盆栽迷你玫瑰水脅迫聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)及分析

周橋+陳釗+劉存瑞++時(shí)玲

摘要：以盆栽迷你玫瑰為研究對(duì)象，選取生長(zhǎng)期對(duì)植物在水分脅迫下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將采集到的水脅迫聲發(fā)射（AE）信號(hào)進(jìn)行處理，并和其他各環(huán)境因子進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)規(guī)律，為迷你玫瑰基于水脅迫聲發(fā)射信號(hào)的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的建立奠定理論基礎(chǔ)，并提供技術(shù)指標(biāo)。采用虛擬儀器LabWindows/CVI軟件開發(fā)平臺(tái)，PCI-Ⅱ型聲發(fā)射檢測(cè)儀及各環(huán)境因子傳感器模塊進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)上位機(jī)軟件分析處理并實(shí)時(shí)顯示。結(jié)果表明，植株AE發(fā)生次數(shù)與蒸騰之間存在密切關(guān)系，聲發(fā)射頻次會(huì)隨蒸騰速率的增大而增大，同時(shí)氣溫增高、光照度增大及空氣濕度減小等條件有利于提高植物冠層蒸騰速率，而相應(yīng)AE事件發(fā)生次數(shù)也將增加。盆栽迷你玫瑰水分脅迫下的AE信號(hào)能敏感準(zhǔn)確地反映出植株本身對(duì)水分的需求狀況，且與其他環(huán)境因子有緊密聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：迷你玫瑰；水脅迫聲發(fā)射；響應(yīng)；檢測(cè)分析；精準(zhǔn)灌溉

中圖分類號(hào)： S685.120.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）08-0133-05

植物在缺水狀態(tài)下會(huì)伴隨聲發(fā)射（acoustic emission，AE）信號(hào)的產(chǎn)生，這種聲發(fā)射信號(hào)能敏感準(zhǔn)確地反映植物本身的需水信息，檢測(cè)植物生理需水信息的聲發(fā)射指標(biāo)極有可能應(yīng)用于將來(lái)的智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。國(guó)外Tyree等以田間玉米為研究對(duì)象，Raschi等以田間生長(zhǎng)番茄為研究對(duì)象，Okushima等以溫室栽培香瓜為研究對(duì)象，國(guó)內(nèi)Jia和霍曉靜等分別以大田作物冬小麥和溫室栽培番茄為研究對(duì)象對(duì)其水脅迫聲學(xué)特性進(jìn)行研究，結(jié)果均表明植物聲發(fā)射信號(hào)與其水勢(shì)、蒸騰速率等因子有密切關(guān)系[1-5]。但目前很少有對(duì)溫室花卉盆栽迷你玫瑰進(jìn)行水分脅迫下AE信號(hào)的檢測(cè)分析及規(guī)律的研究。本試驗(yàn)以盆栽迷你玫瑰為研究對(duì)象，綜合各生長(zhǎng)環(huán)境因子對(duì)其在水分脅迫下的AE信號(hào)進(jìn)行采集分析并總結(jié)規(guī)律，以期為溫室花卉迷你玫瑰將來(lái)基于水脅迫聲發(fā)射機(jī)理的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)[6-8]的建立和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，并提供技術(shù)指標(biāo)。

1材料與方法

1.1儀器設(shè)備

PAC生產(chǎn)的PCI-Ⅱ型聲發(fā)射檢測(cè)儀和各環(huán)境參數(shù)傳感器（溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、蒸騰量等），軟件開發(fā)[9]平臺(tái)LabWindows/CVI，基于PCI-DAQ的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[10-11]。

1.2試驗(yàn)材料

待測(cè)植物為盆栽迷你玫瑰。選取直徑為5 mm的植株，便于放置聲發(fā)射傳感器探頭。測(cè)定時(shí)株高 20 cm，檢測(cè)時(shí)期為其生長(zhǎng)期，土壤配置比例為壤土 ∶灰分 ∶腐殖質(zhì)=3 ∶1 ∶1。另配鐵架臺(tái)2個(gè)，便于固定傳感器探頭。檢測(cè)試驗(yàn)于2015年5月17日至2015年5月30日進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度為10～25 ℃，光線良好，濕度適宜。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1安裝位置選取迷你玫瑰植株莖部占整體高度的中間位置安裝美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的R15型聲發(fā)射傳感器來(lái)檢測(cè)AE信號(hào)，通過(guò)分析這些間接反映植株水分狀況的AE信號(hào)進(jìn)一步研究植物水分狀況的時(shí)空變化規(guī)律[12-14]。R15型聲發(fā)射傳感器有著圓柱體的接收探頭和18 mm的信號(hào)接收面直徑，在安裝時(shí)需要將硅酮脂適量涂抹于探頭與莖部之間，它可以作為超聲波導(dǎo)聲劑，既能增強(qiáng)信號(hào)的傳輸，又可以減少植株局部脫水。傳感器的安裝與檢測(cè)如圖1所示。

