自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在經(jīng)濟林木水分管理上的應(yīng)用

吳梅 陳銘 渠心靜 李俊

摘要?自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)與常見的灌溉系統(tǒng)（噴灌系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、地表滴灌系統(tǒng)及地下滴灌系統(tǒng)）結(jié)合不僅能節(jié)省能源和人力成本、節(jié)約水資源、控制非點源污染，而且具有精確控制澆灌、零滲漏、零污染等特點，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟林木水分的研究和應(yīng)用中。概述了經(jīng)濟林木干旱研究現(xiàn)狀及相關(guān)的抗旱品種篩選方法和干旱脅迫生理研究，并以Em-5型水分傳感器和Em-50/G型數(shù)據(jù)采集器為例詳細介紹了傳感器的組成。在此基礎(chǔ)上概述了自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在林木水分研究與管理中的應(yīng)用，從合理灌溉、精準林業(yè)和智慧林業(yè)3個方面探討了其在經(jīng)濟林木應(yīng)用中需注意的重點，并提出了其今后研究和應(yīng)用的方向。

關(guān)鍵詞?自動傳感監(jiān)測系統(tǒng);林木;干旱;水分管理

中圖分類號?TP274?文獻標(biāo)識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）01-0102-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.026

Abstract?Automatically sensing monitoring system with common irrigation system （sprinkler systems， spray systems， surface drip irrigation and subsurface drip irrigation system） can not only save energy and labor costs， save water resources， control non-point source pollution， and it has accurate control to water， zero pollution， zero leakage etc， it has been widely used in the study of non-wood forest moisture. In this paper， the basic situation of non-wood forest drought research and related drought resistance screening and drought stress physiological research were summarized， and the composition of the sensor was described in detail with the Em-5 moisture sensor and Em-50/G data collector as examples. On this basis， the application of automatic sensing monitoring system in forest drought research was summarized， the key points of non-wood forest drought research were explored from three aspects of reasonable irrigation， precise forestry and intelligent forestry， the direction of future research and application was proposed.

Key words?Automatic sensing system;Forest;Drought;Water management

水是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，充足的水分供應(yīng)是植物正常生長發(fā)育的基本條件。隨著全球人口數(shù)量的增加和自然生態(tài)環(huán)境的日益惡化，全世界糧食產(chǎn)量的提高很大程度上受環(huán)境脅迫的限制，其中干旱是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要環(huán)境因素之一[1-2]。全世界由于水分虧缺導(dǎo)致的減產(chǎn)超過其他因素造成的減產(chǎn)總和。干旱嚴重影響著作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)，每年因干旱導(dǎo)致作物減產(chǎn)達50%以上。全球約1/3土地面積屬于干旱或半干旱區(qū)域，而中國干旱、半干旱地區(qū)約占國土面積的50%[3]。干旱使土壤墑情極差，導(dǎo)致多數(shù)苗木脫水現(xiàn)象嚴重，影響種苗培育和林木生產(chǎn)。春季的持續(xù)干旱易造成幼苗的生理干旱，從而導(dǎo)致種苗成活率下降[4]。經(jīng)濟林木的立地條件差，受干旱的影響程度較其他林分更大。干旱易造成結(jié)果期的經(jīng)濟林葉片枯萎脫落，新梢停止生長，果實大量脫落。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無灌溉條件下的經(jīng)濟林葉片由綠變黃，失去光合效能;外圍新梢趨于停長，開始大量落果，未脫落的果實大多形成失水果，失去了商品價值。同時，受干旱脅迫的經(jīng)濟林果實易并發(fā)日灼病，果面組織呈腐爛或干枯狀[5]。

