植物水分生理信息与植物的生命活动密切相关,水分不仅作为植物体的重要组成而具有重要作用,同时水分也是植物与环境进行物质交换的重要载体,除此之外植物越冬过程中其体内冻融情况也与植物水分息息相关,开展活立木水分及其越冬期冻融信息检测方法的研究,不仅为农林业的生产管理提供指导,也为植物生理学研究提供技术手段和科学依据。为实现林区活立木茎干水分及冻融信息的实时在线检测,本文提出了一种活立木茎干水分信息及冻融检测方法,基于此方法研制了相应的传感器并进行传感器性能试验研究,通过将其应用在林区对活立木进行监测,探究了活立木生长过程中的水分信息变化与越冬期的冻融情况。研究内容、方法和结论如下:(1)针对活立木茎干组织的物理特性与介电特性,在团队前期提出的基于驻波原理的活立木茎干水分无损实时在线检测方法基础上,深入研究合适的检测频率,确定了最佳的检测频率为100MHz,同时设计了能够同时测量茎干水分及冻融的新型弹簧钢带探头,改进了测量电路并对电路进行仿真分析,结果表明电路满足测量要求,并完成了传感器的软件及整体结构设计。(2)传感器的性能测试试验表明测量结果是稳定可靠的。标定模型线性关系拟合决定系数均在0.96以上,茎干水分测量径向敏感范围32.5mm,测量范围为0%～100%,分辨率为0.05%,测量精度为±1.76%,动态响应时间为0.296s;潜热检测温度径向范围为探针的长度,纵向范围为1mm,测量范围为-40℃～80℃,分辨率为0.10℃,测量精度为±0.15℃,动态响应时间为1.88s;功耗为0.05A。环境温湿度、电导率、直径对传感器的影响分析及对比试验表明,传感器满足测量要求。(3)提出了一种基于茎干水分包络分析的茎干冻融检测方法。针对活立木越冬期茎干内冻融信息难以实时在线检测的问题,通过研究茎干冻融过程中的阻抗变化,基于冻融过程是液态水与固态冰的相互转换,建立了基于包络线的茎干体积含冰量估测模型,为只有茎干水分信息数据时评估其越冬期茎干的冻融情况供了一种方法。(4)提出了基于潜热效应的茎干冻融检测方法。针对茎干水分包络分析方法缺乏实时性的缺点,进一步以茎干温度和茎干温度变化率指标为基础进行茎干冻融点的检测,建立了茎干体积含冰量和径向冻融深度检测方法,通过将模型嵌入传感器内部实现了活立木茎干水分及冻融的实时在线检测。(5)为了更好地将茎干水分及冻融检测应用于活立木生长过程中,对生长在不同地区的活立木茎干水分及越冬期的冻融变化进行监测,结果表明传感器能够有效反映活立木生长过程中的水分变化及越冬期的冻融变化,为农林业生产管理及植物生理学研究提供了一种新的技术手段。