基于红外传感器的棉花叶片温度变化特征及其影响因子分析

王亚茹，杨北方，雷亚平，熊世武，韩迎春，王占彪，冯璐，李小飞，邢芳芳，辛明华，吴沣槭，陈家乐，李亚兵*

（1. 郑州大学农学院，郑州 450001；2.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000）

棉花（Gossypium hirsutumL.）是我国广泛种植的一种重要的经济作物。 棉花原产于热带、亚热带地区，是一种喜温作物，生长发育期间需要较高的温度[1]。 植物温度是监测植物生长的重要指标，既可以指示植物健康状况，又可以有效反映植物对环境变化的适应能力[2-5]。 在棉花生长过程中，叶片是营养生长的重要器官，是植物进行光合作用、蒸腾作用的主要场所，在植物生长过程中对环境变化较敏感，其结构特征最能体现植物对小气候的适应性[6-7]。 植株生长发育状况、水分胁迫程度以及植物的酶促反应、膜运输、蒸腾作用等各项生命活动均与植物的叶片温度息息相关[8-10]。叶片温度的变化是植物与外界环境进行能量交换的结果，作为重要的生理指标广泛应用于植物的热量交换、光合作用、呼吸作用、蒸腾作用及其对极端温度的响应等研究[11-12]。 因此，快速准确地获取并实时监测植物的叶片温度，研究叶片温度变化特征及其与环境因素的关系，对深入揭示叶片温度与植物对环境变化响应的关系具有重要意义。

近年来，随着遥感和红外测温技术的发展[13]，叶片温度逐渐成为一个容易测定的植物参数，许多研究也指出直接测量植物某些参数比测量土壤的水分状况更能反映植物对土壤和环境变化的适应性[14-15]。 叶片温度的测量方法一般分为接触式和非接触式两类，其采用的典型技术路径分别是热电偶和红外辐射技术[16]。 在红外测温技术出现以前， 大多通过接触式测量获取植物温度，这种测量方法的缺点是工作量大、 测量面积有限、测量精度低[17]。 相比之下，红外测温法具有非接触、非破坏、反应速度快、灵敏度高、方便、使用范围广、可以连续测量等优点[18-20]。

随着红外测温技术的发展与完善，以叶片温度为基础监测植物生长发育状况的研究备受关注。 Pou 等[21]通过红外测温技术测定不同时间段葡萄叶片的阳面和阴面的温度， 研究不同水分条件下葡萄生理指标的变化。马黎华等[22]研究表明气象因素与土层含水量共同影响叶片温度的变化。 王佩舒等[7]研究发现，静风时栓皮栎（Quercus variabilis）幼苗的叶气温差（叶片温度与气温的差值）随太阳辐射的增加而增加，二者呈线性关系。 Zhang 等[23]对高粱叶气温差的研究发现，叶气温差与叶片水分含量、光合速率显著相关，可以作为反映叶片水分含量的指标。 刘婧然等[24]利用TES-1314 型温度计测定了膜下滴灌棉花的叶片温度，并分析其与气象因素的关系，发现棉花叶片温度与气温的相关性最强。 从前人的相关研究来看， 研究人员多采用温度计和手持式红外测温仪测定植物的叶片温度， 但这些商业化的红外测温仪多不具备在线测量的功能，无法实现叶片温度的昼夜实时监测，缺乏量化作物叶片温度所需的高分辨率和长时间监测。 目前，国内外研究主要集中在叶片温度与水分胁迫、 叶片温度与环境因素的简单相关关系的分析， 关于多个环境因素对叶片温度综合效应的研究鲜有报道。

本试验搭建了红外温度传感器系统对棉花叶片温度进行全自动实时监测，以提高叶片温度测量的准确度、实现全天连续测量为目的，探索了棉花植株叶片温度昼夜变化特征，综合分析其与环境因素的相关关系，为明确调节叶片温度变化的要素提供理论依据， 对实现农业自动化管理、推动农业可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 红外温度传感器系统

