一种测量植物叶片电阻分布的方法及其应用与流程

本发明属于农业应用技术领域，涉及一种测量植物叶片电阻分布的方法，本发明还涉及上述方法的应用。

背景技术：

植物叶片组织由不同形状、数量巨大的各种细胞组成，可分为由各细胞的细胞壁和细胞间质组成的质外体与由胞间连丝把相邻细胞的原生质贯穿在一起的共质体。质外体和共质体都具有电阻，其电阻及其变化与细胞功能状态和细胞代谢调节有关，测量和分析植物叶片的电阻信息对于研究植物的功能状态、抗逆性评价、环境监测和智慧农业新技术等许多领域都具有重要意义。

目前，对植物电阻的测量采用的是伏安法和电桥法，采集电极为2个或4个针刺电极，测量时将2个电极分别插入叶片表面或植物茎杆上的2个点，在此2个点之间通过电流，采集这2点之间的电压，获得其间的电阻。该法只能得到叶片表面2个电极之间的局部电阻，并且针刺会造成叶片组织和细胞的损伤，测量误差很大，难以应用。

近年来，水资源短缺严重的制约了全球的社会发展，发展智慧型节水农业、提高水分利用效率是现代科技发展的方向，其中，根据植物自身的需水信息精准判断植物缺水程度，确定合理灌溉时机和灌水量，实现精量灌溉是关键。

实现精量灌溉的要求有两个：一是能够无损、在位和灵敏的捕捉植物发出的原初需水信息，及时供水和控水；二是测量和控制方法快捷、方便、价格低廉，易于推广。

在现有技术中，对植物需水信息的感知主要依据的是土壤含水量的变化，土壤水分仅仅反映了作物的水分供应情况，并不能反映植物的缺水程度和需水要求，精准灌溉必须基于植物自身的需水信息。

叶水势和叶片相对含水量的变化被认为是一种植物的需水信息。然而，难以对其进行活体测量；缺水时植株茎秆液流变化和茎杆木质部水柱断裂产生的声发射与茎直径变化被作为植物需水信息正在被广泛研究。但是，这些方法测量复杂，误差较大，不适合针对植物叶片的观测。迄今为止，以植物为对象，准确获取植物需水信息，并做到连续、自动监测的研究没有取得突破，更没有相应的技术产品出现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量植物叶片电阻分布的方法，能够对植物叶片电阻分布进行无损、在位和连续观测。

本发明的另一目的是提供上述测量植物叶片电阻分布的方法的应用。

本发明所采用的技术方案是，一种测量植物叶片电阻分布的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制备两个微电极阵列板；

步骤2，测量植物叶片电阻分布：

将植物叶片夹持在步骤1制得的两个微电极阵列板之间，给其中一个微电极阵列板上的电极线施加电压或通入电流，在另一个微电极阵列板的电极线上采集相应的电响应信号，将采集到的电响应信号进行处理，得到两个微电极阵列板的电极线交叉点处叶片的电阻值，进而得到叶片电阻的点阵分布。

本发明的特点还在于，

步骤1中微电极阵列板为在绝缘板上设置若干条平行的导电电极线制成。

步骤2中两个微电极阵列板上的电极线相互交叉，形成交叉点阵。

步骤2中电响应信号为电阻值、电荷量、电压或电流。

本发明所采用的另一方案，一种测量植物叶片电阻分布的方法的应用，应用于判断植物缺水程度并精准灌溉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将植物叶片夹持在两个微电极阵列板之间，两个微电极阵列板上的电极线相互交叉，形成交叉点阵，叶片两个表面分别与电极线良好接触，夹持压力以不损伤叶片为准；

