番茄聲發(fā)射信號功率譜特征分析

余禮根 李長纓 陳立平 薛緒掌 衛(wèi)如雪 郭文忠

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.佐治亞大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系，蒂夫頓 GA 31793)

番茄聲發(fā)射信號功率譜特征分析

余禮根1,2李長纓3陳立平1,2薛緒掌1,2衛(wèi)如雪1,2郭文忠1,2

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.佐治亞大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系，蒂夫頓 GA 31793)

采用番茄品種“佳麗14”為試材，采集盆栽番茄聲發(fā)射信號進行短時傅里葉變換與頻譜分析，獲取番茄在水分虧缺條件下聲發(fā)射信號、土壤含水率及光合特征的連續(xù)變化規(guī)律及相互關(guān)系。依據(jù)土壤含水率變化將試驗過程劃分為DAY1、DAY2、DAY3和DAY4共4個階段。試驗結(jié)果表明，番茄聲發(fā)射信號發(fā)生頻次呈現(xiàn)出規(guī)律性，高峰期發(fā)生時間為每天10:00—16:00，幅值分布在40～60 dB；番茄聲發(fā)射信號的主頻和中心頻率分布于250～375 kHz，隨著土壤含水率的降低，其主頻與中心頻率無顯著變化；DAY1的第1共振峰頻率分布在0～125 kHz，第2共振峰、第3共振峰位于250～375 kHz，DAY2、DAY3和DAY4的第1、第2、第3共振峰均分布在250～375 kHz；從共振峰幅值上看，DAY1的排列順序為第3、第2、第1共振峰；DAY2和DAY4的次序與之相反。番茄葉片凈光合速率變化呈現(xiàn)單峰曲線，在中午12:00出現(xiàn)峰值，番茄的胞間CO2濃度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。綜合分析番茄聲發(fā)射信號、土壤含水率和光合特征參數(shù)變化可知，番茄灌溉初期與灌水后期的聲發(fā)射信號共振峰頻率、幅值的變化規(guī)律不同，其與水分虧缺程度密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度和光合作用具有相關(guān)性。通過番茄聲發(fā)射信號功率譜特征分析可為番茄聲發(fā)射特性研究提供一種分析方法。

番茄； 聲發(fā)射； 功率譜； 土壤含水率； 共振峰

引言

植物水分虧缺程度不僅是表征植物生長狀況的一個重要生命指標(biāo)，而且是調(diào)控植物生長過程的關(guān)鍵反饋因子。因此，對于不同尺度下植物水分虧缺程度的識別與表征以及植物生命健康需水信息的監(jiān)測和調(diào)節(jié)，對植物水分狀態(tài)快速準(zhǔn)確的測量顯得尤為重要[1-2]。

近年來對植物水分生理的研究表明，植物一直以自己的“語言”在傳達(dá)著缺水信號。植物的“語言”是指發(fā)生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂時發(fā)出的爆裂聲，或稱為“尖叫聲”，即植物聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)現(xiàn)象。學(xué)者們研究聲發(fā)射時，一方面將聲發(fā)射速率或數(shù)量與木質(zhì)部突變過程進行關(guān)聯(lián)，如凍融過程[3-4]、干旱脅迫過程[5-8]、干濕交替應(yīng)變過程[9]和病蟲害脅迫過程[10-12]；另一方面將植物不同部位作為研究對象，如植物枝干[13-14]、葉片[15]或莖稈切片[16]均可采集到AE信號，并作為一種機體信息的應(yīng)力表達(dá)。已有的研究結(jié)果表明，AE信號可作為一個特殊的植物響應(yīng)用于作物生長狀態(tài)評估與病蟲害脅迫監(jiān)測。但在其廣泛應(yīng)用之前，需要進一步研究植物在水分虧缺狀態(tài)下的頻譜規(guī)律與響應(yīng)機理。

