盆栽迷你玫瑰水脅迫聲發射信號的檢測及分析

周橋+陳釗+劉存瑞++時玲

摘要：以盆栽迷你玫瑰為研究對象，選取生長期對植物在水分脅迫下的聲發射信號進行檢測，將采集到的水脅迫聲發射（AE）信號進行處理，并和其他各環境因子進行對比分析，總結規律，為迷你玫瑰基于水脅迫聲發射信號的精準灌溉系統的建立奠定理論基礎，并提供技術指標。采用虛擬儀器LabWindows/CVI軟件開發平臺，PCI-Ⅱ型聲發射檢測儀及各環境因子傳感器模塊進行相關數據采集，經上位機軟件分析處理并實時顯示。結果表明，植株AE發生次數與蒸騰之間存在密切關系，聲發射頻次會隨蒸騰速率的增大而增大，同時氣溫增高、光照度增大及空氣濕度減小等條件有利于提高植物冠層蒸騰速率，而相應AE事件發生次數也將增加。盆栽迷你玫瑰水分脅迫下的AE信號能敏感準確地反映出植株本身對水分的需求狀況，且與其他環境因子有緊密聯系。

關鍵詞：迷你玫瑰；水脅迫聲發射；響應；檢測分析；精準灌溉

中圖分類號： S685.120.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0133-05

植物在缺水狀態下會伴隨聲發射（acoustic emission，AE）信號的產生，這種聲發射信號能敏感準確地反映植物本身的需水信息，檢測植物生理需水信息的聲發射指標極有可能應用于將來的智能精準灌溉系統。國外Tyree等以田間玉米為研究對象，Raschi等以田間生長番茄為研究對象，Okushima等以溫室栽培香瓜為研究對象，國內Jia和霍曉靜等分別以大田作物冬小麥和溫室栽培番茄為研究對象對其水脅迫聲學特性進行研究，結果均表明植物聲發射信號與其水勢、蒸騰速率等因子有密切關系[1-5]。但目前很少有對溫室花卉盆栽迷你玫瑰進行水分脅迫下AE信號的檢測分析及規律的研究。本試驗以盆栽迷你玫瑰為研究對象，綜合各生長環境因子對其在水分脅迫下的AE信號進行采集分析并總結規律，以期為溫室花卉迷你玫瑰將來基于水脅迫聲發射機理的精準灌溉系統[6-8]的建立和應用奠定理論基礎，并提供技術指標。

1材料與方法

1.1儀器設備

PAC生產的PCI-Ⅱ型聲發射檢測儀和各環境參數傳感器（溫濕度、光照強度、CO2濃度、蒸騰量等），軟件開發[9]平臺LabWindows/CVI，基于PCI-DAQ的虛擬儀器數據采集系統[10-11]。

1.2試驗材料

待測植物為盆栽迷你玫瑰。選取直徑為5 mm的植株，便于放置聲發射傳感器探頭。測定時株高 20 cm，檢測時期為其生長期，土壤配置比例為壤土 ∶灰分 ∶腐殖質=3 ∶1 ∶1。另配鐵架臺2個，便于固定傳感器探頭。檢測試驗于2015年5月17日至2015年5月30日進行，試驗環境溫度為10～25 ℃，光線良好，濕度適宜。

1.3試驗方法

1.3.1安裝位置選取迷你玫瑰植株莖部占整體高度的中間位置安裝美國PAC公司生產的R15型聲發射傳感器來檢測AE信號，通過分析這些間接反映植株水分狀況的AE信號進一步研究植物水分狀況的時空變化規律[12-14]。R15型聲發射傳感器有著圓柱體的接收探頭和18 mm的信號接收面直徑，在安裝時需要將硅酮脂適量涂抹于探頭與莖部之間，它可以作為超聲波導聲劑，既能增強信號的傳輸，又可以減少植株局部脫水。傳感器的安裝與檢測如圖1所示。

