CN103592343B - 一种测定植物叶片紧张度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定植物叶片紧张度的方法，包括以下步骤：在待测时间内取带有叶片的待测植物枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发；清理叶片表面灰尘后，取植物叶片，将植物叶片夹在平行板电容器中，用电容传感器测量叶片的植物生理电容值，同时测量叶片的植物组织水势W；利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y；定义植物叶片紧张度Td=100/y，获得各待测时间的待测植物叶片紧张度。本发明可以在线实时检测植物叶片的水分状况，为精确灌溉提供科学数据。

Description

一种测定植物叶片紧张度的方法

技术领域

本发明属于农业工程和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种测定植物叶片紧张度的方法，。

背景技术

水是植物体的重要组成成分，一般植物含水量占鲜重的75%～90%，水生植物含水量可达95%；树干、休眠芽约占40%；风干种子约占10%。细胞中的水分可分为两类，一类是与细胞组分紧密结合而不能自由移动、不易蒸发散失的水，称为束缚水(boundwater)；另一类是与细胞组分之间吸附力较弱，可以自由移动的水，称为自由水(freewater)。自由水可以直接参与各种代谢活动，因此，当自由水与束缚水的比值升高时，细胞原生质成溶胶状态，植物代谢旺盛，生长较快，抗逆性弱；反之，细胞原生质成凝胶状态，代谢活动低，生长缓慢，但抗逆性强。

水是光合作用的原料。在呼吸作用及许多有机物质的合成和分解过程中都有水分子参与。没有水，这些重要的生化过程都不能进行。水分子具有极性，是自然界中能溶解物质最多的良好溶剂。植物体内的各种生理生化过程，如矿质元素的吸收、运输、气体交换，光合产物的合成、转化和运输以及信号物质的传导等都需要水作为介质。

植物细胞含有大量的水分，可产生静水压，以维持细胞的紧张度，使枝叶挺立，花朵开放，根系得以伸展，从而有利于植物捕获光能、交换气体、传粉受精以及对水肥的吸收。

植物一方面从环境中吸收水分，以保证生命活动的需要；另一方面又不断地向环境散失水分，以维持体内外的水分循环、气体交换及适宜的体温。植物对水分的吸收、运输、利用和散失的过程，被称为植物的水分代谢(water metabolism)。

植物细胞吸水与失水取决于细胞与外界环境之间的水势差。当细胞水势低于外界水势时，细胞就吸水，反之则失水，如两者相等，则细胞与外界水分交换达到动态平衡。植物细胞在吸水和失水的过程中，其水势、溶质势和压力势都会随之改变。植物细胞间的水分移动取决于细胞间的水势梯度，水分总是从高水势细胞流向低水势细胞。

当植物叶片细胞失水如蒸腾时，叶肉细胞的细胞壁、细胞都因失水而收缩，细胞体积变小。如果植物吸收，外液中的水分就会进入叶肉细胞，细胞因吸水而膨胀，细胞体积变大。细胞的水分状况与细胞的这种膨胀度或收缩度紧密相关。叶片细胞的这种膨胀度或收缩度可以用叶片紧张度来表示。

目前，还未见到测定植物叶片的紧张度的报道。本发明就是基于通过对植物叶片的植物组织水势和生理电容值来同时测定，开发出一种测定植物叶片紧张度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定植物叶片紧张度的方法，可以在线实时准确检测植物叶片的失水和吸水的水分状况，简便快捷，为精确灌溉提供科学数据。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种测定植物叶片紧张度的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在待测时间内取带有叶片的待测植物枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发；

步骤二，清理叶片表面灰尘后，取植物叶片，将植物叶片夹在平行板电容器中，用电容传感器测量叶片的植物生理电容值，同时测量所述叶片的植物组织水势W；

步骤三，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出所述叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述叶片有效面积A的比值y的公式如下

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]---\left(8\right)$

W为植物组织水势，单位MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度，K，T=273+t℃，t为环境温度；C为植物生理电容值，单位为F；真空介电常数ε₀=8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；a为细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；

步骤四，记录环境温度t，将测得的植物组织水势W、植物生理电容值C以及T、a、ε₀、M、i、R代入公式(8)中，计算出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y；,

第五，定义植物叶片紧张度Td=100/y，获得各待测时间的待测植物叶片紧张度。本发明的基本原理如下

植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系

W＝-iQRT   (1)

式中W为植物组织水势，MPa；i系解离系数为1；Q为细胞液溶质浓度，mol/L；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度(273+t℃)，K。

以叶片中细胞液溶质作为电介质，将叶片夹在平行板电容器的两平行电容器极板之间，构成平行板电容传感器。叶片中细胞液溶质浓度的变化势必改变叶片的水势，引起两电容器极板间叶片组织细胞液溶质介电常数的变化，从而影响植物生理电容值C。植物生理电容值C的表达式如(2)。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}---\left(2\right)$

式中C为植物生理电容，F；ε₀为真空介电常数，8.854×10^-12F/m；ε_r为细胞液溶质的相对介电常数，F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；

