番茄茎秆不同部位声发射信号差异性分析

张 佳余礼根

郭文忠1乔晓军1李海平2李灵芝2李银坤1秦渊渊1，2

（1北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801）

植物从土壤中获取水分以供应植株生长发育，当土壤干旱时，木质部导管的张力随之增大，导管内水柱断裂而出现空穴化现象，此时，张力突然释放产生冲击波，即植物声发射（acoustic emissions，AE）现象（Kikuta et al.，1997；Zweifel ＆ Zeugin，2008；Gagliano，2013a；Baker et al.，2015；王建新和隋美丽，2016）。植株水分亏缺会造成植株体内水分供应失调，破坏植株体内的水分代谢平衡，直接影响植株的生长发育（Baker et al.，2015）。声发射信号可以反映植株水分状况，因此，植株体内水分亏缺程度的实时监测及声发射信号采集部位的精确选取对植株水分状况的快速获取及准确判断具有重要意义（Gagliano，2013b；赵燕东 等，2016；Watanabe et al.，2016；张志焕 等，2017）。声发射技术已大量在材料工程（Nosov，2017；Pochaps’Kyi et al.，2017）、建筑学（Khandelwal ＆Ranjith，2017）、临床医学（Illanes et al.，2017）和金属检测（Botvina et al.，2017）等领域进行应用，包括管道泄漏（杨丽丽 等，2017）、泥岩断裂（杨健锋 等，2017）和光纤损伤（Sai et al.，2017）等。随着AE技术的不断完善，其逐渐应用于木材裂纹及作物的干旱监测（Roo et al.，2016；Sriwongras et al.，2016；Diakhate et al.，2017）。

AE技术在番茄上的应用主要包括病害胁迫（王秀清 等，2011a，2011b）和水胁迫（王秀清 等，2014；Kageyama ＆ Mori，2014；Kageyama ＆ Tajima，2014）的检测及分析。王秀清等（2011a）将AE传感器分别固定于番茄发病植株茎部占整体高度的1/3和2/3处，利用两路AE信号时差及频谱分布不同进行病害胁迫声源定位，结果表明植株高1/3处是AE频次最高的部位，也是病害胁迫AE信号源检测的最佳位置，对于番茄植株病害胁迫监测位置的选择给出了解决方法。目前基于AE信号反映植株水分亏缺主要是研究不同土壤水分条件的AE信号变化规律，而对AE信号采集部位的选取未作明确研究，且植株不同部位AE信号差异及变化规律尚不明确。本试验通过温室盆栽研究番茄AE信号时域波形图、特征参数及频谱参数随茎秆高度变化的特征规律，并通过比较茎秆不同高度的AE信号时域波形图、特征参数及频谱参数，将AE信号最活跃的部位确定为番茄AE信号采集的最佳位置，为植株水分状况的快速获取及准确判断提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017年8月至2018年1月在北京市农林科学院试验温室内进行（N 39°56´，E 116°16´）。采用负水头灌溉盆栽试验，如图1所示。设置负压值为6 000 Pa，在试验期间土壤含水量维持在0.091～0.113 m3·m-3范围内，日平均土壤含水量为（0.101±0.060）m3·m-3，土壤含水量变化相对趋于稳定。

番茄品种选用佳丽14号，由北京市农林科学院蔬菜研究中心提供。于2017年8月25日每盆定植长势一致的植株1株，花盆的规格为：上口直径34.2 cm、底直径18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆装供试土壤11.0 kg。负水头灌溉试验装置（图1）主要由塑料盆、陶瓷盘、供水桶、控压管和导气管构成；当装置运行时，控压管及供水桶上的阀门处于关闭状态，进水管的阀门处于打开状态，供水桶内水分进入陶瓷盘，陶瓷盘空腔内气体全部排到供水桶，由于土壤基质势的作用陶瓷盘内水分缓慢进入土壤，致使陶瓷盘内压强逐渐减小，供水桶内水分进入陶瓷盘，如此不断循环，使供水桶内水分在负压控制下连续不断进入土壤以供土壤蒸发及番茄植株生长发育（王秀清 等，2011b）。

图1 负水头灌溉试验装置

1.2 声发射信号测定

AE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，Princeton，New Jersey，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 MHz频率范围），AE传感器选用Nano30（响应频率为12～750 kHz、 灵 敏 度 为 62〔-72〕dB ref.1V/（m/s）〔1V/μbar〕）、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。为研究60 hPa负压值下番茄AE信号随植株不同高度的变化规律，试验选取番茄全生育期进行声发射监测。将番茄生育期划分为开花期（9月15～25日）、结果初期（9月26日至11月1日）、结果盛期（11月2日至12月15日）和结果后期（12月16日至次年1月5日）。

AE信号采集时，将AE传感器分别固定在番茄茎秆不同高度处，试验选取3个部位进行测定，如图1所示：番茄植株顶端生长点以下第5叶位置的茎秆部位（上部，T），番茄植株根部倒数5叶位置的茎秆部位（下部，B），上部与下部之间中心点位置的茎秆部位（中部，M）。为防止AE传感器固定的茎秆部位脱水，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，Princeton，New Jersey，USA），从有效的声发射信号中提取出典型AE特征参数，包括幅值、计数、能量、上升时间、持续时间、峰值频率共6个特征参数及AE信号时域波形图；在此基础上，应用 LabVIEW 2014（National Instruments，Austin，TX，USA）编程计算频谱特征参数，得出主频、主频能量、中心频率、功率谱面积、功率谱方差共5个频谱参数。统计分析番茄茎秆上部、中部、下部的AE信号（幅值＞40 dB）特征参数和频谱参数（以均值±标准偏差的方式表示），并对番茄茎秆不同高度AE信号时域波形图进行比较分析。

