[发明专利]基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统

说明书

技术领域

本发明属于农业生物技术领域，尤其是一种基于作物水胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统。

背景技术

近年来，农业工厂化技术发展很快，据90年代不完全统计，全世界温室面积60万公顷。我国的设施农业发展很快。1996-99年设施蔬菜、花卉栽培面积增加了近1倍。精准农业也呈现出诱人的发展前景。与此相适应，各种灌溉技术也得到了快速发展。视情精准灌溉已成为节水的重要措施和提高节水效率的重要途径之一。

对作物水分状况进行准确、快速、可靠的评价是有效进行视情精准灌溉的理论基础。作物吸水和散失水分的过程是作物本身不同的器官和它所在环境的相互作用、反馈影响的结果，受土壤——植物——大气连续体(简称SPAC)各个环节的综合作用。以往的水分评价指标大体可分为三种类型。一类是以土壤为对象，这是传统上常采用的，属于间接指标；第二类以环境为对象，通过环境条件的变化估计作物需水量，也属间接指标。第三类直接以作物为对象，这类指标受到越来越多的关注。因为，人们逐渐认识到，归根到底，作物本身应该是需否灌溉的最佳指示物，因为只有它们能把控制作物水分平衡的土壤因子和大气因子整合起来。以土壤为对象时多采用土壤水势或土壤相对含水量，其优点是比较稳定，受环境影响小。但其毕竟是反映作物生长环境的间接指标，且反映比较迟钝、滞后，精度低。因为：(1).作物、品种及生长状况对土壤水分的反应有很大差异。(2).以土壤水分测定深度和作物根系深度存在不确定性。(3).根系分布和土壤水分是不均匀的，使取样的难度增大。(4).少量的降水或灌溉产生的局部灌水对整个根区水分亏缺的判断带来困难。

然而，近几年植物水分生理研究的最新进展让我们开始从一个前所未有的视点重新审视植物本身，我们忽然发现，植物其实一直以自己的“语言”在时刻向我们传达着缺水的信号，即所谓的“会说话的植物(The speakingplant)”，只是这种声音以前被我们忽略了。植物的“语言”是指发生在植物水流通路上由于缺水而造成水流断裂时发出的爆裂声，或成为“尖叫声”(screaming)，即植物的“声发射”现象。

声发射(AE)是指物体在形变或受外界作用时，因迅速释放(弹性)能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。依据内聚力理论，植物内的水是在张力(负压)下输导的。土壤干燥时，张力增加到超过某些极限时，水分子间的内聚力或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体被破坏，发生断裂或抽空，这就是植物木质部的空穴现象。出现空穴的同时，张力会突然释放而产生冲击波，并伴有声发射信号的产生。声发射是表征植物水胁迫的指标之一。导管中出现“空穴”后，开始只是充有稀薄的水蒸气，近似于真空状态，但很快，空气就会从周围渗入，直至空穴中的压力接近大气压，导管中形成了“气栓塞”，水流通路被阻断，水流被迫侧向绕行，输水的截面积减小，输水阻力显著增加。

Milburn和Johnson(1966)首次利用一个改进的听筒听取了水柱断裂时产生的“卡塔”声，察觉到蓖麻的叶柄在加大水分胁迫下逐次产生空穴。1983年，Tyree和Dixon对北美雪松(Thuja occidentalis L.)进行研究时，把声发射的测试频率范围移到超声频段，这就避免了通常存在的低频噪声干扰，使声发射法更简便可行。此项技术应用后，研究进展较快，大量的文献对这一极具吸引力的植物生理响应进行了进一步研究。

已有的研究结果表明，声发射指标极有可能作为一个特殊的植物响应来用于自动灌溉系统的开发。但是，尽管声发射的产生是植物对水分状况较敏感的响应，但在广泛地应用其进行灌溉计划之前，还应进一步研究植物在水胁迫下声发射的机理，及发生、发展规律。如声发射信号与植物水分状况、其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、气象因素、作物生长发育阶段、作物种类及品种等因子的关系研究必须从定性上升到定量，细化的多因子数量模型必须建立，对声发射信号的分析与处理方法还有待改进等等.

以此为基本思想，通过声发射传感器采集作物在水胁迫下发出的超声信号，来探索作物水胁迫声学特性的发生、发展规律，并以此作为视情精准灌溉的主要技术指标，适当结合考虑其它生理指标，如冠层蒸腾量等，进一步研究作物在水胁迫下声发射的发生、发展规律。在以往研究基础上，进一步对声发射信号与植物水分状况、其它水分生理参数、土壤及大气水分胁迫、气象因素、作物生长发育阶段、作物种类及品种等因子的关系进行定量研究，建立细化的多因子数量模型，发展作物水分关系理论，建立人与植物的对话，为视情精准灌溉提供理论依据，进行微机自动化视情精准灌溉系统的软硬件系统开发，提高作物优质、高产、高效生产水平。

发明内容