【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的最佳度量。主要應(yīng)用在研究氣孔的活動(dòng)及作物光合作用等生理活動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)研究土壤水勢(shì)和葉水勢(shì)之間的數(shù)量變化關(guān)系來(lái)判斷水分在作物生產(chǎn)系統(tǒng)中運(yùn)輸?shù)姆较蚺c速率。土壤水勢(shì)的降低，葉水勢(shì)的恢復(fù)變慢。當(dāng)葉水勢(shì)不能得到恢復(fù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)作物永久萎蔫。此時(shí)的葉水勢(shì)和土壤水勢(shì)可作為防止作物葉片發(fā)生萎蔫的臨界閾值，是作物水分狀況基本的度量天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 指標(biāo)。鮑一丹等結(jié)合葉片電特性 (電容 )與葉水勢(shì)對(duì)玉米植株進(jìn)行了缺水度的實(shí)驗(yàn)。張文麗等研究發(fā)現(xiàn) ,葉水勢(shì)為 是光合速率和蒸騰速率敏感的臨界點(diǎn) ,可認(rèn)為葉水勢(shì) 是提高玉米光合速率和水分利用效率的重要閾值之一。 植物生理電特性信號(hào)，作物因缺水而導(dǎo)致細(xì)胞液濃度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致植物 電特性的變化。日本 Keolntaboal 測(cè)量西紅柿葉片表面電位，在光照時(shí)葉片表面電位比黑暗時(shí)高，認(rèn)為光合活動(dòng)可以從葉片表面電位反映出來(lái)。白廣存等對(duì)植物生理信息采集處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，選用微電極傳感器，實(shí)現(xiàn)了植物電位信號(hào)的多點(diǎn)采集。近期研究表明：水分、養(yǎng)分、光照、溫度、濕度等因素的變化都會(huì)引起植株局部電位（ LEP）的變化。干旱造成的植株體液濃度增高，可反映在電導(dǎo)率增高，電阻下降，因此張世芳等人通過(guò)測(cè)量植株生理電阻的變化研討了植株的虧水程度。但是采用這種方法需將電阻傳感插針刺入植株莖桿，這樣多少會(huì)對(duì)植物體 造成傷害并影響測(cè)試精度同時(shí)存在信號(hào)不敏感、誤差及變異很大 ,難以正確反映作物的實(shí)際需水信息。 其它指標(biāo)：利用聲發(fā)射技術(shù) AE（ Acoustic Emission），可以檢測(cè)得到作物的受水脅迫程度。 1993 年，米蘭大學(xué)植物學(xué)家勞恩戈還肯定植物確能發(fā)出“喝水”的“劈啪聲”借助現(xiàn)代儀器完全可變成相應(yīng)的術(shù)語(yǔ)。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊世風(fēng)、霍曉靜等首次在國(guó)內(nèi)采用了以莖部聲發(fā)射信號(hào)作為農(nóng)作物需水信息的新方法，并以溫室大面積栽培作物番茄為對(duì)象，進(jìn)行了聲發(fā)射信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)與灌溉控制效果試驗(yàn)，開(kāi)展了番茄莖部聲發(fā)射信息與其他參數(shù)關(guān)系的探索性研 究。還有人嘗試?yán)秒妼?dǎo)、電容、射線吸收等測(cè)定計(jì)算葉片及其他組織的含水量。 本課題的研究目標(biāo)及內(nèi)容 本課題所研究的作物缺水檢測(cè)儀 是為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉而設(shè)計(jì)的，主要目標(biāo)是為精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施提供較為精確的作物缺水信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉活動(dòng)，達(dá)到提高水資源利用率的效果。該作物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)非接觸式紅外測(cè)溫方法測(cè)量作物冠層溫度，采用 SHT71 溫濕度傳感器 測(cè)量大氣中的溫濕度 ， 通過(guò)冠層溫度 — 氣溫差 計(jì)算得出作物缺水指標(biāo) (CWSI)，從而反映出作物生長(zhǎng)的缺水狀況，指導(dǎo)灌溉。本課題的研究主要為系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，研 究工作有以下幾個(gè)方面： (1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)功能要求并且考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期開(kāi)發(fā)。 (2)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：主要包括嵌入式芯片的選擇、傳感器的選擇；傳感器采集電路的設(shè)計(jì)與搭建，電源電路的設(shè)計(jì)等。 (3)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：主要包括各種傳感器信息的采集，數(shù)據(jù)的顯示、處理與存儲(chǔ)，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 本章小結(jié) 本章首先介紹了研究本課題的 背景、目的與意義，接著重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于本課題的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，最后對(duì)本課題的研究目標(biāo)與內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述 。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 2 基 于冠層溫度的作物缺水信息檢測(cè)技術(shù) 基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)研究進(jìn)展 冠層溫度信息可以很好地反映作物的水分狀況。自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，基于冠層溫度的作物缺水指標(biāo)的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，即單純研究冠層溫度本身變化特征的第一階段，以冠層能量平衡原理為基礎(chǔ)的作物水分脅迫指數(shù)的第二階段和考慮冠層和土壤的復(fù)合溫度的水分虧缺指數(shù)的第三階段。指標(biāo)的發(fā)展也由使用手持式紅外輻射儀擴(kuò)大到使用航空和衛(wèi)星遙感信息。這一類指標(biāo)在點(diǎn)和區(qū)域尺度上均可應(yīng)用。加強(qiáng)這一類指標(biāo)的研究對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)作物的有效灌溉和區(qū)域水資源的管理都有 重要意義。 半干旱地區(qū)農(nóng)作物特別是冬小麥經(jīng)常遭受水分脅迫的影響，為了制定實(shí)時(shí)補(bǔ)充灌溉 計(jì)劃和管理策略需要對(duì)水分脅迫的影響進(jìn)行定量化表面溫度是聯(lián)系地表和大氣之間能量交換，藕合組成開(kāi)放表面 (exposed Surface)能量平衡的輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流傳輸過(guò)程的關(guān)鍵變量。因此，表面溫度的測(cè)定常被作為表面通量模式的輸入項(xiàng) (Kustas 和Norman 1997)，或被作為監(jiān)測(cè)作物水分脅迫的指示器 (Idso,1981)，該指標(biāo)的測(cè)定在自然和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。作物冠層溫度是指作物不同高度莖、葉表面溫度的平均值。應(yīng)用 作物冠層溫度監(jiān)測(cè)其水分脅迫的研究已有 30 多年的歷史(Tnaner,1963。Jackson,1982。Idso,1982)，作物葉片和空氣溫度差異是監(jiān)測(cè)植物水分脅迫的一個(gè)常用指標(biāo)。在過(guò)去 30 多年，對(duì)冠層溫度指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)作物水分脅迫指示器的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究 (Jackson,1982。Idso,1982)。植物水分脅迫的發(fā)生，取決于大氣的蒸發(fā)需求 (evaporation demand)和土壤水分有效性 2 個(gè)方面。蒸發(fā)需求可由水汽壓差的大小來(lái)描述，而蒸發(fā)需求的供給程度則依賴于土壤水分狀況和相對(duì)葉面積。植物冠層溫 度和水分脅迫是密切相關(guān)的，并受環(huán)境和植物因子的影響，對(duì)于后者主要是通過(guò)氣孔的關(guān)閉來(lái)響應(yīng)環(huán)境的影響。假設(shè)土壤濕度減少到一定程度后，引起氣孔關(guān)閉使蒸騰耗熱減少，導(dǎo)致冠層溫度升高且高于氣溫 (。Pearcy 等 ,1971)?