CN109239027B - 一种作物生理性缺水诊断方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种作物生理性缺水诊断方法及系统，通过嵌入式系统控制水泵和电磁阀以控制栽培槽中基质含水量，同时利用土壤含水量传感器和叶绿素荧光传感器采集不同基质含水量下叶绿素荧光参数，通过logistic数据拟合分析，得到作物生理性缺水诊断特征值为进入对数下降期的起始值。叶绿素荧光是光合作用的探针，本发明利用叶绿素荧光参数表征作物生理性缺水程度，根据作物自身需水要求进行诊断，诊断方法具有准确性高，测量快速、无损伤、“内在性”监测等特点。基于叶绿素荧光作物生理性缺水诊断方法，可以实现作物生理性缺水实时诊断，通过测量作物自身是否缺水指导灌溉，灌溉更加及时和节水。

Description

一种作物生理性缺水诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及农业植被信息无损监测技术领域，尤其涉及一种作物生理性缺水诊断方法，具体涉及一种基于叶绿素荧光探测作物生理缺水的诊断方法。
背景技术
在农业生产、林地种植、公园绿化、公路绿化带、高尔夫球场等环境，经常需要对植物进行大规模地灌溉，植物离开了水便不能生存，可见灌溉对植物生长的重要性，现有条件下大多进行人工灌溉或者电子系统灌溉，过度灌溉和灌溉不足都会影响植物的正常生长，根据植物生理需求的适度进行灌溉才是最佳选择。
中国专利(CN105830871A)公开了一种监测土壤湿度的灌溉控制系统，通过监测装置监测种植作物的土壤湿度值，根据植物生理需求的最适湿度进行灌溉。土壤水分监测是合理利用水资源、发展现代化节水农业的基础和先决调节，合理的水分监测，可以及时了解土壤中的水分状况，为合理的灌溉提供依据。近年来，随着传感器技术的发展，用户可以实时了解田间水分信息，实现灌溉的自动控制、智能化控制。然而，土壤中水分存在空间变异性，农田田间不同位置的监测点存在着较为明显的差异，导致了实际的含水率监测值与理论监测值有一定的差异。
中国专利(CN103777520A)公开了一种基于作物叶绿素含量在线监测的滴灌自动控制方法，其通过直接、动态检测作物的生理参数中与作物生长和需水密切相关的叶片叶绿素含量，预估滴灌量。此方法在理论仿真研究上切实可行，尚没有搭建系统进行实验验证。
中国专利(CN107192458A)公开了一种基于移动设备的作物水分亏缺诊断方法，利用红外摄像头拍摄作物红外图像，计算作物水分亏缺指数。快捷、无损和准确的对作物生理缺水监测与诊断技术将有助于指导作物灌溉的精确和动态调控。近年来，无损测试技术在作物生理缺水诊断及灌溉推荐中得到了广泛的关注，有着广阔的发展前景。叶绿素荧光是光合作用的探针，由于其存在快速、无损伤特点，在目前的研究中被广泛使用，克服了原始的通过测量外部环境进行灌溉决策弊端，通过测量作物自身生理上是否缺水进行指导灌溉，这样的灌溉方式灌溉更加及时和节水。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种作物生理性缺水诊断方法及系统，解决了原有通过测量作物外部环境判断水分亏缺的不准确性，利用叶绿素荧光传感器测量作物内在叶绿素荧光参数，判断作物水分亏缺状况，方法简单、准确度高、易操作。
本发明是采用以下技术方案实现上述技术目的的。
一种作物生理性缺水诊断方法，设定不同的栽培槽持水量下限，对作物进行水分胁迫实验，采集叶绿素荧光参数和基质含水量，对采集到的叶绿素荧光参数进行Logistic回归线性分析，探究水分胁迫与叶绿素荧光参数之间的关系，得到作物叶绿素荧光参数的特征值。
进一步，所述诊断方法采用的诊断系统包括水泵、电磁阀、智能流量计、土壤含水量传感器、栽培槽、叶绿素荧光传感器、嵌入式系统，水泵、电磁阀与嵌入式系统相连，作为系统的输出部分,嵌入式系统与智能流量计、土壤含水量传感器、叶绿素荧光传感器相连，作为系统的输入部分；所述土壤含水量传感器采用EC-5土壤含水量传感器，所述叶绿素荧光传感器采用flourmonitor传感器，所述嵌入式系统采用STM32F4单片机。
进一步，所述叶绿素荧光参数为最大光化学速率Fv/Fm。
进一步，Logistic回归线性分析拟合得到最大光合效率的方程为：
Figure BDA0001736226030000021
Figure BDA0001736226030000022
