介電特性在作物需水診斷中的應用研究進展

張兵　韓霞　莊斌　左承鵬

摘要：為了能及時可靠地提供農作物旱情信息，建立完善的節水灌溉系統，本文綜述了介電特性與作物需水的關系以及國內外學者對作物生理電特性在生理水分信息提取方面的研究現狀，指出了作物介電特性在作物需水診斷中的潛在價值以及目前存在的不足，并對作物介電特性在農業灌溉領域中的應用前景進行了展望。

關鍵詞：介電特性；作物；需水診斷

中圖分類號： S274文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0007-03

收稿日期：2014-04-04

基金項目：農業部旱作節水農業重點實驗室基金（編號：BSRF201404）。

作者簡介：張兵（1976—），男，山西大同人，博士，副教授，研究方向為節水灌溉智能決策、作物生理電特性的研究。E-mail：zhangb@czu.cn。生物電特性在醫學工程領域的應用早已普及，但農作物生理電特性的應用卻一直沒有得到發展。我國水資源短缺，人均水資源只有約2 000 m3，絕大部分水資源都用于農業灌溉，傳統的灌溉技術根據土壤含水量診斷旱情，雖然方法較為成熟，但作物葉片的生理水分狀況能更敏感地反映植株的干旱程度，所以以作物自身水分狀況為灌溉依據比以土壤水分狀況為依據更可靠，更能精確診斷作物需水問題。研究介電特性與作物需水的關系，能給農作物旱情提供及時可靠的信息，提高農業灌溉水的利用率，對改變我國傳統灌溉方式，建立完善的節水灌溉系統有著重要意義。本文通過查閱國內外大量相關文獻，綜合目前國內外對于植物電特性的變化規律以及電特性與作物需水之間關系的研究，預測介電特性在作物需水診斷中的發展趨勢?；谀壳霸谧魑锝殡娞匦苑矫嫒〉玫某晒?，總結作物含水率與介電特性之間的關系，為今后作物需水的快速無損測量提供基礎，促進精細農業發展。

1介電特性的概念及應用

1.1介電特性與介電常數

物質的電特性分為導電特性和介電特性。介電特性是生物分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性，它的參數主要包括相對介電常數，相對介質損耗因數，介質損耗角正切和介質等效阻抗。介電常數εr，也稱相對電容率，是電介質固有的一種物理屬性，它表示電介質存儲電場能量的能力，也反映該電介質提高電容器電容量的能力。一般電介質都有著自己固定的介電常數，電介質分子會在電場作用下，發生運動摩擦，從而產生熱量，這種有發熱產生的熱量便會帶來介質損耗。介電常數是表示介電特性的宏觀參數，它反映的不是電介質每個部分的介電特性，而是電介質足夠大區域內的一個平均值。

1.2介電特性與作物需水特性的關系

作物需水特性是作物在整個生長期對水量、水質、水溫等的需求和反應的特性。作物屬于生物體，是介于導體和絕緣體之間的電介質，它的生長過程也包含著介電特性變化的過程，在其不同的生長階段，作物的介電特性也是不同的，其中水分是影響作物介電特性最主要的因素，干旱會使植株體液理化性質發生改變，體液增濃，葉水勢增大，必然在生理電特性上有所反映，而作物生理水分信息則是反映作物需水的直接指標，比較靈敏、迅速。通過介電特性了解植株的生理狀況，在植株需水關鍵期（需水敏感期）進行節水灌溉，對農業精量控制灌溉具有重要的現實意義。另外，介電特性檢測方法具有簡單、迅速、可靠等特點[1-2]。