水資源的時空分布不均，城鎮(zhèn)化進程、人口增長過快等原因?qū)е聟^(qū)域性水資源短缺，加上灌溉所需勞力成本的增長，促使園林、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域在果樹栽培、花卉種養(yǎng)、種苗培育等方面選擇更有效的灌溉系統(tǒng)[6]。自動無線傳感器技術(shù)是一種新興的用于實時監(jiān)測土壤水分含量變化的現(xiàn)場測量技術(shù)手段，在大范圍區(qū)域它具有高空間和時間分辨率[7]。自動灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在人力成本和水資源的節(jié)省，能有效控制非點源污染，減少根際病原微生物危害，提高苗木品質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于苗木生產(chǎn)中[8]。在林木栽培和研究中，常采用自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)與常見的噴灌系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)相結(jié)合，軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)操作自動化。將傳感器與自動澆灌系統(tǒng)相結(jié)合，通過實時監(jiān)測土壤基質(zhì)或植物的水分虧缺狀況來進行灌溉，從而實現(xiàn)節(jié)水目的，近年來該項應(yīng)用研究日益增多。有研究報道了一種基于基質(zhì)水分含量的電容傳感器自動澆灌系統(tǒng)，其特點是根據(jù)環(huán)境參數(shù)和植物體積的變化自動調(diào)節(jié)灌溉，能有效地將基質(zhì)體積含水量穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)[9]。該研究基于經(jīng)濟林木干旱研究現(xiàn)狀，簡要概述了自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)的組成和優(yōu)勢，并提出了今后應(yīng)用的方向和要點。

1?經(jīng)濟林木干旱研究現(xiàn)狀

1.1?經(jīng)濟林木對干旱脅迫的生理響應(yīng)

植物抗旱性是一個復(fù)雜性狀，包括植物的形態(tài)解剖構(gòu)造、水分生理形態(tài)特征及生理生化反應(yīng)到組織細胞、光合器官及原生質(zhì)結(jié)構(gòu)特點的綜合反應(yīng)。植物生長過程對干旱最為敏感，輕微的干旱脅迫就能使生長緩慢或停止。干旱條件下，植物的莖生長會受到明顯抑制，外形較正常植株明顯矮小，根冠比增大[10]。在生理生化上表現(xiàn)為氣孔關(guān)閉，光合速率迅速下降，脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累等，使植物在干旱條件下重新建立體內(nèi)代謝平衡，從而免受干旱所引起的損傷[11]。對高經(jīng)濟價值的糧油作物如水稻、玉米、大小麥等干旱脅迫研究已經(jīng)進入了分子和細胞水平[12]。但是，對于大部分林木植物來說，抗旱機理研究在植物形態(tài)、生理生化機制方面居多[13]，對于有些樹種如楊樹、松樹、杉樹等也有做到分子和細胞水平的[14]。

在干旱脅迫下，經(jīng)濟林木莖葉形態(tài)結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。初期，植物會對干旱脅迫產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，表現(xiàn)為各種生理活動減緩或停止，隨著干旱脅迫的加劇，葉片發(fā)生萎蔫，影響光合效能，抑制植物生長。對經(jīng)濟林木葉片的組織結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，葉片氣孔密度、角質(zhì)層和柵欄組織厚度與植株的抗旱性呈正相關(guān)[15]。側(cè)根對植物抗旱有重要作用[16];干旱脅迫能降低次生根的發(fā)生數(shù)量，增加初生根上分枝根的形成;根系生物量呈下降趨勢，根系活力強的林木抗旱性較強[17]。

當(dāng)植物受到干旱脅迫時，細胞壁和細胞質(zhì)膜相接觸可引起胞內(nèi)游離鈣離子濃度增加，也能造成植物活性氧迸發(fā)，導(dǎo)致細胞內(nèi)信號物質(zhì)變化，誘導(dǎo)基因表達，干旱脅迫會使植物體內(nèi)DNA發(fā)生損傷、斷裂甚至基因突變，對植物造成嚴重的傷害[18]。同樣，干旱脅迫會引起植物細胞通透性發(fā)生變化，限制水分以及營養(yǎng)物質(zhì)從細胞內(nèi)向外擴散，在一定程度上增加植物抗菌和應(yīng)對干旱脅迫的能力。在植物對干旱應(yīng)答通路研究中發(fā)現(xiàn)，S-腺苷蛋氨酸合成酶起到重要作用，S-腺苷蛋氨酸合成酶基因為木質(zhì)素合成提供甲基供體，是細胞壁木質(zhì)化過程中的關(guān)鍵基因。S-腺苷蛋氨酸的表達量會在水分脅迫下急劇增加，在持續(xù)干旱脅迫下植物細胞的伸長生長會停止，隨后植物木質(zhì)化程度加劇，減少水分和營養(yǎng)物質(zhì)向外擴散以增強植物細胞的抗旱能力[19]。

1.2?植物對干旱脅迫響應(yīng)的快速篩選技術(shù)

