負水頭灌溉下番茄不同生育期聲發射特征研究

張 佳 郭文忠 秦淵淵 薛緒掌 李海平 李靈芝 余禮根*

（1北京農業智能裝備技術研究中心，國家農業智能裝備工程技術研究中心，農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京 100097；2山西農業大學園藝學院，山西太谷 030801）

水分運輸的內聚力理論闡述了水在土壤-植物-大氣連續體系統中的運輸是處于一定的負壓力或張力下進行。土壤干燥時，張力就相應地增加，當超過一個極限值時，由于水分子間的內聚力失效或對導管壁的附著力失效，水柱的連續體不能保持，從而發生斷裂或抽空，這稱之為植物木質部空穴現象。此時，張力會突然釋放而產生沖擊波，同時出現聲發射信號（acoustic emissions，AE）（Galeski et al.，1987；Carel，2012；Gagliano，2013a）。

聲發射信號可應用于植物水分脅迫狀態的監測（Roo et al.，2016；余禮根 等，2017），也可將其作為一種無損監測方法用于植物生長過程中水勢信息（蔡甲冰 等，2015）、蒸騰作用（奚如春 等，2011）、凍融過程（Kasuga et al.，2015）、病蟲害（Gagliano，2013b；Yang et al.，2014）的測量分析。王秀清等（2011a）研究發現染病初期番茄聲發射信號的頻次增加，隨著病害程度加重而逐漸降低，并出現低頻多峰現象。因此，番茄受水分脅迫、病蟲害脅迫與聲發射信號間有著一定的相關性。番茄不同生育期有著不同的生長特征（武利明 等，2014），學者們分別從番茄光合特性（朱延姝 等，2010）、水肥信息（孫紅梅 等，2001）、耐鹽能力（劉勝堯 等，2013）等方面進行試驗研究，對于如何表征番茄不同生育期與聲發射信號變化規律上的報道較少。本試驗通過對番茄聲發射信號的監測與分析，進而獲取不同生育期番茄聲信息特征變化及其與番茄生長過程、生長環境的相關性，以此為聲發射技術應用于監測番茄生長狀態提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年3～7月在北京市農林科學院試驗溫室內（N39°56′32′′，E116°16′53′′）進行。供試作物為番茄品種佳麗14，在育苗室內培養至五葉一心時移栽于溫室塑料花盆中，盆的上口直徑為34.2 cm、底直徑18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆裝供試土壤11.0 kg（有機肥與原狀土按質量比為1∶33混合），施復合肥（N-P-K為15-15-15）983 g，采用負水頭灌溉，設置負壓值為6 000 Pa，對應的土壤體積含水量為19.7%，供試土壤基本理化性質為：容重1.5 g·m-3，最大田間持水量為25%（即體積含水率為37.5%），EC值0.5 mS·cm-1，有機質含量24.5%，有效磷91.7 mg·kg-1，速效鉀 310.6 mg·kg-1。

負水頭灌溉盆栽試驗裝置如圖1所示。負水頭灌溉試驗裝置主要由花盆、陶瓷盤、首部及負壓控制系統組成，其中負壓控制系統包括控壓管、導氣管；陶瓷盤是一種內帶空腔、透水不透氣的供水盤，陶瓷盤與首部通過塑料軟管連接，當裝置運行時，首部內灌溉水進入陶瓷盤，陶瓷盤空腔內氣體全部排到首部，陶瓷盤內灌溉水由于土壤基質勢的作用緩慢進入土壤，致使陶瓷盤內壓強逐漸減小，低于控壓管內的氣壓，首部內灌溉水再次進入陶瓷盤，如此不斷循環，使得灌溉水在負壓控制下連續不斷進入土壤以供番茄植株吸收利用。番茄于3月15日定植，選擇長勢一致的幼苗，每盆定植1株，共定植20株，設4次重復。澆透水后緩苗15 d，至4月2日起進行供水控水處理，將番茄生育期劃分為幼苗期（3月15日至4月1日）、開花期（4月2～14日）、初果期（4月15日至5月15日）和盛果期（5月16日至6月20日）。

圖1 負水頭灌溉盆栽試驗裝置

1.2 測定項目

1.2.1 耗水量 在番茄幼苗期至盛果期內（3月15日至6月20日）使用非接觸式管道液位紅外傳感器（WS03A，北京萬順華科技有限公司）讀取負水頭灌溉盆栽試驗裝置首部內的水位高度h。

