自動傳感監測系統在經濟林木水分管理上的應用

吳梅 陳銘 渠心靜 李俊

摘要?自動傳感監測系統與常見的灌溉系統（噴灌系統、噴霧系統、地表滴灌系統及地下滴灌系統）結合不僅能節省能源和人力成本、節約水資源、控制非點源污染，而且具有精確控制澆灌、零滲漏、零污染等特點，廣泛應用于經濟林木水分的研究和應用中。概述了經濟林木干旱研究現狀及相關的抗旱品種篩選方法和干旱脅迫生理研究，并以Em-5型水分傳感器和Em-50/G型數據采集器為例詳細介紹了傳感器的組成。在此基礎上概述了自動傳感監測系統在林木水分研究與管理中的應用，從合理灌溉、精準林業和智慧林業3個方面探討了其在經濟林木應用中需注意的重點，并提出了其今后研究和應用的方向。

關鍵詞?自動傳感監測系統;林木;干旱;水分管理

中圖分類號?TP274?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）01-0102-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.026

Abstract?Automatically sensing monitoring system with common irrigation system （sprinkler systems， spray systems， surface drip irrigation and subsurface drip irrigation system） can not only save energy and labor costs， save water resources， control non-point source pollution， and it has accurate control to water， zero pollution， zero leakage etc， it has been widely used in the study of non-wood forest moisture. In this paper， the basic situation of non-wood forest drought research and related drought resistance screening and drought stress physiological research were summarized， and the composition of the sensor was described in detail with the Em-5 moisture sensor and Em-50/G data collector as examples. On this basis， the application of automatic sensing monitoring system in forest drought research was summarized， the key points of non-wood forest drought research were explored from three aspects of reasonable irrigation， precise forestry and intelligent forestry， the direction of future research and application was proposed.

Key words?Automatic sensing system;Forest;Drought;Water management

水是植物賴以生存的物質基礎，充足的水分供應是植物正常生長發育的基本條件。隨著全球人口數量的增加和自然生態環境的日益惡化，全世界糧食產量的提高很大程度上受環境脅迫的限制，其中干旱是限制農業生產的主要環境因素之一[1-2]。全世界由于水分虧缺導致的減產超過其他因素造成的減產總和。干旱嚴重影響著作物的生長發育、產量及品質，每年因干旱導致作物減產達50%以上。全球約1/3土地面積屬于干旱或半干旱區域，而中國干旱、半干旱地區約占國土面積的50%[3]。干旱使土壤墑情極差，導致多數苗木脫水現象嚴重，影響種苗培育和林木生產。春季的持續干旱易造成幼苗的生理干旱，從而導致種苗成活率下降[4]。經濟林木的立地條件差，受干旱的影響程度較其他林分更大。干旱易造成結果期的經濟林葉片枯萎脫落，新梢停止生長，果實大量脫落。調查發現，無灌溉條件下的經濟林葉片由綠變黃，失去光合效能;外圍新梢趨于停長，開始大量落果，未脫落的果實大多形成失水果，失去了商品價值。同時，受干旱脅迫的經濟林果實易并發日灼病，果面組織呈腐爛或干枯狀[5]。

水資源的時空分布不均，城鎮化進程、人口增長過快等原因導致區域性水資源短缺，加上灌溉所需勞力成本的增長，促使園林、農業等領域在果樹栽培、花卉種養、種苗培育等方面選擇更有效的灌溉系統[6]。自動無線傳感器技術是一種新興的用于實時監測土壤水分含量變化的現場測量技術手段，在大范圍區域它具有高空間和時間分辨率[7]。自動灌溉系統的優勢主要體現在人力成本和水資源的節省，能有效控制非點源污染，減少根際病原微生物危害，提高苗木品質，被廣泛應用于苗木生產中[8]。在林木栽培和研究中，常采用自動傳感監測系統與常見的噴灌系統、噴霧系統、滴灌系統相結合，軟件系統與硬件系統相結合的方式，實現操作自動化。將傳感器與自動澆灌系統相結合，通過實時監測土壤基質或植物的水分虧缺狀況來進行灌溉，從而實現節水目的，近年來該項應用研究日益增多。有研究報道了一種基于基質水分含量的電容傳感器自動澆灌系統，其特點是根據環境參數和植物體積的變化自動調節灌溉，能有效地將基質體積含水量穩定在一定的范圍之內[9]。該研究基于經濟林木干旱研究現狀，簡要概述了自動傳感監測系統的組成和優勢，并提出了今后應用的方向和要點。

