余禮根 李長(zhǎng)纓 陳立平 薛緒掌 衛(wèi)如雪 郭文忠

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.佐治亞大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系，蒂夫頓 GA 31793)

番茄聲發(fā)射信號(hào)功率譜特征分析

余禮根1,2李長(zhǎng)纓3陳立平1,2薛緒掌1,2衛(wèi)如雪1,2郭文忠1,2

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.佐治亞大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系，蒂夫頓 GA 31793)

采用番茄品種“佳麗14”為試材，采集盆栽番茄聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換與頻譜分析，獲取番茄在水分虧缺條件下聲發(fā)射信號(hào)、土壤含水率及光合特征的連續(xù)變化規(guī)律及相互關(guān)系。依據(jù)土壤含水率變化將試驗(yàn)過(guò)程劃分為DAY1、DAY2、DAY3和DAY4共4個(gè)階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，番茄聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生頻次呈現(xiàn)出規(guī)律性，高峰期發(fā)生時(shí)間為每天10:00—16:00，幅值分布在40～60 dB；番茄聲發(fā)射信號(hào)的主頻和中心頻率分布于250～375 kHz，隨著土壤含水率的降低，其主頻與中心頻率無(wú)顯著變化；DAY1的第1共振峰頻率分布在0～125 kHz，第2共振峰、第3共振峰位于250～375 kHz，DAY2、DAY3和DAY4的第1、第2、第3共振峰均分布在250～375 kHz；從共振峰幅值上看，DAY1的排列順序?yàn)榈?、第2、第1共振峰；DAY2和DAY4的次序與之相反。番茄葉片凈光合速率變化呈現(xiàn)單峰曲線，在中午12:00出現(xiàn)峰值，番茄的胞間CO2濃度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。綜合分析番茄聲發(fā)射信號(hào)、土壤含水率和光合特征參數(shù)變化可知，番茄灌溉初期與灌水后期的聲發(fā)射信號(hào)共振峰頻率、幅值的變化規(guī)律不同，其與水分虧缺程度密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度和光合作用具有相關(guān)性。通過(guò)番茄聲發(fā)射信號(hào)功率譜特征分析可為番茄聲發(fā)射特性研究提供一種分析方法。

番茄； 聲發(fā)射； 功率譜； 土壤含水率； 共振峰

引言

植物水分虧缺程度不僅是表征植物生長(zhǎng)狀況的一個(gè)重要生命指標(biāo)，而且是調(diào)控植物生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)鍵反饋因子。因此，對(duì)于不同尺度下植物水分虧缺程度的識(shí)別與表征以及植物生命健康需水信息的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，對(duì)植物水分狀態(tài)快速準(zhǔn)確的測(cè)量顯得尤為重要[1-2]。

近年來(lái)對(duì)植物水分生理的研究表明，植物一直以自己的“語(yǔ)言”在傳達(dá)著缺水信號(hào)。植物的“語(yǔ)言”是指發(fā)生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂時(shí)發(fā)出的爆裂聲，或稱為“尖叫聲”，即植物聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)現(xiàn)象。學(xué)者們研究聲發(fā)射時(shí)，一方面將聲發(fā)射速率或數(shù)量與木質(zhì)部突變過(guò)程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如凍融過(guò)程[3-4]、干旱脅迫過(guò)程[5-8]、干濕交替應(yīng)變過(guò)程[9]和病蟲(chóng)害脅迫過(guò)程[10-12]；另一方面將植物不同部位作為研究對(duì)象，如植物枝干[13-14]、葉片[15]或莖稈切片[16]均可采集到AE信號(hào)，并作為一種機(jī)體信息的應(yīng)力表達(dá)。已有的研究結(jié)果表明，AE信號(hào)可作為一個(gè)特殊的植物響應(yīng)用于作物生長(zhǎng)狀態(tài)評(píng)估與病蟲(chóng)害脅迫監(jiān)測(cè)。但在其廣泛應(yīng)用之前，需要進(jìn)一步研究植物在水分虧缺狀態(tài)下的頻譜規(guī)律與響應(yīng)機(jī)理。