功率譜分析是一種可以把AE信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域中研究AE信號的特征分析方法[17-20]。功率譜反映的是隨機信號能量隨頻率的分布情況，通過功率譜分析獲得番茄植株AE信號隨土壤含水率變化的頻譜特征，獲得各個頻段譜分量性能、功率譜和能量譜數(shù)據(jù)，提煉能夠反映不同含水率條件下番茄AE信號的代表性功率譜特征參數(shù)。

本文通過番茄盆栽試驗，測定分析灌溉飽和水后的土壤含水率、光合特征參數(shù)、聲發(fā)射信號的連續(xù)變化，尋求番茄在水分充足和水分虧缺下的聲發(fā)射差異，并通過聲發(fā)射信號功率譜分析，以期為番茄灌溉策略的制定提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與設(shè)計

試驗于2016年8月—2017年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗溫室內(nèi)進行(39°56′32″ N，116°16′53″ E)。供試作物為番茄，品種為“佳麗14”。在育苗室內(nèi)培養(yǎng)至五葉一心時移栽于試驗溫室塑料花盆中，盆上口直徑34.2 cm、底直徑18.5 cm、深22.3 cm，采用盆栽土壤栽培，每盆裝種植土壤11.0 kg(種植土壤為有機肥與自然土按質(zhì)量比為1:80的比例混合并用微生物菌劑和敵百蟲作滅菌、殺蟲處理)，施復(fù)合肥25 g。經(jīng)測定，供試土壤理化性質(zhì)為：土壤容重為1.48 g/m3，最大田間持水量為25.1%(即土壤含水率為37.1%)，電導(dǎo)率為0.5 mS/cm，有機質(zhì)含量24.5%，有效磷含量91.7 mg/kg，速效鉀含量310.6 mg/kg。試驗番茄于2016年9月26日定植，每盆定植長勢一致的植株1株，共20株，對所有供試番茄澆透水緩苗10 d后，用保鮮膜進行覆蓋密封盆栽土壤處理。試驗開始于11月27日，灌溉飽和水后進行土壤含水率、AE信號的連續(xù)監(jiān)測，依次將試驗過程劃分為DAY1、DAY2、DAY3和DAY4共4個階段，每組試驗重復(fù)3次。試驗期間進行正常田間管理，不噴施任何農(nóng)藥和激素。

1.2 測定內(nèi)容與方法

(1)土壤含水率：試驗期間，在植株根部右側(cè)15 cm處安裝ECH2O土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)配套的GS3型土壤含水率傳感器(精度：-2%～2%)，連續(xù)監(jiān)測盆栽番茄距根莖部15 cm處的土壤含水率，每5 min讀取1個數(shù)據(jù)。

(2)光合特征參數(shù)：試驗采用美國LI-COR 公司 Li-6400XT 型便攜式光合速率測試儀，隨機選取生長健康、長勢一致的番茄植株為測量對象，測量位置選擇為自上而下第5葉位的功能葉片，從灌溉飽和水后連續(xù)3 d測定番茄葉片凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)，從08：00—16：00，每2 h整點測定，為減少試驗數(shù)據(jù)的偶然性，每組試驗條件重復(fù)3次。

(3)環(huán)境參數(shù)：試驗溫室內(nèi)環(huán)境的光照強度和空氣溫度采用RS-13L型記錄儀進行測定，測量范圍：0～55℃、0～130 klx；測量精度：±0.5℃、±5%；分辨率：0.1℃、0.01 lx，每5 min讀取1個數(shù)據(jù)。

(4)AE信號：聲發(fā)射信號采集選用MICRO Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、配套聲發(fā)射采集卡PCI-2(8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 M/s采樣率、1 kHz～3 MHz頻率范圍)、聲發(fā)射傳感器選用Nano30型(響應(yīng)頻率為125～750 kHz、靈敏度為62[-72] dB ref.1 V/(m/s)[10 V/μMPa])、放大器選用2/4/6型(響應(yīng)頻率為20～1 200 kHz，20/40/60 dB 3擋)，實行24 h連續(xù)采集，每天存儲為1個數(shù)據(jù)文件。聲發(fā)射傳感器固定在番茄植株倒五葉位置的莖稈部位，兩者間涂抹凡士林保證充分接觸。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

