1、作物水分信息快速监测诊断技术研究进展摘要：根据信息采集源的差异，作物水分信息可以分为土壤水分状况信息和作物水分状况信息两大类。本文综述了对土壤水分和作物水分信息的快速监测诊断技术的研究现状和趋势并指出了各种方法的优、缺点。关键词：土壤水分；作物水分信息；遥感技术；研究进展1 引言水分是作物的主要生长信息，是农作物生长所必需的营养物质之一，在作物生长过程中起着至关重要的作用。水分亏缺直接影响植物的生理生化过程和形态结构,从而影响植物的生长、产量和品质。因此,作物水分的管理是作物生产中最为重要的措施之一。根据信息采集源的差异，作物水分信息又可以分为土壤水分状况信息和作物水分状况信息两大类。土壤水分
2、状况信息采集于作物赖以生存的土壤。由于供给作物生长所需的水分,大部分情况下都需要先贮存于土壤之中,然后再逐步的供给作物吸收利用。因此土壤水分状况尽管是间接的,但却能够很好地反映作物的水分供应状况。土壤水分状况相对比较稳定,测定也比较容易,因此是目前反映作物水分状况的主要信息源。作物水分状况信息直接采集于作物本身,是作物水分生理过程的直接表征。直接获取与作物水分利用过程密切相关的生理生态信息,可以快速、直接、精确地反映作物的水分状况,因此也是很有价值的信息来源。快速、准确、连续获取作物水分信息是实现自动、精准灌溉的基本依据，也为作物的良好生长和提高作物产量提供了重要保障。因此，对作物水分信息先进
3、、可靠的监测诊断技术的研究是有必要的。随着科技手段的更新，从过去的表观观测、仪器检测与间接指标分析，逐步发展到现在的无线传感器技术、网络技术等，未来将有更多的信息化手段应用于作物水分信息的监测与管理。本文着重综述了近年来作物生长过程中水分信息获取的技术手段的研究进展，展望了未来作物水分信息监测诊断技术的重要方向。2 作物水分信息快速监测诊断技术的国内外研究现状2.1土壤水分状况信息监测诊断技术经过长期的研究,国内外研制开发了数十种点源土壤水分状况信息采集技术与设备,其中研究较多的有重量法、张力计法、热特性法、中子法、阻抗法、电容法、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波比法(SWR)
4、、微波法、近红外法、光学法、X射线法、射线法等方法。重量法和张力计法虽然是目前应用较广的土壤含水量监测方法，但由于其无法实现定点连续观测，因此在实际应用中有很大限制。目前国际上较为先进的土壤水分采集技术有时域反射法(Time domain reflectometry,TDR)、驻波比法(Standing wave ratio,SWR)和频域反射法(Frequency domain reflectomatry, FDR)、遥感技术等。2.1.1时域反射法时域反射法是介电测量中的高速测量技术,是根据电磁波在不同介电常数的介质中传播时其传播速度会有不同改变的物理现象而确立的。TDR最初是为军事上检测
5、通讯电缆故障位置而研制的,1975年Davis和Chudobiak将这项技术转用于土壤含水量的测量 【1】 。从20世纪80年代以来, TDR法监测土壤含水量的技术得到了不断改进和广泛应用,不仅检测精度大幅度提高,监测设备也不断趋于完善与配套。TDR法测量精度高，但实现难度大。2.1.2频域反射法频域反射法是利用矢量电压测量技术,在某一理想测试频率下将土壤的介电常数进行实部和虚部的分解,通过分解出的介电常数虚部可确定土壤电导率,由分解出的介电常数实部换算土壤含水率 【2】 。频域反射技术分辨率高，线性度好;仪器主要是电路模块，维护简单; 无污染，测量的时候不需要破坏土层，方便连续测量。黄飞龙等
6、以传输线的高频率响应原理及其推导方程为基础设计了基于频域反射的土壤水分探测传感器 【3】 。传感器采用合适长度的传输线以及参数匹配的谐振电路，利用驻波的原理，使用简单的比较电路确定信号频率与土壤介电常数的关系，再利用介电常数和土壤成分结构之间的关系计算土壤水分含量。设计了传感器结构模块及给出了部分的试验对比结果。结果显示传感器测量数据与烘干法测量数据相吻合，最大误差不超过2%，满足农业气象探测的要求，具有推广的价值。江朝晖和支孝勤等根据土壤墒情监测的具体要求，研制了一种新型便携式土壤水分检测仪 【4】 。基于频域反射(FDR)原理采集土壤容积含水量，采用标准的烘干称重实验对测量结果进行校正，并
