[发明专利]一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法

权利要求书

1.一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，包括：叶片阻抗信息采集装置、信息分析处理装置；所述叶片阻抗信息采集装置用于采集被测叶片的阻抗信息，其与所述信息分析处理装置相连；所述信息分析处理装置根据检测的叶片阻抗信息进行分析处理、建立磷营养预测模型并得出植物磷营养的预测值。

2.根据权利要求1所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，所述阻抗信息采集装置包括：相连接的阻抗分析仪(2)和生物阻抗接口(1)；所述阻抗分析仪(2)连接所述信息处理装置，所述生物阻抗接口(1)的端口用于采集叶片阻抗信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，还包括电极(4)；所述电极(4)为四端不锈钢针状电极，包括4根不锈钢针和绝缘板；所述不锈钢针呈直线平行排列，并且垂直穿过所述绝缘板；所述电极(4)的一端与所述生物阻抗接口的四个端口相连、另一端刺入被测叶片(6)中。

4.根据权利要求3所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，所述不锈钢针的长度为12mm，直径为0.7mm；所述绝缘板长40mm，宽15mm，厚2mm；所述电极在使用时沿着叶脉平行且叶片距离叶脉3mm的叶片位置垂直刺入叶片。

5.根据权利要求3所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，还包括带孔限位夹板(5)；所述带孔限位夹板(5)为两个平行的绝缘板，板上设有4个孔，在测量时两个平板之间放入被测叶片(6)。

6.根据权利要求5所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，所述孔的个数、孔的直径与所述不锈钢针的个数、直径大小相匹配，在测量时电极穿过所述孔。

7.根据权利要求5所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，所述带孔限位夹板(5)的长、宽、高分别为40mm、15mm、2mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，其特征在于，所述计算机采用台式PC机或笔记本电脑。

9.一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，含磷量不同的作物样本的培育；

番茄种子经过消毒后，在育苗盘进行育苗，育苗盘放置在温湿度、光照等环境参数可控的温室内，待番茄出苗并长出3-4片真叶后，选择大小均匀一致的苗移栽到含有珍珠岩的盘盆内，根据山崎配方分别配置含磷量分别为25％、50％，75％、100％和150％五种不同水平的营养液，其中含磷量为100％的营养液为采用山崎配方配置的标准营养液，含磷量为25％、50％，75％的营养液为参照标准营养液所需化学试剂份额经过计算后分别从标准营养液扣除磷含量的75％、50％、25％的份额。125％的营养液含磷量为标准营养液的1.25倍。采用所配置的含磷量不同的营养液定期对植株进行浇灌，待植株长出10-12片叶子后进行阻抗测量。

步骤2，阻抗测量；

选取植株从上到下的第7片叶子进行分析，采用钼梯抗吸光光度法测定被测试叶片含磷量并保存，通过与阻抗分析仪连接的PC机，设置施加到被测试叶片的激励电压为0.2V，在1Hz到1MHz的频率范围内设置91个采集点，1Hz到1MHz的频率范围采用对数间隔；

选择被测试叶片，将叶片表面尘土清理干净后，将叶片铺平放置于带孔限位夹板的两个板之间，电极四个末端穿过带孔限位夹板上的4个孔，沿着与叶脉平行且相距3mm处垂直刺入叶片，在电极刺穿叶片时确保刺穿处不撕裂；然后开始阻抗测量并将测量数据存储在PC机待后续数据分析；

步骤3，等效电路模型建立；

被测试叶片电阻R和电抗X(Ω)可从公式一和公式二计算获得：

公式一：R＝|Z|cosθ

公式二：X＝|Z|sinθ

其中，θ为相位角，Z为被测试叶片阻抗，R与X间的关系用Cole–Cole图描述，不同磷营养水平下，叶片Cole–Cole图呈现半椭圆，根据半椭圆形状结合数据分析，得出等效电路模型；

步骤4，等效电路参数计算；

常相位元件的阻抗可描述为公式三：

其中，j为虚数单位，ω为角频率,T为常相位元件CPE系数，q为CPE指数，在0-1范围内取值；根据对阻抗数据分析和观察，Cole–Cole图形状为半椭圆，将植物叶片复阻抗描述为公式四：

其中，R_e、R_i分别为胞外电阻、胞内电阻，T的单位随q值得变化而变化；因此，在分析细胞膜电容前必须准确确定q值；

进一步，电容C表示为公式五：C＝Tω_m^q-1；

其中，ω_m为施豫角频率，ω_m表示为公式六：

由公式四和公式五得出公式七：其中，C_m为细胞膜电容。

步骤5，敏感电参数及敏感频段的获取；

利用相关分析方法和主成分分析或偏最小二乘回归方法，对获得的测试数据进行分析，获取对磷敏感的电参数和相应敏感频段，在1Hz～1MHz的频率范围内，91个频率点对应的阻抗值与叶片含磷量间的相关系数均在0.85以上，通过主成分分析结果，提取61.96kHz处被测试叶片的阻抗模作为敏感阻抗谱特征，相应的敏感频率点为61.96kHz，敏感电参数为61.96kHz处的阻抗值；

步骤6，磷营养预测模型的建立；

采用多元回归分析方法建立磷预测模型：Y＝2.791ln(x_61.96kHz)-29.119

其中，Y为磷质量分数，单位为％，x_61.96kHz频率为61.96kHz处被测试叶片的阻抗模，单位为Ω；

步骤7，预测模型验证；

采用未参与预测模型建模的样本对所建立的磷预测模型进行验证，根据验证结果对模型进行修正，以确保模型的正确性。