選用MICRO Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)配套的聲發(fā)射信號分析軟件AE win-2進行AE特征參數(shù)分析。為了研究番茄AE信號隨土壤含水率的變化規(guī)律，試驗選取灌水后連續(xù)4 d的AE信號，統(tǒng)計分析AE信號幅值(包括最大值、最小值和平均值)與發(fā)生頻次；為研究水分虧缺條件下番茄AE信號的頻譜特征，采用LabVIEW 2014編程計算頻譜特征參數(shù)，以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的方式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 盆栽番茄土壤含水率的連續(xù)變化

盆栽番茄在水分虧缺下土壤含水率的連續(xù)變化如圖1所示。試驗結(jié)果表明，土壤含水率呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢，但降低速率和變化規(guī)律不一致。灌溉飽和水后的第1天，土壤含水率從36.3%減少到27.7%，減少了8.6個百分點；第2天，土壤含水率從27.7%減少到22.3%，減少了5.4個百分點；第3天，土壤含水率從22.3%減少到19.7%，減少了2.6個百分點；第4天，土壤含水率從19.7%減少到19.0%，減少了0.7個百分點。據(jù)此可知，番茄灌溉飽和水后，土壤含水率變化較大，這是因為剛灌水后，土壤表層較為濕潤，蒸發(fā)量較大，土壤含水率變化較大，此后土壤含水率降低速率逐漸減少，并趨于平穩(wěn)。

圖1 在水分虧缺下盆栽番茄土壤含水率的連續(xù)變化Fig.1 Continuous variations of soil water contents with tomato under water deficit

2.2 盆栽番茄光合特征的連續(xù)變化

盆栽番茄試驗溫室內(nèi)光照強度、空氣溫度和光合特征的日變化如圖2、3所示。試驗結(jié)果表明，試驗過程中試驗溫室光照強度和空氣溫度連續(xù)3 d的變化基本一致。由圖3可知，番茄葉片Pn的變化呈現(xiàn)單峰曲線，在12:00出現(xiàn)峰值，自DAY1起番茄Pn分別為10.8、9.1、4.0 μmol/(m2·s)，DAY2的番茄Pn比DAY1降低了16.1%，DAY3的番茄Pn比DAY2降低了56.2%；番茄葉片Ci呈先降后增的變化規(guī)律，其最大值出現(xiàn)在8:00，DAY1、DAY2和DAY3的Ci依次是345.3、344.4、347.7 μmol/mol，差異不顯著；最小值出現(xiàn)在12:00，3 d的Ci分別是289.3、263.3、222.5 μmol/mol，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。由圖1可知，DAY1～DAY3 3 d中12:00的土壤含水率依次是31.8%、24.6%和21.2%。結(jié)合圖2中試驗溫室光照強度和空氣溫度的日變化可知，隨著光照強度和空氣溫度的增加，番茄Ci減??；隨著土壤含水率的連續(xù)降低，番茄Ci減少的趨勢更為顯著。

圖2 試驗溫室光照強度和空氣溫度日變化曲線Fig.2 Daily variation curves of illumination intensity and air temperature in experimental greenhouse

圖3 水分虧缺下番茄光合特征日變化曲線Fig.3 Daily variation curves of net photosynthetic rate (Pn) and intercellular CO2 concentration (Ci) of tomato under water deficit

