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)測的指標(biāo)，搭配對應(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。現(xiàn)在插針式TDP原理的傳感器已經(jīng)有國產(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量技術(shù)，通過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(jiān)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(shù)，由法國科學(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(zhì)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(tài)變化的高精度植物莖干液流測量技術(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(yùn)輸信息，尤其適合研究復(fù)雜液流模式（如雙向流動或?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。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數(shù)據(jù)。

2、葉片/冠層溫濕度監(jiān)測

也有專用于單個(gè)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(shí)測量空氣溫度，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(huán)境產(chǎn)生干擾，所以廠家會做各種測試避免這個(gè)。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(guān)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(shí)膨大類傳感器。不過DE-1T是用一個(gè)鉆固定到樹干，對樹有輕微的損傷。

5、植被指數(shù)測量傳感器

Apogee公司通過一個(gè)向上和一個(gè)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(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)，通過特定波段濾波片，采集反射光譜圖像，再通過軟件處理計(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)行測量的，不過也有部分廠家生產(chǎn)用于在線監(jiān)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?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)測量，數(shù)據(jù)的代表性有限，加之主動激發(fā)式、功耗大，請酌情考慮。

7、生長環(huán)境因子測量傳感器

生長環(huán)境主要是用小氣候測量相關(guān)的傳感器，比較簡單。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)測的準(zhǔn)確性。通常，氣溫并不能完全預(yù)測霜凍事件的發(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)），地表凈長波輻射平衡為負(fù)（地表發(fā)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(fēng)的情況下，不會發(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，比如植物花期的開始和結(jié)束時(shí)間、鳥類的孵卵與結(jié)巢時(shí)間等。物候相機(jī)就是用來觀測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，可以長期在野外部署。

早期的多光譜相機(jī)多是便攜式測量或者搭載到無人機(jī)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(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)然需要廠家開發(fā)的專用平臺軟件才能實(shí)現(xiàn)。也有廠家開發(fā)了物種識別、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功能，有云臺后相機(jī)可以變換觀測角度，實(shí)現(xiàn)不同位點(diǎn)的觀測。數(shù)據(jù)是可以遠(yuǎn)程傳輸?shù)模梢杂?-3米的三腳支架，或者安裝到觀測高塔上。

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熒光是主動激發(fā)式，而SIF是被動接收，直接測量太陽光誘導(dǎo)產(chǎn)生的植物葉綠素?zé)晒饽芰俊４送猓?span id="xzvvfvl" class="">SIF還可以用于GPP（生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力）的反演計(jì)算，因?yàn)閲译p碳戰(zhàn)略（碳中和和碳達(dá)峰）的提出，目前越來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。