7、同时获取检测点经度、维度信息及实时时间，通过 GPRS/GSM 及时传送给远程数据中心和责任人。实地测试表明:土壤水分测量误差3%，数据传输无误。该仪器性价比高，操作简便，适合农技人员使用，对土壤墒情实时监测和智能决策具有重要现实意义。2.1.3驻波比法驻波比法是基于微波理论中的驻波原理确立的土壤水分测量方法,它不再利用高速延迟线测量入射反射时间差T,而是测量它的驻波比。试验表明三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波比的显著变化,因此通过测量传输线两端的电压差即可获得土壤容积含水量信息。这使测量的实现难度大幅度降低,仪器成本也大幅度的降低,精度也有一定的保证。2.1.4集成 GPRS、G
8、PS、ZigBee 的土壤水分移动监测系统集成 GPRS、GPS、ZigBee 的土壤水分移动监测系统由集成 ZigBee协调器、GPS 模块、GPRS 模块的 PDA 和基于 ZigBee 的土壤水分传感器移动节点组成。ZigBee 模块主要用于 PDA 和移动传感器节点间的无线通信，使 PDA 能无线获取土壤水分传感器信息，并能控制传感器供电电源的通断。GPS 模块用来实时获取传感器的位置信息，为绘制土壤水分时间和空间分布图以及为精细灌溉决策系统提供支持。GPRS 模块用来将绑定的节点号、经纬度信息、土壤水分信息通过 TCP/IP 协议上传至互联网远程上位机，以实现土壤水分时空变异的远程监
9、测。邓小蕾等为了实现土壤水分数据的实时采集、处理、可视化与上传，开发了移动式土壤水分监测系统 【5】 。该系统既能在 PDA 内存储信息又能上传互联网，具有良好的便携性和可视性。性能试验结果表明，系统可实时准确远程传输测量数据，内嵌软件根据测量结果绘制的土壤水分空间变异分布图可有效指导精细灌溉。但是对于移动监测系统和固定节点系统的节点部署和系统的节能问题需要进一步研究。2.1.5遥感技术遥感反演土壤水分，就是利用地表反射的太阳辐射或本身发射的远红外、微波辐射等信息及变化规律推算土壤水分含量。国内外关于土壤水分与干旱的遥感测定一类基于土壤水分的变化会引起土壤光谱反射率的变化；另一类则基于干旱引起
10、植物生理过程的变化。土壤水分遥感分为土壤热惯量法、光学遥感法和微波遥感法。目前，国内外对遥感监测土壤水分的研究除了理论上的一些局限外，对各种遥感监测方法的试验研究过于单一，简单利用某一种遥感监测土壤水分的方法对于土壤水分的监测较为困难，需要综合多种方法进行互补，在多种遥感方法的研究和应用的融合研究上有待深入。另外，这几种遥感监测方法还应考虑地形地貌、土壤质地、植被覆盖、气候差异等因子的影响，并提高土壤水分监测精度和稳定性。李建龙等利用遥感光谱法进行农田土壤水分遥感动态监测，在光谱反演与光谱和土壤水分相关性分析基础上,利用遥感技术和地理信息系统,初步建立了典型试验区(33km 2)遥感信息与土壤
11、含水量之间的遥感光谱相关监测模型,做出了观测区土壤水分含量分布图和得到了大面积农田土壤水分宏观动态监测结果,并同地面实测土壤水分进行了精度校正 【6】 。研究结果表明,文中提出的“光学植被盖度”概念,对土壤水分遥感监测研究是有益的,利用遥感光谱法和数学统计方法求出了有关物理参数,初步建立了TM与NOAA光谱水分监测模型,其模型监测020cm土层含水量的精度达到90%以上,实际监测土壤水分精度达到72.3%;在遥感监测2050cm土层土壤含水量中,利用遥感模型监测土壤水分精度达到80%以上,实际遥感监测精度达到60%左右,其结果可有效指导干旱半干旱雨养农业区春耕时间和动态监测大面积土壤墒情,可为
