本发明涉及一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法，属于智能化农业技术领域。
背景技术：
番茄是我国主要蔬菜之一，种植面积大，达960万公顷，氮磷钾是作物生长发育所必须的大量元素。番茄由于生长周期长，生长发育过程中很容易出现氮磷钾各营养元素的比例失调和缺乏，氮磷钾缺乏和过量施用对作物产量、品质和环境污染产生重要影响。及时、准确的对作物氮磷钾营养水平对提高氮磷钾管理水平和使用效率具有重要意义。另外，氮磷钾营养水平的实时监控对于节省肥料和降低盲目过度施肥造成的环境污染具有重要意义。按照作物生长所需营养元素定时、定量提供营养是最理想的变量施肥方式。然而，对营养元素的准确检测和诊断是实现这种变量施肥的关键和前提。
传统化学检测方法虽然准确，但由于存在费时、成本高、对样本的破坏性等缺点，已不能满足现代农业快速发展需要。迫切需要研发新的作物氮磷钾营养检测方法。近年来，快速、实时、无损检测是农业工程领域研究热点。利用光谱技术和图像技术对作物氮营养检测进行了大量研究并取得较好成果，目前已研发出相应的商用传感器。但在磷钾检测方面还存在检测精度低的问题。另外，光谱和图像技术对外部环境信息，尤其是对光照的敏感性限制了其在实际中的应用。因此，迫切需要研发一种新颖的作物营养检测和诊断方法。
植物电阻抗谱是一种利用小幅度正弦信号作为激励信号测量生物电特性的方法，通过非破坏确定电阻抗谱参数可以在很宽的频率范围内获得植物组织和器官的生理和病理信息。电阻抗谱参数可以准确反映生物组织的物理化学变化。和光谱、图像技术相比，电阻抗谱技术具有测量间接、低成本和对外部环境信息不敏感的优点。电阻抗谱技术目前已在作物损伤、冻害、重金属胁迫、低温胁迫、干旱胁迫、作物根生长、果蔬成熟度、作物含水率等研究中得到应用，但在作物营养水平检测研究中较少。
在现有技术中，申请号为200910093917.x的中国专利《一种多通道电阻抗式植物含水率监测系统》公开了一种基于植物电阻抗的含水率采集系统，利用植物电阻抗测量的方式，通过植物电阻抗与其内部含水率的对应关系测量出植物内部含水率的变化，实现了对植物含水率的快速测量，但该专利未给出含水率的敏感频段和敏感电参数，也没有建立含水率监测模型。
专利(申请号为201010262485.3)公开了《作物电阻抗谱检测系统及方法》，实现了对作物电阻抗谱获取，但未对获取的电阻抗谱做进一步分析，不能应用到实际中。
论文《基于叶片组织液阻抗的玉米钾营养状况监测(农业机械学报，2013,44(1):185-189)》公开了一种玉米钾营养状况监测系统及方法，利用叶片组织液阻抗参数对玉米各生育期钾营养状况的进行了监测，提取了钾质量分数敏感频段，建立了各生育期的钾质量分数预测模型，实现了对玉米钾的准确预测，但由于需要对从植株摘取叶片并进行榨汁破坏性处理，不能实现实时、在线无损监测。
技术实现要素：
为了弥补上述不足和满足对作物营养信息评价的需要，本发明提出了一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统及其方法。该系统通过快速采集植物活体叶片电阻抗信息，并在此基础上通过相关分析、和主成分分析等方法，获取磷敏感频段和敏感电阻抗谱参数，在此基础上建立磷营养预测模型，并对模型精度、有效性进行验证，实现了对植物磷营养水平的实时、快速、低成本、活体、无损、在线监测。具体技术方案如下：
一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统，包括阻抗分析仪、生物阻抗接口、电极、pc机、带孔限位夹板和被测试叶片。
所述阻抗分析仪为英国solartron的1260a，其一方面通过专用接口与生物阻抗接口相连，另一方面阻抗分析仪通过gpib总线与pc机连接。
所述的pc机为具有gpib接口或能接gpib扩展接口的台式或笔记本电脑，用于设置采集参数、存储和分析采集数据等。
