張 佳余禮根

郭文忠1喬曉軍1李海平2李靈芝2李銀坤1秦淵淵1，2

（1北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801）

植物從土壤中獲取水分以供應(yīng)植株生長(zhǎng)發(fā)育，當(dāng)土壤干旱時(shí)，木質(zhì)部導(dǎo)管的張力隨之增大，導(dǎo)管內(nèi)水柱斷裂而出現(xiàn)空穴化現(xiàn)象，此時(shí)，張力突然釋放產(chǎn)生沖擊波，即植物聲發(fā)射（acoustic emissions，AE）現(xiàn)象（Kikuta et al.，1997；Zweifel ＆ Zeugin，2008；Gagliano，2013a；Baker et al.，2015；王建新和隋美麗，2016）。植株水分虧缺會(huì)造成植株體內(nèi)水分供應(yīng)失調(diào)，破壞植株體內(nèi)的水分代謝平衡，直接影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育（Baker et al.，2015）。聲發(fā)射信號(hào)可以反映植株水分狀況，因此，植株體內(nèi)水分虧缺程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及聲發(fā)射信號(hào)采集部位的精確選取對(duì)植株水分狀況的快速獲取及準(zhǔn)確判斷具有重要意義（Gagliano，2013b；趙燕東 等，2016；Watanabe et al.，2016；張志煥 等，2017）。聲發(fā)射技術(shù)已大量在材料工程（Nosov，2017；Pochaps’Kyi et al.，2017）、建筑學(xué)（Khandelwal ＆Ranjith，2017）、臨床醫(yī)學(xué)（Illanes et al.，2017）和金屬檢測(cè)（Botvina et al.，2017）等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，包括管道泄漏（楊麗麗 等，2017）、泥巖斷裂（楊健鋒 等，2017）和光纖損傷（Sai et al.，2017）等。隨著AE技術(shù)的不斷完善，其逐漸應(yīng)用于木材裂紋及作物的干旱監(jiān)測(cè)（Roo et al.，2016；Sriwongras et al.，2016；Diakhate et al.，2017）。

AE技術(shù)在番茄上的應(yīng)用主要包括病害脅迫（王秀清 等，2011a，2011b）和水脅迫（王秀清 等，2014；Kageyama ＆ Mori，2014；Kageyama ＆ Tajima，2014）的檢測(cè)及分析。王秀清等（2011a）將AE傳感器分別固定于番茄發(fā)病植株莖部占整體高度的1/3和2/3處，利用兩路AE信號(hào)時(shí)差及頻譜分布不同進(jìn)行病害脅迫聲源定位，結(jié)果表明植株高1/3處是AE頻次最高的部位，也是病害脅迫AE信號(hào)源檢測(cè)的最佳位置，對(duì)于番茄植株病害脅迫監(jiān)測(cè)位置的選擇給出了解決方法。目前基于AE信號(hào)反映植株水分虧缺主要是研究不同土壤水分條件的AE信號(hào)變化規(guī)律，而對(duì)AE信號(hào)采集部位的選取未作明確研究，且植株不同部位AE信號(hào)差異及變化規(guī)律尚不明確。本試驗(yàn)通過(guò)溫室盆栽研究番茄AE信號(hào)時(shí)域波形圖、特征參數(shù)及頻譜參數(shù)隨莖稈高度變化的特征規(guī)律，并通過(guò)比較莖稈不同高度的AE信號(hào)時(shí)域波形圖、特征參數(shù)及頻譜參數(shù)，將AE信號(hào)最活躍的部位確定為番茄AE信號(hào)采集的最佳位置，為植株水分狀況的快速獲取及準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2017年8月至2018年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行（N 39°56′，E 116°16′）。采用負(fù)水頭灌溉盆栽試驗(yàn)，如圖1所示。設(shè)置負(fù)壓值為6 000 Pa，在試驗(yàn)期間土壤含水量維持在0.091～0.113 m3·m-3范圍內(nèi)，日平均土壤含水量為（0.101±0.060）m3·m-3，土壤含水量變化相對(duì)趨于穩(wěn)定。

番茄品種選用佳麗14號(hào)，由北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心提供。于2017年8月25日每盆定植長(zhǎng)勢(shì)一致的植株1株，花盆的規(guī)格為：上口直徑34.2 cm、底直徑18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆裝供試土壤11.0 kg。負(fù)水頭灌溉試驗(yàn)裝置（圖1）主要由塑料盆、陶瓷盤(pán)、供水桶、控壓管和導(dǎo)氣管構(gòu)成；當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)，控壓管及供水桶上的閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)水管的閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，供水桶內(nèi)水分進(jìn)入陶瓷盤(pán)，陶瓷盤(pán)空腔內(nèi)氣體全部排到供水桶，由于土壤基質(zhì)勢(shì)的作用陶瓷盤(pán)內(nèi)水分緩慢進(jìn)入土壤，致使陶瓷盤(pán)內(nèi)壓強(qiáng)逐漸減小，供水桶內(nèi)水分進(jìn)入陶瓷盤(pán)，如此不斷循環(huán)，使供水桶內(nèi)水分在負(fù)壓控制下連續(xù)不斷進(jìn)入土壤以供土壤蒸發(fā)及番茄植株生長(zhǎng)發(fā)育（王秀清 等，2011b）。