1.3.2試驗周期在水分脅迫下AE信號的檢測方面，1個檢測周期為24 h；在對澆水前后聲發射信號的變化情況檢測方面，1個周期為從對迷你玫瑰某次澆水之后開始計時直至下一次澆水前。各參數采集過程中24 h連續不間斷，并觀察聲發射信號在植株處于不同的水分狀態下的變化情況。

1.3.3試驗記錄試驗前以及整個試驗過程中應保持完備且連續的試驗記錄，包括試驗時迷你玫瑰的基本生長情況，測定并記錄植株的莖直徑、葉位、高度及探頭位置，植株安裝傳感器探頭后質量的變化，試驗開始和結束時間，以及試驗過程中由于異常情況（如斷電或環境噪音等）引起的信號變化等[15-17]。

1.3.4試驗過程在與植株相同的水平位置上將溫度、濕度、CO2濃度傳感器[18-19]安裝好，并且整個試驗過程應保證傳感器避免被陽光直射，以免其元器件受到損傷和干擾。保證電子天平放置的基座處于水平、平穩的狀態，通過RS232串口通信[20]將電子天平與計算機相連，然后將整株盆栽迷你玫瑰放到天平稱盤中，預熱30 min后開始檢測。試驗過程中的系統參數設定如表1所示。

在植株莖部將聲發射探頭固定好，此時要特別注意調整好夾子的力度，若力度過小，則會影響聲發射信號的傳導[21-22]，

也可能因為松動而產生大量的噪聲信號；若力度過大，則會對植株莖部組織造成損傷，這同樣對聲發射信號的檢測造成不利影響。為了防止傳感器探頭添加前后發生質量變化，電子天平質量應在探頭安裝好后開始采集記錄數據。確認所有連接線連接完好后，打開穩壓傳感器電源和計算機，運行信號檢測程序，設置檢測參數，開始試驗。試驗部分數據采集結果界面如圖2所示。

2結果與分析

從所采集的數據中，提取4d的完整數據進行分析。試

驗以2015年5月17日0點至2015年5月20日14點為1個完整的聲發射水分脅迫檢測周期。澆水時間為2015年5月16日15：00和5月20日14：00。

2.1聲發射次數與蒸騰速率結果分析

圖3為2015年5月17、18、19、20日聲發射次數、蒸騰速率（T）隨時間的變化關系曲線。

第1天，由于為澆水后的第1天，可近似認為植株處于無水分脅迫狀態。植株的蒸騰作用所消耗的水分基本上能由根系所吸收的水分相平衡，水分收入與支出相抵，導管在水分傳輸過程中只產生少量聲發射，分別集中在02：00—04：00、11：00—13：00和23：00—24：00。由于前1天作物處于嚴重的水分脅迫環境下，造成了導管輸水系統受阻，產生了大量氣穴，形成栓塞，從而使植株在凌晨恢復期間發生微弱聲發射現象。植株全天的聲發射總次數為48次。

第2天，植株處在微水分脅迫狀態下。聲發射主要集中在09：00—16：00。隨著蒸騰速率增加，根部供水速率滯后于葉面蒸騰速率，使導管內水柱斷流，產生空穴，引起聲發射。由于此時土壤中水分含量適中，在蒸騰拉力作用下，空穴中的氣體處于亞穩定狀態，導管內壓力較高，容易使空穴中的氣體溶于水柱中，而使空穴消失，恢復導管供水功能，這一產生空穴和恢復供水的過程往復進行。植株全天的聲發射總次數為869次，其中在13：00左右出現最高聲發射頻次，為229次。

第3天，由于植株蒸騰作用的耗水沒有得到補充，植物處在中度的水分脅迫狀態下，總體變化趨勢與微水分脅迫情況下近似。植株全天的聲發射總次數為539次，其中在10：00左右出現最高聲發射頻次，為188次，低于前1天，主要是由