植物抗旱性最終應(yīng)該體現(xiàn)在產(chǎn)量指標(biāo)或與產(chǎn)量相關(guān)的指標(biāo)上，比如生長量或生物量（株高、徑長、鮮重、干重、經(jīng)濟產(chǎn)量）。除了產(chǎn)量或生物量指標(biāo)外，在干旱研究中常規(guī)的評價指標(biāo)有形態(tài)指標(biāo)（根系的長度與分布、根冠比、植株冠層結(jié)構(gòu)特征等）、生理指標(biāo)（水分生理、光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉片或冠層溫度、細胞質(zhì)膜透性等）、生化指標(biāo)（滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、脫落酸、酶活力等）。這些指標(biāo)大多需要破壞性測量。

為了加速抗旱性篩選和遺傳育種進程，國內(nèi)外學(xué)者都在找尋簡單、可靠、快捷的篩選方法和非破壞性測定指標(biāo)。近年，隨著儀器設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，一些非破壞性測量儀器為研究者們提供了方便。由于各種原因，測量結(jié)果的可靠性并不樂觀。Berger等[20]提出應(yīng)用熱紅外圖像技術(shù)（thermal infrared imaging technique或者稱infrared thermography）對大田作物如小麥、大麥、玉米等品種的抗旱性進行高效篩選（high throughput screening）的可能性。這種技術(shù)的測定原理是基于葉片在干旱脅迫下氣孔逐漸關(guān)閉，導(dǎo)致葉片溫度升高，從而通過連續(xù)測量葉片或冠層的溫度變化來判斷各個品種的耐旱性。也就是說，在相同干旱脅迫下，抗旱性高的品種有較低的葉片溫度或冠層溫度。但是，這種圖像技術(shù)目前還沒有得到應(yīng)用，一方面是設(shè)備昂貴，另一方面這種測定技術(shù)容易受其他逆境和環(huán)境條件的影響，從而產(chǎn)生測定誤差。有學(xué)者建議了相似的快速篩選法，利用便攜式氣孔導(dǎo)度計頻繁地測定葉片的氣孔導(dǎo)度，從而篩選出抗旱品種。同樣，這種技術(shù)的先決條件是要在相同的干旱脅迫程度下進行，并且不受其他環(huán)境因子如高溫等影響。也就是說，在測定氣孔導(dǎo)度的同時，也要測定土壤含水量。在相對密閉的溫室或人工氣候室內(nèi)使用時還要特別注意工作人員的呼吸導(dǎo)致二氧化碳濃度升高，從而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，造成測定誤差[21]。

還有一種快捷、非破壞性的測定方法。只有在重度干旱脅迫下，葉綠素?zé)晒獾母鱾€參數(shù)（初始熒光、最大熒光、PSⅡ最大量子效率等）才會有變化[22]。所以，葉綠素?zé)晒庾鳛楦珊得{迫的篩選指標(biāo)不夠敏感，不能單獨作為篩選指標(biāo)，但可作參考。

基于氣孔導(dǎo)度對其他環(huán)境因子的敏感性，單獨使用這個指標(biāo)不可靠，尤其是在田間情況下，要特別注意其他環(huán)境因子存在脅迫的可能性。另一種較為便捷的方法是測定葉片溫度，最好是連續(xù)測定。不管用哪種方法，都必須在同步測定干旱脅迫程度的前提下進行，并明確植株不受其他環(huán)境因子的限制。

2?自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)的組成

自動傳感系統(tǒng)主要由無線傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電磁閥、終端控制裝置等組成（圖1）。干旱研究用的傳感器有土壤水分傳感器和環(huán)境因子的傳感器，如溫濕度、光量子或日射傳感器。植物對干旱脅迫的響應(yīng)與周圍環(huán)境有直接關(guān)系，所以在監(jiān)測水分含量的同時，也要同時監(jiān)測并記錄環(huán)境因子。時域反射法（TDR）是20世紀80年代發(fā)展起來的一種土壤水分測定方法，是一個類似于雷達的系統(tǒng)，按均勻時間間隔取樣，通過脈沖從波段管的始端傳到末端的時間差來識別土壤水分的表征，從而實現(xiàn)對土壤水分變化情況監(jiān)測[23]。此方法有較強的獨立性，其結(jié)果與土壤類型、密度、溫度基本無關(guān)，測定精度比較高，但是TDR傳感器及其配套設(shè)備比較昂貴。自80年代后期以來，許多公司如AquaSPYSentek、Delta-T、Decagon（現(xiàn)改名成METER）開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤水分含量，數(shù)據(jù)采集也比較簡單。

