)家Granier在1985年提出（故也稱Granier法），是目前應(yīng)用最廣泛的液流監(jiān)測(cè)方法之一。其核心原理是通過(guò)測(cè)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(zhì)部液流速率。代表品牌有德國(guó)Ecomatik、美國(guó)Dynamax等

（4）熱場(chǎng)變形法（Heat Field Deformation, HFD）是一種基于溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的高精度植物莖干液流測(cè)量技術(shù)，能夠同時(shí)分析液流速率、方向及導(dǎo)管結(jié)構(gòu)特性。HFD通過(guò)捕捉加熱引起的溫度場(chǎng)空間分布變化，提供更全面的植物水分運(yùn)輸信息，尤其適合研究復(fù)雜液流模式（如雙向流動(dòng)或?qū)Ч墚愘|(zhì)性）。代表品牌為澳大利亞ICT等。傳感器采用數(shù)十至數(shù)百個(gè)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(chǎng)。設(shè)備成本高，需專業(yè)算法和計(jì)算資源處理海量溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2、葉片/冠層溫濕度監(jiān)測(cè)

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

直接接觸式的傳感器可能對(duì)葉片周圍微環(huán)境產(chǎn)生干擾，所以廠家會(huì)做各種測(cè)試避免這個(gè)。另外安裝需要固定，不適合快速移動(dòng)測(cè)量，長(zhǎng)期接觸可能損傷嬌嫩葉片。

4、植物生長(zhǎng)測(cè)量傳感器

澳大利亞Implexx公司也有相關(guān)傳感器，類似的針對(duì)直徑大于6cm的樹(shù)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(shí)膨大類傳感器。不過(guò)DE-1T是用一個(gè)鉆固定到樹(shù)干，對(duì)樹(shù)有輕微的損傷。

5、植被指數(shù)測(cè)量傳感器

Apogee公司通過(guò)一個(gè)向上和一個(gè)向下的雙波長(zhǎng)（650nm和810nm）測(cè)量傳感器，測(cè)量冠層入射和反射光強(qiáng)弱，進(jìn)而計(jì)算得到NDVI。另外，市面也有很多多光譜相機(jī)/物候相機(jī)，通過(guò)特定波段濾波片，采集反射光譜圖像，再通過(guò)軟件處理計(jì)算得到植被指數(shù)數(shù)據(jù)，這樣既有圖像，又有光譜信息。

6、光合熒光測(cè)量傳感器

植物的光合速率和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)一般是用便攜式設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的，不過(guò)也有部分廠家生產(chǎn)用于在線監(jiān)測(cè)的探頭。目前筆者僅了解到有德國(guó)WALZ和美國(guó)Opti-Sciences公司有測(cè)量葉綠素?zé)晒鈪?shù)的探頭，并且價(jià)格不菲，預(yù)算有限的短期項(xiàng)目不建議使用。另外，這種畢竟是單點(diǎn)測(cè)量，數(shù)據(jù)的代表性有限，加之主動(dòng)激發(fā)式、功耗大，請(qǐng)酌情考慮。

7、生長(zhǎng)環(huán)境因子測(cè)量傳感器

生長(zhǎng)環(huán)境主要是用小氣候測(cè)量相關(guān)的傳感器，比較簡(jiǎn)單。野外系統(tǒng)著重關(guān)注下光合有效輻射PAR、日照時(shí)間、總輻射、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、空氣溫濕度和土壤水分溫度鹽分條件。如果室內(nèi)（溫室、陽(yáng)光房、大棚等）安裝的系統(tǒng)關(guān)注的環(huán)境指標(biāo)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(huán)境。

8、輻射霜凍傳感器

霜凍災(zāi)害對(duì)于農(nóng)林等經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)影響是比較大的，霜凍事件期間作物的保護(hù)取決于植物溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通常，氣溫并不能完全預(yù)測(cè)霜凍事件的發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度，因?yàn)樵谀承┉h(huán)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(huì)降至冰點(diǎn)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(fēng)），地表凈長(zhǎng)波輻射平衡為負(fù)（地表發(fā)出的長(zhǎng)波輻射比地表從晴朗天空吸收的長(zhǎng)波輻射多）。而在陰天或刮風(fēng)的情況下，不會(huì)發(fā)生輻射霜凍事件。

Apogee公司的SF系列輻射霜凍傳感器由一個(gè)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(yù)測(cè)葉片上的霜凍。傳感器是防風(fēng)雨的，用于在植物葉片的相同環(huán)境條件下進(jìn)行連續(xù)溫度測(cè)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(xué)的老師就把這個(gè)傳感器用到了茶樹(shù)霜凍的研究實(shí)驗(yàn)中。（文獻(xiàn)：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(jī)

物候是大自然中的生物表現(xiàn)出的重復(fù)周期性事件，比如植物花期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、鳥(niǎo)類的孵卵與結(jié)巢時(shí)間等。物候相機(jī)就是用來(lái)觀測(cè)這些周期性事件的工具，實(shí)際是一種多通道的光譜成像傳感器，可以長(zhǎng)期在野外部署。

早期的多光譜相機(jī)多是便攜式測(cè)量或者搭載到無(wú)人機(jī)上短期測(cè)量，沒(méi)有特別多是固定式的，主要受到供電等限制。

功能上說(shuō)，物候相機(jī)除了拍攝特定波段的灰度圖片，還可以根據(jù)選擇的波段計(jì)算植被指數(shù)，比如NDVI、RCC、GCC等，當(dāng)然需要廠家開(kāi)發(fā)的專用平臺(tái)軟件才能實(shí)現(xiàn)。也有廠家開(kāi)發(fā)了物種識(shí)別、數(shù)量時(shí)間統(tǒng)計(jì)、特征標(biāo)記等功能的軟件，所以各具特色。

物候相機(jī)還可以選配變焦和云臺(tái)功能，有云臺(tái)后相機(jī)可以變換觀測(cè)角度，實(shí)現(xiàn)不同位點(diǎn)的觀測(cè)。數(shù)據(jù)是可以遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，可以?-3米的三腳支架，或者安裝到觀測(cè)高塔上。

10、日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?/span>

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿olar-Induced Fluorescence,SIF）與植被光合作用關(guān)系密切，傳統(tǒng)的PAM熒光是主動(dòng)激發(fā)式，而SIF是被動(dòng)接收，直接測(cè)量太陽(yáng)光誘導(dǎo)產(chǎn)生的植物葉綠素?zé)晒饽芰?。此外?span id="7nn7d77" class="">SIF還可以用于GPP（生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力）的反演計(jì)算，因?yàn)閲?guó)家雙碳戰(zhàn)略（碳中和和碳達(dá)峰）的提出，目前越來(lái)越多的科研人員在做這個(gè)工作。

設(shè)備的核心是1nm以下分辨率的光譜儀，光譜儀是通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的FLD、3FLD、iFLD、PCA等等。值得注意的是，光譜儀要定期通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的反射率板去標(biāo)定，否則數(shù)據(jù)不理想。這類設(shè)備的原理和研究方法還在摸索中，不過(guò)市面上已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品陸續(xù)推出，比如Campbell公司的FluoreSens 10、點(diǎn)將科技公司的DJ-631A等。