土壤水分虧缺引起。

第4天，連續3 d沒有澆水，植株處于嚴重水分脅迫狀態。聲發射信號在整個時間段內均會產生，與蒸騰信號之間不存在對應的趨勢，且截至14：00再一次澆水前全天的聲發射總次數為71次。這是由于聲發射信號反映的是“空穴化”的過程，而不是栓塞的累積狀態，因此聲發射信號的減少并不表明栓塞程度的降低，反而是過度栓塞的表現。同時蒸騰速率有放緩的趨勢，總體水分消耗量較前幾天明顯減少。

為了進一步分析聲發射次數與作物蒸騰量之間的關系，對2個變量進行回歸分析和相關分析，圖4為2015年5月17、18、19、20日聲發射次數與T之間的關系。17日無水分脅迫情況下（充分灌溉），聲發射次數與蒸騰速率存在正相關關系，比例系數k=1.524 0，但相關系數較小，r2=0037 3，可基本上認為不存在相關關系。18日微水分脅迫情況下，聲發射

次數與蒸騰速率存在顯著的正相關關系，比例系數k=8294 5，相關系數r2=0.759 0。隨著水分脅迫情況的加劇，19日聲發射次數與蒸騰速率之間的比例系數k=6.741 8，較前日減小，相關系數r2=0.807 4，較前日增加。但到20日，植株處在嚴重水分脅迫狀態下，聲發射次數與蒸騰速率由正相關關系轉化為負相關關系，比例系數k=-0.230 8。從17日到20日，植物累積失水269.4 g，已經處于嚴重水分脅迫環境下，由圖4可以看出，19日是聲發射次數與蒸騰速率二者關系的一個重要轉折點，可以作為植物缺水的判斷依據。

2.2聲發射頻次與環境溫度結果分析

聲發射信號發生的頻率受環境因子的影響較大，圖5為2015年5月17、18、19、20日聲發射次數與溫度之間的關系。2015年5月17日灌溉后的第1天，作物近似處在無水分脅迫情況下，聲發射的次數較少，受溫度影響不大。18日，由于水分脅迫的加劇，隨著溫度的升高，聲發射次數也升高；溫度降低，聲發射次數也降低。19日，中度水分脅迫狀態下聲發射發生次數與溫度之間的相關關系同18日。但是當作物處在嚴重水分脅迫狀況下，20日聲發射發生次數并沒有隨著溫度的升高而升高，這可能是由土壤嚴重缺水所致，導管內存在大量的空穴，沒有足夠的水分補充。綜上所述，在微水分脅迫和中度水分脅迫情況下，隨著溫度升高，聲發射次數增加，兩者之間呈正相關性。

2.3其他環境因子關系

圖6為2015年5月17、18、19、20日溫度、濕度、CO2濃度變化趨勢。從圖6可以看出，溫度曲線的波谷對應濕度曲線的波峰，反之亦然。空氣中水分含量為濕度，溫度高會導致水的蒸發速度加快，因此水蒸氣含量的升高直接導致空氣中的濕度增大，溫度與相對濕度呈現反相關的關系。在一定范圍內，CO2濃度和濕度呈現一定的正相關性，CO2濃度隨著相對濕度的增加而增加。

3結論

綜合分析聲發射次數與各環境因子的關系，并結合植物生理學可得：水分的虧缺造成植株導管內水柱斷流進而產生聲發射現象。因此，綜合考慮，盆栽迷你玫瑰植株的聲發射次數與蒸騰速率之間存在著密切的關系：一定范圍內，蒸騰速率的增大會導致聲發射頻次增加；同時氣溫升高、光照度增大及空氣濕度減小等氣象條件與植物冠層蒸騰速率又有著一定的正相關關系，相應地其聲發射事件發生次數也將增加。這同時也證明水分脅迫下的聲發射信號能很敏感地反應出植株本身對水分的需求狀況，應用于精準灌溉系統具有很好的前景和現實意義，但本試驗只選取盆栽迷你玫瑰其中的一個生長階段，且數據采集時間和采集量還遠遠不足，因此對其規律本質仍需深入研究。

參考文獻：

[1]Tyree M T，Fiscus E L，Wullschleger S D，et al.Detection of xylem cavitation in corn under field conditions[J] . Plant Physiol，1986，82（2）：597-599.