其中W指的是基质含水率，W0为进入对数下降期50％的基质函水率，a为变化过程中降低量下限，b为公式系数。
进一步，所述作物叶绿素荧光参数的特征值选择Logistic曲线中进入对数下降期的起始值DTs作为基于叶绿素荧光作物生理性缺水的特征值参数，
Figure BDA0001736226030000023
DTlog＝-4W0/b，DTlog指的是对数下降期基质含水率减少量。
与现有技术相比，本发明积极有益的技术效果在于：
1.本发明充分利用叶绿素荧光技术的快速、无损、“内在性”监测优势，克服了灌溉监测系统的结构复杂，外部环境对检测系统的影响大的问题，有利于作物生理缺水诊断精度的提高。
2.相比前人利用作物的外界环境蒸发蒸腾量、土壤含水量估算灌溉量，本发明利用作物叶片叶绿素荧光参数，构建作物生理缺水指数诊断模型，避免作物破坏性取样，且不受基质、天气等因素的影响，方法简单快捷准确，诊断成本低且普适性和应用性较好。
附图说明
图1为本发明叶绿素荧光作物生理性缺水诊断系统图。
图2为本发明草莓逐渐干旱Fv/Fm值变化趋势图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，基于叶绿素荧光作物生理性缺水诊断系统包括水泵1、电磁阀2、智能流量计3、土壤含水量传感器4、栽培槽5、叶绿素荧光传感器6、嵌入式系统7，水泵1、电磁阀2与嵌入式系统7相连，作为系统的输出部分；嵌入式系统7与智能流量计3、土壤含水量传感器4、叶绿素荧光传感器6相连，作为系统的输入部分；栽培槽5用于种植作物。叶绿素荧光传感器6置于测量叶片上方10cm处，土壤含水量传感器4置于基质深度5cm处。嵌入式系统7实时的采集土壤含水量传感器4和智能流量计3的数据，实时监测基质的土壤含水量，土壤含水量达到实验处理设定的下限时，嵌入式系统7控制水泵1和电磁阀2的开启关闭，达到水分胁迫要求。叶绿素荧光传感器6采集作物叶绿素荧光参数，并记录在嵌入式系统7中。
土壤含水量传感器4选用EC-5土壤含水量传感器，叶绿素荧光传感器6选用flourmonitor传感器，嵌入式系统7采用的是STM32F4单片机。
本发明以草莓作物为例，其诊断方法包括如下步骤：
1.设计水分胁迫实验与采集草莓叶绿素荧光参数
试验基质配方为包含草炭、蛭石、珍珠岩混合基质，混合基质按照3:1:1比例配比。试验采用分区设计，一共设计四个处理，四个处理如下：(1)正常供水对照(CK)，基质含水率为最大栽培槽持水量的75％；(2)T1：基质含水率为最大栽培槽持水量的55％；(3)T2：基质含水率为最大栽培槽持水量的35％；(4)T3：基质含水率为最大栽培槽持水量的15％。当基质含水率达到四个处理设定的基质含水率时打开电磁阀，当基质含水率达到100％时，关闭水泵与电磁阀，隔一天，再测定草莓的叶绿素荧光参数。于晴朗无云或少云的上午(9:30-12:00)，用叶绿素荧光传感器Flourmonitor测定叶绿素荧光参数最大光化学速率(Fv/Fm)；取各处理植株完全展开的顶部第4叶，测定时先用夹子固定草莓叶片，使各叶片受光一致，交叉测量，避免辐射对不同处理的影响，每种处理测定5-8片叶；测定荧光参数前，将叶片暗适应20min。
2.水分胁迫与叶绿素荧光参数关系拟合
对草莓进行水分处理实验，实时测量叶绿素荧光参数，综合所有的叶位数据分析，使用数据处理软件Sigma Plot 12.5进行数据分析，并采用该软件中Logistic曲线对部分参数进行拟合，绘制逐渐干旱下叶绿素荧光与基质含水率变化趋势图。叶绿素荧光参数最大荧光化学速率Fv/Fm与基质含水量关系如下表所示：
表1叶绿素荧光参数最大荧光化学速率Fv/Fm与基质含水量关系
序号 1 2 3 4 5 6
基质含水率 87％ 80％ 72％ 70％ 66％ 60％
F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub> 0.78 0.76 0.77 0.75 0.75 0.73
序号 7 8 9 10 11 12
基质含水率 51％ 42％ 38％ 30％ 24％ 18％
F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub> 0.72 0.71 0.68 0.65 0.63 0.61
拟合的Logistic方程为：