如图1 所示， 红外温度传感器系统主要由3个部分组成，即红外传感单元（图1A）；供电与保护模块（图1B）；数据采集、存储与共享模块（图1C）。

图1 红外传感器系统组成元件Fig. 1 Components of infrared sensor system

1.1.1红外传感单元。 红外传感单元由Apogee公司的SI-400 系列红外温度传感器构成。 SI-400系列红外温度传感器是用于测量冠层温度的科研级传感器，具有高精度、非接触、低功耗等特点，出厂时经过严格的校准。 SI-400 系列传感器配有防辐射罩，以减少吸收太阳辐射，辐射屏蔽使辐射计免受快速温度变化的影响，保障传感器在严酷天气条件下正常工作，并使辐射计的温度更接近目标温度[25]。传感器不需要频繁校准，可确保连续监测并降低系统成本。

1.1.2数据采集、存储与共享模块。 SI-400 系列传感器通过电缆线与带有STC8A8K64S4A12 主控芯片的单机片连接，控制红外温度传感器的开关，传感器接收并执行数据记录器传输的数据包所含的地址和命令，完成对目标和探测器温度数据的采集， 并将采集的数据存储于单机片内，同时可以与主机计算设备实时共享[26]。

1.1.3供电与保护模块。 设计的外壳箱用以容纳单板计算机、微控制器、传感器电缆线、锂电池以及其他内部布线。 外部电源（锂电池以及太阳能板） 可以避免由于供电中断导致的数据丢失，提高系统运行的可靠性，允许更长的运行时间和不间断的温度监控。

1.2 试验部署

田间试验于2021 年在中国农业科学院棉花研究所东场试验基地（36°06′N，114°21′E）进行，海拔76.4 m。 该试验地为一熟棉田，多年棉花连作，土壤质地为轻壤土，播种前施基肥（N：225 kg·hm-2，P2O5：150 kg·hm-2，K2O：225 kg·hm-2），花铃期追肥 （N：273 kg·hm-2，P2O5：169 kg·hm-2，K2O：169 kg·hm-2）。 供试品种为鲁棉研28 号，棉花种子来源于中国农业科学院棉花研究所，4 月17 日播种， 种植密度为10.5 万株·hm-2， 株距11.9 cm，每个小区10 行，行距0.8 m，行长8 m，小区面积64 m2，3 个重复。 棉田田间管理采取当地高产栽培管理方式。

1.3 气温和叶片温度测定

叶片温度和气温的测量采用红外温度传感器（SI-400, Apogee Instruments，美国），从棉花蕾期到吐絮期（6 月中旬至9 月初）在每个重复中连续监测具有代表性的3 株棉株，共9 株（打顶前为倒4 叶，打顶后为倒3 叶），观测时传感器探头在距棉花顶部完全展开叶2～5 cm 处，与叶片展开方向垂直，并随株高增加不断调整探头高度。数据采集器每隔10 s 自动测定并记录1 次数据，每天早晚调整2 次传感器的位置。

1.4 气象数据获取

环境数据由试验场附近的小型气象站（Campbell Scientific，美国）获取，环境因子主要包括，X1：气温（℃）；X2：空气相对湿度（%）；X3：日照时间（h）；X4：降水量（mm）；X5：风速（m·s-1）；X6： 光合有效辐射（μmol·s-1·m-2）；X7： 总辐射（W·m-2）；X8：水汽压（105Pa）；X9：5 cm 处土壤温度（℃）；X10：10 cm 处土壤温度（℃）；X11：20 cm处土壤温度 （℃）；X12：20 cm 处土壤体积含水量（%）。 试验地的天气状况如表1 所示。

表1 2021 年棉花生长季节每月天气总结Table 1 Monthly weather summary during the cotton growing season in 2021

1.5 数据处理

使用Microsoft Office Excel 2019 对数据进行整理分析， 基于SPSS 25.0 对数据进行相关性分析、多元逐步回归分析，采用Stata 17 对数据进行批量处理并绘制温度变化图。

2 结果与分析

2.1 不同天气条件下叶片温度变化特征

图2 为花铃期7 月15-25 日棉花叶片温度和叶气温差的日变化曲线。 其中15 日、16 日、23日至25 日为晴天，17 日至19 日为阴天，20 日至22 日为大雨天气。 可以看出，不同天气条件下棉花的叶片温度差异较大，晴天时棉花叶片温度变化波动大，阴天时棉花叶片温度的波动较晴天时小，雨天棉花叶片温度波动更平稳。 晴天白天叶片温度在日出时最低，日出后随着太阳辐射强度和气温的升高，叶片温度呈上升趋势，在正午前后达到最大值；下午随着太阳辐射强度和气温的降低，叶片温度开始下降，但叶片温度下降幅度小于气温，叶气温差呈逐渐上升的趋势；夜间叶片温度与气温接近。 阴天时叶气温差较小，雨天时叶气温差接近0。