1.3.2試驗(yàn)周期在水分脅迫下AE信號(hào)的檢測(cè)方面，1個(gè)檢測(cè)周期為24 h；在對(duì)澆水前后聲發(fā)射信號(hào)的變化情況檢測(cè)方面，1個(gè)周期為從對(duì)迷你玫瑰某次澆水之后開始計(jì)時(shí)直至下一次澆水前。各參數(shù)采集過(guò)程中24 h連續(xù)不間斷，并觀察聲發(fā)射信號(hào)在植株處于不同的水分狀態(tài)下的變化情況。

1.3.3試驗(yàn)記錄試驗(yàn)前以及整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保持完備且連續(xù)的試驗(yàn)記錄，包括試驗(yàn)時(shí)迷你玫瑰的基本生長(zhǎng)情況，測(cè)定并記錄植株的莖直徑、葉位、高度及探頭位置，植株安裝傳感器探頭后質(zhì)量的變化，試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)間，以及試驗(yàn)過(guò)程中由于異常情況（如斷電或環(huán)境噪音等）引起的信號(hào)變化等[15-17]。

1.3.4試驗(yàn)過(guò)程在與植株相同的水平位置上將溫度、濕度、CO2濃度傳感器[18-19]安裝好，并且整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)保證傳感器避免被陽(yáng)光直射，以免其元器件受到損傷和干擾。保證電子天平放置的基座處于水平、平穩(wěn)的狀態(tài)，通過(guò)RS232串口通信[20]將電子天平與計(jì)算機(jī)相連，然后將整株盆栽迷你玫瑰放到天平稱盤中，預(yù)熱30 min后開始檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

在植株莖部將聲發(fā)射探頭固定好，此時(shí)要特別注意調(diào)整好夾子的力度，若力度過(guò)小，則會(huì)影響聲發(fā)射信號(hào)的傳導(dǎo)[21-22]，

也可能因?yàn)樗蓜?dòng)而產(chǎn)生大量的噪聲信號(hào)；若力度過(guò)大，則會(huì)對(duì)植株莖部組織造成損傷，這同樣對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)造成不利影響。為了防止傳感器探頭添加前后發(fā)生質(zhì)量變化，電子天平質(zhì)量應(yīng)在探頭安裝好后開始采集記錄數(shù)據(jù)。確認(rèn)所有連接線連接完好后，打開穩(wěn)壓傳感器電源和計(jì)算機(jī)，運(yùn)行信號(hào)檢測(cè)程序，設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，開始試驗(yàn)。試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集結(jié)果界面如圖2所示。

2結(jié)果與分析

從所采集的數(shù)據(jù)中，提取4d的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試

驗(yàn)以2015年5月17日0點(diǎn)至2015年5月20日14點(diǎn)為1個(gè)完整的聲發(fā)射水分脅迫檢測(cè)周期。澆水時(shí)間為2015年5月16日15：00和5月20日14：00。

2.1聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率結(jié)果分析

圖3為2015年5月17、18、19、20日聲發(fā)射次數(shù)、蒸騰速率（T）隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。

第1天，由于為澆水后的第1天，可近似認(rèn)為植株處于無(wú)水分脅迫狀態(tài)。植株的蒸騰作用所消耗的水分基本上能由根系所吸收的水分相平衡，水分收入與支出相抵，導(dǎo)管在水分傳輸過(guò)程中只產(chǎn)生少量聲發(fā)射，分別集中在02：00—04：00、11：00—13：00和23：00—24：00。由于前1天作物處于嚴(yán)重的水分脅迫環(huán)境下，造成了導(dǎo)管輸水系統(tǒng)受阻，產(chǎn)生了大量氣穴，形成栓塞，從而使植株在凌晨恢復(fù)期間發(fā)生微弱聲發(fā)射現(xiàn)象。植株全天的聲發(fā)射總次數(shù)為48次。

第2天，植株處在微水分脅迫狀態(tài)下。聲發(fā)射主要集中在09：00—16：00。隨著蒸騰速率增加，根部供水速率滯后于葉面蒸騰速率，使導(dǎo)管內(nèi)水柱斷流，產(chǎn)生空穴，引起聲發(fā)射。由于此時(shí)土壤中水分含量適中，在蒸騰拉力作用下，空穴中的氣體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)管內(nèi)壓力較高，容易使空穴中的氣體溶于水柱中，而使空穴消失，恢復(fù)導(dǎo)管供水功能，這一產(chǎn)生空穴和恢復(fù)供水的過(guò)程往復(fù)進(jìn)行。植株全天的聲發(fā)射總次數(shù)為869次，其中在13：00左右出現(xiàn)最高聲發(fā)射頻次，為229次。

