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1、负水头灌溉下番茄不同生育期声发射特征 研究张 佳1，2 郭文忠1 秦渊渊1，2 薛绪掌1 李海平2 李灵芝2 余礼根1*（1北京农业智能装备技术研究中心，国家农业智能装备工程技术研究中心，农业智能装备技术北京市重点实验室，北京100097；2山西农业大学园艺学院，山西太谷030801）摘 要：为探明番茄不同生育期的声发射信号特征规律，通过负水头灌溉下番茄盆栽试验，测定 6000Pa 吸力值下番茄植株耗水量、土壤含水率及声发射特征参数等指标，研究负水头灌溉下番茄不同生育期植株耗水量、土壤含水率、声发射波形信息及频谱特征参数变化。结果表明，番茄初果期和盛果期植株耗水量显著高于幼苗期和开花期，土壤含
2、水率的变化为逐步下降后趋于稳定；对声发射信号的连续监测结果表明，番茄开花期至盛果期声发射信号波形参数呈逐渐下降的趋势，共振峰频率呈逐渐上升的趋势。Pearson 相关性分析结果表明，温室环境温度和开花期土壤含水率均与声发射波形参数幅值呈显著正相关。综上，通过对番茄不同生育期的声发射信号特点、波形参数和频谱特征的比较分析，可将番茄超声发射信号数量、频率和能量与番茄生长阶段建立联系。关键词：番茄；生育期；耗水量；声发射信号；频谱分析（Gagliano，2013b； Yangetal.，2014）的测量分析。王秀清等（2011a）研究发现染病初期番茄声发射信号的频次增加，随着病害程度加重而逐渐降低，
3、并出现低频多峰现象。因此，番茄受水分胁迫、病虫害胁迫与声发射信号间有着一定的相关性。番茄不同生育期有着不同的生长特征（武利明等，2014） ，学者们分别从番茄光合特性（朱延姝等，2010） 、 水肥信息（孙红梅等， 2001） 、 耐盐能力（刘胜尧等，2013）等方面进行试验研究，对于如何表征番茄不同生育期与声发射信号变化规律上的报道较少。本试验通过对番茄声发射信号的监测与分析，进而获取不同生育期番茄声信息特征变化及其与番茄生长过程、生长环境的相关性，以此为声发射技术应用于监测番茄生长状态提供依据。1 材料与方法1.1 试验材料试验于 2017 年 37 月在北京市农林科学院试验温室内（N39
4、 56 32 ，E116 16 53 ）进行。供试作物为番茄品种佳丽 14，在育苗室内培养至五叶一心时移栽于温室塑料花盆中，盆的上口张佳，女，硕士研究生，专业方向：蔬菜栽培与生理，E-mail：* 通讯作者（Correspondingauthor） ：余礼根，男，博士，助理研究员，专业方向：动植物声信息感知技术研究，E-mail：收稿日期：2017-08-19；接受日期：2017-11-30基金项目： “十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD05B02） ，科技部星火计划重点项目（2015GA600005） ，北京市农林科学院设施园艺科技创新团队项目（JNKST201615）水分运输的内
5、聚力理论阐述了水在土壤 - 植物 - 大气连续体系统中的运输是处于一定的负压力或张力下进行。土壤干燥时，张力就相应地增加，当超过一个极限值时，由于水分子间的内聚力失效或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体不能保持，从而发生断裂或抽空，这称之为植物木质部空穴现象。此时，张力会突然释放而产生冲击波，同时出现声发射信号（acousticemissions， AE） （Galeskietal.，1987；Carel，2012；Gagliano，2013a） 。声发射信号可应用于植物水分胁迫状态的监测（Rooetal.，2016；余礼根等，2017） ，也可将其作为一种无损监测方法用于植物生长过程中水势信
6、息（蔡甲冰等，2015） 、蒸腾作用（奚如春等，2011） 、冻融过程（Kasugaetal.，2015） 、病虫害5050研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES2018（3） ：50-55直径为 34.2cm、底直径 18.5cm、盆高 22.3cm，每盆装供试土壤 11.0kg（有机肥与原状土按质量比为 133 混 合 ） ， 施 复 合 肥（N-P-K 为 15-15-15）983g，采用负水头灌溉，设置负压值为 6000Pa，对应的土壤体积含水量为 19.7%，供试土壤基本理化性质为：容重 1.5gm-3，最大田间持水 量 为 25%（ 即 体 积 含 水 率 为 3
7、7.5%） ，EC 值0.5mScm-1， 有 机 质 含 量 24.5%， 有 效 磷 91.7mgkg-1，速效钾 310.6mgkg-1。负水头灌溉盆栽试验装置如图 1 所示。负水头灌溉试验装置主要由花盆、陶瓷盘、首部及负压控制系统组成，其中负压控制系统包括控压管、导气管；陶瓷盘是一种内带空腔、透水不透气的供水盘，陶瓷盘与首部通过塑料软管连接，当装置运行时，首部内灌溉水进入陶瓷盘，陶瓷盘空腔内气体全部排到首部，陶瓷盘内灌溉水由于土壤基质势的作用缓慢进入土壤，致使陶瓷盘内压强逐渐减小，低于控压管内的气压，首部内灌溉水再次进入陶瓷盘，如此不断循环，使得灌溉水在负压控制下连续不断进入土壤以供番