图2 不同天气条件下叶片温度（A）和叶气温差（B）变化趋势Fig. 2 Trendlines of leaf temperature (A) and leaf-air temperature difference (B) under different weather conditions

从不同天气的叶片温度变幅来看，晴天条件下棉花叶片的昼夜温度差值在10～15 ℃， 阴天时叶片温度的昼夜差值在5～10 ℃，雨天情况下叶片温度的昼夜差值在2～5 ℃。

2.2 不同生育时期棉花叶片温度变化特征

棉花在不同生育时期的代谢强度、叶片蒸腾强度不同，叶片温度以及叶气温差的变化范围也不同。 本试验对棉花初花期（图3A）、盛花期（图3B）、吐絮期（图3C）3 个生育时期内连续3 个晴天的叶片温度和叶气温差的日变化进行分析，日期分别为7 月3-5 日、7 月24-26 日、9 月13-15 日。

如图3 所示，在初花期、盛花期和吐絮期，棉花叶片温度均呈现明显的昼夜变化规律：从5：00-6：00 开始缓慢上升， 在12：00-14：00 之间达到最大值后又逐渐下降；白天温度波动明显，夜间温度波动较小，白天温度高于夜间。 各时期叶片温度均随着气温的变化而变化，但是叶片温度及叶气温差的变化幅度存在差异。 初花期的叶片温度高于吐絮期的叶片温度，盛花期的叶片温度最高。 棉花叶片温度的昼夜变化范围在初花期为20～35 ℃，盛花期为20～38 ℃，吐絮期为18～32 ℃。 初花期昼夜叶气温差变化为-10～0 ℃，盛花期昼夜叶气温差在-8～0 ℃，吐絮期的昼夜叶气温差变幅最小，为-5～0 ℃。

图3 不同生育时期棉花叶片温度日变化趋势Fig. 3 Diurnal variation trend of cotton leaf temperature at different growth period

2.3 棉花叶片温度、叶气温差与环境因子的关系研究

2.3.1相关性分析。 对环境因子与棉花叶片温度、叶气温差的相关性分析发现，除了降水量与叶片温度、水汽压与叶气温差的相关程度未达到显著水平外，其余环境因子与叶片温度、叶气温差的相关程度均达到了显著水平（P＜0.05），除空气相对湿度、降水量、风速和20 cm 处土壤体积含水量外，其余环境因子均与叶片温度呈显著正相关；气温、日照时间、光合有效辐射、总辐射、5 cm、10 cm 和20 cm 处土壤温度与叶气温差呈显著负相关（表2）。

表2 棉花叶片温度、叶气温差与环境因子的相关性分析Table2 Correlation analysis of leaf temperature, leaf-air temperature difference and environmental factors in cotton

环境因子与叶片温度的相关性由大到小依次是气温（r＝0.890）＞10 cm 处土壤温度（r＝0.741）＞光合有效辐射（r＝0.735）＞总辐射（r＝0.726）＞日照时间（r＝0.721）＞5 cm 处土壤温度（r＝0.717）＞20 cm 处土壤温度 （r＝0.642）＞空气相对湿度（r＝-0.630）＞20 cm 处土壤体积含水量 （r＝-0.460）＞水汽压 （r＝0.372）＞风速（r＝-0.351）＞降水量（r＝-0.253）；环境因子与叶气温差的相关性由大到小依次是空气相对湿度 （r＝0.825）＞气温 （r＝-0.763）＞日照时间（r＝-0.730）＞总辐射（r＝-0.717）＞光合有效辐射（r＝-0.704）＞5 cm 处土壤温度（r＝-0.576）＞10 cm 处土壤温度 （r＝0.557）＞20 cm 处土壤体 积含水量 （r＝0.426）＞20 cm 处土壤温度（r＝-0.420）＞降水量（r＝0.412）＞风速（r＝0.395）＞水汽压（r＝0.038）。

2.3.2逐步回归分析。 分别以12 个环境因子为自变量，以叶片温度和叶气温差为因变量进行逐步回归分析，得到叶片温度与环境因子的回归方程Y1＝8.808＋0.371X1＋0.004X6＋1.932X8（R2＝0.876）； 叶气温差与环境因子的回归方程Y2＝-5.406＋0.077X2-0.093X3-1.087X8（R2＝0.674）。 2 个回归方程的F值分别为82.307，24.124，均达到了极显著水平，上述回归方程的环境因子可以用于叶片温度和叶气温差的预测。