2介電特性在作物需水診斷中的應用

Nelson在2.45 GHz、23 ℃下，以桃子，紅薯，土豆，蘋果香瓜，胡蘿卜為研究對象，通過測試它們的介電常數和損耗因子，指出介電常數和含水率有關[3]。Ualby等研究不同頻率下的玉米和小麥的葉子、莖稈的介電特性，指出頻率在5 GHz時，NaCl含量對介電損耗因數有明顯影響[4]，與此同時，Tran等以蘋果、桃子、梨、胡蘿卜和馬鈴薯的介電特性為研究對象，在100～10 000 MHz室溫下，得到了介電常數和損耗因數是頻率的函數的結論[5]。由此，之后研究作物介電特性都涉及不同頻率下的對照試驗。Sokhansanj等研究了在1、18、300、2 450 MHz 下，整粒加拿大紅硬冬小麥的介電常數，建立了關于介電常數和物料密度的方程式，指出物料密度對小麥的介電常數影響較大，而對介電損耗影響較小[6]。Turner提出以作物自身水分狀況為灌溉依據比以土壤水分狀況為依據更可靠[7]。Seaman等研究了在150～6 400 MHz室溫下果肉和果皮的介電特性[8]，通過他的研究結果，知道了果肉和果皮具有不同的介電特性，并且他提出介電特性存在差異的主要原因在于含水率的差異，這對后來作物介電特性研究有指導性的意義。Kramer提出葉水勢是植物水分狀況的最佳度量，當植物葉水勢和膨脹壓降低到足以干擾正常代謝功能時，即發生水分脅迫。所以，葉水勢可以作為作物水分虧缺程度的診斷手段[9]。Nelson等用網絡分析儀以及末端開口的同軸探針研究了室溫下 200 MHz 至20 GHz范圍內，23種新鮮果蔬的41個頻率點的介電常數，并且測量了它們的含水率，組織密度，可溶性固形物含量，指出影響果蔬介電特性的根本原因是在低頻下離子的傳導性和束縛水的松弛以及高頻下的自由水的松弛，介電常數隨頻率的增加而穩定減小[10]。Ikediala等研究了 30 MHz 至3 GHz范圍內，4個品種蘋果的果肉介電參數，指出隨頻率增加，介電常數減小[11]。Kraszewski等對在頻域和時域下農產品（種子、植物、谷物、果蔬、肉）的微波介電特性測量技術進行了總結，指出這些物品的介電常數和損耗因子依賴于物質的含水[12]。Ksenzhek等測量了玉米葉片在水分虧缺發展過程中電阻變化[13]。Nelson等通過研究蜜瓜果肉的相對介電常數和反映糖度的可溶性固形物含量的關系，指出在以相對介電常數的介質損耗因數分別除以可溶性固形物含量的復平面中，相對介電參數和可溶性固形物含量具有很好的相關性，并且根據試驗結果建立了關系方程[14]。Kandala等研究了在 1～5 MHz頻率范圍內，以黃玉米作為研究對象，得到黃玉米的含水率與電容、阻抗和相位差的三元二次關系，指出電容越大，含水率越高，阻抗和相位差對含水率影響視具體情況而定[15]。