圖1 負(fù)水頭灌溉試驗(yàn)裝置

1.2 聲發(fā)射信號(hào)測(cè)定

AE信號(hào)采集選用性能穩(wěn)定可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的MICRO Ⅱ監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Physical Acoustic Corporation，Princeton，New Jersey，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 MHz頻率范圍），AE傳感器選用Nano30（響應(yīng)頻率為12～750 kHz、 靈 敏 度 為 62〔-72〕dB ref.1V/（m/s）〔1V/μbar〕）、放大器選用 2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可選），實(shí)行24 h連續(xù)采集，每隔1 d存儲(chǔ)為1個(gè)數(shù)據(jù)文件。為研究60 hPa負(fù)壓值下番茄AE信號(hào)隨植株不同高度的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取番茄全生育期進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。將番茄生育期劃分為開(kāi)花期（9月15～25日）、結(jié)果初期（9月26日至11月1日）、結(jié)果盛期（11月2日至12月15日）和結(jié)果后期（12月16日至次年1月5日）。

AE信號(hào)采集時(shí)，將AE傳感器分別固定在番茄莖稈不同高度處，試驗(yàn)選取3個(gè)部位進(jìn)行測(cè)定，如圖1所示：番茄植株頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下第5葉位置的莖稈部位（上部，T），番茄植株根部倒數(shù)5葉位置的莖稈部位（下部，B），上部與下部之間中心點(diǎn)位置的莖稈部位（中部，M）。為防止AE傳感器固定的莖稈部位脫水，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(cè)系統(tǒng)配套的聲發(fā)射信號(hào)分析軟件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，Princeton，New Jersey，USA），從有效的聲發(fā)射信號(hào)中提取出典型AE特征參數(shù)，包括幅值、計(jì)數(shù)、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、峰值頻率共6個(gè)特征參數(shù)及AE信號(hào)時(shí)域波形圖；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用 LabVIEW 2014（National Instruments，Austin，TX，USA）編程計(jì)算頻譜特征參數(shù)，得出主頻、主頻能量、中心頻率、功率譜面積、功率譜方差共5個(gè)頻譜參數(shù)。統(tǒng)計(jì)分析番茄莖稈上部、中部、下部的AE信號(hào)（幅值＞40 dB）特征參數(shù)和頻譜參數(shù)（以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的方式表示），并對(duì)番茄莖稈不同高度AE信號(hào)時(shí)域波形圖進(jìn)行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄莖稈不同高度聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形圖的差異

圖2 番茄莖稈不同高度AE信號(hào)時(shí)域波形圖的差異

AE信號(hào)時(shí)域波形圖可直觀反映幅值隨時(shí)間的變化情況，進(jìn)一步反映植株水分狀況，植株體內(nèi)含水率較小時(shí)AE活動(dòng)較為活躍（Diakhate et al.，2017）。番茄莖稈不同高度時(shí)域波形圖如圖2所示。為了研究番茄莖稈不同高度時(shí)域波形圖變化，分別選取番茄莖稈各生育期1個(gè)晴天不同高度的時(shí)域波形圖進(jìn)行比較及分析。由圖2可知，從信號(hào)幅值的角度分析，其振幅變化范圍在0～0.50 V之間，開(kāi)花期時(shí)域信號(hào)最大振幅表現(xiàn)為莖稈中部＞莖稈下部＞莖稈上部，其余生育期則均表現(xiàn)為：莖稈下部＞莖稈中部＞莖稈上部，開(kāi)花期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期莖稈下部時(shí)域信號(hào)最大振幅分別達(dá)到0.14、0.13、0.19、0.50 V。番茄莖稈不同高度的時(shí)域信號(hào)振幅變化持續(xù)時(shí)間位于250～800 μs之間，隨番茄莖稈由上部至下部高度變化時(shí)，各生育期時(shí)域信號(hào)振幅變化持續(xù)時(shí)間均表現(xiàn)為：莖稈下部＞莖稈中部＞莖稈上部，開(kāi)花期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期莖稈下部時(shí)域信號(hào)振幅變化持續(xù)時(shí)間分別位于250～650 μs、250～550 μs、250～550 μs、250～800 μs之間?？傊?，在番茄結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期，莖稈下部的AE信號(hào)時(shí)域波形圖振幅及振幅變化持續(xù)時(shí)間最大，表明番茄莖稈下部AE活動(dòng)最活躍。