2.3 水分虧缺下番茄AE信號的持續(xù)變化

水分虧缺下盆栽番茄AE信號、土壤含水率的持續(xù)變化如圖4所示。試驗結(jié)果表明，番茄AE信號為偶發(fā)性信號，在DAY1、DAY2、DAY3和DAY4的AE信號出現(xiàn)頻次、幅值和變化規(guī)律不一致，但AE信號出現(xiàn)頻次高峰期為每天的10:00—16:00，幅值集中在40～60 dB。DAY1：土壤含水率從36.3%降低到27.7%，降低幅度為8.6個百分點；番茄AE信號發(fā)生頻次為41，最大幅值為59 dB。DAY2：土壤含水率降低幅度為5.4個百分點；番茄AE信號發(fā)生頻次為6，最大幅值為45 dB。DAY3：土壤含水率降低幅度為2.6個百分點；番茄AE信號發(fā)生頻次為26，最大幅值為61 dB。DAY4：土壤含水率從19.7%降低到19.0%，其降低幅度為0.7個百分點；番茄AE信號發(fā)生頻次為3，最大幅值為48 dB。分析可知，DAY1的番茄處于灌溉后不缺水、輕度脅迫時(土壤含水率維持在田間持水量的75%～100%)，土壤含水率降低幅度越大，AE事件出現(xiàn)較為頻繁，AE信號幅值和發(fā)生頻次較大。DAY3的番茄處于缺水狀態(tài)時，土壤含水率與AE信號頻次和幅值的變化趨勢一致。對比這2種狀態(tài)下番茄AE頻次及幅值發(fā)現(xiàn)，番茄在灌溉初期、缺水初期的聲發(fā)射頻次及幅值較大，聲發(fā)射活動較為活躍。

圖4 水分虧缺下聲發(fā)射與土壤含水率的持續(xù)變化Fig.4 Continuous variations of soil water contents and acoustic emissions of tomato under water deficit

2.4 番茄AE信號的功率譜分析

番茄AE信號x(t)一般可認(rèn)為是能量有限的隨機信號，具有時域和頻域的統(tǒng)計特性[21-22]，其周期圖法估計功率譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

其中

(2)

T=NΔt

(3)

式中T——樣本長度

N——數(shù)據(jù)長度

Δt——采樣時間間隔

試驗過程中，選用短時傅里葉變換(Short-time Fourier transform，SFFT)對番茄聲發(fā)射信號進行功率譜分析，窗函數(shù)選用Hanning窗，其功率譜分析軟件界面如圖5所示。

圖5 番茄聲發(fā)射信號功率譜分析軟件界面Fig.5 Power spectrum software interface for analysis of acoustic emissions for tomato

對于分布在0～500 kHz的頻譜信號均分為4個階段，分別是：0～125 kHz、125～250 kHz、250～375 kHz和375～500 kHz。頻譜特征參數(shù)從頻率和能量2個角度進行考察，研究采用的頻率參數(shù)有主頻fp、中心頻率fa及加權(quán)功率譜頻率f50，能量參數(shù)包括有限頻帶能量ELFB和主頻對應(yīng)的能量EPF，其定義及公式如表1所示。

表1 功率譜特征參數(shù)的含義及公式Tab.1 Implication and formula for characteristic parameters of power spectrum

注：f∈(fL,fH)，fL和fH分別為低截止頻率和高截止頻率，本研究分別是0 kHz和500 kHz。

水分虧缺下番茄AE信號的功率譜特征參數(shù)如表2所示。4 d內(nèi)番茄AE信號fp和fa位于250～375 kHz，DAY1的聲發(fā)射信號fp和EPF均高于DAY2、DAY3和DAY4，中心頻率略低；DAY2、DAY3和DAY4的fa和f50非常接近。特征參數(shù)ELFB的變化規(guī)律不明顯。

表2 番茄AE信號功率譜特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of power spectrum foracoustic emissions of tomato

番茄聲發(fā)射信號共振峰對應(yīng)的頻率和幅值如表3所示。分析發(fā)現(xiàn)，DAY1的第1共振峰出現(xiàn)在0～125 kHz區(qū)間，第2共振峰、第3共振峰位于250～375 kHz區(qū)間，DAY2、DAY3和DAY4的第1、第2、第3共振峰均在250～375 kHz區(qū)間；從共振峰幅值上看，DAY1的排列順序為第3、第2、第1共振峰；DAY2和DAY4的大小次序與之相反。功率譜分析與共振峰的計算結(jié)果與2.3節(jié)中的灌溉飽和后水分虧缺及脅迫狀態(tài)密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度及光合作用的表現(xiàn)相互一致。

表3 番茄AE信號共振峰特征參數(shù)Tab.3 Characteristic parameters of resonance peaks for acoustic emissions of tomato