12、农业生产提供科学依据。对于植被和地形的影响,采用遥感估测光学植被盖度,分解象元排除干扰法来提取土壤水分信息。这样更适合于大面积农业土壤水分遥感动态监测与预报。王晓云、张文宗等在分析研究北京地区土壤水分卫星遥感监测模式及适宜使用的下垫面状况和时段的基础上,提出了一批具有一定物理意义和应用价值的遥感模式 【7】 。利用GIS和GPS技术实现包括遥感信息在内的多种数据的复合,以影像的方式,将地表地理状况与土壤水分卫星遥感监测结果结合起来,实现了RS、GIS及GPS的融合,提高了土壤水分卫星遥感监测的精度，并在应用服务中取得较好效果。2.2作物水分状况信息监测诊断技术2.2.1压力室法压力室法是应用较
13、早的测定植物组织水势的方法 【8】 ，具有操作方便、测定快速、测定结果准确可靠等优点。2.2.2冠层温度作物冠层温度是指作物冠层不同高度茎、叶表面温度的平均值 【9】 ,与作物能量平衡状况和水分状况有密切关系 【10】 。因此,可以通过测定作物的冠层温度来监测作物的水分状况。早在1963年,Tanner就利用红外测温仪测定作物冠层温度,监测作物水分状况,并指出冠层温度是反映作物水分状况的良好指标 【11】 。之后,又有许多学者对不同作物水分状况与冠层温度的关系作了大量研究。目前,对冠层温度与作物水分状况关系的研究,已从单纯的研究冠层温度发展到了研究包括冠层温度在内的整个冠层微气象条件 【12-
14、13】 ,其机理性和综合性都得到了增强。因此利用冠层温度监测作物水分状况已得到了较广泛的应用,采用红外测温仪不仅可监测小范围内作物群体的水分状况,而且可以从航空航天高度的遥感平台来大面积地监测作物的水分状况,指导农业灌溉 【14】 。这些均表明,利用冠层温度来监测和诊断作物的水分状况,有着广阔的应用前景。利用红外测温仪虽然可以较准确地测得作物的冠层温度,但目前已有的基于冠层温度监测作物水分状况的方法仍存在计算较复杂、参数不易确定和易受环境条件影响等缺点,而且未考虑到灌溉水质、灌溉方式 【15-16】 等对冠层温度的影响,与理想的模型仍存在一定的差距。2.2.3植株茎直径变化法茎直径微变化之所以
15、可以诊断植株体内的水分状况是因为植物器官(茎、叶、果实等)体积微变化动态与其体内的水分状况有关,当根系吸水充足时茎秆微膨胀,水分亏缺时茎秆微收缩 【17】 。国外在20世纪50年代末就有利用植株茎直径变化监测诊断作物水分状况的相关试验研究(Kuriowa,1958);20世纪60年代对其可行性的专题研究逐渐增多 【18-23】 ,并取得显著成效。20世纪70年代,茎直径变化监测作物水分研究的重心在于机理方面,对水分胁迫导致茎变形的机制分析展开了许多研究 【24-30】 ,以试图寻求茎直径监测与植株其它器官水分状况的关系。20世纪80年代在继续深化机理研究的同时,开始注重于应用技术的探索 【31
16、-32】 。1984年,McBurney等针对已有方法的不确定性和植物生长对测定结果的影响等问题,对茎直径变化和茎水势之间的关系及测定方法做了进一步研究。试验以卷心菜为材料,在温室条件下进行盆栽,水势用湿度计监测,茎直径变化用LVDT监测,蒸腾用电子秤称重法测定。试验证明:在短历时内,茎水势和茎收缩实际上是同步的;在较长历时内,与水分胁迫对茎直径的影响相比,生长的效应是重要的;然而对生长进行了校正测定之后,茎直径与叶水势呈线性相关。这些结果显示,茎收缩加上校正测定可以用于对大田作物水势的连续监测。目前,国内有关基于植株茎直径变化监测诊断作物水分状况的研究报道资料较少。孟兆江等在温室条件下对番茄
17、、茄子、辣椒、西葫芦和黄瓜等作物进行了土培盆栽和小区试验 【33】 。结果表明,即使在良好的土壤水分条件下和晴好的天气里,作物茎直径白天收缩,傍晚、夜间复原或膨胀,呈不规则锯齿状24h左右的周期性波动变化,而且这种微变化动态与植株体内的水分状况密切相关。因而可以用茎直径变化(膨胀或收缩)诊断植株体内的水分状况。本方法简单、方便、快捷、可靠、低成本、对作物无破坏性、有望成为精准高效并可实现连续自动记录的监测方法。但是还存在一些问题，如研究结果大多尚处定性阶段,机理研究比较薄弱,理论依据不充分,缺乏量化标准和量化的技术,更缺乏诊断指标体系的研究,可操作性差等。2.2.4作物光谱反射率每一种物质对不