2.2 番茄莖稈不同高度聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)差異

AE特征參數(shù)用以表征AE信號(hào)特征，可以反映植株水分狀況，植株體內(nèi)含水量低時(shí)AE活動(dòng)較為活躍（王秀清 等，2011b）。由表1可知，番茄各生育期莖稈不同高度AE信號(hào)具有明顯差異。在番茄開(kāi)花期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期，隨著莖稈由上部至下部的高度變化，AE信號(hào)幅值、計(jì)數(shù)、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、峰值頻率呈逐漸增大的趨勢(shì)，表現(xiàn)為：莖稈下部＞莖稈中部＞莖稈上部，表明番茄莖稈下部AE活動(dòng)最為活躍。

2.3 番茄莖稈不同高度聲發(fā)射信號(hào)頻譜參數(shù)差異

頻譜參數(shù)直接反映AE信號(hào)能量隨頻率的分布及變化情況，進(jìn)一步反映植株水分狀況，植株體內(nèi)水分含量低時(shí)AE信號(hào)較為活躍（王秀清 等，2011a）。由表2可知，番茄各生育期莖稈不同高度AE信號(hào)頻譜參數(shù)具有明顯差異。在番茄各生育期，隨著莖稈上部、中部、下部的高度變化，主頻、主頻能量、中心頻率、功率譜面積和功率譜方差均表現(xiàn)為：莖稈下部＞莖稈中部＞莖稈上部。在番茄開(kāi)花期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期，與莖稈上部相比，莖稈下部的主頻統(tǒng)計(jì)均值分別顯著增長(zhǎng)40.2%、56.9%、26.0%、23.9%；莖稈下部的中心頻率統(tǒng)計(jì)均值比莖稈上部分別增長(zhǎng)21.4%、37.3%、26.5%、3.6%；部分莖桿下部的主頻能量、功率譜面積、功率譜方差統(tǒng)計(jì)均值與莖桿上部存在數(shù)量級(jí)的差異；由此可見(jiàn)，各生育期番茄莖稈下部的聲發(fā)射信號(hào)頻譜參數(shù)均為最大，表明莖稈下部的聲發(fā)射活動(dòng)最為活躍。

表1 番茄莖稈不同高度AE信號(hào)特征參數(shù)差異

表2 番茄莖稈不同高度聲發(fā)射信號(hào)頻譜參數(shù)差異

3 結(jié)論與討論

前人以番茄為試材，通過(guò)分析AE信號(hào)隨水分脅迫的變化規(guī)律表明，AE信號(hào)可反映植株體內(nèi)水分虧缺程度及植株需水狀況，從而通過(guò)AE信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)植株的灌溉量和蒸騰量，指導(dǎo)植株生長(zhǎng)的水分調(diào)控（楊世鳳 等，2001；霍曉靜 等，2008；Gagliano et al.，2012）。

植物體內(nèi)水分徑向運(yùn)輸是指根系吸水后通過(guò)木質(zhì)部沿莖向葉片運(yùn)輸水分的過(guò)程，番茄葉片蒸騰失水，水勢(shì)降低，由于根壓、蒸騰拉力、內(nèi)聚力的作用，水分通過(guò)木質(zhì)部由根系向葉片輸送。隨著番茄植株莖稈由上部至下部的高度變化，莖稈含水率逐漸降低，植株體內(nèi)含水率較低時(shí)AE信號(hào)增強(qiáng)，AE活動(dòng)較為活躍。因此莖稈下部的AE信號(hào)時(shí)域波形圖振幅及振幅變化持續(xù)時(shí)間最大，AE信號(hào)幅值、計(jì)數(shù)、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、峰值頻率、主頻、主頻能量、中心頻率、功率譜面積和功率譜方差均為最大，表明番茄莖稈下部AE信號(hào)最為活躍。

不同時(shí)間AE信號(hào)特征規(guī)律不同（Sriwongras et al.，2016），番茄AE信號(hào)日變化規(guī)律較為穩(wěn)定，日間AE活動(dòng)較為頻繁，夜間AE活動(dòng)急劇減少。張佳等（2018）對(duì)于不同生育期內(nèi)番茄聲發(fā)射信號(hào)的研究表明，不同生育期番茄AE信號(hào)具有顯著的時(shí)空分布和特征變化，番茄AE信號(hào)數(shù)量、頻率和能量與番茄生長(zhǎng)階段相互關(guān)聯(lián)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同部位AE信號(hào)特征規(guī)律不同，各生育期隨著番茄植株由上部到中部、下部的變化，AE信號(hào)時(shí)域波形圖振幅及振幅變化持續(xù)時(shí)間逐漸增大，AE信號(hào)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)均值和頻譜特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)均值逐漸增大，表明番茄莖稈下部AE活動(dòng)最為活躍。由此可知，番茄莖稈不同高度的聲發(fā)射波形參數(shù)及頻譜特征參數(shù)具有明顯的變化規(guī)律，番茄聲發(fā)射信號(hào)幅值、頻率和能量與番茄莖稈不同高度相關(guān)聯(lián)，可為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析植物不同高度處水勢(shì)變化及水分運(yùn)輸提供理論依據(jù)。