步骤2，电源模块通过控制模块给其中一个微电极阵列板上的电极线施加电压或通入电流；

步骤3，采集模块采集另外一个微电极阵列板上的电极中的电响应信号；

步骤4，分析模块得出两个微电极阵列板的电极线中每个交叉点处的植物叶片电阻，并绘制出植物叶片电阻分布图；

步骤5，根据步骤4得到的植物叶片电阻分布图中，叶片电阻分布发生的细微变化，判断出植物的缺水状况，然后启动供水系统，进行灌溉作业，当叶片电阻分布恢复原状时，停止供水。

本发明的特点还在于，

步骤2中微电极阵列板上的电极线施加电压或通入电流为逐条施加电压或通入电流，或者全部施加电压或通入电流。

步骤3中采集模块逐条采集微电极阵列板中的电响应信号，或者全部采集微电极阵列板中的电响应信号。

步骤3中电响应信号为电阻值、电荷量、电压或电流。

本发明的有益效果是，本发明采用微电极阵列获得植物叶片电阻的分布，避免了对组织和细胞的损伤，测量准确，结果可靠；根据叶片电阻分布的变化，能够灵敏和精准的判断植物缺水程度，方便地做到对植物的及时、精量灌溉。本发明方法实现了对叶片电阻分布、缺水状况和功能状态的在位测量，并且测量方法简便，成本低廉，易于推广。

附图说明

图1是本发明中矩形电极板的微电极阵列示意图；

图2是本发明中菱形电极板的微电极阵列示意图；

图3是本发明中圆形电极板的微电极阵列示意图；

图4是本发明中微电极阵列测量植物叶片电阻分布原理图；

图5是实施例中正常植物叶片电阻分布图；

图6是实施例中缺水状态下植物叶片电阻分布图。

图中，1.电源模块，2.控制模块，3.上电极板中分布的电极线，4.上电极板，5.下电极板，6.下电极板中分布的电极线，7.采集模块，8.分析模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种测量植物叶片电阻分布的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制备微电极阵列板：

在绝缘板上设置若干条平行的导电电极线，即得到一个微电极阵列板。制备两个相同的微电极阵列板。电极线的间隔尺寸和电极线的线数量根据测试精度的要求确定。根据材料性质、植物叶片面积、外围电路以及环境要求等因素可以将微电极阵列板设计成各种形状。图1、2、3分别给出了矩形电极板、菱形电极板和圆形电极板3种示例，电极板也可以根据需要制作成任意形状。

步骤2，测量植物叶片电阻分布：

将植物叶片夹持在两个微电极阵列板之间，两个微电极阵列板上的电极线相互交叉，形成交叉点阵，叶片与两个微电极阵列板良好接触；给其中一个微电极阵列板上的电极逐条(或全部)施加电压(或通入电流)，在另一个微电极阵列板的电极中逐条(或全部)采集相应的电响应信号，电响应信号可以是电阻值、电荷量、电压或电流，该电响应信号的采集方法根据外围电路设计的不同可有所差异；设计电路直接读取两个微电极阵列板的电极线交叉点处叶片的电阻值，得到叶片电阻的点阵分布，或通过定值电阻分压、电荷积累等方式获取各交叉点处叶片的电压值(或电流值)，经过数据处理，得到叶片电阻的点阵分布。

本发明的原理是，植物叶片组织由不同形状、数量巨大的细胞组成，可分为由各细胞的细胞壁和细胞间质组成的质外体与由胞间连丝把相邻细胞的原生质贯穿在一起的共质体，质外体和共质体都具有电阻。使用两个相互交叉，由多条平行电极线组成的微电极阵列板夹持住植物叶片，测量两个微电极阵列板上电极交叉点处的叶片电阻，得到各交叉点处的叶片组织电阻点阵，获得叶片电阻的2维分布。电极线越多，得到的电阻点阵越密集，电阻分布的精度越高。