第3天，由于植株蒸騰作用的耗水沒(méi)有得到補(bǔ)充，植物處在中度的水分脅迫狀態(tài)下，總體變化趨勢(shì)與微水分脅迫情況下近似。植株全天的聲發(fā)射總次數(shù)為539次，其中在10：00左右出現(xiàn)最高聲發(fā)射頻次，為188次，低于前1天，主要是由

土壤水分虧缺引起。

第4天，連續(xù)3 d沒(méi)有澆水，植株處于嚴(yán)重水分脅迫狀態(tài)。聲發(fā)射信號(hào)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生，與蒸騰信號(hào)之間不存在對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)，且截至14：00再一次澆水前全天的聲發(fā)射總次數(shù)為71次。這是由于聲發(fā)射信號(hào)反映的是“空穴化”的過(guò)程，而不是栓塞的累積狀態(tài)，因此聲發(fā)射信號(hào)的減少并不表明栓塞程度的降低，反而是過(guò)度栓塞的表現(xiàn)。同時(shí)蒸騰速率有放緩的趨勢(shì)，總體水分消耗量較前幾天明顯減少。

為了進(jìn)一步分析聲發(fā)射次數(shù)與作物蒸騰量之間的關(guān)系，對(duì)2個(gè)變量進(jìn)行回歸分析和相關(guān)分析，圖4為2015年5月17、18、19、20日聲發(fā)射次數(shù)與T之間的關(guān)系。17日無(wú)水分脅迫情況下（充分灌溉），聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率存在正相關(guān)關(guān)系，比例系數(shù)k=1.524 0，但相關(guān)系數(shù)較小，r2=0037 3，可基本上認(rèn)為不存在相關(guān)關(guān)系。18日微水分脅迫情況下，聲發(fā)射

次數(shù)與蒸騰速率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，比例系數(shù)k=8294 5，相關(guān)系數(shù)r2=0.759 0。隨著水分脅迫情況的加劇，19日聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率之間的比例系數(shù)k=6.741 8，較前日減小，相關(guān)系數(shù)r2=0.807 4，較前日增加。但到20日，植株處在嚴(yán)重水分脅迫狀態(tài)下，聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率由正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為負(fù)相關(guān)關(guān)系，比例系數(shù)k=-0.230 8。從17日到20日，植物累積失水269.4 g，已經(jīng)處于嚴(yán)重水分脅迫環(huán)境下，由圖4可以看出，19日是聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率二者關(guān)系的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以作為植物缺水的判斷依據(jù)。

2.2聲發(fā)射頻次與環(huán)境溫度結(jié)果分析

聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生的頻率受環(huán)境因子的影響較大，圖5為2015年5月17、18、19、20日聲發(fā)射次數(shù)與溫度之間的關(guān)系。2015年5月17日灌溉后的第1天，作物近似處在無(wú)水分脅迫情況下，聲發(fā)射的次數(shù)較少，受溫度影響不大。18日，由于水分脅迫的加劇，隨著溫度的升高，聲發(fā)射次數(shù)也升高；溫度降低，聲發(fā)射次數(shù)也降低。19日，中度水分脅迫狀態(tài)下聲發(fā)射發(fā)生次數(shù)與溫度之間的相關(guān)關(guān)系同18日。但是當(dāng)作物處在嚴(yán)重水分脅迫狀況下，20日聲發(fā)射發(fā)生次數(shù)并沒(méi)有隨著溫度的升高而升高，這可能是由土壤嚴(yán)重缺水所致，導(dǎo)管內(nèi)存在大量的空穴，沒(méi)有足夠的水分補(bǔ)充。綜上所述，在微水分脅迫和中度水分脅迫情況下，隨著溫度升高，聲發(fā)射次數(shù)增加，兩者之間呈正相關(guān)性。

2.3其他環(huán)境因子關(guān)系

圖6為2015年5月17、18、19、20日溫度、濕度、CO2濃度變化趨勢(shì)。從圖6可以看出，溫度曲線的波谷對(duì)應(yīng)濕度曲線的波峰，反之亦然?？諝庵兴趾繛闈穸龋瑴囟雀邥?huì)導(dǎo)致水的蒸發(fā)速度加快，因此水蒸氣含量的升高直接導(dǎo)致空氣中的濕度增大，溫度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)反相關(guān)的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，CO2濃度和濕度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，CO2濃度隨著相對(duì)濕度的增加而增加。