2 结果与分析

2.1 番茄茎秆不同高度声发射信号时域波形图的差异

图2 番茄茎秆不同高度AE信号时域波形图的差异

AE信号时域波形图可直观反映幅值随时间的变化情况，进一步反映植株水分状况，植株体内含水率较小时AE活动较为活跃（Diakhate et al.，2017）。番茄茎秆不同高度时域波形图如图2所示。为了研究番茄茎秆不同高度时域波形图变化，分别选取番茄茎秆各生育期1个晴天不同高度的时域波形图进行比较及分析。由图2可知，从信号幅值的角度分析，其振幅变化范围在0～0.50 V之间，开花期时域信号最大振幅表现为茎秆中部＞茎秆下部＞茎秆上部，其余生育期则均表现为：茎秆下部＞茎秆中部＞茎秆上部，开花期、结果初期、结果盛期和结果后期茎秆下部时域信号最大振幅分别达到0.14、0.13、0.19、0.50 V。番茄茎秆不同高度的时域信号振幅变化持续时间位于250～800 μs之间，随番茄茎秆由上部至下部高度变化时，各生育期时域信号振幅变化持续时间均表现为：茎秆下部＞茎秆中部＞茎秆上部，开花期、结果初期、结果盛期和结果后期茎秆下部时域信号振幅变化持续时间分别位于250～650 μs、250～550 μs、250～550 μs、250～800 μs之间。总之，在番茄结果初期、结果盛期和结果后期，茎秆下部的AE信号时域波形图振幅及振幅变化持续时间最大，表明番茄茎秆下部AE活动最活跃。

2.2 番茄茎秆不同高度声发射信号特征参数差异

AE特征参数用以表征AE信号特征，可以反映植株水分状况，植株体内含水量低时AE活动较为活跃（王秀清 等，2011b）。由表1可知，番茄各生育期茎秆不同高度AE信号具有明显差异。在番茄开花期、结果初期、结果盛期和结果后期，随着茎秆由上部至下部的高度变化，AE信号幅值、计数、能量、上升时间、持续时间、峰值频率呈逐渐增大的趋势，表现为：茎秆下部＞茎秆中部＞茎秆上部，表明番茄茎秆下部AE活动最为活跃。

2.3 番茄茎秆不同高度声发射信号频谱参数差异

频谱参数直接反映AE信号能量随频率的分布及变化情况，进一步反映植株水分状况，植株体内水分含量低时AE信号较为活跃（王秀清 等，2011a）。由表2可知，番茄各生育期茎秆不同高度AE信号频谱参数具有明显差异。在番茄各生育期，随着茎秆上部、中部、下部的高度变化，主频、主频能量、中心频率、功率谱面积和功率谱方差均表现为：茎秆下部＞茎秆中部＞茎秆上部。在番茄开花期、结果初期、结果盛期和结果后期，与茎秆上部相比，茎秆下部的主频统计均值分别显著增长40.2%、56.9%、26.0%、23.9%；茎秆下部的中心频率统计均值比茎秆上部分别增长21.4%、37.3%、26.5%、3.6%；部分茎杆下部的主频能量、功率谱面积、功率谱方差统计均值与茎杆上部存在数量级的差异；由此可见，各生育期番茄茎秆下部的声发射信号频谱参数均为最大，表明茎秆下部的声发射活动最为活跃。

表1 番茄茎秆不同高度AE信号特征参数差异

表2 番茄茎秆不同高度声发射信号频谱参数差异

3 结论与讨论

前人以番茄为试材，通过分析AE信号随水分胁迫的变化规律表明，AE信号可反映植株体内水分亏缺程度及植株需水状况，从而通过AE信号来调节植株的灌溉量和蒸腾量，指导植株生长的水分调控（杨世凤 等，2001；霍晓静 等，2008；Gagliano et al.，2012）。

植物体内水分径向运输是指根系吸水后通过木质部沿茎向叶片运输水分的过程，番茄叶片蒸腾失水，水势降低，由于根压、蒸腾拉力、内聚力的作用，水分通过木质部由根系向叶片输送。随着番茄植株茎秆由上部至下部的高度变化，茎秆含水率逐渐降低，植株体内含水率较低时AE信号增强，AE活动较为活跃。因此茎秆下部的AE信号时域波形图振幅及振幅变化持续时间最大，AE信号幅值、计数、能量、上升时间、持续时间、峰值频率、主频、主频能量、中心频率、功率谱面积和功率谱方差均为最大，表明番茄茎秆下部AE信号最为活跃。

不同时间AE信号特征规律不同（Sriwongras et al.，2016），番茄AE信号日变化规律较为稳定，日间AE活动较为频繁，夜间AE活动急剧减少。张佳等（2018）对于不同生育期内番茄声发射信号的研究表明，不同生育期番茄AE信号具有显著的时空分布和特征变化，番茄AE信号数量、频率和能量与番茄生长阶段相互关联。本试验结果表明，不同部位AE信号特征规律不同，各生育期随着番茄植株由上部到中部、下部的变化，AE信号时域波形图振幅及振幅变化持续时间逐渐增大，AE信号特征参数统计均值和频谱特征参数统计均值逐渐增大，表明番茄茎秆下部AE活动最为活跃。由此可知，番茄茎秆不同高度的声发射波形参数及频谱特征参数具有明显的变化规律，番茄声发射信号幅值、频率和能量与番茄茎秆不同高度相关联，可为声发射监测分析植物不同高度处水势变化及水分运输提供理论依据。