功率譜分析是一種可以把AE信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域中研究AE信號(hào)的特征分析方法[17-20]。功率譜反映的是隨機(jī)信號(hào)能量隨頻率的分布情況，通過(guò)功率譜分析獲得番茄植株AE信號(hào)隨土壤含水率變化的頻譜特征，獲得各個(gè)頻段譜分量性能、功率譜和能量譜數(shù)據(jù)，提煉能夠反映不同含水率條件下番茄AE信號(hào)的代表性功率譜特征參數(shù)。

本文通過(guò)番茄盆栽試驗(yàn)，測(cè)定分析灌溉飽和水后的土壤含水率、光合特征參數(shù)、聲發(fā)射信號(hào)的連續(xù)變化，尋求番茄在水分充足和水分虧缺下的聲發(fā)射差異，并通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)功率譜分析，以期為番茄灌溉策略的制定提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年8月—2017年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行(39°56′32″ N，116°16′53″ E)。供試作物為番茄，品種為“佳麗14”。在育苗室內(nèi)培養(yǎng)至五葉一心時(shí)移栽于試驗(yàn)溫室塑料花盆中，盆上口直徑34.2 cm、底直徑18.5 cm、深22.3 cm，采用盆栽土壤栽培，每盆裝種植土壤11.0 kg(種植土壤為有機(jī)肥與自然土按質(zhì)量比為1:80的比例混合并用微生物菌劑和敵百蟲(chóng)作滅菌、殺蟲(chóng)處理)，施復(fù)合肥25 g。經(jīng)測(cè)定，供試土壤理化性質(zhì)為：土壤容重為1.48 g/m3，最大田間持水量為25.1%(即土壤含水率為37.1%)，電導(dǎo)率為0.5 mS/cm，有機(jī)質(zhì)含量24.5%，有效磷含量91.7 mg/kg，速效鉀含量310.6 mg/kg。試驗(yàn)番茄于2016年9月26日定植，每盆定植長(zhǎng)勢(shì)一致的植株1株，共20株，對(duì)所有供試番茄澆透水緩苗10 d后，用保鮮膜進(jìn)行覆蓋密封盆栽土壤處理。試驗(yàn)開(kāi)始于11月27日，灌溉飽和水后進(jìn)行土壤含水率、AE信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，依次將試驗(yàn)過(guò)程劃分為DAY1、DAY2、DAY3和DAY4共4個(gè)階段，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)期間進(jìn)行正常田間管理，不噴施任何農(nóng)藥和激素。

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

(1)土壤含水率：試驗(yàn)期間，在植株根部右側(cè)15 cm處安裝ECH2O土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套的GS3型土壤含水率傳感器(精度：-2%～2%)，連續(xù)監(jiān)測(cè)盆栽番茄距根莖部15 cm處的土壤含水率，每5 min讀取1個(gè)數(shù)據(jù)。

(2)光合特征參數(shù)：試驗(yàn)采用美國(guó)LI-COR 公司 Li-6400XT 型便攜式光合速率測(cè)試儀，隨機(jī)選取生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的番茄植株為測(cè)量對(duì)象，測(cè)量位置選擇為自上而下第5葉位的功能葉片，從灌溉飽和水后連續(xù)3 d測(cè)定番茄葉片凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)，從08：00—16：00，每2 h整點(diǎn)測(cè)定，為減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性，每組試驗(yàn)條件重復(fù)3次。

(3)環(huán)境參數(shù)：試驗(yàn)溫室內(nèi)環(huán)境的光照強(qiáng)度和空氣溫度采用RS-13L型記錄儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量范圍：0～55℃、0～130 klx；測(cè)量精度：±0.5℃、±5%；分辨率：0.1℃、0.01 lx，每5 min讀取1個(gè)數(shù)據(jù)。

