負水頭灌溉下番茄不同生育期聲發(fā)射特征研究

張 佳 郭文忠 秦淵淵 薛緒掌 李海平 李靈芝 余禮根*

（1北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097；2山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院，山西太谷 030801）

水分運輸?shù)膬?nèi)聚力理論闡述了水在土壤-植物-大氣連續(xù)體系統(tǒng)中的運輸是處于一定的負壓力或張力下進行。土壤干燥時，張力就相應(yīng)地增加，當超過一個極限值時，由于水分子間的內(nèi)聚力失效或?qū)?dǎo)管壁的附著力失效，水柱的連續(xù)體不能保持，從而發(fā)生斷裂或抽空，這稱之為植物木質(zhì)部空穴現(xiàn)象。此時，張力會突然釋放而產(chǎn)生沖擊波，同時出現(xiàn)聲發(fā)射信號（acoustic emissions，AE）（Galeski et al.，1987；Carel，2012；Gagliano，2013a）。

聲發(fā)射信號可應(yīng)用于植物水分脅迫狀態(tài)的監(jiān)測（Roo et al.，2016；余禮根 等，2017），也可將其作為一種無損監(jiān)測方法用于植物生長過程中水勢信息（蔡甲冰 等，2015）、蒸騰作用（奚如春 等，2011）、凍融過程（Kasuga et al.，2015）、病蟲害（Gagliano，2013b；Yang et al.，2014）的測量分析。王秀清等（2011a）研究發(fā)現(xiàn)染病初期番茄聲發(fā)射信號的頻次增加，隨著病害程度加重而逐漸降低，并出現(xiàn)低頻多峰現(xiàn)象。因此，番茄受水分脅迫、病蟲害脅迫與聲發(fā)射信號間有著一定的相關(guān)性。番茄不同生育期有著不同的生長特征（武利明 等，2014），學者們分別從番茄光合特性（朱延姝 等，2010）、水肥信息（孫紅梅 等，2001）、耐鹽能力（劉勝堯 等，2013）等方面進行試驗研究，對于如何表征番茄不同生育期與聲發(fā)射信號變化規(guī)律上的報道較少。本試驗通過對番茄聲發(fā)射信號的監(jiān)測與分析，進而獲取不同生育期番茄聲信息特征變化及其與番茄生長過程、生長環(huán)境的相關(guān)性，以此為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測番茄生長狀態(tài)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年3～7月在北京市農(nóng)林科學院試驗溫室內(nèi)（N39°56′32′′，E116°16′53′′）進行。供試作物為番茄品種佳麗14，在育苗室內(nèi)培養(yǎng)至五葉一心時移栽于溫室塑料花盆中，盆的上口直徑為34.2 cm、底直徑18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆裝供試土壤11.0 kg（有機肥與原狀土按質(zhì)量比為1∶33混合），施復(fù)合肥（N-P-K為15-15-15）983 g，采用負水頭灌溉，設(shè)置負壓值為6 000 Pa，對應(yīng)的土壤體積含水量為19.7%，供試土壤基本理化性質(zhì)為：容重1.5 g·m-3，最大田間持水量為25%（即體積含水率為37.5%），EC值0.5 mS·cm-1，有機質(zhì)含量24.5%，有效磷91.7 mg·kg-1，速效鉀 310.6 mg·kg-1。

負水頭灌溉盆栽試驗裝置如圖1所示。負水頭灌溉試驗裝置主要由花盆、陶瓷盤、首部及負壓控制系統(tǒng)組成，其中負壓控制系統(tǒng)包括控壓管、導(dǎo)氣管；陶瓷盤是一種內(nèi)帶空腔、透水不透氣的供水盤，陶瓷盤與首部通過塑料軟管連接，當裝置運行時，首部內(nèi)灌溉水進入陶瓷盤，陶瓷盤空腔內(nèi)氣體全部排到首部，陶瓷盤內(nèi)灌溉水由于土壤基質(zhì)勢的作用緩慢進入土壤，致使陶瓷盤內(nèi)壓強逐漸減小，低于控壓管內(nèi)的氣壓，首部內(nèi)灌溉水再次進入陶瓷盤，如此不斷循環(huán)，使得灌溉水在負壓控制下連續(xù)不斷進入土壤以供番茄植株吸收利用。番茄于3月15日定植，選擇長勢一致的幼苗，每盆定植1株，共定植20株，設(shè)4次重復(fù)。澆透水后緩苗15 d，至4月2日起進行供水控水處理，將番茄生育期劃分為幼苗期（3月15日至4月1日）、開花期（4月2～14日）、初果期（4月15日至5月15日）和盛果期（5月16日至6月20日）。

圖1 負水頭灌溉盆栽試驗裝置

1.2 測定項目

1.2.1 耗水量 在番茄幼苗期至盛果期內(nèi)（3月15日至6月20日）使用非接觸式管道液位紅外傳感器（WS03A，北京萬順華科技有限公司）讀取負水頭灌溉盆栽試驗裝置首部內(nèi)的水位高度h。

