介電特性在作物需水診斷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張兵　韓霞　莊斌　左承鵬

摘要：為了能及時(shí)可靠地提供農(nóng)作物旱情信息，建立完善的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，本文綜述了介電特性與作物需水的關(guān)系以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物生理電特性在生理水分信息提取方面的研究現(xiàn)狀，指出了作物介電特性在作物需水診斷中的潛在價(jià)值以及目前存在的不足，并對(duì)作物介電特性在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：介電特性；作物；需水診斷

中圖分類(lèi)號(hào)： S274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0007-03

收稿日期：2014-04-04

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（編號(hào)：BSRF201404）。

作者簡(jiǎn)介：張兵（1976—），男，山西大同人，博士，副教授，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉智能決策、作物生理電特性的研究。E-mail：zhangb@czu.cn。生物電特性在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用早已普及，但農(nóng)作物生理電特性的應(yīng)用卻一直沒(méi)有得到發(fā)展。我國(guó)水資源短缺，人均水資源只有約2 000 m3，絕大部分水資源都用于農(nóng)業(yè)灌溉，傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)根據(jù)土壤含水量診斷旱情，雖然方法較為成熟，但作物葉片的生理水分狀況能更敏感地反映植株的干旱程度，所以以作物自身水分狀況為灌溉依據(jù)比以土壤水分狀況為依據(jù)更可靠，更能精確診斷作物需水問(wèn)題。研究介電特性與作物需水的關(guān)系，能給農(nóng)作物旱情提供及時(shí)可靠的信息，提高農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率，對(duì)改變我國(guó)傳統(tǒng)灌溉方式，建立完善的節(jié)水灌溉系統(tǒng)有著重要意義。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)，綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于植物電特性的變化規(guī)律以及電特性與作物需水之間關(guān)系的研究，預(yù)測(cè)介電特性在作物需水診斷中的發(fā)展趨勢(shì)?；谀壳霸谧魑锝殡娞匦苑矫嫒〉玫某晒?，總結(jié)作物含水率與介電特性之間的關(guān)系，為今后作物需水的快速無(wú)損測(cè)量提供基礎(chǔ)，促進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1介電特性的概念及應(yīng)用

1.1介電特性與介電常數(shù)

物質(zhì)的電特性分為導(dǎo)電特性和介電特性。介電特性是生物分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性，它的參數(shù)主要包括相對(duì)介電常數(shù)，相對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)，介質(zhì)損耗角正切和介質(zhì)等效阻抗。介電常數(shù)εr，也稱相對(duì)電容率，是電介質(zhì)固有的一種物理屬性，它表示電介質(zhì)存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的能力，也反映該電介質(zhì)提高電容器電容量的能力。一般電介質(zhì)都有著自己固定的介電常數(shù)，電介質(zhì)分子會(huì)在電場(chǎng)作用下，發(fā)生運(yùn)動(dòng)摩擦，從而產(chǎn)生熱量，這種有發(fā)熱產(chǎn)生的熱量便會(huì)帶來(lái)介質(zhì)損耗。介電常數(shù)是表示介電特性的宏觀參數(shù)，它反映的不是電介質(zhì)每個(gè)部分的介電特性，而是電介質(zhì)足夠大區(qū)域內(nèi)的一個(gè)平均值。

1.2介電特性與作物需水特性的關(guān)系

作物需水特性是作物在整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)水量、水質(zhì)、水溫等的需求和反應(yīng)的特性。作物屬于生物體，是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電介質(zhì)，它的生長(zhǎng)過(guò)程也包含著介電特性變化的過(guò)程，在其不同的生長(zhǎng)階段，作物的介電特性也是不同的，其中水分是影響作物介電特性最主要的因素，干旱會(huì)使植株體液理化性質(zhì)發(fā)生改變，體液增濃，葉水勢(shì)增大，必然在生理電特性上有所反映，而作物生理水分信息則是反映作物需水的直接指標(biāo)，比較靈敏、迅速。通過(guò)介電特性了解植株的生理狀況，在植株需水關(guān)鍵期（需水敏感期）進(jìn)行節(jié)水灌溉，對(duì)農(nóng)業(yè)精量控制灌溉具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，介電特性檢測(cè)方法具有簡(jiǎn)單、迅速、可靠等特點(diǎn)[1-2]。