8、茄植株吸收利用。番茄于 3 月 15 日定植， 选择长势一致的幼苗，每盆定植 1 株，共定植 20 株，设 4 次重复。浇透水后缓苗 15d，至 4 月 2 日起进行供水控水处理，将番茄生育期划分为幼苗期（3 月 15 日至 4 月 1日） 、开花期（4 月 214 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） 。1.2 测定项目1.2.1 耗水量 在番茄幼苗期至盛果期内（3 月 15日至 6 月 20 日）使用非接触式管道液位红外传感器（WS03A，北京万顺华科技有限公司）读取负水头灌溉盆栽试验装置首部内的水位高度 h。V=A（h
9、2-h1）式中：V 为日耗水量（cm3） ，A 为负水头灌溉盆栽试验装置首部内径对应的横截面积，h2为测量当天的水位高度值（cm） ，h1为测量前 1d 水位高度值（cm） ；不同生育期耗水量分别为各生育期内每日耗水量之和。1.2.2 土壤含水率 试验期间，在植株根部右侧 15cm 处安装 ECH2O 土壤水分监测系统配套的 GS3 型土壤含水率测试仪精度：（1%2%） ，连续监测盆栽番茄距根茎部 15cm 处的土壤含水率，每5min 读取 1 个数据。1.2.3 声发射信号 声发射信号采集选用性能稳定可长时间连续运行的 MICRO监测系统（PhysicalAcousticCorporatio
10、n，USA） 、配备的声发射采集卡为 PCI-2（8 通道同步采集、18 位 A/D 分辨率、40Ms-1采样率、13000kHz 频率范围） 、声发射传感器选用 Nano30（响应频率为 125750kHz、 灵 敏 度 为 62-72dBref.1V/（m/s） 10V/MPa ） 、放大器选用 2/4/6 型（201200kHz，20/40/60dB 可选） ，实行 24h 连续采集，每隔 1d存储为 1 个数据文件。其中，声发射传感器固定在番茄植株基部第 5 叶位置的茎部，并在传感器与茎部之间涂抹凡士林。1.3 数据处理选用 MICRO 声发射监测系统配套的声发 射 信 号 分 析 软
11、 件 AEwin-2（PhysicalAcousticCorporation，USA）进行 AE 特征参数分析。统计分析开花期、初果期、盛果期的声发射信号（幅值40dB）的波形参数及频谱特征参数变化规律及其差异。波形特征参数包括幅值、计数、能量、上升时间、持续时间、峰值频率；频谱特征参数包括第1 共振峰频率、 第 1 共振峰幅值、 第 2 共振峰频率、第 2 共振峰幅值、第 3 共振峰频率、第 3 共振峰幅值、 主频、 主频能量、 中心频率、 加权功率谱频率、有限频带能量面积、功率谱面积、功率谱方差（沈功田等，2002） 。采用 Excel2017 软件计算番茄不同生育期耗水量、声发射波形参数
12、和频谱参数的描述性统计特征值；采用 SPSS19.0 统计分析软件分别对试验期间环境温度和开花期土壤含水率与声发射波形参数幅值进行 Pearson 相关性分析（王秀清等，2011b） 。阀门 导气管控压管首部进水管番茄土壤陶瓷盘图 1 负水头灌溉盆栽试验装置5151研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES2 结果与分析2.1 番茄不同生育期的环境温度变化从图 2 可以看出，番茄植株幼苗期的环境温度平均值与最大值分别为（24.61.5）和 26.0 ；盛果期的环境温度平均值与最大值分别为（28.21.7）和 31.4 ；开花期和初果期的环境温度分别为 20.925.6和 19.4
13、27.3。番茄不同生育期环境温度相对较为稳定。2.2 番茄不同生育期土壤含水率及耗水量变化番茄不同生育期耗水量差异显著。随着番茄植株生长，各生育期耗水量表现为：初果期盛果期开花期幼苗期，初果期是营养生长与生殖生2.3 番茄不同生育期声发射信号波形参数变化从表 1 可以看出，番茄开花期至盛果期声发射信号波形参数呈逐渐下降趋势。番茄开花期声发射信号具有最大的波形特征参数， 计数、 幅值、 能量、上升时间、持续时间和峰值频率分别达到 42.4、66.6dB、11.9、47.2s、311.3s 和 11.0kHz；与开花期相比，初果期信号的计数、幅值、能量、上升时间、持续时间和峰值频率显著下降，分别减
14、 少 了 24.2%、4.4%、52.9%、66.1%、34.9% 和78.1%；番茄盛果期的声发射特征参数最小。声发射波形参数幅值表示声发射信号波形的最大振幅值，是声发射处理分析的关键因素；温室环境温度与幅值的 Pearson 相关性分析结果表明：试验期间温室环境温度与声发射波形参数幅值呈极显著正相关（P 0.01） ，相关系数为 0.670；开花期土壤含水率与幅值的Pearson相关性分析结果表明：开花期土壤含水率与声发射波形参数幅值呈显著正表 1 番茄不同生育期的声发射信号波形参数生育期计数幅值/dB能量上升时间/s持续时间/s峰值频率/kHz开花期42.45.2a66.66.3a11.
15、98.2a47.212.0a311.390.2a11.01.0a初果期32.18.2b63.75.3b5.63.0b16.08.4b202.855.0b3.40.8b盛果期11.88.4c59.05.5b2.82.4b9.16.6b75.527.1c2.41.5b注：表中同列数据后不同小写字母表示差异显著（P 0.05） 。图 3 番茄不同生育期植株耗水量?图 4 番茄不同生育期土壤含水率变化? ? ? ? ?ABCD? ? ? ? ?ABCD长同时进行的时期，不仅需要满足果实生长需水，还应满足叶片和花序发育对水分的需求，该时期耗水量最大，为 18.89kg盆-1；盛果期耗水量为12.97kg盆-1，为初果期耗水量的 68.7%；幼苗期和开花期耗水量分别为 2.04、 4.48kg 盆-1（图 3） 。从