式中：V為日耗水量（cm3），A為負水頭灌溉盆栽試驗裝置首部內(nèi)徑對應(yīng)的橫截面積，h2為測量當天的水位高度值（cm），h1為測量前1 d水位高度值（cm）；不同生育期耗水量分別為各生育期內(nèi)每日耗水量之和。

1.2.2 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型土壤含水率測試儀〔精度：±（1%～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)。

1.2.3 聲發(fā)射信號 聲發(fā)射信號采集選用性能穩(wěn)定可長時間連續(xù)運行的MICRO Ⅱ監(jiān)測系統(tǒng)（Physical Acoustic Corporation，USA）、配備的聲發(fā)射采集卡為PCI-2（8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 M·s-1采樣率、1～3 000 kHz頻率范圍）、聲發(fā)射傳感器選用Nano30（響應(yīng)頻率為125～750 kHz、靈敏度為 62〔-72〕dB ref.1V/（m/s）〔10V/μMPa〕）、放大器選用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可選），實行24 h連續(xù)采集，每隔1 d存儲為1個數(shù)據(jù)文件。其中，聲發(fā)射傳感器固定在番茄植株基部第5葉位置的莖部，并在傳感器與莖部之間涂抹凡士林。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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（Physical Acoustic Corporation，USA）進行AE特征參數(shù)分析。統(tǒng)計分析開花期、初果期、盛果期的聲發(fā)射信號（幅值＞40 dB）的波形參數(shù)及頻譜特征參數(shù)變化規(guī)律及其差異。波形特征參數(shù)包括幅值、計數(shù)、能量、上升時間、持續(xù)時間、峰值頻率；頻譜特征參數(shù)包括第1共振峰頻率、第1共振峰幅值、第2共振峰頻率、第2共振峰幅值、第3共振峰頻率、第3共振峰幅值、主頻、主頻能量、中心頻率、加權(quán)功率譜頻率、有限頻帶能量面積、功率譜面積、功率譜方差（沈功田 等，2002）。

采用Excel 2017軟件計算番茄不同生育期耗水量、聲發(fā)射波形參數(shù)和頻譜參數(shù)的描述性統(tǒng)計特征值；采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件分別對試驗期間環(huán)境溫度和開花期土壤含水率與聲發(fā)射波形參數(shù)幅值進行Pearson相關(guān)性分析（王秀清 等，2011b）。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄不同生育期的環(huán)境溫度變化

從圖2可以看出，番茄植株幼苗期的環(huán)境溫度平均值與最大值分別為（24.6±1.5）℃和26.0℃；盛果期的環(huán)境溫度平均值與最大值分別為（28.2±1.7）℃和31.4 ℃；開花期和初果期的環(huán)境溫度分別為20.9～25.6 ℃和19.4～27.3 ℃。番茄不同生育期環(huán)境溫度相對較為穩(wěn)定。

2.2 番茄不同生育期土壤含水率及耗水量變化

番茄不同生育期耗水量差異顯著。隨著番茄植株生長，各生育期耗水量表現(xiàn)為：初果期＞盛果期＞開花期＞幼苗期，初果期是營養(yǎng)生長與生殖生長同時進行的時期，不僅需要滿足果實生長需水，還應(yīng)滿足葉片和花序發(fā)育對水分的需求，該時期耗水量最大，為18.89 kg·盆-1；盛果期耗水量為12.97 kg·盆-1，為初果期耗水量的68.7%；幼苗期和開花期耗水量分別為2.04、4.48 kg·盆-1（圖3）。

從圖4可看出，番茄幼苗期至開花期土壤含水率明顯下降，初果期和盛果期土壤含水率趨于穩(wěn)定。

圖2 番茄不同生育期環(huán)境溫度變化

圖3 番茄不同生育期植株耗水量

圖4 番茄不同生育期土壤含水率變化

2.3 番茄不同生育期聲發(fā)射信號波形參數(shù)變化

從表1可以看出，番茄開花期至盛果期聲發(fā)射信號波形參數(shù)呈逐漸下降趨勢。番茄開花期聲發(fā)射信號具有最大的波形特征參數(shù)，計數(shù)、幅值、能量、上升時間、持續(xù)時間和峰值頻率分別達到42.4、66.6 dB、11.9、47.2 μs、311.3 μs和 11.0 kHz；與開花期相比，初果期信號的計數(shù)、幅值、能量、上升時間、持續(xù)時間和峰值頻率顯著下降，分別減 少 了 24.2%、4.4%、52.9%、66.1%、34.9%和78.1%；番茄盛果期的聲發(fā)射特征參數(shù)最小。

聲發(fā)射波形參數(shù)幅值表示聲發(fā)射信號波形的最大振幅值，是聲發(fā)射處理分析的關(guān)鍵因素；溫室環(huán)境溫度與幅值的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明：試驗期間溫室環(huán)境溫度與聲發(fā)射波形參數(shù)幅值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.670；開花期土壤含水率與幅值的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明：開花期土壤含水率與聲發(fā)射波形參數(shù)幅值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.667。