2介電特性在作物需水診斷中的應(yīng)用

Nelson在2.45 GHz、23 ℃下，以桃子，紅薯，土豆，蘋(píng)果香瓜，胡蘿卜為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)試它們的介電常數(shù)和損耗因子，指出介電常數(shù)和含水率有關(guān)[3]。Ualby等研究不同頻率下的玉米和小麥的葉子、莖稈的介電特性，指出頻率在5 GHz時(shí)，NaCl含量對(duì)介電損耗因數(shù)有明顯影響[4]，與此同時(shí)，Tran等以蘋(píng)果、桃子、梨、胡蘿卜和馬鈴薯的介電特性為研究對(duì)象，在100～10 000 MHz室溫下，得到了介電常數(shù)和損耗因數(shù)是頻率的函數(shù)的結(jié)論[5]。由此，之后研究作物介電特性都涉及不同頻率下的對(duì)照試驗(yàn)。Sokhansanj等研究了在1、18、300、2 450 MHz 下，整粒加拿大紅硬冬小麥的介電常數(shù)，建立了關(guān)于介電常數(shù)和物料密度的方程式，指出物料密度對(duì)小麥的介電常數(shù)影響較大，而對(duì)介電損耗影響較小[6]。Turner提出以作物自身水分狀況為灌溉依據(jù)比以土壤水分狀況為依據(jù)更可靠[7]。Seaman等研究了在150～6 400 MHz室溫下果肉和果皮的介電特性[8]，通過(guò)他的研究結(jié)果，知道了果肉和果皮具有不同的介電特性，并且他提出介電特性存在差異的主要原因在于含水率的差異，這對(duì)后來(lái)作物介電特性研究有指導(dǎo)性的意義。Kramer提出葉水勢(shì)是植物水分狀況的最佳度量，當(dāng)植物葉水勢(shì)和膨脹壓降低到足以干擾正常代謝功能時(shí)，即發(fā)生水分脅迫。所以，葉水勢(shì)可以作為作物水分虧缺程度的診斷手段[9]。Nelson等用網(wǎng)絡(luò)分析儀以及末端開(kāi)口的同軸探針研究了室溫下 200 MHz 至20 GHz范圍內(nèi)，23種新鮮果蔬的41個(gè)頻率點(diǎn)的介電常數(shù)，并且測(cè)量了它們的含水率，組織密度，可溶性固形物含量，指出影響果蔬介電特性的根本原因是在低頻下離子的傳導(dǎo)性和束縛水的松弛以及高頻下的自由水的松弛，介電常數(shù)隨頻率的增加而穩(wěn)定減小[10]。Ikediala等研究了 30 MHz 至3 GHz范圍內(nèi)，4個(gè)品種蘋(píng)果的果肉介電參數(shù)，指出隨頻率增加，介電常數(shù)減小[11]。Kraszewski等對(duì)在頻域和時(shí)域下農(nóng)產(chǎn)品（種子、植物、谷物、果蔬、肉）的微波介電特性測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出這些物品的介電常數(shù)和損耗因子依賴于物質(zhì)的含水[12]。Ksenzhek等測(cè)量了玉米葉片在水分虧缺發(fā)展過(guò)程中電阻變化[13]。Nelson等通過(guò)研究蜜瓜果肉的相對(duì)介電常數(shù)和反映糖度的可溶性固形物含量的關(guān)系，指出在以相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)損耗因數(shù)分別除以可溶性固形物含量的復(fù)平面中，相對(duì)介電參數(shù)和可溶性固形物含量具有很好的相關(guān)性，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了關(guān)系方程[14]。Kandala等研究了在 1～5 MHz頻率范圍內(nèi)，以黃玉米作為研究對(duì)象，得到黃玉米的含水率與電容、阻抗和相位差的三元二次關(guān)系，指出電容越大，含水率越高，阻抗和相位差對(duì)含水率影響視具體情況而定[15]。