所述的电极为四端不锈钢针状电极，由四根长12mm、直径为0.7mm的不锈钢针和厚度为2mm绝缘性高的绝缘板构成，绝缘板呈长40mm、宽15mm的圆角矩形。为了确保不锈钢针刺穿叶片时对叶片损伤小且刺穿叶片时钢针不变形，采用了长12mm、直径为0.7mm的不锈钢针，四根钢针在绝缘板上呈直线平行排列，垂直穿过绝缘板，钢针与绝缘板接触处用绝缘胶固定，为了适合大多数叶片测量，4个电极间均为10mm。
所述生物阻抗接口为英国solartron的1294，一方面通过专用接口与阻抗抗分析仪连接，另一方面通过生物阻抗接口的gen-vh、gen-vl、vh、vl四个端子分别与电极的四个不锈钢针端子对应连接，以提高测量数据的准确性和可靠性。
所述被测试叶片为植物新鲜叶片，测量阻抗时将电极(四根不锈钢针)沿着与叶脉平行且与叶脉相距3mm的叶片上的位置垂直刺入叶片，被测试叶片可根据事先需要从植物摘除或者在植株上进行活体测量。
所述带孔限位夹板为两个平行的长、宽、高分别为40mm、15mm、2mm的绝缘板，其上面带有4个孔，孔的直径、位置、排列方式与电极上的四个针状端子相匹配。
利用上述检测系统，本发明提出了一种基于叶片电阻抗谱的植物磷营养元素的检测方法，包括步骤：
步骤1，含磷量不同的作物样本的培育；
植物种子经过消毒后，在育苗盘进行育苗，育苗盘放置在温湿度、光照等环境参数可控的温室内，待植物出苗并长出3-4片真叶后，选择大小均匀一致的苗移栽到含有珍珠岩的盘盆内，根据山崎配方分别配置含磷量分别为25％、50％，75％、100％和150％五种不同水平的营养液，其中含磷量为100％的营养液为采用山崎配方配置的标准营养液，含磷量为25％、50％，75％的营养液为参照标准营养液所需化学试剂份额经过计算后分别从标准营养液扣除磷含量的75％、50％、25％的份额。125％的营养液含磷量为标准营养液的1.25倍。采用所配置的含磷量不同的营养液定期对植株进行浇灌，待植株长出10-12片叶子后进行阻抗测量。
步骤2，阻抗测量；
待种苗长出10-12片叶子后，选取植株从上到下的第7片叶子进行分析，采用钼锑抗吸光光度法测定被测试叶片含磷量并保存，通过与阻抗分析仪连接的pc机设置施加到被测试叶片的激励电压为0.2v，在1hz到1mhz的频率范围内设置91个采集点，1hz到1mhz的频率范围采用对数间隔。选择被测试叶片，将被测试叶片表面尘土等清理干净后，将被测试叶片铺平放置于带孔限位夹板的两个板之间，电极穿过带孔限位夹板上的4个孔，沿着与叶脉平行且相距3mm处垂直刺入被测试叶片，在电极刺穿被测试叶片时确保刺穿处不撕裂；然后开始阻抗测量并将测量数据存储在pc机待后续数据分析。
步骤3，等效电路模型建立；
被测试叶片电阻r和电抗x(ω)可从公式(1)和(2)计算获得：
r＝|z|cosθ(1)
x＝|z|sinθ(2)
式(1)中θ为相位角，z为被测试叶片的阻抗，r与x间的关系可用cole–cole图描述。
步骤4，等效电路参数计算；
常相位元件的阻抗可描述为：
式(3)中，j为虚数单位，ω为角频率,t为常相位元件cpe(constantphaseelement)系数，q为cpe指数，在0-1范围内取值。根据对阻抗数据分析和观察，cole–cole图形状为半椭圆。植物叶片复阻抗可描述为：
式(4)中，re、ri分别为胞外电阻、胞内电阻，t的单位随q值得变化而变化。因此，在分析细胞膜电容前必须准确确定q值。电容c可以表示为
c＝tωmq-1(5)
式(5)中，ωm为施豫角频率，ωm可表示为：
从式(4)和(5)，可以得出：
式(7)中，cm为细胞膜电容。
步骤5，敏感电参数及敏感频段的获取；
利用相关分析方法和主成分分析或偏最小二乘回归方法，对获得的测试数据进行分析，获取对磷敏感的电参数和相应敏感频段。
步骤6，磷营养预测模型的建立；
采用多元回归分析方法建立磷预测模型：
y＝2.791ln(x61.96khz)-29.119(8)
式(8)中，y为磷质量分数，单位为％，x61.96khz为频率61.96khz处被测试叶片的阻抗模，单位为ω.