；谘芯縏anner(1963)提出了“應(yīng)用葉溫可以估算水分狀況”的假設(shè)，并采用直接接觸式傳感器測(cè)定葉溫，因而存在觀測(cè)值的整代表性差的問(wèn)題，如將冠層作為一個(gè)整體，通過(guò)遙感其發(fā)出的熱輻射解決這些問(wèn)題。大量實(shí)驗(yàn)和理論研究表明應(yīng)用植物冠層溫度可獲得土壤和植物特征信息 (Tanner,1963。Jaekson 等 1982:Idso 等 1986)。植物冠層溫度與土壤含水量 (Jackson 等 1977a。Jaekson， 1982)，植物水分脅迫 (Jackson 等 1977b。Idso 等 1978)和植物蒸散率 (Idso等 1977a:Jaekson等 1983)密切相關(guān)。 Idso等 (1981)和 Jackson等 (1981)天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 提出了具有重要意義的 IdsoJackson 作物水分脅迫指數(shù) (CWS 工 )?；诠趯訙囟鹊腃WSI 與土壤含水量、土壤基質(zhì)勢(shì) (soil water matrix potential)土壤 含鹽量、植物水勢(shì)、葉擴(kuò)散阻力和光合作用密切相關(guān) (Jackson198。7dIs。等 1986)。在我國(guó)華北平原地區(qū)，作物水分脅迫指數(shù)理論模式與其它一些反映作物水分狀況的指標(biāo)，包括葉水勢(shì)、葉片氣孔阻力、葉片最大凈光合速率以及土壤水分含量之間的關(guān)系，結(jié)果表明理論模式與上述這些指標(biāo)關(guān)系良好，表明其很好的反映了作物的水分脅迫特征 (袁國(guó)富，羅毅等20xx)。這些研究結(jié)果促進(jìn)了 CWSI 的應(yīng)用，例如制定農(nóng)田灌溉計(jì)劃，預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量和監(jiān)測(cè)植物疾病 (Jackson 等 1977b:ldso 等 1977b。劉瑞文 ,1992)。 作物葉片 和空氣溫度差異是監(jiān)測(cè)植物水分脅迫的一個(gè)常用指標(biāo)而在部分植被覆蓋 條件下大多數(shù)手持機(jī)載或基于衛(wèi)星的紅外傳感器測(cè)定的是土壤和植物的混合平均溫度，測(cè)定葉溫比較困難，因此阻礙了 CWSI 由農(nóng)田尺度向區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換應(yīng)用。 Shaa等 (1986)提出基于冠層溫度來(lái)估算蒸散的方法，且蒸散與氣溫差日測(cè)定值有關(guān)。Patel(20xx)采用不同種植日期法，研究了利用遙測(cè)冠層溫度指標(biāo)來(lái)估算作物水分狀況的效果，并且對(duì)雨養(yǎng)木豆最終水分脅迫進(jìn)行定量化。冠氣溫差隨時(shí)間變化的差異清楚地描述了木豆對(duì)土壤水分有效性的不同反應(yīng)。冠氣溫差與土壤濕度、作物 根區(qū)土壤含水量和蒸散量呈顯著相關(guān)關(guān)系 (P≤ )。同時(shí)發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量與生殖生長(zhǎng)期間的冠氣溫差和脅迫度日 (stress degree day， SDD)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在生殖生長(zhǎng)階段，大豆利用水總量隨 SDD 的增加而降低。在大豆的花期單株植物的種子產(chǎn)量與 SDD 之間的密切關(guān)系，清楚地表明了利用冠層溫度資料來(lái)描述水分脅迫對(duì)雨養(yǎng)木豆影響的應(yīng)用潛力。我國(guó)關(guān)于冠層溫度反映作物水分虧缺的研究基本上還停留在研究冠層溫度本身的變化特點(diǎn)上 (董振國(guó)， 。王宏， 1992。劉恩民， 20xx)，利用遙感測(cè)定冠層溫度監(jiān)測(cè)土壤水分狀況的研究 較少 (盧志光等， 1993。蔡煥杰等， 1994)。到目前為止，我國(guó)對(duì)于基于冠層溫度的作物水分虧缺診斷研究顯得零星、單薄，沒(méi)有形成廣泛的連續(xù)的研究，并且尤其缺乏基于這種指標(biāo)的應(yīng)用研究。然而，在許多具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用中，表面溫度的測(cè)定很難達(dá)到其所要求的準(zhǔn)確度、分辨率和穩(wěn)定性。比如熱電偶這樣的溫度探頭，對(duì)表面溫度的測(cè)定依據(jù)于熱量平衡原理，通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流方式進(jìn)行熱量傳輸，其問(wèn)題是要求與被測(cè)物體表面緊密接觸，這將影響到接觸處的表面能量平衡，因此也進(jìn)一步影響到溫度 (Fuchs， 1990)。