式中：V為日耗水量（cm3），A為負水頭灌溉盆栽試驗裝置首部內徑對應的橫截面積，h2為測量當天的水位高度值（cm），h1為測量前1 d水位高度值（cm）；不同生育期耗水量分別為各生育期內每日耗水量之和。

1.2.2 土壤含水率 試驗期間，在植株根部右側15 cm處安裝ECH2O土壤水分監測系統配套的GS3型土壤含水率測試儀〔精度：±（1%～2%）〕，連續監測盆栽番茄距根莖部15 cm處的土壤含水率，每5 min讀取1個數據。

1.2.3 聲發射信號 聲發射信號采集選用性能穩定可長時間連續運行的MICRO Ⅱ監測系統（Physical Acoustic Corporation，USA）、配備的聲發射采集卡為PCI-2（8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 M·s-1采樣率、1～3 000 kHz頻率范圍）、聲發射傳感器選用Nano30（響應頻率為125～750 kHz、靈敏度為 62〔-72〕dB ref.1V/（m/s）〔10V/μMPa〕）、放大器選用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可選），實行24 h連續采集，每隔1 d存儲為1個數據文件。其中，聲發射傳感器固定在番茄植株基部第5葉位置的莖部，并在傳感器與莖部之間涂抹凡士林。

1.3 數據處理

選用MICRO Ⅱ聲發射監測系統配套的聲發射信號分析軟件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，USA）進行AE特征參數分析。統計分析開花期、初果期、盛果期的聲發射信號（幅值＞40 dB）的波形參數及頻譜特征參數變化規律及其差異。波形特征參數包括幅值、計數、能量、上升時間、持續時間、峰值頻率；頻譜特征參數包括第1共振峰頻率、第1共振峰幅值、第2共振峰頻率、第2共振峰幅值、第3共振峰頻率、第3共振峰幅值、主頻、主頻能量、中心頻率、加權功率譜頻率、有限頻帶能量面積、功率譜面積、功率譜方差（沈功田 等，2002）。

采用Excel 2017軟件計算番茄不同生育期耗水量、聲發射波形參數和頻譜參數的描述性統計特征值；采用SPSS 19.0統計分析軟件分別對試驗期間環境溫度和開花期土壤含水率與聲發射波形參數幅值進行Pearson相關性分析（王秀清 等，2011b）。

2 結果與分析

2.1 番茄不同生育期的環境溫度變化

從圖2可以看出，番茄植株幼苗期的環境溫度平均值與最大值分別為（24.6±1.5）℃和26.0℃；盛果期的環境溫度平均值與最大值分別為（28.2±1.7）℃和31.4 ℃；開花期和初果期的環境溫度分別為20.9～25.6 ℃和19.4～27.3 ℃。番茄不同生育期環境溫度相對較為穩定。

2.2 番茄不同生育期土壤含水率及耗水量變化

番茄不同生育期耗水量差異顯著。隨著番茄植株生長，各生育期耗水量表現為：初果期＞盛果期＞開花期＞幼苗期，初果期是營養生長與生殖生長同時進行的時期，不僅需要滿足果實生長需水，還應滿足葉片和花序發育對水分的需求，該時期耗水量最大，為18.89 kg·盆-1；盛果期耗水量為12.97 kg·盆-1，為初果期耗水量的68.7%；幼苗期和開花期耗水量分別為2.04、4.48 kg·盆-1（圖3）。

從圖4可看出，番茄幼苗期至開花期土壤含水率明顯下降，初果期和盛果期土壤含水率趨于穩定。

圖2 番茄不同生育期環境溫度變化

圖3 番茄不同生育期植株耗水量

圖4 番茄不同生育期土壤含水率變化

2.3 番茄不同生育期聲發射信號波形參數變化

從表1可以看出，番茄開花期至盛果期聲發射信號波形參數呈逐漸下降趨勢。番茄開花期聲發射信號具有最大的波形特征參數，計數、幅值、能量、上升時間、持續時間和峰值頻率分別達到42.4、66.6 dB、11.9、47.2 μs、311.3 μs和 11.0 kHz；與開花期相比，初果期信號的計數、幅值、能量、上升時間、持續時間和峰值頻率顯著下降，分別減 少 了 24.2%、4.4%、52.9%、66.1%、34.9%和78.1%；番茄盛果期的聲發射特征參數最小。