18、同波长电磁波的吸收和反射都不同,物质的这种对不同波段光谱的响应特性叫光谱特性 【34】 。作物发生水分亏缺会引起叶片颜色、厚度、形态结构等发生一系列变化,从而引起光谱反射特性的变化。基于物体光谱反射特征识别物体的遥感技术使作物水分实时监测和快速诊断成为可能。为了明确水分的敏感光谱,Thomas用完全饱和的叶片在室温下逐渐干燥的方法来获取不同叶片含水量下的反射光谱,并对叶片含水量与光谱反射率之间的关系作了初步探讨,结果表明,叶片的红外光谱反射率随叶片含水量的下降而增加,1450 nm和1930 nm波段的反射率与叶片相对含水量显著相关 【35】 。许多研究者对大豆、棉花、苜蓿等作物研究也发现干旱
19、时近红外波段冠层反射率降低 【36-38】 。由于植物体内水分的微弱变化就会对叶片以及冠层光谱反射率产生较大的影响,传统的宽波段遥感数据(如MSS和TM或多波段辐射仪测得的数据)难以体现光谱的精细变化,因此,越来越多的学者利用高光谱遥感对植物的水分状况进行诊断。大量研究结果表明,无论是多光谱遥感还是高光谱遥感,水分的敏感光谱波段主要集中在970、1450、1940和2500 nm左右。但由于近红外波段(1450 nm)存在着强烈的大气吸收,因此不适于高空遥感诊断 【39】 。明确了水分的敏感光谱后,许多学者对用光谱反射率诊断植株水分状况的可行性进行了分析。Penuelas等发现用水分指数WI(
20、WI=R970/R900)或者近红外波段一阶导数的最小值或其所在的波长能清楚地指示水分状况的变化 【40】 。Penuelas和Inoue随后的研究还表明,WI(WI=R900/R970)与NDVI(NDVI=(R900-R680)/(R900+R680)的比值WI/NDVI不仅可以用来预测叶片的水分含量,还可以用来预测植株或冠层的含水量,且显著提高了预测的精度 【41-42】 。国内田庆久等人用地物光谱仪对大田小麦进行了光谱反射率测试,发现小麦叶片相对含水量与光谱反射率在1.45m附近的水特征吸收峰深度和面积呈良好的线性正相关关系 【43】 。田永超等人研究发现R(610,560)/ND(8
21、10,610)是预测小麦水分状况的良好光谱植被指数 【44】 。作物光谱研究是实现大面积农田作物水分状况非接触和无损监测方法的开拓,与其他作物水分监测诊断方法相比有着不可替代的优势,而遥感技术的发展将进一步推动该方法在水分亏缺诊断上的应用。但目前的研究主要集中在找出植株水分状况与光谱反射之间的定性关系,关于水分胁迫引起植株内部状况变化的机理性研究较少,如水分变化引起的细胞、组织和植株及冠层形态的变化以及叶龄、物种、土壤、风速、水气压、太阳高度角等对植株反射光谱的影响,都还有待于进一步研究。因此,如何消除这些因素对光谱反射的影响,建立机理性强而可靠的作物水分光谱诊断和预测模型,应该是今后发展的方
22、向 【45】 。2.2.5植株蒸腾速率蒸腾速率是指植株在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。植物蒸腾量的热学测定法大致可分为热脉冲法、热平衡法和热扩散法3类。热平衡法和热扩散法是根据植株茎秆或根部液流的热传输特性变化与液流速率之间的定量关系来推求植株的蒸腾速率和蒸腾量。这两种方法不受植株液流方向及其分布形式的影响,有利于测定通过植株茎秆或根部的蒸腾总量;但这些方法对加热源和检测器的精度要求较高,仪器较为复杂,而且容易产生较大误差。热脉冲法则是根据植株茎秆或根部液流运动对热脉冲信号的传输速率来测量蒸腾量的,所以它对加热器和检测器的精度要求较低,测量的精度和分辨率也较高。国内外在利用热学法测量植株蒸腾量时,选择用热脉冲法的较多 【46】 。蒸腾速率是反映作物需水状况的一个基本信息。但当前在热学法测定蒸腾过程方面的研究仍存在许多问题,主要表现在以下方面:(1)由于不同植株茎部或根部的茎秆液流量变化很大,由此引起的热传播特征也有很大变化,而现有的检测技术对此缺乏足够的考虑,没有根据茎秆或根部的液流量大小来调整加热器和检测装置的安放位置、量程和灵敏度,因而使得测量精度难以保证,特别是在夜晚液流速