(4)AE信號(hào)：聲發(fā)射信號(hào)采集選用MICRO Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配套聲發(fā)射采集卡PCI-2(8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 M/s采樣率、1 kHz～3 MHz頻率范圍)、聲發(fā)射傳感器選用Nano30型(響應(yīng)頻率為125～750 kHz、靈敏度為62[-72] dB ref.1 V/(m/s)[10 V/μMPa])、放大器選用2/4/6型(響應(yīng)頻率為20～1 200 kHz，20/40/60 dB 3擋)，實(shí)行24 h連續(xù)采集，每天存儲(chǔ)為1個(gè)數(shù)據(jù)文件。聲發(fā)射傳感器固定在番茄植株倒五葉位置的莖稈部位，兩者間涂抹凡士林保證充分接觸。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

選用MICRO Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套的聲發(fā)射信號(hào)分析軟件AE win-2進(jìn)行AE特征參數(shù)分析。為了研究番茄AE信號(hào)隨土壤含水率的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取灌水后連續(xù)4 d的AE信號(hào)，統(tǒng)計(jì)分析AE信號(hào)幅值(包括最大值、最小值和平均值)與發(fā)生頻次；為研究水分虧缺條件下番茄AE信號(hào)的頻譜特征，采用LabVIEW 2014編程計(jì)算頻譜特征參數(shù)，以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的方式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 盆栽番茄土壤含水率的連續(xù)變化

盆栽番茄在水分虧缺下土壤含水率的連續(xù)變化如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤含水率呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(shì)，但降低速率和變化規(guī)律不一致。灌溉飽和水后的第1天，土壤含水率從36.3%減少到27.7%，減少了8.6個(gè)百分點(diǎn)；第2天，土壤含水率從27.7%減少到22.3%，減少了5.4個(gè)百分點(diǎn)；第3天，土壤含水率從22.3%減少到19.7%，減少了2.6個(gè)百分點(diǎn)；第4天，土壤含水率從19.7%減少到19.0%，減少了0.7個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)此可知，番茄灌溉飽和水后，土壤含水率變化較大，這是因?yàn)閯偣嗨?，土壤表層較為濕潤(rùn)，蒸發(fā)量較大，土壤含水率變化較大，此后土壤含水率降低速率逐漸減少，并趨于平穩(wěn)。

圖1 在水分虧缺下盆栽番茄土壤含水率的連續(xù)變化Fig.1 Continuous variations of soil water contents with tomato under water deficit

2.2 盆栽番茄光合特征的連續(xù)變化

盆栽番茄試驗(yàn)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度、空氣溫度和光合特征的日變化如圖2、3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)溫室光照強(qiáng)度和空氣溫度連續(xù)3 d的變化基本一致。由圖3可知，番茄葉片Pn的變化呈現(xiàn)單峰曲線，在12:00出現(xiàn)峰值，自DAY1起番茄Pn分別為10.8、9.1、4.0 μmol/(m2·s)，DAY2的番茄Pn比DAY1降低了16.1%，DAY3的番茄Pn比DAY2降低了56.2%；番茄葉片Ci呈先降后增的變化規(guī)律，其最大值出現(xiàn)在8:00，DAY1、DAY2和DAY3的Ci依次是345.3、344.4、347.7 μmol/mol，差異不顯著；最小值出現(xiàn)在12:00，3 d的Ci分別是289.3、263.3、222.5 μmol/mol，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。由圖1可知，DAY1～DAY3 3 d中12:00的土壤含水率依次是31.8%、24.6%和21.2%。結(jié)合圖2中試驗(yàn)溫室光照強(qiáng)度和空氣溫度的日變化可知，隨著光照強(qiáng)度和空氣溫度的增加，番茄Ci減??；隨著土壤含水率的連續(xù)降低，番茄Ci減少的趨勢(shì)更為顯著。

圖2 試驗(yàn)溫室光照強(qiáng)度和空氣溫度日變化曲線Fig.2 Daily variation curves of illumination intensity and air temperature in experimental greenhouse