國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究從上世紀(jì)九十年代才開(kāi)始活躍。錢(qián)新耀等對(duì)蔬菜種子的含水率和測(cè)試頻率對(duì)種子電傳導(dǎo)、介電特性的影響進(jìn)行了研究，獲得了相互之間的回歸方程，發(fā)現(xiàn)了蔬菜介電特性與其含水率的關(guān)系[16]，這是我國(guó)對(duì)介電特性的較早研究。沈以煦對(duì)水稻，小麥，油菜籽 3種物料的頻率特性及其與作物含水率的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了分析和研究，提出了用變Q值法測(cè)量作物電特性參數(shù)的方法，并且研究發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)與物料含水率呈線性相關(guān)，即當(dāng)含水率一定時(shí)，物料的介電常數(shù)隨頻率的下降而增大，損耗角正切隨頻率的增大而呈下降趨勢(shì)，隨含水率的減小其下降趨勢(shì)減緩[17]。張立彬等用破壞法研究金帥蘋(píng)果切片組織的介電特性與新鮮度的關(guān)系，得出在10～100 kHz的頻率范圍內(nèi)，蘋(píng)果的介電特性與新鮮度具有明顯的相關(guān)性的結(jié)論[18]。龔琦等采用LCR數(shù)字電橋，進(jìn)行了以電容為主要依據(jù)的多項(xiàng)電特性參數(shù)值的測(cè)定，能檢測(cè)茶葉的綜合品質(zhì)，正確判斷率達(dá)94%以上，其試驗(yàn)結(jié)果表明，茶葉電容值隨茶葉等級(jí)的升高而增大，同時(shí)也隨含水率的增加而增加[19]。采用LCR數(shù)字電橋進(jìn)行試驗(yàn)的方法，被之后的許多學(xué)者在研究葉片電特性時(shí)所采用。胥芳等研究了用無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定桃子在儲(chǔ)藏過(guò)程中電特性的變化，得出在12～100 kHz的頻率范圍內(nèi)，桃子的最佳測(cè)試頻段為 15 kHz 以下，此時(shí)桃子隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，等效阻抗增大而相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗減小，桃子在開(kāi)始腐爛時(shí)，電特性有一個(gè)較大的反復(fù)[20]，這是一次對(duì)水果介電特性的研究，但是水果仍與作物生長(zhǎng)有著很大差別，它缺乏一定的包容性，但這次研究，也為作物介電特性研究提供了一個(gè)很好的思路。李錫錄等以土壤水勢(shì)、農(nóng)田能量平衡和水量平衡理論作為作物需水、灌溉預(yù)報(bào)的依據(jù)，將土壤水勢(shì)傳感器與單片機(jī)共同組成處理系統(tǒng)，使農(nóng)田灌溉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[21]。徐保江等根據(jù)物料的含水率對(duì)其介電常數(shù)等電參量的影響關(guān)系，對(duì)水稻，玉米和大豆3種物料的含水率進(jìn)行了測(cè)試，提供了更為簡(jiǎn)單易行測(cè)定含水率的方法，并對(duì)物料電特性與介電常數(shù)及含水率的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了分析和研究，得出了物料的介電特性與物料含水率之間的函數(shù)關(guān)系主要與物料的品種有關(guān)的結(jié)論[22]。金樹(shù)德等采用針刺式方法，在玉米莖稈上插入不銹鋼針，測(cè)量莖稈電阻值，并用介電常數(shù)變化型平行平板電容傳感器測(cè)玉米葉片生理電容，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映植株水分狀況[23]。張俐等通過(guò)研究植物葉片的生理水分狀況與植株干旱程度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)要進(jìn)行植物電特性的測(cè)量，需要有一定頻率的激勵(lì)信號(hào)源，不同的頻率激勵(lì)信號(hào)對(duì)植物生理水分有不同的反映[24]，這對(duì)葉片頻率的測(cè)量是個(gè)重大的突破，也進(jìn)一步證實(shí)葉片頻率與葉片的需水情況有著密不可分的關(guān)系。郝曉莉等根據(jù)農(nóng)業(yè)物料的含水率對(duì)其相對(duì)介電常數(shù)等電參量的影響關(guān)系分別對(duì)水稻、玉米和大豆 3 種物料的含水率進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，提供了測(cè)定含水率的一種更為簡(jiǎn)單易行的方法，對(duì)物料電特性與介電常數(shù)以及含水率的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了分析和研究[25]。王慶惠等通過(guò)對(duì)種子介電常數(shù)的測(cè)定及發(fā)芽試驗(yàn)，測(cè)定棉花、玉米、小麥和黃豆等農(nóng)作物種子的介電常數(shù)，分析影響測(cè)試因素，得出種子品質(zhì)與介電常數(shù)之間的關(guān)系，并通過(guò)發(fā)芽試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果[26]。對(duì)于種子介電特性的研究也是一種新的思路，它不同于對(duì)作物本身的研究，而是要采用新的測(cè)量方法，并且在數(shù)據(jù)的處理上也要采取特殊的方法。

國(guó)內(nèi)外對(duì)單一指標(biāo)預(yù)測(cè)作物水分虧缺信息的研究比較多，目前對(duì)于依據(jù)作物生理電特性預(yù)測(cè)作物水分信息雖有報(bào)道，但基本都停留在實(shí)驗(yàn)階段，尤其對(duì)于敏感測(cè)試頻率以及水分信息滯后等關(guān)鍵難題方面的研究幾乎空白，因而開(kāi)展對(duì)典型地區(qū)特定作物的生理電特性與水分虧缺的研究，對(duì)于我國(guó)旱區(qū)節(jié)水灌溉具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3介電特性在作物需水診斷中的應(yīng)用展望

在注重提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的今天，作物的生理電特性作為一個(gè)可靠的可以衡量作物生長(zhǎng)狀況的參數(shù)，越來(lái)越被人們所重視，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究也從未停止過(guò)。由于不同作物各自都有著不同的介電特性，所以這項(xiàng)研究范圍十分廣泛，需要更多的學(xué)者進(jìn)行探討研究。然而，目前對(duì)介電特性的研究大多局限于對(duì)作物個(gè)體需水量的研究，忽視了作物的生長(zhǎng)是由多方面因素決定的，因此，將作物的本身含水率，大氣以及土壤作為一個(gè)系統(tǒng)研究才是更加需要關(guān)注的。

為了更好地表示作物需水與介電特性間的關(guān)系，研究人員從使用微電腦，有限元等先進(jìn)技術(shù)，到利用數(shù)字電橋儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量分析，通過(guò)研究不同植物在特定頻率范圍下的介電常數(shù)，將每種植物生理電特性用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出來(lái)，構(gòu)建不同作物介電特性與其含水率的函數(shù)表達(dá)式，準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前作物的缺水狀況，為精確灌溉提供理論基礎(chǔ)。

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