植物生理傳感器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

牟海維　朱春輝

摘 要：植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)有著不可忽視的作用。本文利用植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)，從植物內(nèi)部生理狀態(tài)、外部形態(tài)特征和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)3個(gè)方面入手，論述了植物生理傳感器的研究現(xiàn)狀。主要介紹了植物徑流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、葉片面積和果實(shí)直徑測(cè)定的生理傳感器，以及農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境的一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳述了其各自的特點(diǎn)。隨著植物生理學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)研究的深入，無(wú)損在線式監(jiān)測(cè)和新型傳感器的開(kāi)發(fā)將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)生物傳感器;植物生理傳感器;植物生理信號(hào)

中圖分類號(hào)：S-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

隨著智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及數(shù)字農(nóng)業(yè)概念的相繼提出，傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其在農(nóng)業(yè)的原始信息采集與獲取這一環(huán)節(jié)。當(dāng)前常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)類傳感器主要有畜牧水產(chǎn)類、氣體土壤類、大氣環(huán)境類及植物生理類等4大類，其中植物生理類尤為重要。植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的檢測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)有著不可忽視的作用。利用植物生理傳感器測(cè)量植物生長(zhǎng)狀況，再配套環(huán)境類傳感器檢測(cè)溫濕度等環(huán)境因子，可以達(dá)到對(duì)植物的科學(xué)精準(zhǔn)控制與管理，擺脫以人為經(jīng)驗(yàn)方式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，保障我國(guó)糧食安全。

1 表征植物生長(zhǎng)狀況的生理指標(biāo)

植物的生長(zhǎng)在內(nèi)部生理狀態(tài)方面，主要表現(xiàn)在徑流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的變化。植物維持自身生長(zhǎng)需要消耗大量水分，因此徑流傳輸速度制約著整株植物的蒸騰量。植物激素是在植物體中合成，能調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育、應(yīng)對(duì)外界刺激的痕量化合物，不同植物組織或器官中激素的種類和含量差異巨大。葡萄糖在生物體內(nèi)具有極其重要的生理意義，而植物多糖由于其功能多和安全性被越來(lái)越多的人所關(guān)注。

2 傳感器在植物中的應(yīng)用研究

2.1 植物內(nèi)部生理狀態(tài)傳感器

2.1.1 徑流速度測(cè)量傳感器

目前，植物徑流傳感器的測(cè)量主要采用熱技術(shù)方法，包括熱場(chǎng)變形法、熱擴(kuò)散法和熱平衡法等。其中，熱擴(kuò)散法是將一對(duì)熱電偶探針布置在主干上方和下方，僅加熱上部探針，并根據(jù)2個(gè)探針之間的溫差計(jì)算液體流量。

2.1.2 植物激素類傳感器

植物激素是植物內(nèi)源性發(fā)育的風(fēng)向標(biāo)，其可以整合外部信號(hào)來(lái)控制植物的生長(zhǎng)并調(diào)節(jié)所有的植物活動(dòng)，包括從胚胎到器官的產(chǎn)生、生物防御、脅迫耐受和生殖發(fā)育。其中，電化學(xué)方法具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、設(shè)備廉價(jià)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，被廣泛用于測(cè)試或表征樣品。電化學(xué)法常用的技術(shù)包括電化學(xué)阻抗譜、差分脈沖伏安法和循環(huán)伏安法等。

2.1.3 葡萄糖等小分子傳感器

由于葡萄糖的檢測(cè)對(duì)象多為組織液和血液，對(duì)植物進(jìn)行葡萄糖分析的研究較少，原因在于植物組織液中的果糖等還原性物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重干擾葡萄糖的分析，因此大部分葡萄糖檢測(cè)方法是基于酶的高特異性進(jìn)行的。植物中葡萄糖經(jīng)典的檢測(cè)方法是利用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化生成過(guò)氧化氫，再用辣根過(guò)氧化物酶催化生成有色產(chǎn)物，用分光光度法進(jìn)行檢測(cè)。該方法的主要缺點(diǎn)是含有致癌物質(zhì)，并污染環(huán)境。因此，新的植物葡萄糖檢測(cè)方法的開(kāi)發(fā)引起了廣泛的討論。

2.2 植物外部形態(tài)特征傳感器

2.2.1 葉片面積測(cè)量傳感器

葉片是植物的重要組成部分之一，在植物生長(zhǎng)中起著重要作用，其生長(zhǎng)狀態(tài)會(huì)影響植物直接利用太陽(yáng)能的效率。因此，葉片是植物外部形態(tài)特征中的重要參數(shù)。

現(xiàn)在有越來(lái)越多方法采用激光傳感器測(cè)量葉片參數(shù)。這種傳感器可以通過(guò)掃描植物冠層和葉片結(jié)構(gòu)來(lái)快速獲取葉片表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此可以在室內(nèi)或野外條件下生成結(jié)果。Garrido等對(duì)植物的3D可視化和虛擬植物進(jìn)行了大量研究，將植物的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)和生長(zhǎng)規(guī)律應(yīng)用于建模，并以此方式計(jì)算和提取一些葉子參數(shù)。

2.2.2 果徑傳感器

植物果實(shí)的生長(zhǎng)受濕度、溫度和光照因素等影響。通過(guò)果實(shí)大小的變化可以觀測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程及其生理狀況。果實(shí)大小的變化可監(jiān)測(cè)作物水分狀況，并用于自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。因此對(duì)植物果實(shí)大小的準(zhǔn)確檢測(cè)具有重要意義。

現(xiàn)有的植物果實(shí)尺寸測(cè)量?jī)x器主要是線性位移傳感器游標(biāo)卡尺和游標(biāo)卡尺，然而這些方法不能準(zhǔn)確且連續(xù)地測(cè)量果實(shí)大小。曾慶兵等采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的葡萄果實(shí)直徑測(cè)量的非接觸重疊方法，在自然條件下連續(xù)準(zhǔn)確地測(cè)量葡萄果徑，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的圖像也有助于葡萄生長(zhǎng)模型研究。

2.3 植物大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器

在設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，溫濕度、光照、二氧化碳等情況是植物生長(zhǎng)環(huán)境中需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。因此，需要針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等也提供技術(shù)支持。艾海波等在STM32微工廠的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照等因素，實(shí)現(xiàn)蔬菜的連續(xù)自動(dòng)化種植。該系統(tǒng)基于嵌入式平臺(tái)的溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以STM32微控制器為核心芯片，使用多個(gè)溫濕度傳感器模塊實(shí)時(shí)收集溫度和濕度信息。

3 植物生理傳感器未來(lái)研究的重點(diǎn)與展望

植物內(nèi)部生理狀態(tài)和外部形態(tài)特征可反映其生長(zhǎng)狀態(tài)，利用植物生理傳感器可指導(dǎo)植物處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。本文主要介紹了植物徑流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、葉片面積和果實(shí)直徑的測(cè)定的生理傳感器，以及農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境的一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳述了其各自的特點(diǎn)。

隨著植物生理學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)研究的深入，植物生理傳感器今后研究會(huì)向著無(wú)損在線式監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，包括提高植物生理傳感器的靈敏度、高精度和實(shí)際環(huán)境部署中的魯棒性問(wèn)題;研發(fā)多種類微型化、智能化的植物生理傳感器;植物生理傳感器與其它類傳感器的融合，達(dá)到真正的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化。

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（責(zé)任編輯 賈燦）