3結(jié)論

綜合分析聲發(fā)射次數(shù)與各環(huán)境因子的關(guān)系，并結(jié)合植物生理學(xué)可得：水分的虧缺造成植株導(dǎo)管內(nèi)水柱斷流進(jìn)而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，綜合考慮，盆栽迷你玫瑰植株的聲發(fā)射次數(shù)與蒸騰速率之間存在著密切的關(guān)系：一定范圍內(nèi)，蒸騰速率的增大會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射頻次增加；同時(shí)氣溫升高、光照度增大及空氣濕度減小等氣象條件與植物冠層蒸騰速率又有著一定的正相關(guān)關(guān)系，相應(yīng)地其聲發(fā)射事件發(fā)生次數(shù)也將增加。這同時(shí)也證明水分脅迫下的聲發(fā)射信號(hào)能很敏感地反應(yīng)出植株本身對(duì)水分的需求狀況，應(yīng)用于精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)具有很好的前景和現(xiàn)實(shí)意義，但本試驗(yàn)只選取盆栽迷你玫瑰其中的一個(gè)生長(zhǎng)階段，且數(shù)據(jù)采集時(shí)間和采集量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，因此對(duì)其規(guī)律本質(zhì)仍需深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tyree M T，F(xiàn)iscus E L，Wullschleger S D，et al.Detection of xylem cavitation in corn under field conditions[J] . Plant Physiol，1986，82（2）：597-599.

[2]Raschi A，Torri F，Zienna P，et al.Cavitation events in Solanum melongena L.measured after water stress cycles in field conditions[J]. Acta Horticulturae，1990，278：119-124.

[3]Okushima L，Sase S，Ohtani T，et al.Plant measurements by acousticemission sensor[J] . Acta Horticulturae，1998，421：241-248.

[4]Jia X L，Ma R K，Zhang Q G，et al.Embolism occurrence in relation to water supply in xylem of winter wheat leaves[J] . Agricultural Sciences in China，2004，3（4）：269-276.

[5]霍曉靜，錢東平，呂長(zhǎng)飛，等. 用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物生理需水信息監(jiān)測(cè)[J]. 節(jié)水灌溉，2008（9）：10-12，17.

[6]游國(guó)棟，王秀清，楊世鳳，等. 基于作物水脅迫聲發(fā)射的精準(zhǔn)灌溉模糊控制模型[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（4）：74-78.

[7]鄭先鋒，劉剛. 基于作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù)與Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件，2014，37（6）：1189-1192.

[8]巴青城，時(shí)玲，李皓，等. 云南省溫室花卉精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（31）：12480-12482，12492.

[9]周泓，汪樂(lè)宇，陳詳獻(xiàn). 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2000，8（1）：21-24.

[10]馬永輝，劉康，楊大志. 基于LabVIEW的聲發(fā)射信號(hào)采集分析與處理系統(tǒng)[J]. 煤礦機(jī)械，2011，32（2）：258-261.

[11]時(shí)玲，任玉燦，王步飛. 基于虛擬儀器的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)方案[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：673-677.

[12]劉洋，王征，欒鑫. 基于虛擬儀器的聲發(fā)射信號(hào)處理平臺(tái)[J]. 儀器儀表用戶，2010（5）：64-66.

[13]郭振，賈鑫，付玉，等. 獨(dú)立分量分析在聲發(fā)射信號(hào)處理中的應(yīng)用[J]. 裝備制造技術(shù)，2014（2）：108-109，119.

[14]申珂楠，趙海龍，丁馨增，等. 基于LabVIEW的木材聲發(fā)射信號(hào)采集與小波析取[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（4）：125-129.

[15]沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng)，等. 聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2002，24（2）：72-77.

[16]公岷，柴松. 聲發(fā)射信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技，2015（11）：147-148.

[17]趙鵬喜. 基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聲發(fā)射信號(hào)處理中的應(yīng)用[J]. 三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（2）：90-92.

[18]孫圣和. 現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（1）：1-10.

[19]王敏. 溫室大棚溫濕度、二氧化碳測(cè)控系統(tǒng)研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2007.

[20]任玉燦，時(shí)玲. 通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2006（11）：179-180.

[21]孫玉梅，王強(qiáng)，王龍，等. 水脅迫聲發(fā)射自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在苗木培育中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（3）：178-190.

[22]王巖，路桂娟，王瑤，等. 聲發(fā)射技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究綜述[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2012，32（4）：89-94.