圖3 水分虧缺下番茄光合特征日變化曲線Fig.3 Daily variation curves of net photosynthetic rate (Pn) and intercellular CO2 concentration (Ci) of tomato under water deficit

2.3 水分虧缺下番茄AE信號(hào)的持續(xù)變化

水分虧缺下盆栽番茄AE信號(hào)、土壤含水率的持續(xù)變化如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，番茄AE信號(hào)為偶發(fā)性信號(hào)，在DAY1、DAY2、DAY3和DAY4的AE信號(hào)出現(xiàn)頻次、幅值和變化規(guī)律不一致，但AE信號(hào)出現(xiàn)頻次高峰期為每天的10:00—16:00，幅值集中在40～60 dB。DAY1：土壤含水率從36.3%降低到27.7%，降低幅度為8.6個(gè)百分點(diǎn)；番茄AE信號(hào)發(fā)生頻次為41，最大幅值為59 dB。DAY2：土壤含水率降低幅度為5.4個(gè)百分點(diǎn)；番茄AE信號(hào)發(fā)生頻次為6，最大幅值為45 dB。DAY3：土壤含水率降低幅度為2.6個(gè)百分點(diǎn)；番茄AE信號(hào)發(fā)生頻次為26，最大幅值為61 dB。DAY4：土壤含水率從19.7%降低到19.0%，其降低幅度為0.7個(gè)百分點(diǎn)；番茄AE信號(hào)發(fā)生頻次為3，最大幅值為48 dB。分析可知，DAY1的番茄處于灌溉后不缺水、輕度脅迫時(shí)(土壤含水率維持在田間持水量的75%～100%)，土壤含水率降低幅度越大，AE事件出現(xiàn)較為頻繁，AE信號(hào)幅值和發(fā)生頻次較大。DAY3的番茄處于缺水狀態(tài)時(shí)，土壤含水率與AE信號(hào)頻次和幅值的變化趨勢(shì)一致。對(duì)比這2種狀態(tài)下番茄AE頻次及幅值發(fā)現(xiàn)，番茄在灌溉初期、缺水初期的聲發(fā)射頻次及幅值較大，聲發(fā)射活動(dòng)較為活躍。

圖4 水分虧缺下聲發(fā)射與土壤含水率的持續(xù)變化Fig.4 Continuous variations of soil water contents and acoustic emissions of tomato under water deficit

2.4 番茄AE信號(hào)的功率譜分析

番茄AE信號(hào)x(t)一般可認(rèn)為是能量有限的隨機(jī)信號(hào)，具有時(shí)域和頻域的統(tǒng)計(jì)特性[21-22]，其周期圖法估計(jì)功率譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

其中

(2)

T=NΔt

(3)

式中T——樣本長(zhǎng)度

N——數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

Δt——采樣時(shí)間間隔

試驗(yàn)過(guò)程中，選用短時(shí)傅里葉變換(Short-time Fourier transform，SFFT)對(duì)番茄聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，窗函數(shù)選用Hanning窗，其功率譜分析軟件界面如圖5所示。

圖5 番茄聲發(fā)射信號(hào)功率譜分析軟件界面Fig.5 Power spectrum software interface for analysis of acoustic emissions for tomato

對(duì)于分布在0～500 kHz的頻譜信號(hào)均分為4個(gè)階段，分別是：0～125 kHz、125～250 kHz、250～375 kHz和375～500 kHz。頻譜特征參數(shù)從頻率和能量2個(gè)角度進(jìn)行考察，研究采用的頻率參數(shù)有主頻fp、中心頻率fa及加權(quán)功率譜頻率f50，能量參數(shù)包括有限頻帶能量ELFB和主頻對(duì)應(yīng)的能量EPF，其定義及公式如表1所示。

表1 功率譜特征參數(shù)的含義及公式Tab.1 Implication and formula for characteristic parameters of power spectrum

