植物生理生态信息检测技术的研究现状与进展

0 引 言

【研究意义】水肥一体化技术较传统施肥平均每公顷每茬节水31.4%～40.0%,节肥32.8%～34.5%,增产14.6%～21.8%,土壤湿度降低17%左右,温度提高2℃左右,减少了病害和农药用量,提高了产品品质,平均1 hm2蔬菜增收3×104～4×104元左右[1]。2018年中国水肥一体化面积已达666.67×104hm2，新疆棉花膜下滴灌施肥技术应用面积近266.67×104hm2，随着技术的不段完善，目前水肥一体化设备设施已从每公顷 3.75×104元降低至 1.2×104元，高效水溶肥从每千克20多元降低到10多元。植物生理生态信息监测技术提升了灌溉系统的自动化水平，研究植物生理生态信息监测技术,对精准把握植物生长信息、进行精细化管理(灌溉、施肥、病虫害防治)有实际意义。【前人研究进展】Higgs等[2]提出使用植株茎秆日最大收缩量(maximum daily shrinkage，MDS)作为作物水分诊断指标指导作物灌溉，在植株茎秆日最大收缩量达到设定临界值时开始灌溉。Sato等[3]研究发现了甜瓜茎直径变化与叶片的相对含水量具有很高的相关性(r=0.897)。LEE等[45]利用茎直径变化确定灌溉时间，利用温室内的蒸发模型确定灌溉量，设计了温室作物自动控制灌溉系统，应用结果显示了较好的稳定性和可靠性。我国水肥一体化技术(滴灌施肥技术)1974年从墨西哥引进滴灌设备[6]。我国自主研制生产了第1代滴灌设备。高晓红等[7]研究了一种基于植物器官尺寸监测的新型智能节水灌溉系统，该系统基于植物果实大小和植物茎秆粗细信息，判断植物是否缺水需要灌溉从而提高控制精度，实现精准灌溉。【本研究切入点】该技术在国外应用在番茄、葡萄、苹果等多种瓜果蔬菜上效果良好。目前美国灌溉农业中25%的玉米、60%的马铃薯、33%的果树采用水肥一体化技术。以色列90%以上的农业实现水肥一体化。我国应用为5%左右。研究回顾和总结近20年来植物生理生态信息监测技术的研究现状与进展。【拟解决的关键问题】收集、对比和分析国内外研究文献，总结植物生理生态信息监测技术的研究现状及进展，为植物生理生态信息监测技术应用及智能化田间管理(灌溉，施肥，病虫害防治等)提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

收集国内外相关文献、官网信息及实地调研。

1.2 方 法

汇总并对比分析目前植物生理生态信息监测技术现状及进展。

2 结果与分析

2.1 植物生理生态信息监测技术研究现状

植物体内的水分和养分信息反映在植物外形的微变化上。如叶片厚度与光照强度明显成反比，与相对湿度成正比，在一定温度范围内与温度呈负相关等[8-10]。植物达到最佳生长状态需要稳定外界环境，以及根据植物自身的生长情况对生长环境进行精准微量调节，植物生理生态信息监测技术是关键。最早应用于生产的叶片厚度、果实大小和茎秆直径信息监测技术大多是基于LVDT(线性位移传感器)，其精度可达微米级。但需施加预紧力，对植物有损伤。视觉监测技术可实现植物生理特征的无损动态监测，但精度仍有不足。近年来研究主要集中在对植物预紧力的优化和提高视觉监测技术精度两方面[11]。表1

水肥一体化设备设施已从3.75×104元/hm2降低至1.2×104元/hm2，高效水溶肥从每千克20多元降低到10多元。表2～3

2.2 植物生理生态信息监测技术特点与研究进展

2.2.1 叶片信息检测技术

2.2.1.1 叶片厚度传感器主要有电阻应变位移传感器和电感位移传感器两种。两者都是通过将叶片厚度尺寸的变化转化为电压的变化来测量的，电感位移传感器比电阻应变位移传感器更准确可靠。李东生等[12]利用电阻应变式微位移传感器开发了一种柔性的植物叶片厚度传感器，精度可达微米。李东生等[13]研制了一种差动电感植物叶片厚度传感器，与电阻应变传感器相比精度大大提高，抗干扰能力强，但成本较高。郭冲冲等[14]设计了一种高精度、小型化的便携烟叶厚度电子测量仪，其线性度小于1.2%，仪器最大示值误差为4 μm，回程误差为2 μm。刘九庆等[15]设计了一种基于应用电感式位移传感器的接触式无损植物叶片监测仪，其精度高、鲁棒性好、可无损测量。

希伯来大学的耶霍苏阿和布拉伍多[16]利用叶片厚度传感器观测植物的叶片生长数据，根据植物需求改变对植物的水肥供应量。使用该设备后胡椒地的用水量减少了60%,产量提高了5%。西红柿地节水35%,产量提高了40%。Hans-Dieter Seelig等[17]采用高精密仪器对豇豆叶片厚度进行了测量，并将叶片厚度动态作为温室水平自动灌溉控制的输入参数。在非胁迫环境条件下，叶片厚度仅表现为较小的日变化，夜间几乎没有波动。在极端缺水胁迫条件下，叶片厚度在短时间内急剧下降45%。在更现实的情况下，叶片厚度在几天内保持相当稳定，但当水分不足的胁迫变得过于严重，植物无法再应付时，叶片厚度就会大幅下降。利用叶片厚度的这种特性，作为自动启动灌溉的输入参数。在自动灌溉下，植物很快就恢复了它们的名义叶片厚度，并将这个叶片厚度保持数天不变，直到随后的叶片厚度下降发出需要下一次灌溉的信号。通过测量叶片厚度进行灌溉控制，与典型的定时灌溉方案相比，可以节约25%～ 45%的灌溉用水。

文章来源：《植物生理学报》 网址: http://www.zwslxbzz.cn/qikandaodu/2020/1015/360.html