[發(fā)明專利]基于作物水脅迫聲發(fā)射特性檢測的視情灌溉系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200610129354.1
• 申請日: 2006-11-11
• 公開（公告）號: CN101176419A
• 公開（公告）日: 2008-05-14
• 發(fā)明（設計）人: 楊世鳳;郭亞萌;趙繼民;南忠良;陳寧;李建良
• 申請（專利權(quán)）人: 天津科技大學
• 主分類號: A01G25/16
• 分類號: A01G25/16;G05B19/02
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王來佳

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領域，尤其是一種基于作物水脅迫聲發(fā)射特性檢測的視情灌溉系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，農(nóng)業(yè)工廠化技術(shù)發(fā)展很快，據(jù)90年代不完全統(tǒng)計，全世界溫室面積60萬公頃。我國的設施農(nóng)業(yè)發(fā)展很快。1996-99年設施蔬菜、花卉栽培面積增加了近1倍。精準農(nóng)業(yè)也呈現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景。與此相適應，各種灌溉技術(shù)也得到了快速發(fā)展。視情精準灌溉已成為節(jié)水的重要措施和提高節(jié)水效率的重要途徑之一。

對作物水分狀況進行準確、快速、可靠的評價是有效進行視情精準灌溉的理論基礎。作物吸水和散失水分的過程是作物本身不同的器官和它所在環(huán)境的相互作用、反饋影響的結(jié)果，受土壤——植物——大氣連續(xù)體(簡稱SPAC)各個環(huán)節(jié)的綜合作用。以往的水分評價指標大體可分為三種類型。一類是以土壤為對象，這是傳統(tǒng)上常采用的，屬于間接指標；第二類以環(huán)境為對象，通過環(huán)境條件的變化估計作物需水量，也屬間接指標。第三類直接以作物為對象，這類指標受到越來越多的關注。因為，人們逐漸認識到，歸根到底，作物本身應該是需否灌溉的最佳指示物，因為只有它們能把控制作物水分平衡的土壤因子和大氣因子整合起來。以土壤為對象時多采用土壤水勢或土壤相對含水量，其優(yōu)點是比較穩(wěn)定，受環(huán)境影響小。但其畢竟是反映作物生長環(huán)境的間接指標，且反映比較遲鈍、滯后，精度低。因為：(1).作物、品種及生長狀況對土壤水分的反應有很大差異。(2).以土壤水分測定深度和作物根系深度存在不確定性。(3).根系分布和土壤水分是不均勻的，使取樣的難度增大。(4).少量的降水或灌溉產(chǎn)生的局部灌水對整個根區(qū)水分虧缺的判斷帶來困難。

然而，近幾年植物水分生理研究的最新進展讓我們開始從一個前所未有的視點重新審視植物本身，我們忽然發(fā)現(xiàn)，植物其實一直以自己的“語言”在時刻向我們傳達著缺水的信號，即所謂的“會說話的植物(The?speakingplant)”，只是這種聲音以前被我們忽略了。植物的“語言”是指發(fā)生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂時發(fā)出的爆裂聲，或成為“尖叫聲”(screaming)，即植物的“聲發(fā)射”現(xiàn)象。

聲發(fā)射(AE)是指物體在形變或受外界作用時，因迅速釋放(彈性)能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應力波的一種物理現(xiàn)象。依據(jù)內(nèi)聚力理論，植物內(nèi)的水是在張力(負壓)下輸導的。土壤干燥時，張力增加到超過某些極限時，水分子間的內(nèi)聚力或?qū)Ч鼙诘母街κ?，水柱的連續(xù)體被破壞，發(fā)生斷裂或抽空，這就是植物木質(zhì)部的空穴現(xiàn)象。出現(xiàn)空穴的同時，張力會突然釋放而產(chǎn)生沖擊波，并伴有聲發(fā)射信號的產(chǎn)生。聲發(fā)射是表征植物水脅迫的指標之一。導管中出現(xiàn)“空穴”后，開始只是充有稀薄的水蒸氣，近似于真空狀態(tài)，但很快，空氣就會從周圍滲入，直至空穴中的壓力接近大氣壓，導管中形成了“氣栓塞”，水流通路被阻斷，水流被迫側(cè)向繞行，輸水的截面積減小，輸水阻力顯著增加。

Milburn和Johnson(1966)首次利用一個改進的聽筒聽取了水柱斷裂時產(chǎn)生的“卡塔”聲，察覺到蓖麻的葉柄在加大水分脅迫下逐次產(chǎn)生空穴。1983年，Tyree和Dixon對北美雪松(Thuja?occidentalis?L.)進行研究時，把聲發(fā)射的測試頻率范圍移到超聲頻段，這就避免了通常存在的低頻噪聲干擾，使聲發(fā)射法更簡便可行。此項技術(shù)應用后，研究進展較快，大量的文獻對這一極具吸引力的植物生理響應進行了進一步研究。

已有的研究結(jié)果表明，聲發(fā)射指標極有可能作為一個特殊的植物響應來用于自動灌溉系統(tǒng)的開發(fā)。但是，盡管聲發(fā)射的產(chǎn)生是植物對水分狀況較敏感的響應，但在廣泛地應用其進行灌溉計劃之前，還應進一步研究植物在水脅迫下聲發(fā)射的機理，及發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。如聲發(fā)射信號與植物水分狀況、其它水分生理參數(shù)、土壤及大氣水分脅迫、氣象因素、作物生長發(fā)育階段、作物種類及品種等因子的關系研究必須從定性上升到定量，細化的多因子數(shù)量模型必須建立，對聲發(fā)射信號的分析與處理方法還有待改進等等.

以此為基本思想，通過聲發(fā)射傳感器采集作物在水脅迫下發(fā)出的超聲信號，來探索作物水脅迫聲學特性的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，并以此作為視情精準灌溉的主要技術(shù)指標，適當結(jié)合考慮其它生理指標，如冠層蒸騰量等，進一步研究作物在水脅迫下聲發(fā)射的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。在以往研究基礎上，進一步對聲發(fā)射信號與植物水分狀況、其它水分生理參數(shù)、土壤及大氣水分脅迫、氣象因素、作物生長發(fā)育階段、作物種類及品種等因子的關系進行定量研究，建立細化的多因子數(shù)量模型，發(fā)展作物水分關系理論，建立人與植物的對話，為視情精準灌溉提供理論依據(jù)，進行微機自動化視情精準灌溉系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)，提高作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)水平。

發(fā)明內(nèi)容