设想将叶片细胞液中分为水和溶质两大部分，溶质质量占叶片总质量的百分比为P，则水占叶片总质量的百分比为1－P。常温下水的相对介电常数为81F/m，设叶片中细胞液溶质的相对介电常数为a，F/m。

所以，叶片的细胞液溶质相对介电常数

ε_r＝(1-P)×81+P·a＝[81-(81-a·P)]   (3)

代入(2)式，得

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·[81-(81-a)\·P]\·A}{d}---\left(4\right)$

叶片细胞液溶质质量占叶片细胞液总质量的百分比P与浓度Q的关系为Q=1000P/M，式中M为细胞液溶质的相对分子质量。

由P与Q的关系

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\·[81-\frac{(81-a)\mathrm{MQ}}{1000}]}{d}---\left(5\right)$

由植物组织水势W与叶片细胞液溶质浓度的关系、植物生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，找出植物组织水势与植物生理电容的关系如下：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\·[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]}{d}---\left(6\right)$

变形后得，

$\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]}{C}---\left(7\right)$

令

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]---\left(8\right)$

对于某特定物质来说，细胞液溶质相对介电常数a与相对分子质量M都是既定值。我们定义植物叶片紧张度Td=100/y，用来反映叶片水分状况。

本发明具有有益效果。本发明通过对植物叶片紧张度的测定，可以在线实时判断植物体的蒸腾和吸水的相对大小，在线实时获取植物叶片的水分状况，为精确灌溉提供科学数据。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明的实施例步骤如下：

第一步，在待测时间内分别取带有叶片的待测构树、桑树、楝树的枝条，并用湿布包住各植株枝干基部，以减缓水分散发。

第二步，清理叶片表面灰尘后，取构树、桑树、楝树的叶片，将构树、桑树、楝树的叶片分别夹在平行板电容器中，接上电容传感器，用对应的软件计数。每个叶片分5-10个均匀部位，每个部位取10个点，即每组数据中包含50-100个数据，取平均后作为每个时刻的植物生理电容值C，同时测量同枝上相近叶位的叶片的植物组织水势，叶片的植物组织水势测定方法为：将叶片打孔后迅速放在C-52水势探头平衡6分钟后用水势仪进行叶片的植物组织水势的测量，每次测量3个数据，平均值作为该叶片此时刻的植物组织水势W测量值。

第三步，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y的公式，得出公式为在式中W为植物组织水势，MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度,K,T=273+t℃，其中t为环境温度;C为植物生理电容值，单位为F；ε₀为真空介电常数，8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；a为叶片细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m，M为细胞液溶质的相对分子质量。设叶片细胞液溶质为蔗糖C₁₂H₂₂O₁₁，此时a为3.3F/m，M为342。

第四步，记录环境温度t，将测得的叶片的植物组织水势W、植物生理电容值C以及T、a、ε₀、M、i、R带入公式计算出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y。,

第五步，定义植物叶片紧张度Td=100/y，获得各待测时刻的待测植物叶片紧张度。

实施例1以构树的叶片为例

第一，即时取样，于2013年11月8日8：00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00前10分钟采摘构树枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发。

第二，清理构树叶片表面灰尘后，取枝条上的构树叶片，将构树叶片夹在平行板电容器中，电容器的直径D=7mm，接上日本日置的电容传感器LCR测试仪HIOKI3532-50，用对应的软件计数。分10个均匀部位，每个部位取10个点，即每组数据中包含100个数据，取平均后作为每个时刻的植物生理电容值C，同时测量构树同枝上相近叶位的叶片的植物组织水势，构树叶片的植物组织水势：将构树叶片打孔后迅速放在C-52水势探头平衡6分钟后用水势仪进行构树叶片的植物组织水势的测量，每次测量3个数据，平均值作为该构树叶片此时刻的植物组织水势测量值W。

第三，利用构树叶片的植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及构树生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出构树叶片有效厚度d与电容器极板接触的构树叶片有效面积A的比值y的公式，得出公式为在式中W为植物组织水势，MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度,K,T=273+t℃，其中t为环境温度;C为植物生理电容值，单位为F；ε₀为真空介电常数，8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；a为叶片细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m，M为叶片细胞液溶质的相对分子质量。叶片细胞液溶质假定为蔗糖C₁₂H₂₂O₁₁，此时a为3.3F/m，M为342。,

第四，记录环境温度t为20℃，则公式化简为将测得的植物组织水势W、植物生理电容值C带入公式计算出所述构树叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y，定义构树叶片紧张度Td=100/y，获得各时刻的待测构树叶片紧张度结果如表1所示。

实施例2：以桑树叶片为例

以桑树代替实施例1中的构树，以桑树叶片代替实施例1中的构树叶片，其它实验条件和步骤与实施例1同，最后获得各时刻的待测桑树叶片紧张度结果如表1所示。

实施例3：以楝树叶片为例

以楝树代替实施例1中的构树，以楝树叶片代替实施例1中的构树叶片。

分5个均匀部位，每个部位取10个点，即每组数据中包含50个数据，取平均后作为每个时刻的楝树生理电容值C，同时测量所述楝树的植物组织水势。其它实验条件和步骤与实施例1同，最后获得各时刻的待测楝树叶片紧张度结果如表1所示。