[2]Raschi A，Torri F，Zienna P，et al.Cavitation events in Solanum melongena L.measured after water stress cycles in field conditions[J]. Acta Horticulturae，1990，278：119-124.

[3]Okushima L，Sase S，Ohtani T，et al.Plant measurements by acousticemission sensor[J] . Acta Horticulturae，1998，421：241-248.

[4]Jia X L，Ma R K，Zhang Q G，et al.Embolism occurrence in relation to water supply in xylem of winter wheat leaves[J] . Agricultural Sciences in China，2004，3（4）：269-276.

[5]霍曉靜，錢東平，呂長飛，等. 用聲發射技術實現作物生理需水信息監測[J]. 節水灌溉，2008（9）：10-12，17.

[6]游國棟，王秀清，楊世鳳，等. 基于作物水脅迫聲發射的精準灌溉模糊控制模型[J]. 天津科技大學學報，2011，26（4）：74-78.

[7]鄭先鋒，劉剛. 基于作物水脅迫聲發射技術與Zigbee無線傳感器網絡的精細灌溉系統的設計[J]. 電子器件，2014，37（6）：1189-1192.

[8]巴青城，時玲，李皓，等. 云南省溫室花卉精準灌溉系統的發展趨勢[J]. 安徽農業科學，2013，41（31）：12480-12482，12492.

[9]周泓，汪樂宇，陳詳獻. 虛擬儀器系統軟件結構的設計[J]. 計算機自動測量與控制，2000，8（1）：21-24.

[10]馬永輝，劉康，楊大志. 基于LabVIEW的聲發射信號采集分析與處理系統[J]. 煤礦機械，2011，32（2）：258-261.

[11]時玲，任玉燦，王步飛. 基于虛擬儀器的溫室環境因子監控系統的總體架構方案[J]. 云南農業大學學報，2008，23（5）：673-677.

[12]劉洋，王征，欒鑫. 基于虛擬儀器的聲發射信號處理平臺[J]. 儀器儀表用戶，2010（5）：64-66.

[13]郭振，賈鑫，付玉，等. 獨立分量分析在聲發射信號處理中的應用[J]. 裝備制造技術，2014（2）：108-109，119.

[14]申珂楠，趙海龍，丁馨增，等. 基于LabVIEW的木材聲發射信號采集與小波析取[J]. 中南林業科技大學學報，2015，35（4）：125-129.

[15]沈功田，耿榮生，劉時風，等. 聲發射信號的參數分析方法[J]. 無損檢測，2002，24（2）：72-77.

[16]公岷，柴松. 聲發射信號處理關鍵技術研究[J]. 無線互聯科技，2015（11）：147-148.

[17]趙鵬喜. 基于概率神經網絡在聲發射信號處理中的應用[J]. 三門峽職業技術學院學報，2009，8（2）：90-92.

[18]孫圣和. 現代傳感器發展方向[J]. 電子測量與儀器學報，2009，23（1）：1-10.

[19]王敏. 溫室大棚溫濕度、二氧化碳測控系統研究[D]. 西安：西安理工大學，2007.

[20]任玉燦，時玲. 通訊及網絡技術在溫室環境控制中的應用[J]. 農機化研究，2006（11）：179-180.

[21]孫玉梅，王強，王龍，等. 水脅迫聲發射自動監測系統在苗木培育中的應用[J]. 農機化研究，2008（3）：178-190.

[22]王巖，路桂娟，王瑤，等. 聲發射技術在土木工程中的應用研究綜述[J]. 水利水電科技進展，2012，32（4）：89-94.