注：f∈(fL,fH)，fL和fH分別為低截止頻率和高截止頻率，本研究分別是0 kHz和500 kHz。

水分虧缺下番茄AE信號(hào)的功率譜特征參數(shù)如表2所示。4 d內(nèi)番茄AE信號(hào)fp和fa位于250～375 kHz，DAY1的聲發(fā)射信號(hào)fp和EPF均高于DAY2、DAY3和DAY4，中心頻率略低；DAY2、DAY3和DAY4的fa和f50非常接近。特征參數(shù)ELFB的變化規(guī)律不明顯。

表2 番茄AE信號(hào)功率譜特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of power spectrum foracoustic emissions of tomato

番茄聲發(fā)射信號(hào)共振峰對(duì)應(yīng)的頻率和幅值如表3所示。分析發(fā)現(xiàn)，DAY1的第1共振峰出現(xiàn)在0～125 kHz區(qū)間，第2共振峰、第3共振峰位于250～375 kHz區(qū)間，DAY2、DAY3和DAY4的第1、第2、第3共振峰均在250～375 kHz區(qū)間；從共振峰幅值上看，DAY1的排列順序?yàn)榈?、第2、第1共振峰；DAY2和DAY4的大小次序與之相反。功率譜分析與共振峰的計(jì)算結(jié)果與2.3節(jié)中的灌溉飽和后水分虧缺及脅迫狀態(tài)密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度及光合作用的表現(xiàn)相互一致。

表3 番茄AE信號(hào)共振峰特征參數(shù)Tab.3 Characteristic parameters of resonance peaks for acoustic emissions of tomato

3 結(jié)論

(1)隨著水分虧缺程度的加深與虧缺時(shí)間的延長(zhǎng)，番茄凈光合速率和胞間CO2濃度均降低，隨著水分虧缺程度的加劇，下降趨勢(shì)顯著，說(shuō)明番茄光合作用的降低主要是由于氣孔限制所致。

(2)番茄AE信號(hào)發(fā)生頻次每天呈現(xiàn)出規(guī)律性，高峰期發(fā)生在10:00—16:00，幅值為40～60 dB。對(duì)于不同的土壤含水率，AE信號(hào)日變化規(guī)律較為穩(wěn)定，但其發(fā)生頻次總量和最大幅值差別較大，表明土壤含水率與AE信號(hào)有著一定的相關(guān)性。

(3)頻譜分析結(jié)果表明番茄AE信號(hào)主頻和中心頻率分布在250～375 kHz，隨著土壤含水率的持續(xù)降低，其主頻與中心頻率無(wú)顯著變化。對(duì)比分析番茄AE信號(hào)的共振峰特征參數(shù)表明，番茄灌溉初期與灌水后期的AE信號(hào)共振峰幅值、頻率的變化規(guī)律不盡相同，其與水分虧缺程度密切相關(guān)，與番茄凈光合速率、胞間CO2濃度和光合作用表現(xiàn)相互一致。

1 趙燕東，高超，張新，等．植物水分脅迫實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法研究進(jìn)展[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(7)：290-300.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160740&journal_id=jcsam.DOI: 10．6041/ j．issn．1000-1298.2016.07.040.

ZHAO Yandong, GAO Chao, ZHANG Xin, et al.Review of real-time detecting methods of water stress for plants[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 290-300.(in Chinese)

2 OSAKABE Y, OSAKABE K, SHINOZAKI K, et al.Response of plants to water stress[J].Frontiers in Plant Science, 2014, 5(5):86.

3 MAYR S, SPERRY J S.Freeze-thaw-induced embolism in Pinuscontorta: centrifuge experiments validate the“thaw-expansion hypothesis” but conflict with ultrasonic emission data[J].New Physiologist, 2009, 185(4): 1016-1024.

4 CHARRIER G, CHARRA-VASKOU K, KASUGA J, et al.Freeze-thaw stress: effects of temperature on hydraulic conductivity and ultrasonic activity in ten woody angiosperms[J].Plant Physiology, 2014, 164(2): 992-998.