1?經濟林木干旱研究現狀

1.1?經濟林木對干旱脅迫的生理響應

植物抗旱性是一個復雜性狀，包括植物的形態解剖構造、水分生理形態特征及生理生化反應到組織細胞、光合器官及原生質結構特點的綜合反應。植物生長過程對干旱最為敏感，輕微的干旱脅迫就能使生長緩慢或停止。干旱條件下，植物的莖生長會受到明顯抑制，外形較正常植株明顯矮小，根冠比增大[10]。在生理生化上表現為氣孔關閉，光合速率迅速下降，脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質積累等，使植物在干旱條件下重新建立體內代謝平衡，從而免受干旱所引起的損傷[11]。對高經濟價值的糧油作物如水稻、玉米、大小麥等干旱脅迫研究已經進入了分子和細胞水平[12]。但是，對于大部分林木植物來說，抗旱機理研究在植物形態、生理生化機制方面居多[13]，對于有些樹種如楊樹、松樹、杉樹等也有做到分子和細胞水平的[14]。

在干旱脅迫下，經濟林木莖葉形態結構會發生改變。初期，植物會對干旱脅迫產生應激反應，表現為各種生理活動減緩或停止，隨著干旱脅迫的加劇，葉片發生萎蔫，影響光合效能，抑制植物生長。對經濟林木葉片的組織結構研究發現，葉片氣孔密度、角質層和柵欄組織厚度與植株的抗旱性呈正相關[15]。側根對植物抗旱有重要作用[16];干旱脅迫能降低次生根的發生數量，增加初生根上分枝根的形成;根系生物量呈下降趨勢，根系活力強的林木抗旱性較強[17]。

當植物受到干旱脅迫時，細胞壁和細胞質膜相接觸可引起胞內游離鈣離子濃度增加，也能造成植物活性氧迸發，導致細胞內信號物質變化，誘導基因表達，干旱脅迫會使植物體內DNA發生損傷、斷裂甚至基因突變，對植物造成嚴重的傷害[18]。同樣，干旱脅迫會引起植物細胞通透性發生變化，限制水分以及營養物質從細胞內向外擴散，在一定程度上增加植物抗菌和應對干旱脅迫的能力。在植物對干旱應答通路研究中發現，S-腺苷蛋氨酸合成酶起到重要作用，S-腺苷蛋氨酸合成酶基因為木質素合成提供甲基供體，是細胞壁木質化過程中的關鍵基因。S-腺苷蛋氨酸的表達量會在水分脅迫下急劇增加，在持續干旱脅迫下植物細胞的伸長生長會停止，隨后植物木質化程度加劇，減少水分和營養物質向外擴散以增強植物細胞的抗旱能力[19]。

1.2?植物對干旱脅迫響應的快速篩選技術

植物抗旱性最終應該體現在產量指標或與產量相關的指標上，比如生長量或生物量（株高、徑長、鮮重、干重、經濟產量）。除了產量或生物量指標外，在干旱研究中常規的評價指標有形態指標（根系的長度與分布、根冠比、植株冠層結構特征等）、生理指標（水分生理、光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、葉片或冠層溫度、細胞質膜透性等）、生化指標（滲透調節物質、脫落酸、酶活力等）。這些指標大多需要破壞性測量。

為了加速抗旱性篩選和遺傳育種進程，國內外學者都在找尋簡單、可靠、快捷的篩選方法和非破壞性測定指標。近年，隨著儀器設備技術的發展，一些非破壞性測量儀器為研究者們提供了方便。由于各種原因，測量結果的可靠性并不樂觀。Berger等[20]提出應用熱紅外圖像技術（thermal infrared imaging technique或者稱infrared thermography）對大田作物如小麥、大麥、玉米等品種的抗旱性進行高效篩選（high throughput screening）的可能性。這種技術的測定原理是基于葉片在干旱脅迫下氣孔逐漸關閉，導致葉片溫度升高，從而通過連續測量葉片或冠層的溫度變化來判斷各個品種的耐旱性。也就是說，在相同干旱脅迫下，抗旱性高的品種有較低的葉片溫度或冠層溫度。但是，這種圖像技術目前還沒有得到應用，一方面是設備昂貴，另一方面這種測定技術容易受其他逆境和環境條件的影響，從而產生測定誤差。有學者建議了相似的快速篩選法，利用便攜式氣孔導度計頻繁地測定葉片的氣孔導度，從而篩選出抗旱品種。同樣，這種技術的先決條件是要在相同的干旱脅迫程度下進行，并且不受其他環境因子如高溫等影響。也就是說，在測定氣孔導度的同時，也要測定土壤含水量。在相對密閉的溫室或人工氣候室內使用時還要特別注意工作人員的呼吸導致二氧化碳濃度升高，從而導致氣孔關閉，造成測定誤差[21]。