聲發射波形參數幅值表示聲發射信號波形的最大振幅值，是聲發射處理分析的關鍵因素；溫室環境溫度與幅值的Pearson相關性分析結果表明：試驗期間溫室環境溫度與聲發射波形參數幅值呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數為0.670；開花期土壤含水率與幅值的Pearson相關性分析結果表明：開花期土壤含水率與聲發射波形參數幅值呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數為0.667。

表1 番茄不同生育期的聲發射信號波形參數

2.4 番茄不同生育期聲發射信號頻譜特征參數變化

頻譜分析是將聲發射信號從時域轉換到頻域，在頻域中研究聲發射信號特征的方法（黃曉紅 等，2013）。對于分布在0～500 kHz的聲發射頻譜信號，將其劃分為4個區間，分別為0～125、125～250、250～375、375～500 kHz。

從表2可以看出，番茄不同生育期共振峰及功率譜特征參數存在明顯差異。開花期至盛果期共振峰頻率呈逐漸增大的趨勢；開花期的第1、2、3共振峰頻率均在第1區間，初果期第1共振峰頻率在第1區間，第2、3共振峰頻率在第2區間，盛果期的共振峰頻率均在第2區間。開花期至盛果期第1共振峰幅值分別為6.3×10-5、9.6×10-6、4.6×10-7V；第2共振峰幅值分別為1.0×10-4、2.1×10-5、5.3×10-7V；第3共振峰幅值分別為6.0×10-5、4.7×10-6、6.0×10-7V，開花期至盛果期的聲發射信號共振峰幅值逐漸減小。

從表2還可以看出，番茄開花期至盛果期的主頻逐漸增加，中心頻率與加權功率譜頻率在數值上無顯著差異，二者均逐漸增加，分別達到140.8、234.6、272.0 kHz；開花期至盛果期主頻能量、有限頻帶能量面積、功率譜面積和功率譜方差表現為先減后增的趨勢。

表2 番茄不同生育期的聲發射信號頻譜特征參數

3 結論與討論

負水頭灌溉屬于一種亞表層灌溉技術，是基于盤式負壓入滲原理，將供水壓力設定為負壓，利用土壤水分基質吸力向土壤供水，可以實現土壤含水率的精確控制（姜紅娜 等，2015）。本試驗結果表明：隨著番茄植株的生長，不同生育期的耗水量呈現先增大后減小的趨勢，初果期耗水量最大。隨著番茄植株的生長，試驗環境溫度逐漸增加，由于幼苗期及開花期環境溫度較低，植株蒸騰量小，導致植株耗水量少，而初果期至盛果期環境溫度逐漸上升，植株蒸騰量、果實生長需水量增加，植株耗水也隨之增加（呂薇薇 等，2011），初果期和盛果期的總耗水量明顯高于幼苗期和開花期。通過對溫室環境溫度和土壤含水率與聲發射波形參數幅值的相關性分析結果可知，試驗期間溫室環境溫度與幅值、開花期土壤含水率與幅值均呈顯著正相關。

AE信號的本質是在外力作用下，材料或結構內部發生形變或斷裂時突然釋放能量而產生的一種彈性應力波，因此AE信號具有時域和頻域的基本特性（Gagliano，2013a；Roo et al.，2016）。對于番茄不同生育期，AE信號日變化規律較為穩定，高峰期發生時間為10：00～16：00，幅值大小位于40～80 dB（余禮根 等，2017）。

通過對番茄不同生育期聲發射信號波形參數及頻譜特征參數的分析和比較，番茄開花期至盛果期聲發射信號波形參數呈逐漸下降趨勢；共振峰頻率呈逐漸增大的趨勢，第1、2、3共振峰幅值呈逐漸減小趨勢，開花期第1、2、3共振峰頻率均在第1區間，初果期第1共振峰頻率在第1區間，第2、3共振峰頻率均在第2區間，盛果期第1、2、3共振峰頻率均在第2區間。葉綠素含量及凈光合速率都直接反映番茄植株進行光合作用的能力，隨著番茄植株的生長，葉綠素含量及凈光合速率逐漸增加，至盛果期達到最大（聶書明 等，2013），與聲發射信號波形參數變化趨勢相反，與頻譜特征參數變化趨勢一致，其相關性有待進一步研究。

綜上所述，本試驗通過對聲發射傳感器獲取到的信號進行分析，進一步確定了番茄不同生育期與聲發射信號的特征變化和發展規律，明確了番茄聲發射信號與環境溫度、土壤含水率間具有相關性，對于建立番茄聲發射信號特征數據與番茄生長過程的關系模型，以及聲發射應用于番茄生長過程監測奠定理論基礎。

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