EC-5型是由EC-10和EC-20型水分傳感器改進而來的新型傳感器，通過發(fā)射頻率為70 MHs的方形波來測量探針周圍土壤的介電常數(shù)，并通過數(shù)據(jù)采集器的計算程序?qū)⑺鶞y得的介電常數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤體積含水率。EC-5型傳感器的優(yōu)點是數(shù)據(jù)記錄時間間隔最小可達1 s，能持續(xù)監(jiān)測土壤水分變化，且能有效降低鹽分、溫度、電介質(zhì)等因素的干擾，及時反映土壤水分狀況。Em50/G是METER公司推出的5通道數(shù)據(jù)采集器（含干電池供電和太陽能板+充電電池供電2種類型），是ECH2O土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，可連接任意型號的ECH2O系統(tǒng)傳感器。Em50/G安裝在用O型圈密封防雨的防護箱內(nèi)，且電池型Em50的耗電量非常小，電池可連續(xù)使用1年，能每分鐘讀取1個數(shù)據(jù)，滿足野外長期監(jiān)測的需要。利用ECH2O Utility軟件可以設(shè)置日期、時間、測量間隔和數(shù)據(jù)收集等。

3?自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在林木干旱研究中的應(yīng)用

干旱是林木在生長過程中常遇到的逆境。干旱脅迫可導(dǎo)致苗高、地徑生長量下降50%以上。為適應(yīng)干旱，林木在逆境中表現(xiàn)出耐受性，在葉片形態(tài)及結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)及酶調(diào)節(jié)等方面會產(chǎn)生一系列生理變化，減輕甚至避免細胞受到傷害[24]。研究表明，干旱脅迫會導(dǎo)致刺槐葉片水分狀況趨于惡化，生長趨于衰弱，單株總?cè)~面積下降，各器官干物質(zhì)積累減少。山杏在干旱脅迫條件下表現(xiàn)出葉片保水力和細胞膜穩(wěn)定性相對較弱、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力相對較低的特點[24]。干旱脅迫下，油松、側(cè)柏及檸條苗木均可通過調(diào)節(jié)根系內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、淀粉和游離氨基酸的含量以提高自身對干旱的抵抗力[24]。林木對逆境的耐受性隨著植株生長而變化，一般幼苗對逆境如干旱脅迫等最敏感[25]。隨著植株生長，抗旱性也逐漸提高。但是，同樣的干旱脅迫程度在生殖生長期遭受時通常會導(dǎo)致更大的減產(chǎn)，譬如杏仁。在林木生長過程中利用自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)對林木周圍土壤含水量進行精確監(jiān)控，有利于林木正常生長，不會使其受到干旱脅迫。Nemali等[9]利用土壤（基質(zhì)）水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器和繼電控制器有效地把基質(zhì)體積含水量控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。國外學(xué)者利用傳感器系統(tǒng)和自動澆灌控制系統(tǒng)研究了幾種花卉植物和幾個棉花品種的抗旱特性[26]。至今已有很多學(xué)者采用這種自動灌溉控制系統(tǒng)，研究多種花卉植物如矮牽牛、美國礬根、長春花在形態(tài)發(fā)育、生理生化等方面的耐旱特性[27]，這種控制系統(tǒng)與實際情況不同之處在于植株生長在恒定的土壤水分含量下。

4?自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在經(jīng)濟林木水分研究和應(yīng)用中的重點和方向

4.1?合理灌溉

水分是經(jīng)濟林正常生長的重要因素。根據(jù)經(jīng)濟林生長發(fā)育的需水要求和水肥條件，有必要及時進行合理的灌溉。采用土壤水分傳感器和智能化灌溉系統(tǒng)相結(jié)合的方式，通過分析插入土壤中的水分傳感器傳輸回的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合果樹不同生育期需水規(guī)律，精確計算出林木的水分脅迫指數(shù)，可用于指導(dǎo)灌溉，避免林木發(fā)生干旱脅迫或過度灌溉。如果利用基于土壤水分含量的傳感器控制灌溉系統(tǒng)來澆灌苗圃和溫室中培育的植物，通過控制栽培基質(zhì)的含水量，使植物生長在最適的水分條件下，將極大節(jié)省灌溉用水量，同時也能減少殺蟲劑和肥水的滲漏[28]。

