植物水分生理(Plant water relations)是植物生理学重要分支之一,研究对象是植物对水的吸收、水在植物体内的运输和向大气的散失(蒸腾作用),以及植物对水分胁迫的响应和适应。有效的植物水分生理信息不仅是农林生产者和生态维护人员迫切需要的生产指导信息,也是植物生理学家长期关注的研究对象。本论文利用基于介电理论的传感技术和微型传感器嵌入的实验方法获取植物水分生理相关信息,结合向日葵、苹果树、杏树和海棠树等多种植物展开试验研究。本文从以下几个方面对植物水分生理信息传感机理与原位检测方法展开深入、系统的理论分析和试验研究:(1)从木本植物茎秆水分含量(Stem water content,StWC)检测需求出发,结合木本植物茎秆生理结构分析茎秆水分传感器的设计要求。根据无损原位测量的设计要求,提出内边缘场环形弹性电极设计。利用介电理论,将植物茎秆体积含水量映射到植物茎秆和电极组成的负载阻抗上,并从传输线理论角度分析了端口阻抗的测量原理。采用网络分析仪对电极和茎秆构成的负载阻抗进行了频率分析,选定测量频率为100 MHz,给出了阻抗检测电路的设计方案。(2)为检验设计的高频内边缘场电容传感器的可行性和性能参数,在实验室进行一系列的性能评估试验。采用实验测试研究、仿真软件分析和解剖观测等方法,确定该新型传感器在树木茎秆中的有效感测深度(Effective sensing depth,ESD)、最大允许测量直径(Allowable maximum stem diameter,AMStD)、茎秆直径(Stem diameter,Ds)与传感器灵敏度的关系、和温度对测量的影响,并给出多种直径下的标定方程。(3)在温室环境下,将茎秆水分传感器应用于盆栽苹果树。根据传感器记录的茎秆水分相对变化,分析苹果树茎秆水分日变化规律。控制苹果树水分供给的情况下,传感器观测到茎秆水分亏水胁迫响应和响应恢复。在果园环境下对同一杏树不同直径茎秆水分在线定量监测,验证了温度校正后最大允许测量直径范围的扩展,同时也观测到不同高度茎秆的充放水滞环线。果园环境下海棠树茎秆水分的跨季监测,观测到海棠树茎秆水分的季节变化规律,也验证了传感器的长期稳定性。同时也看到了该传感器在木本植物冷驯化(Cold acclimation)和暖驯化(warm de-acclimation)等生理现象研究中的应用前景。此外,该传感器还应用在海棠树干腐病的监测中,从茎秆水分检测的角度为蔷薇科树种提供了一种干腐病诊断和病情监测的手段。(4)最后,本研究提出一项针对小植物的试验方法,利用双体嫁接技术将微型无源传感器嵌入到小植物中以观测小植物生理信息。在本研究中采用嫁接技术将微型热电偶传感器序列植入到生长在同一盆里的两棵向日葵中间。并设计冷水灌溉试验,观察向日葵样品在灌溉事件中的响应。当灌溉用水的温度比被测试植物温度低时,茎液的向上流动会诱导产生沿茎秆轴向上的温度梯度。因此,利用植入式热电偶传感器序列可以跟踪向日葵样品的热液响应,并以此分析植物根系、茎秆导水率。本试验观测到的结果是次要的,更重要的是方法的创新,微型无源传感器嵌入的方法可以给更多的微型传感器在小植物生理信息获取方面提供灵感。