5 KIKUTA S B.Ultrasound acoustic emissions from bark samples differing in anatomical characteristics[J].Phyton,Annales Rei Botanicae, 2003, 43(1): 161-178.

6 楊世鳳，錢東平，霍曉靜，等．作物水脅迫聲發(fā)射檢測(cè)及視情灌溉系統(tǒng)的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(5)：150-152.

YANG Shifeng, QIAN Dongping, HUO Xiaojing, et al.Test of water stress in crops with acoustic emission technology and automatic irrigation system[J].Transactions of the CSAE, 2001, 17(5): 150-152.(in Chinese)

7 尹飛星，孫耀杰，高麗哲，等．作物水脅迫聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007，29(3)：84-86.

YIN Feixing, SUN Yaojie, GAO Lizhe, et al.Study on monitoring system of crop water stress[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007，29(3): 84-86.(in Chinese)

8 高峰，俞立，張文安，等．基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量灌溉系統(tǒng)的初步研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(1)：60-63.

GAO Feng, YU Li, ZHANG Wen’an, et al.Preliminary study on precision irrigation system based on wireless sensor networks of acoustic emission technique for crop water stress[J].Transactions of the CSAE, 2008, 24(1): 60-63.(in Chinese)

9 ROSNER S, KARLSSON B O, KONNERTH J, et al.Shrinkage processes in standard-size Norway spruce wood specimens with different vulnerability to cavitation[J].Tree Physiology, 2009, 29(11): 1419-1431.

10 王秀清，王海燕，楊世鳳．基于近場(chǎng)聲全息的植物病害檢測(cè)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(2)：256-261.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140243&journal_id=jcsam.DOI: 10．6041/j．issn．1000- 1298．2014．02．043.

WANG Xiuqing, WANG Haiyan, YANG Shifeng.Plant disease detection based on near-field acoustic holography[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 256-261.(in Chinese)

11 王秀清，張春霞，楊世鳳．番茄病害脅迫聲發(fā)射信號(hào)采集與聲源定位[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(4)：159-162.

WANG Xiuqing, ZHANG Chunxia, YANG Shifeng.Detection and indentification for disease stress tomato acoustic emission signal[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(4): 159-162.(in Chinese)

12 王秀清，王尹超，楊世鳳，等．基于柱面近場(chǎng)聲全息的植物病害脅迫分析[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(10)：179-183.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no= 20121032& journal_id=jcsam.DOI: 10．6041/ j．issn．1000-1298．2012．10．032.

WANG Xiuqing, WANG Yinchao, YANG Shifeng, et al.Plant disease stress analysis based on cylindrical near-field acoustic holography[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(10): 179-183.(in Chinese)

13 KASUGA J, CHARRIER G, UEMURA M, et al.Characteristics of ultrasonic acoustic emissions from walnut branches during freeze-thaw-induced embolism formation[J].Journal of Experimental Botany, 2015, 66(7): 1965-1975.

14 VERGEYNST L L, SAUSE M G, HAMSTAD M A, et al.Deciphering acoustic emission signals in drought stressed branches: the missing link between source and sensor[J].Frontiers in Plant Science, 2015, 6: NO.494.

15 KIKUTA S, GULLO M, NARDINI A, et al.Ultrasound acoustic emissions from dehydrating leaves of deciduous and evergreen trees[J].Plant Cell & Environment, 1997, 20(11): 1381-1390.

16 HACKE U G, SPERRY J S, PITTERMANN J.Drought experience and cavitation resistance in six shrubs from the Great Basin, Utah[J].Basic & Applied Ecology, 2000, 1(1): 31-41.

17 MAIA L H A, ABRAO A M, VASCONCELOS W L, et al.A new approach for detection of wear mechanisms and determination of tool life in turning using acoustic emission[J].Tribology International, 2015, 92: 519-532.

18 RASTEGAEV I, DANYUK A, AFANAS’YEV M, et al.Acoustic emission assessment of impending fracture in a cyclically loading structural steel[J].Metals, 2016, 6(11): 1-11.