回归方程表明， 气温 （X1）、 光合有效辐射（X6）和水汽压（X8）是影响叶片温度的主要因素，空气相对湿度（X2）、日照时间（X3）和水汽压（X8）是影响叶气温差的主要因素。 叶片温度和叶气温差的剩余因子分别为0.237 和0.571，说明除了回归方程中的自变量，还有一些对叶片温度和叶气温差影响较大的因素未包含在内。

2.3.3通径分析。 在田间条件下，各环境因子之间存在相互作用， 不断变化的各种环境因素，对叶片温度和叶气温差具有综合性的影响。 各环境因子与叶片温度、叶气温差之间的相关性高低并不能完全代表其对叶片温度和叶气温差的影响，因此进一步对上文中经逐步回归分析筛选出的对叶片温度和叶气温差有显著影响的自变量（环境因子）进行通径分析，综合分析其对因变量的直接作用和间接作用（表3）。

表3 棉花叶片温度和叶气温差与其主要影响因子间的通径分析Table 3 Path analysis of leaf temperature and leaf-air temperature difference and their effecting factors in cotton

由表3 可知，各环境因子对叶片温度的直接效应排序为： 气温＞光合有效辐射＞水汽压；各环境因子对叶气温差的直接效应排序为：空气相对湿度＞日照时间＞水汽压。 从间接通径系数来看，气温对叶片温度具有最大的间接效应；光合有效辐射通过气温对叶片温度起正向的间接效应，通过水汽压起负向的间接效应，而且通过气温的正向间接效应大于通过水汽压的负向间接效应， 最终表现为对叶片温度正向的间接效应；水汽压对叶片温度也存在正向的间接效应。 对于叶气温差来说，日照时间的间接效应最大，其主要通过空气相对湿度来影响叶气温差，与叶气温差呈负相关。 从决策系数绝对值大小可以得出，各因子对叶片温度影响的综合排序为气温＞光合有效辐射＞水汽压，气温和光合有效辐射的决策系数相近且为正值，说明二者是影响叶片温度的最主要环境因子；各因子对叶气温差影响的综合排序与直接效应的排序一致，空气相对湿度是影响叶气温差的主要环境因子。

3 讨论

叶片温度是植物体的一个重要生理特征，同时也是植物生理生态研究中的一个基本参数[27]。在农作物中，叶片是植物生理生长和物质生产的农艺学最小单位，叶片温度是环境因素和植株内部因素共同影响叶片能量代谢平衡的结果[28]，能直接反映植物的生长状况。 因此，深入研究叶片温度、叶气温差的昼夜变化特征及其与环境因素的关系， 对了解棉花叶片温度变化对气象因子的响应机制，完善棉花生产管理具有重要意义。

3.1 不同天气条件下叶片温度、叶气温差变化特征

棉花的叶片温度和叶气温差在不同的天气条件下变化幅度存在差异，晴天叶片温度昼夜波动大，阴雨条件下温度波动小，与赵扬博等[29]、杨景等[30]的结论一致。 阴雨天时，太阳辐射强度较低，蒸腾散热低，全天叶片温度的变化幅度小，叶片温度与气温接近；晴天时，叶片温度变化幅度大，日出时叶片温度最低，是因为此时气温和太阳辐射强度均较低， 并且叶片上的露水较多，蒸发蒸腾强度低，随着太阳辐射的增强，气温和叶片温度迅速升高，至中午前后达到最大值，之后随着太阳辐射强度和气温的降低，叶片温度逐渐降低。 叶气温差在晴天时较大，阴天时较小，雨天时基本没有。