還有一種快捷、非破壞性的測定方法。只有在重度干旱脅迫下，葉綠素熒光的各個參數（初始熒光、最大熒光、PSⅡ最大量子效率等）才會有變化[22]。所以，葉綠素熒光作為干旱脅迫的篩選指標不夠敏感，不能單獨作為篩選指標，但可作參考。

基于氣孔導度對其他環境因子的敏感性，單獨使用這個指標不可靠，尤其是在田間情況下，要特別注意其他環境因子存在脅迫的可能性。另一種較為便捷的方法是測定葉片溫度，最好是連續測定。不管用哪種方法，都必須在同步測定干旱脅迫程度的前提下進行，并明確植株不受其他環境因子的限制。

2?自動傳感監測系統的組成

自動傳感系統主要由無線傳感器、數據采集器、電磁閥、終端控制裝置等組成（圖1）。干旱研究用的傳感器有土壤水分傳感器和環境因子的傳感器，如溫濕度、光量子或日射傳感器。植物對干旱脅迫的響應與周圍環境有直接關系，所以在監測水分含量的同時，也要同時監測并記錄環境因子。時域反射法（TDR）是20世紀80年代發展起來的一種土壤水分測定方法，是一個類似于雷達的系統，按均勻時間間隔取樣，通過脈沖從波段管的始端傳到末端的時間差來識別土壤水分的表征，從而實現對土壤水分變化情況監測[23]。此方法有較強的獨立性，其結果與土壤類型、密度、溫度基本無關，測定精度比較高，但是TDR傳感器及其配套設備比較昂貴。自80年代后期以來，許多公司如AquaSPYSentek、Delta-T、Decagon（現改名成METER）開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤水分含量，數據采集也比較簡單。

EC-5型是由EC-10和EC-20型水分傳感器改進而來的新型傳感器，通過發射頻率為70 MHs的方形波來測量探針周圍土壤的介電常數，并通過數據采集器的計算程序將所測得的介電常數轉換為土壤體積含水率。EC-5型傳感器的優點是數據記錄時間間隔最小可達1 s，能持續監測土壤水分變化，且能有效降低鹽分、溫度、電介質等因素的干擾，及時反映土壤水分狀況。Em50/G是METER公司推出的5通道數據采集器（含干電池供電和太陽能板+充電電池供電2種類型），是ECH2O土壤含水量監測系統的核心部件，可連接任意型號的ECH2O系統傳感器。Em50/G安裝在用O型圈密封防雨的防護箱內，且電池型Em50的耗電量非常小，電池可連續使用1年，能每分鐘讀取1個數據，滿足野外長期監測的需要。利用ECH2O Utility軟件可以設置日期、時間、測量間隔和數據收集等。

3?自動傳感監測系統在林木干旱研究中的應用

干旱是林木在生長過程中常遇到的逆境。干旱脅迫可導致苗高、地徑生長量下降50%以上。為適應干旱，林木在逆境中表現出耐受性，在葉片形態及結構、內含物質、滲透調節及酶調節等方面會產生一系列生理變化，減輕甚至避免細胞受到傷害[24]。研究表明，干旱脅迫會導致刺槐葉片水分狀況趨于惡化，生長趨于衰弱，單株總葉面積下降，各器官干物質積累減少。山杏在干旱脅迫條件下表現出葉片保水力和細胞膜穩定性相對較弱、抗氧化酶活性和滲透調節能力相對較低的特點[24]。干旱脅迫下，油松、側柏及檸條苗木均可通過調節根系內可溶性蛋白質、可溶性糖、淀粉和游離氨基酸的含量以提高自身對干旱的抵抗力[24]。林木對逆境的耐受性隨著植株生長而變化，一般幼苗對逆境如干旱脅迫等最敏感[25]。隨著植株生長，抗旱性也逐漸提高。但是，同樣的干旱脅迫程度在生殖生長期遭受時通常會導致更大的減產，譬如杏仁。在林木生長過程中利用自動傳感監測系統對林木周圍土壤含水量進行精確監控，有利于林木正常生長，不會使其受到干旱脅迫。Nemali等[9]利用土壤（基質）水分傳感器、數據采集器和繼電控制器有效地把基質體積含水量控制在設定的范圍之內。國外學者利用傳感器系統和自動澆灌控制系統研究了幾種花卉植物和幾個棉花品種的抗旱特性[26]。至今已有很多學者采用這種自動灌溉控制系統，研究多種花卉植物如矮牽牛、美國礬根、長春花在形態發育、生理生化等方面的耐旱特性[27]，這種控制系統與實際情況不同之處在于植株生長在恒定的土壤水分含量下。