步骤7，预测模型验证；
采用未参与预测模型建模的样本对所建立的磷预测模型进行验证，根据验证结果对模型进行修正，以确保模型的正确性。
本发明具有有益效果为：
(1)设计了一套可对作物磷营养水平进行实时、快速、无损检测的植物磷营养检测系统，通过采集植物叶片的电阻抗谱信息，通过对获取阻抗信息分析，获取磷敏感阻抗谱特征，在此基础上建立磷营养预测模型并验证，实现磷营养水平的准确预测和早期诊断，和传统图像技术和光谱技术相比，该系统具有对光照不敏感的优点。
(2)实现了磷营养水平的早期快速诊断，作物缺素信息是由内向外呈现的，只有当缺素症状发展到一定程度时才呈现出表观症状，而阻抗谱测量方法是利用电信号穿过细胞内部，可以获得细胞内部信息，因此本发明提供的磷营养检测系统和方法能够实现呈现外观缺素症状前实现对磷营养水平的检测和诊断，这对于挽救生产具有重要意义。
附图说明
图1为叶片电阻抗谱的植物磷营养检测系统结构示意图；
图2为五种不同磷营养水平下番茄叶片阻抗随频率变化关系图；
图3为五种不同磷营养水平下叶片的cole-cole变化关系图；
图4等效电路模型图；
图5为五种不同磷营养水平下两个主成分得分图；
图6为番茄叶片阻抗值与叶片磷含量相关曲线图；
图7为磷营养预测模型预测值与实际测量值关系图。
图中标号含义：1-生物阻抗接口；2-阻抗分析仪；3-pc机；4-电极；5-带孔限位夹板；6-被测叶片；
p100-采用番茄山崎配置的标准营养液浇灌培育的番茄样本。p25-采用含磷量为标准营养液的0.25倍，其他元素与标准营养液相同的营养液浇灌培育的番茄样本。p50-采用含磷量为标准营养液的0.5倍，其他元素与标准营养液相同的营养液浇灌培育的番茄样本。p75-采用含磷量为标准营养液的0.75倍，其他元素与标准营养液相同的营养液浇灌培育的番茄样本。p125-采用含磷量为标准营养液的1.25倍，其他元素与标准营养液相同的营养液浇灌培育的番茄样本。
re-胞外电阻；ri-胞内电阻；cm-细胞膜电容；cpe-常相位元件；r-电阻；x-电抗；z-阻抗。
具体实施方式
下面结合附图，并以番茄作为具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种叶片电阻抗谱的番茄磷营养检测系统，由生物阻抗接口1、阻抗分析仪2、pc机3、电极4、带孔限位夹板5组成。
其中，所述阻抗分析仪2为英国solartron的1260a，其一方面通过专用接口与生物阻抗接口1相连，另一方面阻抗分析仪2通过gpib总线与pc机3连接。
所述的pc机为具有gpib接口或能接gpib扩展接口的台式或笔记本电脑，用于设置采集参数、存储和分析采集数据等。
所述的电极为四端不锈钢针状电极，由四根长12mm、直径为0.7mm的不锈钢针和厚度为2mm绝缘性高的绝缘板构成，绝缘板呈长40mm、宽15mm的圆角矩形。为了确保不锈钢针刺穿叶片时对叶片损伤小且刺穿叶片时钢针不变形，采用了长12mm、直径为0.7mm的不锈钢针，四根钢针在绝缘板上呈直线平行排列，垂直穿过绝缘板，钢针与绝缘板接触处用绝缘胶固定，为了适合大多数叶片测量，4个电极间均为10mm。
所述生物阻抗接口1为英国solartron的1294，一方面通过专用接口与阻抗抗分析仪2连接，另一方面通过生物阻抗接口1的gen-vh、gen-vl、vh、vl四个端子分别与电极4的四个端子对应连接，以提高测量数据的准确性和可靠性。
所述被测试叶片6为番茄新鲜叶片，阻抗测量时将电极4的四个端子沿着与叶脉平行且相距3mm处垂直刺入被测试叶片6，被测试叶片6可根据事先需要从植物摘除或者在植株上进行活体测量。
所述带孔限位夹板5为两个平行的长、宽、高分别为40mm、15mm、2mm的绝缘板，其上面分别带有4个孔，孔的直径、位置、排列方式与电极4上的四个针状端子相匹配。
以番茄为实施例，对本发明提出的一种基于叶片电阻抗谱的番茄磷营养检测系统的工作过程说明如下：
培育含磷量不同的番茄叶片，从植株顶部开始，从上到下选择第七片叶子作为被测试叶片6，被测试叶片6可以根据需要选择从植株采摘或不摘下进行活体测量，将被测试叶片6表面灰尘和水滴用纸巾清楚干净，将被测试叶片6铺平放置于带孔限位夹板5的两个板之间，电极4穿过带孔限位夹板6上的4个孔，沿着与叶脉平行且相距3mm处垂直刺入叶片，在电极刺穿叶片时确保刺穿处不撕裂；然后开始阻抗测量并将测量数据存储在pc机待后续数据分析，利用相关分析或主成分分析方法对阻抗测量数据进行分析，获取磷敏感阻抗谱参数和敏感频段，并建立等效电路模型，在此基础上利用多元回归分析建立番茄磷营养预测模型，并对模型进行验证，确保模型的正确性和可靠性。，其具体实施包括以下步骤：