3.2 不同生育时期棉花叶片温度、叶气温差昼夜变化特征

由于棉花在不同生育时期的代谢强度、叶片蒸腾强度、外界环境因素不同，因而不同生育时期叶片温度和叶气温差的变化幅度存在差异。 棉花叶片温度与气温呈协同变化趋势，且棉株的叶片温度总是低于气温，叶气温差为负值，与前人[31-33]的研究一致。 盛花期棉花的叶片温度最高，初花期的叶气温差值最大，越接近成熟期，叶气温差值越小。 这是因为在花铃期初期，棉株进入旺盛生长时期，生理代谢活动旺盛，蒸腾作用较强，温度调节能力强，使自身能够在较高温度下维持一个较低的叶片温度水平；随着生育进程的推进，盛花结铃期，叶片的生理功能逐步下降，受到持续高温和降雨的影响，棉花根系呼吸作用受到限制，棉花通过蒸腾作用缓解高温灼伤的能力受到影响，调节温度的能力减弱，进而导致叶片温度升高， 叶片温度与气温之间的差距减小；吐絮期时，棉株生理机能衰退，蒸发蒸散量也减少，叶片温度升高，叶气温差减小。 棉花的温度调节机制可以使叶片温度保持在适宜的区间，减少高温灼伤，是极端高温条件下维持植株活力的重要因素，也说明叶片温度和叶气温差受棉花的生理功能及外界环境因素的共同影响。

无论在初花期、盛花期、还是吐絮期，叶片温度变化昼夜节律相似。 白天叶片温度波动明显，夜间波动平缓，且白天叶片温度高于夜间，叶片温度从0：00 到6：00 稳定在一个较低水平，6：00后大幅度升高，9：00 到18：00 保持在较高温度范围内，18：00 后温度下降至较低水平并持续到次日6：00，这与贾正茂等[34]的结论一致。

3.3 棉花叶片温度、叶气温差与气象因子的相关关系

许多研究者对叶片温度与气象因子的关系进行了简单相关性分析研究[7,18,22,24,27]。 通过简单相关分析可以反映2 个变量间的相关程度，然而影响叶片温度和叶气温差的环境因子之间存在复杂的相互作用，形成多重相关关系，通径分析可将因变量与自变量的相关系数分解为自变量对因变量的直接影响和间接影响[35]，具体且清晰展示各因子间的复杂关系。

对叶片温度、叶气温差与气象因子之间的相关关系进行探究，发现叶片温度与气温的相关性最强（r＝0.890），叶气温差与空气相对湿度的相关性最强（r＝0.825），这与刘婧然等[24]的研究结果一致。 分别建立气象因子与叶片温度、叶气温差的回归方程，方程的方差分析结果均达到了显著水平，其中影响叶片温度的主要环境因子是气温、光合有效辐射和水汽压，影响叶气温差的主要环境因子是空气相对湿度、 日照时间和水汽压。 影响叶片温度和叶气温差的因素不仅包括环境因子，还包括植物本身因素，由于本试验未考虑棉株的生理生长状况，所以会对模型的拟合精度产生一定的影响，例如棉株的气孔导度，蒸腾速率、光合作用等生理性状对叶片温度和叶气温差的影响有待于进一步研究。

通径分析结果显示，气温对叶片温度的直接作用最大，并通过光合有效辐射和水汽压对叶片温度起正向间接作用。 空气相对湿度对叶气温差的直接作用最大，其主要通过日照时间对叶气温差起正向间接作用， 通过水汽压起负向间接作用， 且正向间接效应大于负向间接效应的总和，与叶气温差呈显著正相关关系。 比较各环境因子对叶片温度和叶气温差的间接效应发现，光合有效辐射、水汽压都主要通过气温间接影响着叶片温度的变化，这与前人[28,36]的研究相似。 日照时间、水汽压都主要通过空气相对湿度间接影响叶气温差的变化。 环境因子对叶片温度综合作用排序为：气温＞光合有效辐射＞水汽压，环境因子对叶气温差综合作用排序为：空气相对湿度＞日照时间＞水汽压。

4 结论

本研究基于红外温度传感器对棉花的叶片温度进行实时监测，通过对棉花叶片温度的变化规律及气象因素对叶片温度、叶气温差的综合作用的分析发现， 通常叶片温度低于空气温度，叶片温度随着气温的变化而变化。 叶片温度和叶气温差的变化受多种环境因素的综合影响， 气温、光合有效辐射和水汽压是影响叶片温度的主要因素，空气相对湿度、日照时间和水汽压是影响叶气温差的主要因素。 光合有效辐射和水汽压均主要通过气温间接影响叶片温度，日照时间和水汽压均主要通过空气相对湿度间接影响叶气温差。 研究结果有利于加深对叶片温度、叶气温差与环境因子间响应机制的理解， 为棉花精准灌溉，农业自动化管理提供参考。