19 段虎明，石鋒，馬穎，等．基于功率譜密度的路面評(píng)價(jià)與特征參數(shù)提取[J]．振動(dòng)與沖擊，2013，32(4)：26-30.

DUAN Huming, SHI Feng, MA Ying, et al.Evaluation and extracting characteristic parameters for a road profile based on PSD[J].Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(4): 26-30.(in Chinese)

20 張雅靜，林莉，李喜孟．超聲功率譜特征參數(shù)在復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2010，46(3)：159-163，170.

ZHANG Yajing, LIN Li, LI Ximeng.Application of characteristic parameters of ultrasonic power spectrum in testing for composite porosity[J].Physical Testing and Chemical Analysis Part A: Physical Testing, 2010, 46(3): 159-163, 170.(in Chinese)

21 ROO L D, VERGEYNST L L, BAERDEMAEKER N J F D, et al.Acoustic emissions to measure drought-induced cavitation in plants[J].Applied Sciences, 2016, 6(3): 1-15.

22 GAGLIANO M.Green symphonies: a call for studies on acoustic communication in plants[J].Behavioral Ecology, 2013, 24(4):789-796.

PowerSpectrumCharacteristicsAnalysisforAcousticEmissionsSignalofTomato

YU Ligen1,2LI Changying3CHEN Liping1,2XUE Xuzhang1,2WEI Ruxue1,2GUO Wenzhong1,2

(1.BeijingResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China2.NationalEngineeringResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China3.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,UniversityofGeorgia,TiftonGA31793,USA)

Taking tomato variety of ‘Jiali14’ as experimental materials, the relationship among the acoustic emissions signal, soil water contents and photosynthetic characteristic parameters of tomato under water deficit was analyzed.The short-time Fourier transform and power spectrum analysis computed by LabVIEW 2014 were employed to examine the spectrum characteristics of the collected AE signals.The whole process of water deficit was approximately divided into four stages: DAY1, DAY2, DAY3 and DAY4 according to the soil water contents.The results showed that characteristics for AEs during the water deficit period were presented by a regular change pattern, while the peak time was 10:00—16:00 and the amplitude was 40～60 dB.Power spectrum for acoustic emissions of tomato was a phenomenon observed in characteristic parameters with dominant frequency (fp), central frequency (fa) and formants.The frequencies offp,faand the second, third resonance peaks of DAY1 were distributed at 250～375 kHz, where the first resonance peak of DAY1 was distributed mainly at 0～125 kHz.The first, second and third resonance peaks of DAY2, DAY3 and DAY4 were all centralized at 250～375 kHz.From the amplitude of resonance peaks, the arrangement of DAY1 was the third, second, and first formant, but the order of formants for DAY2 and DAY4 were opposite of DAY1.A single peak curve was existed with net photosynthetic rate of tomato, and the peak valuePnoccurred at 12:00, whereas the intercellular CO2concentrations were increased firstly and then decreased with the decrease of soil water contents.Although the changes of amplitude and frequencies of resonance peaks for acoustic emissions of tomato in initial irrigation stage and late irrigation stage were different, a good correspondence between AE outcomes and experimental observations of the net photosynthetic rate, intercellular CO2concentrations and photosynthetic performances was obtained and discussed.This result may provide a new monitoring method for acoustic emissions characteristics of water deficit through power spectrum analysis.

tomato; acoustic emission; power spectrum; soil water contents; resonance peak

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.023

S641.2

A

1000-1298(2017)10-0189-06

2017-06-22

2017-08-03

科技部星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2015GA600005)和北京市農(nóng)林科學(xué)院設(shè)施園藝科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(JNKST201615)

余禮根(1985—)，男，助理研究員，博士，主要從事動(dòng)植物聲信息感知技術(shù)研究，E-mail：yulg@nercita.org.cn

郭文忠(1970—)，男，研究員，主要從事設(shè)施蔬菜高產(chǎn)高效栽培技術(shù)研究，E-mail：guowz@nercita.org.cn