4.2?精確林業(yè)

在傳統(tǒng)的低效型、高能耗林業(yè)逐漸被高效、低能耗、集約、持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)方式所代替，以數(shù)據(jù)和知識高度密集為主要特征的精確林業(yè)中，自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在其中的應(yīng)用非常廣泛[29]。Dooley等[30]以精確林業(yè)為主旨進行定點作業(yè)決策，對不同傳感技術(shù)采集的數(shù)據(jù)進行比較分析，分析了林業(yè)生產(chǎn)中相對濕度、溫度、坡度和坡向、相對景觀特征的位置、可視信息、聲音、振動等實時數(shù)據(jù)采集的傳感器，以期探索出最先進的傳感器。近代植物水分生理研究也為精準灌溉系統(tǒng)提供了科學(xué)且準確的依據(jù)，即可以通過根、莖、葉等各個器官在體積上的微小變化反映出植物水分狀態(tài)的變化，這種變化能通過微米量級測量顯示出來，從而有助于實現(xiàn)真正意義上的智能節(jié)水灌溉。通過傳感器技術(shù)和灌溉技術(shù)相結(jié)合的方法，更加直接、快速、精確地測出植株的需水情況，并進行及時澆灌，既解決了灌溉用水的不必要浪費問題，也解決了經(jīng)濟林木因缺水而受到干旱脅迫的問題。

4.3?智慧林業(yè)

在人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的推動下，我國林業(yè)發(fā)展已由傳統(tǒng)林業(yè)向“智慧林業(yè)”邁進。國家林業(yè)和草原局在《中國智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》中指出，林業(yè)中信息化的應(yīng)用已經(jīng)從零散的點的應(yīng)用發(fā)展到融合的、全面的創(chuàng)新應(yīng)用，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷更新，將逐步實現(xiàn)和完善林業(yè)資源的實時、動態(tài)監(jiān)測和管理。智慧林業(yè)的發(fā)展與傳感器的廣泛應(yīng)用息息相關(guān)。首先，傳感器等技術(shù)使智慧化林業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)林業(yè)信息資源的數(shù)字化;其次，通過傳感設(shè)備和智能終端，實現(xiàn)林業(yè)信息傳輸?shù)母兄罩?、地下、地上全覆蓋，實現(xiàn)對森林、濕地、沙地、生物多樣性的現(xiàn)狀、動態(tài)變化進行有效監(jiān)管。運用傳感器技術(shù)，動態(tài)監(jiān)測經(jīng)濟林地土壤水分含量、樹體含水量和空氣相對濕度等，結(jié)合智能化澆灌系統(tǒng)，對經(jīng)濟林進行合理灌溉和栽培，全面提升經(jīng)濟林果實產(chǎn)量和質(zhì)量，推動經(jīng)濟林地可持續(xù)發(fā)展。

干旱將是一個長期存在的世界性難題。受水資源缺乏和水利設(shè)施不夠完善的限制與影響，大部分位于丘陵和山地上的經(jīng)濟林灌溉問題得不到有效解決。在一些低山丘陵地區(qū)存在降水量小、水資源不足和經(jīng)濟林蓄水保墑能力差等問題，導(dǎo)致經(jīng)濟林果實產(chǎn)量低、品質(zhì)差。因此，解決經(jīng)濟林水資源和合理灌溉的問題尤為重要?；谧詣觽鞲斜O(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合灌溉系統(tǒng)，推進對經(jīng)濟林干旱機理研究的進程，合理、精確地控制并測定植株干旱脅迫的程度，以及植株對干旱脅迫響應(yīng)的量化和評價具有重要的意義。自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中還存在諸多問題，如傳感探頭易受到土壤鹽分積累、溫度等多種因素的干擾，測量響應(yīng)速度慢和測量精度不夠高[31-32];監(jiān)測終端與各土壤水分傳感器之間全部用有線連接，必然在測量區(qū)域地下大量埋設(shè)傳感器引線，易受耕作等人為破壞，修復(fù)維護困難等。隨著自動傳感監(jiān)測系統(tǒng)的逐步完善和發(fā)展，將進一步深入對經(jīng)濟林土壤含水量問題、精準灌溉問題和經(jīng)濟林水分的研究。

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