[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

说明书

本发明公开了一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法，属于智能化农业信息感知领域。叶片电阻抗谱的番茄磷营养检测系统，包括阻抗分析仪、生物阻抗接口、电极、PC机、带孔限位夹板、被测试叶片。通过采集被测试叶片电阻抗谱信息，并对采集信息进行分析和处理，获取磷敏感阻抗谱特征，在此基础上建立磷营养预测模型，从而实现对番茄磷营养状况的实时、快速、无损、早期、准确检测和诊断。本发明智能化程度高、测试成本低、可实现对番茄磷营养水平的活体检测，和光谱和图像技术相比，本发明提出的方法具有对光照不敏感的优点。

技术领域

本发明涉及一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法，属于智能化农业技术领域。

背景技术

番茄是我国主要蔬菜之一，种植面积大，达960万公顷，氮磷钾是作物生长发育所必须的大量元素。番茄由于生长周期长，生长发育过程中很容易出现氮磷钾各营养元素的比例失调和缺乏，氮磷钾缺乏和过量施用对作物产量、品质和环境污染产生重要影响。及时、准确的对作物氮磷钾营养水平对提高氮磷钾管理水平和使用效率具有重要意义。另外，氮磷钾营养水平的实时监控对于节省肥料和降低盲目过度施肥造成的环境污染具有重要意义。按照作物生长所需营养元素定时、定量提供营养是最理想的变量施肥方式。然而，对营养元素的准确检测和诊断是实现这种变量施肥的关键和前提。

传统化学检测方法虽然准确，但由于存在费时、成本高、对样本的破坏性等缺点，已不能满足现代农业快速发展需要。迫切需要研发新的作物氮磷钾营养检测方法。近年来，快速、实时、无损检测是农业工程领域研究热点。利用光谱技术和图像技术对作物氮营养检测进行了大量研究并取得较好成果，目前已研发出相应的商用传感器。但在磷钾检测方面还存在检测精度低的问题。另外，光谱和图像技术对外部环境信息，尤其是对光照的敏感性限制了其在实际中的应用。因此，迫切需要研发一种新颖的作物营养检测和诊断方法。

植物电阻抗谱是一种利用小幅度正弦信号作为激励信号测量生物电特性的方法，通过非破坏确定电阻抗谱参数可以在很宽的频率范围内获得植物组织和器官的生理和病理信息。电阻抗谱参数可以准确反映生物组织的物理化学变化。和光谱、图像技术相比，电阻抗谱技术具有测量间接、低成本和对外部环境信息不敏感的优点。电阻抗谱技术目前已在作物损伤、冻害、重金属胁迫、低温胁迫、干旱胁迫、作物根生长、果蔬成熟度、作物含水率等研究中得到应用，但在作物营养水平检测研究中较少。

在现有技术中，申请号为200910093917.X的中国专利《一种多通道电阻抗式植物含水率监测系统》公开了一种基于植物电阻抗的含水率采集系统，利用植物电阻抗测量的方式，通过植物电阻抗与其内部含水率的对应关系测量出植物内部含水率的变化，实现了对植物含水率的快速测量，但该专利未给出含水率的敏感频段和敏感电参数，也没有建立含水率监测模型。

专利(申请号为201010262485.3)公开了《作物电阻抗谱检测系统及方法》，实现了对作物电阻抗谱获取，但未对获取的电阻抗谱做进一步分析，不能应用到实际中。

论文《基于叶片组织液阻抗的玉米钾营养状况监测(农业机械学报，2013,44(1):185-189)》公开了一种玉米钾营养状况监测系统及方法，利用叶片组织液阻抗参数对玉米各生育期钾营养状况的进行了监测，提取了钾质量分数敏感频段，建立了各生育期的钾质量分数预测模型，实现了对玉米钾的准确预测，但由于需要对从植株摘取叶片并进行榨汁破坏性处理，不能实现实时、在线无损监测。

发明内容

为了弥补上述不足和满足对作物营养信息评价的需要，本发明提出了一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法。该系统通过快速采集植物活体叶片电阻抗信息，并在此基础上通过相关分析、和主成分分析等方法，获取磷敏感频段和敏感电阻抗谱参数，在此基础上建立磷营养预测模型，并对模型精度、有效性进行验证，实现了对植物磷营养水平的实时、快速、低成本、活体、无损、在线监测。具体技术方案如下：