步骤1，含磷量不同的作物样本的培育；
番茄种子经过消毒后，在育苗盘进行育苗，育苗盘放置在温湿度、光照等环境参数可控的温室内，待番茄出苗并长出3-4片真叶后，选择大小均匀一致的苗移栽到含有珍珠岩的盘盆内，根据山崎配方分别配置含磷量分别为25％、50％，75％、100％和150％五种不同水平的营养液，其中含磷量为100％的营养液为采用山崎配方配置的标准营养液，含磷量为25％、50％，75％的营养液为参照标准营养液所需化学试剂份额经过计算后分别从标准营养液扣除磷含量的75％、50％、25％的份额。125％的营养液含磷量为标准营养液的1.25倍。采用所配置的含磷量不同的营养液定期对植株进行浇灌，待植株长出10-12片叶子后进行阻抗测量。
步骤2，阻抗测量；
待种苗长出10-12片叶子后，选取植株从上到下的第7片叶子进行分析，采用钼锑抗吸光光度法测定被测试叶片含磷量并保存，通过与阻抗分析仪连接的pc机3设置施加到被测试叶片的激励电压为0.2v，在1hz到1mhz的频率范围内设置91个采集点，1hz到1mhz的频率范围采用对数间隔。选择被测试叶片，将叶片表面尘土等清理干净后，将叶片铺平放置于带孔限位夹板的两个板之间，电极四个末端穿过带孔限位夹板6上的4个孔，沿着与叶脉平行且相距3mm处垂直刺入叶片，在电极4刺穿叶片时确保刺穿处不撕裂；然后开始阻抗测量并将测量数据存储在pc机待后续数据分析。如图2所示，五种不同磷营养水平下，叶片阻抗呈现明显变化，另外，五种不同磷营养水平下，叶片阻抗值均随着频率升高逐渐降低。
步骤3，等效电路模型建立；
被测试叶片电阻r和电抗x(ω)可从公式(1)和(2)计算获得：
r＝|z|cosθ(1)
x＝|z|sinθ(2)
式(1)中θ为相位角，z为被测试叶片阻抗，r与x间的关系可用cole–cole图描述。如图3所示，不同磷营养水平下，叶片cole–cole图呈现半椭圆。根据半椭圆形状结合数据分析，从图4中优选图4(c)作为等效电路模型。
步骤4，等效电路参数计算；
常相位元件的阻抗可描述为：
式(3)中，j为虚数单位，ω为角频率,t为常相位元件cpe系数，q为cpe指数，在0-1范围内取值。根据对阻抗数据分析和观察，cole–cole图形状为半椭圆。番茄叶片复阻抗可描述为：
式(4)中，re、ri分别为胞外电阻、胞内电阻，t的单位随q值得变化而变化。因此，在分析细胞膜电容前必须准确确定q值。电容c可以表示为
c＝tωmq-1(5)
式(5)中，ωm为施豫角频率，ωm可表示为：
从式(4)和(5)，可以得出：
式(7)中，cm为细胞膜电容。
步骤5，敏感电参数及敏感频段的获取；
利用相关分析方法和主成分分析或偏最小二乘回归方法，对获得的测试数据进行分析，获取对磷敏感的电参数和相应敏感频段。如图5，五种不同磷营养水平下样本分布在不同区域，这表明，利用阻抗谱特征可对叶片磷营养水平进行检测和诊断。如图6，在1hz～1mhz的频率范围内，91个频率点对应的阻抗值与叶片含磷量间的相关系数均在0.85以上，通过主成分分析结果，提取61.96khz处被测试叶片的阻抗模为敏感阻抗谱特征，相应的敏感频率点为61.96khz，敏感电参数为61.96khz处的阻抗值。
步骤6，磷营养预测模型的建立；
采用多元回归分析方法建立磷预测模型：
y＝2.791ln(x61.96khz)-29.119(8)
式(8)中，y为磷质量分数，单位为％，x61.96khz频率为61.96khz处被测试叶片的阻抗模，单位为ω.
步骤7，预测模型验证；
采用未参与预测模型建模的样本对所建立的磷预测模型进行验证，根据验证结果对模型进行修正，以确保模型的正确性。如图7所示，模型预测值和实践测量值误差为0.02％，表明预测模型具有较高的准确性。
最后需要说明的是，本发明提供的磷营养检测系统和方法不仅局限于番茄，也可扩展应用到其他作物，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。