当植物缺水时，叶片组织的质外体首先失水，细胞壁硬化，电阻升高；随后，细胞膜组成和结构发生变化，原生质胞间连丝收缩甚至拉断，电阻进一步升高；如果水分胁迫加剧，水分将从细胞内外流，共质体失水，出现质壁分离现象，导致电阻继续升高；重度缺水时，细胞膜结构破坏，膜电阻转而下降；同时，细胞膜选择透性的破坏使细胞内离子大量外渗，造成细胞壁及细胞间隙离子浓度增加，进一步降低了质外体电阻。因此，叶片组织电阻分布中任何一点电阻的升高意味着叶片水分亏缺的开始，电阻分布升高幅度越大，表明缺水程度越严重，而电阻的下降则代表了叶片细胞发生了不可逆损伤。据此，本发明提出植物叶片电阻分布中任何一点电阻的升高是植物叶片需水的早期和灵敏信号，此时供水是保证叶片需水要求的最佳时机；当电阻分布恢复原状时，可停止灌溉，从而实现精量灌溉。

采用微电极阵列测量植物叶片电阻分布，如图4所示，电源模块1通过控制模块2给上电极板4上的电极线3逐条(或全部)施加电压(或通入电流)，采集模块7采集下极板5中的电极线6上的电响应信号(电阻值、电荷量、电压或电流)，分析模块8得到上下微电极阵列板电极线每个交叉点处的叶片电阻，各交叉点处的叶片电阻构成了叶片的电阻分布，根据叶片电阻分布及其变化实现植物的状态识别、自动灌溉、环境检测和远程监控。

本发明一种测量植物叶片电阻分布的方法应用于判断植物缺水程度并精准灌溉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将植物叶片夹持在两个微电极阵列板之间，两个微电极阵列板上的电极线相互交叉，形成交叉点阵，叶片两个表面分别与电极线良好接触，夹持压力以不损伤叶片为准；

步骤2，电源模块1通过控制模块2给其中一个电极板上的电极线逐条(或全部)施加电压(或通入电流)；

步骤3，采集模块7逐条(或全部)采集另外一个电极板上的电极中的响应电信号(电阻值、电荷量、电压或电流)；

步骤4，分析模块8得出两个电极板的电极线中每个交叉点处的植物叶片电阻，并绘制出植物叶片电阻分布图；

步骤5，根据步骤4得到的植物叶片电阻分布图，可以分辨出叶片电阻分布中发生的任何细微变化，启动供水系统，进行灌溉作业，当叶片电阻分布恢复原状时，停止供水。

实施例：

本实施例中的微电极阵列为在PCB板上制作的铜电极阵列，2个电极板的面积为7cm×10cm，电极板上的电极数各为40条，待测量的植物叶片为盆栽植物燕子掌。

采用本发明的方法测量燕子掌叶片中一部分的组织电阻分布，用黑点的大小代表测量点叶片组织电阻的大小，黑点越小表示电阻越小。图5为正常生长的燕子掌叶片中一部分组织的电阻分布，由图5可见，叶片不同部位的电阻大小不同，叶脉部分电阻较小，叶肉部分的电阻分布较大，叶肉部分的电阻大小也不均匀。

图6为缺水状态下的燕子掌叶片中相同部分的组织电阻分布图，对比图5和图6可见，正常和缺水时叶片的电阻分布明显不同，叶脉部分的电阻变化不大，但是叶肉部分许多区域的电阻变大了，说明这些组织处于缺水状态。电阻变化越大，说明缺水越严重。如果根据电阻分布的变化情况及时启动灌水机构，当电阻分布恢复原状时停止灌水，即可以实现精量灌溉。

应该说明，本实施例仅为本发明的一种实施方式，而非对其的限制。

电极板的形状、电极线的排布方式和电极线的数目都可以根据实际需要进行调整和改进。电极线线条及间隔越细，条数越多，得到的叶片电阻点阵越密集，电阻分布越准确。在采集模块7和分析模块8中，读出电阻的方法有很多，任何能够读出电阻的电路都在专利的保护范围之内。除此之外，在本发明的原理和技术方案下实施的任何非实质性调整、修改和润饰均属于本发明的保护范围。