表1不同时刻构树、桑树、楝树的叶片紧张度(2013年11月8日)

时刻	构树	桑树	楝树
				8:00	1.406	14.391	2.889
10:00	1.105	4.984	2.530

12:00	1.391	4.680	3.268
				14:00	0.410	4.343	1.296
16:00	2.350	6.114	0.992
				18:00	1.921	8.263	3.302

实施例4

第一，即时取样，于2013年11月12日8：00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00前10分钟分别采摘构树枝条，并用湿布包住构树植株枝干基部，以减缓水分散发。

第二，清理构树叶片表面灰尘后，取构树枝条上的叶片，将构树叶片夹在平行板电容器(电容器的直径D=7mm)中，接上电容传感器LCR测试仪(HIOKI3532-50，日本日置)，用对应的软件计数。分10个均匀部位，每个部位取10个点，即每组数据中包含100个数据，取平均后作为每个时刻的构树生理电容值C，同时测量所述构树叶片的植物组织水势，构树叶片的植物组织水势测定方法为：将构树叶片打孔后迅速放在C-52水势探头平衡6分钟后进行构树叶片植物组织水势的测量，每次测量3个数据，平均值作为所述构树叶片此时刻的植物组织水势测量值W。

第三，利用构树植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及构树生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出构树叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y的公式，得出公式为在式中W为构树叶片植物组织水势，MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度,K,T=273+t℃，其中t为环境温度;C为构树生理电容值，单位为F；ε₀为真空介电常数，8.854×10^-12F/m；A为极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；a为溶质的相对介电常数，单位为F/m，M为细胞液溶质的相对分子质量。设溶质为蔗糖C₁₂H₂₂O₁₁，此时a为3.3F/m，M为342。,

第四，记录环境温度t为20℃，则公式化简为将测得的植物组织水势W、植物生理电容值C带入公式计算出构树叶片有效厚度d与电容器极板接触的构树叶片有效面积A的比值y，最后获得各时刻的待测构树叶片紧张度结果如表2所示。

实施例5

以桑树代替实施例4中的构树，以桑树叶片代替实施例4中的构树叶片，其它实验条件和步骤与实施例4同，最后获得各时刻的待测桑树叶片紧张度结果如表2所示。

实施例6

以楝树代替实施例4中的构树，以楝树叶片代替实施例4中的构树叶片。

分5个均匀部位，每个部位取10个点，即每组数据中包含50个数据，取平均后作为每个时刻的楝树生理电容值C，同时测量所述楝树叶片植物组织水势。其它实验条件和步骤与实施例4同，最后获得各时刻的待测楝树叶片紧张度结果如表2所示。

表2不同时刻构树、桑树、楝树的叶片紧张度(2013年11月12日)

时刻	构树	桑树	楝树
				8:00	0.838	8.393	7.216
10:00	0.3028	2.327	1.116
				12:00	1.108	6.361	1.690
14:00	2.663	4.530	2.361
				16:00	0.3045	2.719	1.679
18:00	1.569	3.662	0.805

本发明的实施效果如下：

分别用连接LCR测试仪的电容传感器与水势仪C-52探头测量各叶片的生理电容值C、植物组织水势W。用本发明方法计算叶片紧张度Td，结果如下表所示。从表1中可以看出，构树与楝树在上午8:00至中午12:00有一致的趋势。从表2中可以看出，所有植物在上午8:00至中午12:00都有一致的趋势。两天中三种植物在上午8:00至10:00都有一致的趋势，即由大到小，这是因为随着时间的推进，蒸腾作用加强，失水较多，致使上午8:00至10:00，植物叶片的紧张度减小。而至中午12:00及以后，不同植物的光合反应和气孔开张程度的调节模式不同，导致叶片的紧张度也不同。本发明所得到的结果符合实际情况。

Claims (1)

1.一种测定植物叶片紧张度的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在待测时间内取带有叶片的待测植物枝条，并用湿布包住植株枝条基部，以减缓水分散发；

步骤二，清理叶片表面灰尘后，取植物叶片，将植物叶片夹在平行板电容器中，用电容传感器测量叶片的植物生理电容值，同时测量所述叶片的植物组织水势W；

步骤三，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容值C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y的公式如下

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]---\left(8\right)$

W为植物组织水势，单位为MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度，单位为K，T＝273+t，t为环境温度，单位为℃；C为植物生理电容值，单位为F；真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；a为细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；

步骤四，记录环境温度t，将测得的植物组织水势W、植物生理电容值C以及T、a、ε₀、M、i、R代入公式(8)中，计算出叶片有效厚度d与电容器极板接触的叶片有效面积A的比值y；

第五，定义植物叶片紧张度Td＝100/y，获得各待测时间的待测植物叶片紧张度。