植物生理傳感器的研究現狀與應用展望

牟海維　朱春輝

摘 要：植物生長發(fā)育狀況對農業(yè)生產指導有著不可忽視的作用。本文利用植物生長的特點，從植物內部生理狀態(tài)、外部形態(tài)特征和大氣環(huán)境監(jiān)測3個方面入手，論述了植物生理傳感器的研究現狀。主要介紹了植物徑流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、葉片面積和果實直徑測定的生理傳感器，以及農業(yè)化生產環(huán)境的一體化監(jiān)測系統，并詳述了其各自的特點。隨著植物生理學的發(fā)展以及相關研究的深入，無損在線式監(jiān)測和新型傳感器的開發(fā)將是未來研究的重點。

關鍵詞：電化學生物傳感器;植物生理傳感器;植物生理信號

中圖分類號：S-1

文獻標識碼：A

引言

隨著智慧農業(yè)、精準農業(yè)及數字農業(yè)概念的相繼提出，傳感器技術在農業(yè)領域發(fā)揮著至關重要的作用，尤其在農業(yè)的原始信息采集與獲取這一環(huán)節(jié)。當前常見的農業(yè)類傳感器主要有畜牧水產類、氣體土壤類、大氣環(huán)境類及植物生理類等4大類，其中植物生理類尤為重要。植物生長發(fā)育狀況的檢測對農業(yè)生產指導有著不可忽視的作用。利用植物生理傳感器測量植物生長狀況，再配套環(huán)境類傳感器檢測溫濕度等環(huán)境因子，可以達到對植物的科學精準控制與管理，擺脫以人為經驗方式的農業(yè)生產指導，實現作物高產優(yōu)質，保障我國糧食安全。

1 表征植物生長狀況的生理指標

植物的生長在內部生理狀態(tài)方面，主要表現在徑流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的變化。植物維持自身生長需要消耗大量水分，因此徑流傳輸速度制約著整株植物的蒸騰量。植物激素是在植物體中合成，能調控生長發(fā)育、應對外界刺激的痕量化合物，不同植物組織或器官中激素的種類和含量差異巨大。葡萄糖在生物體內具有極其重要的生理意義，而植物多糖由于其功能多和安全性被越來越多的人所關注。

2 傳感器在植物中的應用研究

2.1 植物內部生理狀態(tài)傳感器

2.1.1 徑流速度測量傳感器

目前，植物徑流傳感器的測量主要采用熱技術方法，包括熱場變形法、熱擴散法和熱平衡法等。其中，熱擴散法是將一對熱電偶探針布置在主干上方和下方，僅加熱上部探針，并根據2個探針之間的溫差計算液體流量。

2.1.2 植物激素類傳感器

植物激素是植物內源性發(fā)育的風向標，其可以整合外部信號來控制植物的生長并調節(jié)所有的植物活動，包括從胚胎到器官的產生、生物防御、脅迫耐受和生殖發(fā)育。其中，電化學方法具有靈敏度高、準確度高、測量范圍廣、設備廉價簡單的特點，被廣泛用于測試或表征樣品。電化學法常用的技術包括電化學阻抗譜、差分脈沖伏安法和循環(huán)伏安法等。

2.1.3 葡萄糖等小分子傳感器

由于葡萄糖的檢測對象多為組織液和血液，對植物進行葡萄糖分析的研究較少，原因在于植物組織液中的果糖等還原性物質會嚴重干擾葡萄糖的分析，因此大部分葡萄糖檢測方法是基于酶的高特異性進行的。植物中葡萄糖經典的檢測方法是利用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化生成過氧化氫，再用辣根過氧化物酶催化生成有色產物，用分光光度法進行檢測。該方法的主要缺點是含有致癌物質，并污染環(huán)境。因此，新的植物葡萄糖檢測方法的開發(fā)引起了廣泛的討論。

2.2 植物外部形態(tài)特征傳感器

2.2.1 葉片面積測量傳感器

葉片是植物的重要組成部分之一，在植物生長中起著重要作用，其生長狀態(tài)會影響植物直接利用太陽能的效率。因此，葉片是植物外部形態(tài)特征中的重要參數。

現在有越來越多方法采用激光傳感器測量葉片參數。這種傳感器可以通過掃描植物冠層和葉片結構來快速獲取葉片表面的點云數據。因此可以在室內或野外條件下生成結果。Garrido等對植物的3D可視化和虛擬植物進行了大量研究，將植物的3D點云數據和生長規(guī)律應用于建模，并以此方式計算和提取一些葉子參數。

2.2.2 果徑傳感器

植物果實的生長受濕度、溫度和光照因素等影響。通過果實大小的變化可以觀測農作物的生長過程及其生理狀況。果實大小的變化可監(jiān)測作物水分狀況，并用于自動灌溉系統。因此對植物果實大小的準確檢測具有重要意義。

現有的植物果實尺寸測量儀器主要是線性位移傳感器游標卡尺和游標卡尺，然而這些方法不能準確且連續(xù)地測量果實大小。曾慶兵等采用基于計算機視覺的葡萄果實直徑測量的非接觸重疊方法，在自然條件下連續(xù)準確地測量葡萄果徑，實驗產生的圖像也有助于葡萄生長模型研究。

2.3 植物大氣環(huán)境監(jiān)測傳感器

在設施農業(yè)監(jiān)測系統中，溫濕度、光照、二氧化碳等情況是植物生長環(huán)境中需要監(jiān)測的數據。因此，需要針對農業(yè)環(huán)境，增強監(jiān)測能力，促進農業(yè)科技發(fā)展。同時，互聯網和無線傳感器網絡等也提供技術支持。艾海波等在STM32微工廠的基礎上設計了一個溫濕度監(jiān)控系統，可以準確地調節(jié)溫度、濕度、光照等因素，實現蔬菜的連續(xù)自動化種植。該系統基于嵌入式平臺的溫度和濕度監(jiān)控系統，以STM32微控制器為核心芯片，使用多個溫濕度傳感器模塊實時收集溫度和濕度信息。

3 植物生理傳感器未來研究的重點與展望

植物內部生理狀態(tài)和外部形態(tài)特征可反映其生長狀態(tài)，利用植物生理傳感器可指導植物處于最佳生長狀態(tài)。本文主要介紹了植物徑流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、葉片面積和果實直徑的測定的生理傳感器，以及農業(yè)化生產環(huán)境的一體化監(jiān)測系統，并詳述了其各自的特點。

隨著植物生理學的發(fā)展以及相關研究的深入，植物生理傳感器今后研究會向著無損在線式監(jiān)測方向發(fā)展，包括提高植物生理傳感器的靈敏度、高精度和實際環(huán)境部署中的魯棒性問題;研發(fā)多種類微型化、智能化的植物生理傳感器;植物生理傳感器與其它類傳感器的融合，達到真正的無線網絡化、數字化、智能化。

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（責任編輯 賈燦）