3 結(jié)論

(1)隨著水分虧缺程度的加深與虧缺時間的延長，番茄凈光合速率和胞間CO2濃度均降低，隨著水分虧缺程度的加劇，下降趨勢顯著，說明番茄光合作用的降低主要是由于氣孔限制所致。

(2)番茄AE信號發(fā)生頻次每天呈現(xiàn)出規(guī)律性，高峰期發(fā)生在10:00—16:00，幅值為40～60 dB。對于不同的土壤含水率，AE信號日變化規(guī)律較為穩(wěn)定，但其發(fā)生頻次總量和最大幅值差別較大，表明土壤含水率與AE信號有著一定的相關(guān)性。

(3)頻譜分析結(jié)果表明番茄AE信號主頻和中心頻率分布在250～375 kHz，隨著土壤含水率的持續(xù)降低，其主頻與中心頻率無顯著變化。對比分析番茄AE信號的共振峰特征參數(shù)表明，番茄灌溉初期與灌水后期的AE信號共振峰幅值、頻率的變化規(guī)律不盡相同，其與水分虧缺程度密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度和光合作用表現(xiàn)相互一致。

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PowerSpectrumCharacteristicsAnalysisforAcousticEmissionsSignalofTomato

YU Ligen1,2LI Changying3CHEN Liping1,2XUE Xuzhang1,2WEI Ruxue1,2GUO Wenzhong1,2

(1.BeijingResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China2.NationalEngineeringResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China3.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,UniversityofGeorgia,TiftonGA31793,USA)

Taking tomato variety of ‘Jiali14’ as experimental materials, the relationship among the acoustic emissions signal, soil water contents and photosynthetic characteristic parameters of tomato under water deficit was analyzed.The short-time Fourier transform and power spectrum analysis computed by LabVIEW 2014 were employed to examine the spectrum characteristics of the collected AE signals.The whole process of water deficit was approximately divided into four stages: DAY1, DAY2, DAY3 and DAY4 according to the soil water contents.The results showed that characteristics for AEs during the water deficit period were presented by a regular change pattern, while the peak time was 10:00—16:00 and the amplitude was 40～60 dB.Power spectrum for acoustic emissions of tomato was a phenomenon observed in characteristic parameters with dominant frequency (fp), central frequency (fa) and formants.The frequencies offp,faand the second, third resonance peaks of DAY1 were distributed at 250～375 kHz, where the first resonance peak of DAY1 was distributed mainly at 0～125 kHz.The first, second and third resonance peaks of DAY2, DAY3 and DAY4 were all centralized at 250～375 kHz.From the amplitude of resonance peaks, the arrangement of DAY1 was the third, second, and first formant, but the order of formants for DAY2 and DAY4 were opposite of DAY1.A single peak curve was existed with net photosynthetic rate of tomato, and the peak valuePnoccurred at 12:00, whereas the intercellular CO2concentrations were increased firstly and then decreased with the decrease of soil water contents.Although the changes of amplitude and frequencies of resonance peaks for acoustic emissions of tomato in initial irrigation stage and late irrigation stage were different, a good correspondence between AE outcomes and experimental observations of the net photosynthetic rate, intercellular CO2concentrations and photosynthetic performances was obtained and discussed.This result may provide a new monitoring method for acoustic emissions characteristics of water deficit through power spectrum analysis.

tomato; acoustic emission; power spectrum; soil water contents; resonance peak

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.023

S641.2

A

1000-1298(2017)10-0189-06

2017-06-22

2017-08-03

科技部星火計劃重點項目(2015GA600005)和北京市農(nóng)林科學(xué)院設(shè)施園藝科技創(chuàng)新團隊項目(JNKST201615)

余禮根(1985—)，男，助理研究員，博士，主要從事動植物聲信息感知技術(shù)研究，E-mail：yulg@nercita.org.cn

郭文忠(1970—)，男，研究員，主要從事設(shè)施蔬菜高產(chǎn)高效栽培技術(shù)研究，E-mail：guowz@nercita.org.cn