表1 番茄不同生育期的聲發(fā)射信號波形參數(shù)

2.4 番茄不同生育期聲發(fā)射信號頻譜特征參數(shù)變化

頻譜分析是將聲發(fā)射信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域中研究聲發(fā)射信號特征的方法（黃曉紅 等，2013）。對于分布在0～500 kHz的聲發(fā)射頻譜信號，將其劃分為4個區(qū)間，分別為0～125、125～250、250～375、375～500 kHz。

從表2可以看出，番茄不同生育期共振峰及功率譜特征參數(shù)存在明顯差異。開花期至盛果期共振峰頻率呈逐漸增大的趨勢；開花期的第1、2、3共振峰頻率均在第1區(qū)間，初果期第1共振峰頻率在第1區(qū)間，第2、3共振峰頻率在第2區(qū)間，盛果期的共振峰頻率均在第2區(qū)間。開花期至盛果期第1共振峰幅值分別為6.3×10-5、9.6×10-6、4.6×10-7V；第2共振峰幅值分別為1.0×10-4、2.1×10-5、5.3×10-7V；第3共振峰幅值分別為6.0×10-5、4.7×10-6、6.0×10-7V，開花期至盛果期的聲發(fā)射信號共振峰幅值逐漸減小。

從表2還可以看出，番茄開花期至盛果期的主頻逐漸增加，中心頻率與加權(quán)功率譜頻率在數(shù)值上無顯著差異，二者均逐漸增加，分別達到140.8、234.6、272.0 kHz；開花期至盛果期主頻能量、有限頻帶能量面積、功率譜面積和功率譜方差表現(xiàn)為先減后增的趨勢。

表2 番茄不同生育期的聲發(fā)射信號頻譜特征參數(shù)

3 結(jié)論與討論

負水頭灌溉屬于一種亞表層灌溉技術(shù)，是基于盤式負壓入滲原理，將供水壓力設(shè)定為負壓，利用土壤水分基質(zhì)吸力向土壤供水，可以實現(xiàn)土壤含水率的精確控制（姜紅娜 等，2015）。本試驗結(jié)果表明：隨著番茄植株的生長，不同生育期的耗水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，初果期耗水量最大。隨著番茄植株的生長，試驗環(huán)境溫度逐漸增加，由于幼苗期及開花期環(huán)境溫度較低，植株蒸騰量小，導(dǎo)致植株耗水量少，而初果期至盛果期環(huán)境溫度逐漸上升，植株蒸騰量、果實生長需水量增加，植株耗水也隨之增加（呂薇薇 等，2011），初果期和盛果期的總耗水量明顯高于幼苗期和開花期。通過對溫室環(huán)境溫度和土壤含水率與聲發(fā)射波形參數(shù)幅值的相關(guān)性分析結(jié)果可知，試驗期間溫室環(huán)境溫度與幅值、開花期土壤含水率與幅值均呈顯著正相關(guān)。

AE信號的本質(zhì)是在外力作用下，材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生形變或斷裂時突然釋放能量而產(chǎn)生的一種彈性應(yīng)力波，因此AE信號具有時域和頻域的基本特性（Gagliano，2013a；Roo et al.，2016）。對于番茄不同生育期，AE信號日變化規(guī)律較為穩(wěn)定，高峰期發(fā)生時間為10：00～16：00，幅值大小位于40～80 dB（余禮根 等，2017）。

通過對番茄不同生育期聲發(fā)射信號波形參數(shù)及頻譜特征參數(shù)的分析和比較，番茄開花期至盛果期聲發(fā)射信號波形參數(shù)呈逐漸下降趨勢；共振峰頻率呈逐漸增大的趨勢，第1、2、3共振峰幅值呈逐漸減小趨勢，開花期第1、2、3共振峰頻率均在第1區(qū)間，初果期第1共振峰頻率在第1區(qū)間，第2、3共振峰頻率均在第2區(qū)間，盛果期第1、2、3共振峰頻率均在第2區(qū)間。葉綠素含量及凈光合速率都直接反映番茄植株進行光合作用的能力，隨著番茄植株的生長，葉綠素含量及凈光合速率逐漸增加，至盛果期達到最大（聶書明 等，2013），與聲發(fā)射信號波形參數(shù)變化趨勢相反，與頻譜特征參數(shù)變化趨勢一致，其相關(guān)性有待進一步研究。

綜上所述，本試驗通過對聲發(fā)射傳感器獲取到的信號進行分析，進一步確定了番茄不同生育期與聲發(fā)射信號的特征變化和發(fā)展規(guī)律，明確了番茄聲發(fā)射信號與環(huán)境溫度、土壤含水率間具有相關(guān)性，對于建立番茄聲發(fā)射信號特征數(shù)據(jù)與番茄生長過程的關(guān)系模型，以及聲發(fā)射應(yīng)用于番茄生長過程監(jiān)測奠定理論基礎(chǔ)。

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