负水头灌溉下番茄不同生育期声发射特征研究

张 佳 郭文忠 秦渊渊 薛绪掌 李海平 李灵芝 余礼根*

（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）

水分运输的内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（acoustic emissions，AE）（Galeski et al.，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（Roo et al.，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息（蔡甲冰 等，2015）、蒸腾作用（奚如春 等，2011）、冻融过程（Kasuga et al.，2015）、病虫害（Gagliano，2013b；Yang et al.，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，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3～7月在北京市农林科学院试验温室内（N39°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，盆的上口直径为34.2 cm、底直径18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆装供试土壤11.0 kg（有机肥与原状土按质量比为1∶33混合），施复合肥（N-P-K为15-15-15）983 g，采用负水头灌溉，设置负压值为6 000 Pa，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1.5 g·m-3，最大田间持水量为25%（即体积含水率为37.5%），EC值0.5 mS·cm-1，有机质含量24.5%，有效磷91.7 mg·kg-1，速效钾 310.6 mg·kg-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15 d，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2～14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）。

图1 负水头灌溉盆栽试验装置

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。

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1 d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15 cm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15 cm处的土壤含水率，每5 min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 Ⅱ监测系统（Physical Acoustic Corporation，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、40 M·s-1采样率、1～3 000 kHz频率范围）、声发射传感器选用Nano30（响应频率为125～750 kHz、灵敏度为 62〔-72〕dB ref.1V/（m/s）〔10V/μMPa〕）、放大器选用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可选），实行24 h连续采集，每隔1 d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 Ⅱ声发射监测系统配套的声发射信号分析软件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，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＞40 dB）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Excel 2017软件计算番茄不同生育期耗水量、声发射波形参数和频谱参数的描述性统计特征值；采用SPSS 19.0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）。

2 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（24.6±1.5）℃和26.0℃；盛果期的环境温度平均值与最大值分别为（28.2±1.7）℃和31.4 ℃；开花期和初果期的环境温度分别为20.9～25.6 ℃和19.4～27.3 ℃。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18.89 kg·盆-1；盛果期耗水量为12.97 kg·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、4.48 kg·盆-1（图3）。

从图4可看出，番茄幼苗期至开花期土壤含水率明显下降，初果期和盛果期土壤含水率趋于稳定。

图2 番茄不同生育期环境温度变化

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

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、66.6 dB、11.9、47.2 μs、311.3 μs和 11.0 kHz；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 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相关（P＜0.05），相关系数为0.667。

表1 番茄不同生育期的声发射信号波形参数

2.4 番茄不同生育期声发射信号频谱特征参数变化

频谱分析是将声发射信号从时域转换到频域，在频域中研究声发射信号特征的方法（黄晓红 等，2013）。对于分布在0～500 kHz的声发射频谱信号，将其划分为4个区间，分别为0～125、125～250、250～375、375～500 kHz。

从表2可以看出，番茄不同生育期共振峰及功率谱特征参数存在明显差异。开花期至盛果期共振峰频率呈逐渐增大的趋势；开花期的第1、2、3共振峰频率均在第1区间，初果期第1共振峰频率在第1区间，第2、3共振峰频率在第2区间，盛果期的共振峰频率均在第2区间。开花期至盛果期第1共振峰幅值分别为6.3×10-5、9.6×10-6、4.6×10-7V；第2共振峰幅值分别为1.0×10-4、2.1×10-5、5.3×10-7V；第3共振峰幅值分别为6.0×10-5、4.7×10-6、6.0×10-7V，开花期至盛果期的声发射信号共振峰幅值逐渐减小。

从表2还可以看出，番茄开花期至盛果期的主频逐渐增加，中心频率与加权功率谱频率在数值上无显著差异，二者均逐渐增加，分别达到140.8、234.6、272.0 kHz；开花期至盛果期主频能量、有限频带能量面积、功率谱面积和功率谱方差表现为先减后增的趋势。

表2 番茄不同生育期的声发射信号频谱特征参数

3 结论与讨论

负水头灌溉属于一种亚表层灌溉技术，是基于盘式负压入渗原理，将供水压力设定为负压，利用土壤水分基质吸力向土壤供水，可以实现土壤含水率的精确控制（姜红娜 等，2015）。本试验结果表明：随着番茄植株的生长，不同生育期的耗水量呈现先增大后减小的趋势，初果期耗水量最大。随着番茄植株的生长，试验环境温度逐渐增加，由于幼苗期及开花期环境温度较低，植株蒸腾量小，导致植株耗水量少，而初果期至盛果期环境温度逐渐上升，植株蒸腾量、果实生长需水量增加，植株耗水也随之增加（吕薇薇 等，2011），初果期和盛果期的总耗水量明显高于幼苗期和开花期。通过对温室环境温度和土壤含水率与声发射波形参数幅值的相关性分析结果可知，试验期间温室环境温度与幅值、开花期土壤含水率与幅值均呈显著正相关。

AE信号的本质是在外力作用下，材料或结构内部发生形变或断裂时突然释放能量而产生的一种弹性应力波，因此AE信号具有时域和频域的基本特性（Gagliano，2013a；Roo et al.，2016）。对于番茄不同生育期，AE信号日变化规律较为稳定，高峰期发生时间为10：00～16：00，幅值大小位于40～80 dB（余礼根 等，2017）。

通过对番茄不同生育期声发射信号波形参数及频谱特征参数的分析和比较，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；共振峰频率呈逐渐增大的趋势，第1、2、3共振峰幅值呈逐渐减小趋势，开花期第1、2、3共振峰频率均在第1区间，初果期第1共振峰频率在第1区间，第2、3共振峰频率均在第2区间，盛果期第1、2、3共振峰频率均在第2区间。叶绿素含量及净光合速率都直接反映番茄植株进行光合作用的能力，随着番茄植株的生长，叶绿素含量及净光合速率逐渐增加，至盛果期达到最大（聂书明 等，2013），与声发射信号波形参数变化趋势相反，与频谱特征参数变化趋势一致，其相关性有待进一步研究。

综上所述，本试验通过对声发射传感器获取到的信号进行分析，进一步确定了番茄不同生育期与声发射信号的特征变化和发展规律，明确了番茄声发射信号与环境温度、土壤含水率间具有相关性，对于建立番茄声发射信号特征数据与番茄生长过程的关系模型，以及声发射应用于番茄生长过程监测奠定理论基础。

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