4?自動傳感監測系統在經濟林木水分研究和應用中的重點和方向

4.1?合理灌溉

水分是經濟林正常生長的重要因素。根據經濟林生長發育的需水要求和水肥條件，有必要及時進行合理的灌溉。采用土壤水分傳感器和智能化灌溉系統相結合的方式，通過分析插入土壤中的水分傳感器傳輸回的實時數據，結合果樹不同生育期需水規律，精確計算出林木的水分脅迫指數，可用于指導灌溉，避免林木發生干旱脅迫或過度灌溉。如果利用基于土壤水分含量的傳感器控制灌溉系統來澆灌苗圃和溫室中培育的植物，通過控制栽培基質的含水量，使植物生長在最適的水分條件下，將極大節省灌溉用水量，同時也能減少殺蟲劑和肥水的滲漏[28]。

4.2?精確林業

在傳統的低效型、高能耗林業逐漸被高效、低能耗、集約、持續發展的現代林業生產方式所代替，以數據和知識高度密集為主要特征的精確林業中，自動傳感監測系統在其中的應用非常廣泛[29]。Dooley等[30]以精確林業為主旨進行定點作業決策，對不同傳感技術采集的數據進行比較分析，分析了林業生產中相對濕度、溫度、坡度和坡向、相對景觀特征的位置、可視信息、聲音、振動等實時數據采集的傳感器，以期探索出最先進的傳感器。近代植物水分生理研究也為精準灌溉系統提供了科學且準確的依據，即可以通過根、莖、葉等各個器官在體積上的微小變化反映出植物水分狀態的變化，這種變化能通過微米量級測量顯示出來，從而有助于實現真正意義上的智能節水灌溉。通過傳感器技術和灌溉技術相結合的方法，更加直接、快速、精確地測出植株的需水情況，并進行及時澆灌，既解決了灌溉用水的不必要浪費問題，也解決了經濟林木因缺水而受到干旱脅迫的問題。

4.3?智慧林業

在人工智能、移動互聯網等新技術的推動下，我國林業發展已由傳統林業向“智慧林業”邁進。國家林業和草原局在《中國智慧林業發展指導意見》中指出，林業中信息化的應用已經從零散的點的應用發展到融合的、全面的創新應用，隨著現代信息技術的不斷更新，將逐步實現和完善林業資源的實時、動態監測和管理。智慧林業的發展與傳感器的廣泛應用息息相關。首先，傳感器等技術使智慧化林業系統實現林業信息資源的數字化;其次，通過傳感設備和智能終端，實現林業信息傳輸的感知化，空中、地下、地上全覆蓋，實現對森林、濕地、沙地、生物多樣性的現狀、動態變化進行有效監管。運用傳感器技術，動態監測經濟林地土壤水分含量、樹體含水量和空氣相對濕度等，結合智能化澆灌系統，對經濟林進行合理灌溉和栽培，全面提升經濟林果實產量和質量，推動經濟林地可持續發展。

干旱將是一個長期存在的世界性難題。受水資源缺乏和水利設施不夠完善的限制與影響，大部分位于丘陵和山地上的經濟林灌溉問題得不到有效解決。在一些低山丘陵地區存在降水量小、水資源不足和經濟林蓄水保墑能力差等問題，導致經濟林果實產量低、品質差。因此，解決經濟林水資源和合理灌溉的問題尤為重要?；谧詣觽鞲斜O測系統，結合灌溉系統，推進對經濟林干旱機理研究的進程，合理、精確地控制并測定植株干旱脅迫的程度，以及植株對干旱脅迫響應的量化和評價具有重要的意義。自動傳感監測系統在實際應用中還存在諸多問題，如傳感探頭易受到土壤鹽分積累、溫度等多種因素的干擾，測量響應速度慢和測量精度不夠高[31-32];監測終端與各土壤水分傳感器之間全部用有線連接，必然在測量區域地下大量埋設傳感器引線，易受耕作等人為破壞，修復維護困難等。隨著自動傳感監測系統的逐步完善和發展，將進一步深入對經濟林土壤含水量問題、精準灌溉問題和經濟林水分的研究。

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