國內在這一領域的研究從上世紀九十年代才開始活躍。錢新耀等對蔬菜種子的含水率和測試頻率對種子電傳導、介電特性的影響進行了研究，獲得了相互之間的回歸方程，發現了蔬菜介電特性與其含水率的關系[16]，這是我國對介電特性的較早研究。沈以煦對水稻，小麥，油菜籽 3種物料的頻率特性及其與作物含水率的函數關系進行了分析和研究，提出了用變Q值法測量作物電特性參數的方法，并且研究發現介電常數與物料含水率呈線性相關，即當含水率一定時，物料的介電常數隨頻率的下降而增大，損耗角正切隨頻率的增大而呈下降趨勢，隨含水率的減小其下降趨勢減緩[17]。張立彬等用破壞法研究金帥蘋果切片組織的介電特性與新鮮度的關系，得出在10～100 kHz的頻率范圍內，蘋果的介電特性與新鮮度具有明顯的相關性的結論[18]。龔琦等采用LCR數字電橋，進行了以電容為主要依據的多項電特性參數值的測定，能檢測茶葉的綜合品質，正確判斷率達94%以上，其試驗結果表明，茶葉電容值隨茶葉等級的升高而增大，同時也隨含水率的增加而增加[19]。采用LCR數字電橋進行試驗的方法，被之后的許多學者在研究葉片電特性時所采用。胥芳等研究了用無損檢測方法測定桃子在儲藏過程中電特性的變化，得出在12～100 kHz的頻率范圍內，桃子的最佳測試頻段為 15 kHz 以下，此時桃子隨著儲藏時間的增加，等效阻抗增大而相對介電常數和介電損耗減小，桃子在開始腐爛時，電特性有一個較大的反復[20]，這是一次對水果介電特性的研究，但是水果仍與作物生長有著很大差別，它缺乏一定的包容性，但這次研究，也為作物介電特性研究提供了一個很好的思路。李錫錄等以土壤水勢、農田能量平衡和水量平衡理論作為作物需水、灌溉預報的依據，將土壤水勢傳感器與單片機共同組成處理系統，使農田灌溉實現自動控制[21]。徐保江等根據物料的含水率對其介電常數等電參量的影響關系，對水稻，玉米和大豆3種物料的含水率進行了測試，提供了更為簡單易行測定含水率的方法，并對物料電特性與介電常數及含水率的函數關系進行了分析和研究，得出了物料的介電特性與物料含水率之間的函數關系主要與物料的品種有關的結論[22]。金樹德等采用針刺式方法，在玉米莖稈上插入不銹鋼針，測量莖稈電阻值，并用介電常數變化型平行平板電容傳感器測玉米葉片生理電容，能實時準確反映植株水分狀況[23]。張俐等通過研究植物葉片的生理水分狀況與植株干旱程度的關系，發現要進行植物電特性的測量，需要有一定頻率的激勵信號源，不同的頻率激勵信號對植物生理水分有不同的反映[24]，這對葉片頻率的測量是個重大的突破，也進一步證實葉片頻率與葉片的需水情況有著密不可分的關系。郝曉莉等根據農業物料的含水率對其相對介電常數等電參量的影響關系分別對水稻、玉米和大豆 3 種物料的含水率進行了標定試驗，提供了測定含水率的一種更為簡單易行的方法，對物料電特性與介電常數以及含水率的函數關系進行了分析和研究[25]。王慶惠等通過對種子介電常數的測定及發芽試驗，測定棉花、玉米、小麥和黃豆等農作物種子的介電常數，分析影響測試因素，得出種子品質與介電常數之間的關系，并通過發芽試驗驗證了測試結果[26]。對于種子介電特性的研究也是一種新的思路，它不同于對作物本身的研究，而是要采用新的測量方法，并且在數據的處理上也要采取特殊的方法。

國內外對單一指標預測作物水分虧缺信息的研究比較多，目前對于依據作物生理電特性預測作物水分信息雖有報道，但基本都停留在實驗階段，尤其對于敏感測試頻率以及水分信息滯后等關鍵難題方面的研究幾乎空白，因而開展對典型地區特定作物的生理電特性與水分虧缺的研究，對于我國旱區節水灌溉具有重要的現實意義。

3介電特性在作物需水診斷中的應用展望

在注重提高農作物產量和質量的今天，作物的生理電特性作為一個可靠的可以衡量作物生長狀況的參數，越來越被人們所重視，國內外對這方面的研究也從未停止過。由于不同作物各自都有著不同的介電特性，所以這項研究范圍十分廣泛，需要更多的學者進行探討研究。然而，目前對介電特性的研究大多局限于對作物個體需水量的研究，忽視了作物的生長是由多方面因素決定的，因此，將作物的本身含水率，大氣以及土壤作為一個系統研究才是更加需要關注的。

為了更好地表示作物需水與介電特性間的關系，研究人員從使用微電腦，有限元等先進技術，到利用數字電橋儀進行數據的測量分析，通過研究不同植物在特定頻率范圍下的介電常數，將每種植物生理電特性用數學模型表現出來，構建不同作物介電特性與其含水率的函數表達式，準確地顯示當前作物的缺水狀況，為精確灌溉提供理論基礎。

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