Figure BDA0001736226030000041
式中，Fv/Fm是最大光合效率，W指的是基质含水率，参数W0为进入对数下降期50％的基质含水率，a是变化过程中降低量的上限，b是公式系数。
充分灌溉时，草莓的最大光能转化效率Fv/Fm的值呈现先缓慢下降，然后急速下降，最后下降速度放缓三个阶段。将图2中数据按照Logistic曲线进行参数回归拟合，得到Logistic回归方程，如下所示，方程的相关系数R2为0.9884，拟合程度接近于1。
Figure BDA0001736226030000042
R2＝0.9884(P<0.001)
3.确定草莓作物生理缺水特征值
按照Logistic方程主要参数对曲线进行分析：Logistic方程曲线呈一个拉长的“S”型，Logistic曲线能够较为精确表征对数下降期的起始时间及持续时间。分析Logistic曲线，确定将DTs(进入对数下降期起始值)对应的叶绿素荧光参数数值作为生理性缺水的特征值，此时，作物的生理因素开始迅速下降，影响作物的正常生长。通过Logistic曲线进行参数回归拟合得到以下方程：
Figure BDA0001736226030000043
Figure BDA0001736226030000044
参数DTlog指的是对数下降期基质含水率减少量。
综合分析作物的叶绿素荧光参数的变化与及作物的生长指标的变化，确定所选择的叶绿素荧光参数灌溉特征值。基质含水率达到76.82％最大持水量时，生理生态参数进入对数下降区，开始快速下降，可用Fv/Fm值达到0.764作为草莓的生理性缺水特征值，当低于特征值时说明作物进入生理性缺水状况，影响作物的正常生长。
作物生理缺水状况对温室灌溉指导价值意义重大，本发明以草莓作物为例，将草莓的叶绿素荧光参数转化成草莓作物的生理缺水状况，确定叶绿素荧光参数的特征值可作为作物生理性缺水程度的诊断依据。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施。本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种作物生理性缺水诊断方法，其特征在于，对作物进行水分胁迫实验，采集叶绿素荧光参数最大光化学速率Fv/Fm和基质含水量，利用Logistic回归线性分析，建立基质含水量与叶绿素荧光参数最大光化学速率Fv/Fm之间的关系，将进入对数下降期的起始值DTs所对应最大光化学速率Fv/Fm的数值，作为作物缺水诊断的特征值；
所述Logistic回归线性分析拟合得到最大光合效率的方程为：
Figure FDA0002664369710000011
其中W指的是基质含水率，W0为进入对数下降期50％的基质含水率，a为变化过程中降低量下限，b为公式系数；
所述作物叶绿素荧光参数的特征值选择Logistic曲线中进入对数下降期的起始值DTs作为基于叶绿素荧光作物生理性缺水的特征值参数，
Figure FDA0002664369710000012
DTlog＝-4W0/b，DTlog指的是对数下降期基质含水率减少量。
2.根据权利要求1所述的一种作物生理性缺水诊断方法，其特征在于，所述诊断方法采用的诊断系统包括水泵(1)、电磁阀(2)、智能流量计(3)、土壤含水量传感器(4)、栽培槽(5)、叶绿素荧光传感器(6)、嵌入式系统(7)，水泵(1)、电磁阀(2)与嵌入式系统(7)相连，作为系统的输出部分,嵌入式系统(7)与智能流量计(3)、土壤含水量传感器(4)、叶绿素荧光传感器(6)相连，作为系统的输入部分。
3.根据权利要求2所述的一种作物生理性缺水诊断方法，其特征在于，所述土壤含水量传感器(4)采用EC-5土壤含水量传感器，所述叶绿素荧光传感器(6)采用flourmonitor传感器，所述嵌入式系统(7)采用STM32F4单片机。
4.一种根据权利要求1所述的作物生理性缺水诊断方法采用的诊断系统，其特征在于，包括水泵(1)、电磁阀(2)、智能流量计(3)、土壤含水量传感器(4)、栽培槽(5)、叶绿素荧光传感器(6)、嵌入式系统(7)，水泵(1)、电磁阀(2)与嵌入式系统(7)相连，作为系统的输出部分,嵌入式系统(7)与智能流量计(3)、土壤含水量传感器(4)、叶绿素荧光传感器(6)相连，作为系统的输入部分。
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