并且由于物體表面溫度梯度非常明顯 ，直接用溫度計(jì)測(cè)量表面溫度是非常困難的 (張仁華， 1992)，這種溫度探頭存在測(cè)定抽樣面積較小的問(wèn)題，而在環(huán)境條件下期望獲得的測(cè)定值能夠代表整體溫度的空間非均勻效果。而且，這種溫度探頭本身受輻射能量交換的影響，造成探頭溫度與其周圍被測(cè)物體表面溫度不同。紅外測(cè)溫引起人們極大的興趣，其通過(guò)非接觸式的表面溫度測(cè)定避免上述問(wèn)題，成為許多表面溫度測(cè)定應(yīng)用中首選方法。的確，在植被冠層內(nèi)不同葉片間存在一定的天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 溫度范圍，使用紅外測(cè)溫法 (infrared thermometry)遙測(cè)表面溫度常是唯一可行的方法和途徑 (Baker， 20xx)，但該方法仍存在測(cè)量的絕對(duì)精度受限的問(wèn)題。使用手持式紅外測(cè)溫儀觀測(cè)冠層表面溫度時(shí)受儀器本身、環(huán)境因子和植物因素等多方面的影響(Pennington 等 ,1989。Gardner 等 ,1992)。 缺水指標(biāo) CWSI 缺水指標(biāo) CWSI(Crop Water Stress Index) 是反映作物水分狀況的一種綜合指標(biāo) , 其變化范圍在 0～ 1之間，若 CWSI=0， 則水分充足 , 作物發(fā)生潛在蒸騰；若 CWSI=1，則作物水分嚴(yán)重虧缺。 CWSI 隨作物水分的消耗而增大 。 CWSI 的表達(dá)式為： pEECW SI ?? 1 （ 21） 式中， E和 Ep 分別為作物實(shí)際和潛在蒸騰速率。 缺水指標(biāo) CWSI 的計(jì)算方法可以分為能量平衡法和圖解法，其中圖解法比較常用。 (1)能量平衡法 能量平衡法是根據(jù)能量平衡方程首先計(jì)算 蒸騰速率 E 和 Ep，然后由式 21 計(jì)算CWSI 值。 能量平衡法 計(jì)算公式如下： )/1( )/1()/1(afafpaf rrr rrrrrrCWSI ??? ???? （ 22） 其中， AFAF TT ee ???? ** （ 23） 式中： r—— 濕度常數(shù)（ Pa/℃）； rf和 rfp —— 分別為實(shí)際和潛在蒸騰時(shí)的氣孔擴(kuò)散阻力 (s/m)； ra —— 空氣動(dòng)力阻力 (s/m)； *Fe 、 *Ae —— 分別為 TF和 TA 對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓 （ Pa）。 經(jīng)驗(yàn)常數(shù) rf 和 rfp 與作物種類有關(guān)， ra 與風(fēng)速及葉子尺寸有關(guān)。實(shí)際計(jì)算時(shí)，上述公式主要未知數(shù)是葉面溫度 TF 。 (2)圖解法 圖解法計(jì)算缺水指標(biāo) CWSI 示意圖 如圖 21 所示： 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 21圖解法計(jì)算缺水指標(biāo) CWSI示意圖 圖中橫座標(biāo)為空氣飽和差 （ 即飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差 , 是空氣濕度的一種表示方法 ） ,縱座標(biāo)為葉氣溫差 。 直線 AB為作物停止蒸騰時(shí)的葉氣溫差 , 稱為上基線 直線 ； CD 為作物發(fā)生潛在蒸騰時(shí)葉氣溫差與空氣飽和差之間的關(guān)系 , 稱為下基線 。當(dāng)上、下基線確定后 , 由實(shí)測(cè)的葉氣溫差 ? T 和空氣飽和差 ? e 可得到圖中的 N點(diǎn) , 對(duì)應(yīng)的缺水指標(biāo) ： CWSI=NS/MS。 這種方法雖然叫做圖解法 , 但實(shí)際計(jì)算時(shí)并不需要作圖 。 求得下基線方程后 , 由實(shí)測(cè)空氣飽和差代人下基線方程得到相應(yīng)葉氣溫差 ? T1 ， 再由實(shí)測(cè)葉氣溫差 ? T 和上基線對(duì)應(yīng)的葉 氣溫差 ? T2 ，即可計(jì)算缺水指標(biāo) CWSI，計(jì)算公式如下： 121TT TTCWS I ??? ???? （ 24） 由此可知 , 采用圖解法計(jì) 算缺水指標(biāo)時(shí) ,首先需要確定下基線和上基線 , 當(dāng)上、下基線確定后 , 缺水指標(biāo) CWSI 的計(jì)算比較簡(jiǎn)單 。 紅外測(cè)溫原理及特點(diǎn) 黑體輻射與紅外測(cè)溫原理 一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在 不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其 波長(zhǎng)的分布 —— 與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的