本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量植物葉片電阻分布的方法，本發(fā)明還涉及上述方法的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

植物葉片組織由不同形狀、數(shù)量巨大的各種細胞組成，可分為由各細胞的細胞壁和細胞間質(zhì)組成的質(zhì)外體與由胞間連絲把相鄰細胞的原生質(zhì)貫穿在一起的共質(zhì)體。質(zhì)外體和共質(zhì)體都具有電阻，其電阻及其變化與細胞功能狀態(tài)和細胞代謝調(diào)節(jié)有關(guān)，測量和分析植物葉片的電阻信息對于研究植物的功能狀態(tài)、抗逆性評價、環(huán)境監(jiān)測和智慧農(nóng)業(yè)新技術(shù)等許多領(lǐng)域都具有重要意義。

目前，對植物電阻的測量采用的是伏安法和電橋法，采集電極為2個或4個針刺電極，測量時將2個電極分別插入葉片表面或植物莖桿上的2個點，在此2個點之間通過電流，采集這2點之間的電壓，獲得其間的電阻。該法只能得到葉片表面2個電極之間的局部電阻，并且針刺會造成葉片組織和細胞的損傷，測量誤差很大，難以應(yīng)用。

近年來，水資源短缺嚴重的制約了全球的社會發(fā)展，發(fā)展智慧型節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高水分利用效率是現(xiàn)代科技發(fā)展的方向，其中，根據(jù)植物自身的需水信息精準判斷植物缺水程度，確定合理灌溉時機和灌水量，實現(xiàn)精量灌溉是關(guān)鍵。

實現(xiàn)精量灌溉的要求有兩個：一是能夠無損、在位和靈敏的捕捉植物發(fā)出的原初需水信息，及時供水和控水；二是測量和控制方法快捷、方便、價格低廉，易于推廣。

在現(xiàn)有技術(shù)中，對植物需水信息的感知主要依據(jù)的是土壤含水量的變化，土壤水分僅僅反映了作物的水分供應(yīng)情況，并不能反映植物的缺水程度和需水要求，精準灌溉必須基于植物自身的需水信息。

葉水勢和葉片相對含水量的變化被認為是一種植物的需水信息。然而，難以對其進行活體測量；缺水時植株莖稈液流變化和莖桿木質(zhì)部水柱斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射與莖直徑變化被作為植物需水信息正在被廣泛研究。但是，這些方法測量復(fù)雜，誤差較大，不適合針對植物葉片的觀測。迄今為止，以植物為對象，準確獲取植物需水信息，并做到連續(xù)、自動監(jiān)測的研究沒有取得突破，更沒有相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種測量植物葉片電阻分布的方法，能夠?qū)χ参锶~片電阻分布進行無損、在位和連續(xù)觀測。

本發(fā)明的另一目的是提供上述測量植物葉片電阻分布的方法的應(yīng)用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種測量植物葉片電阻分布的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，制備兩個微電極陣列板；

步驟2，測量植物葉片電阻分布：

將植物葉片夾持在步驟1制得的兩個微電極陣列板之間，給其中一個微電極陣列板上的電極線施加電壓或通入電流，在另一個微電極陣列板的電極線上采集相應(yīng)的電響應(yīng)信號，將采集到的電響應(yīng)信號進行處理，得到兩個微電極陣列板的電極線交叉點處葉片的電阻值，進而得到葉片電阻的點陣分布。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中微電極陣列板為在絕緣板上設(shè)置若干條平行的導(dǎo)電電極線制成。

步驟2中兩個微電極陣列板上的電極線相互交叉，形成交叉點陣。

步驟2中電響應(yīng)信號為電阻值、電荷量、電壓或電流。

本發(fā)明所采用的另一方案，一種測量植物葉片電阻分布的方法的應(yīng)用，應(yīng)用于判斷植物缺水程度并精準灌溉的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將植物葉片夾持在兩個微電極陣列板之間，兩個微電極陣列板上的電極線相互交叉，形成交叉點陣，葉片兩個表面分別與電極線良好接觸，夾持壓力以不損傷葉片為準；

步驟2，電源模塊通過控制模塊給其中一個微電極陣列板上的電極線施加電壓或通入電流；

步驟3，采集模塊采集另外一個微電極陣列板上的電極中的電響應(yīng)信號；

步驟4，分析模塊得出兩個微電極陣列板的電極線中每個交叉點處的植物葉片電阻，并繪制出植物葉片電阻分布圖；

步驟5，根據(jù)步驟4得到的植物葉片電阻分布圖中，葉片電阻分布發(fā)生的細微變化，判斷出植物的缺水狀況，然后啟動供水系統(tǒng)，進行灌溉作業(yè)，當葉片電阻分布恢復(fù)原狀時，停止供水。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟2中微電極陣列板上的電極線施加電壓或通入電流為逐條施加電壓或通入電流，或者全部施加電壓或通入電流。

步驟3中采集模塊逐條采集微電極陣列板中的電響應(yīng)信號，或者全部采集微電極陣列板中的電響應(yīng)信號。

步驟3中電響應(yīng)信號為電阻值、電荷量、電壓或電流。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用微電極陣列獲得植物葉片電阻的分布，避免了對組織和細胞的損傷，測量準確，結(jié)果可靠；根據(jù)葉片電阻分布的變化，能夠靈敏和精準的判斷植物缺水程度，方便地做到對植物的及時、精量灌溉。本發(fā)明方法實現(xiàn)了對葉片電阻分布、缺水狀況和功能狀態(tài)的在位測量，并且測量方法簡便，成本低廉，易于推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中矩形電極板的微電極陣列示意圖；

圖2是本發(fā)明中菱形電極板的微電極陣列示意圖；

圖3是本發(fā)明中圓形電極板的微電極陣列示意圖；

圖4是本發(fā)明中微電極陣列測量植物葉片電阻分布原理圖；

圖5是實施例中正常植物葉片電阻分布圖；

圖6是實施例中缺水狀態(tài)下植物葉片電阻分布圖。

圖中，1.電源模塊，2.控制模塊，3.上電極板中分布的電極線，4.上電極板，5.下電極板，6.下電極板中分布的電極線，7.采集模塊，8.分析模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種測量植物葉片電阻分布的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，制備微電極陣列板：

在絕緣板上設(shè)置若干條平行的導(dǎo)電電極線，即得到一個微電極陣列板。制備兩個相同的微電極陣列板。電極線的間隔尺寸和電極線的線數(shù)量根據(jù)測試精度的要求確定。根據(jù)材料性質(zhì)、植物葉片面積、外圍電路以及環(huán)境要求等因素可以將微電極陣列板設(shè)計成各種形狀。圖1、2、3分別給出了矩形電極板、菱形電極板和圓形電極板3種示例，電極板也可以根據(jù)需要制作成任意形狀。

步驟2，測量植物葉片電阻分布：

將植物葉片夾持在兩個微電極陣列板之間，兩個微電極陣列板上的電極線相互交叉，形成交叉點陣，葉片與兩個微電極陣列板良好接觸；給其中一個微電極陣列板上的電極逐條(或全部)施加電壓(或通入電流)，在另一個微電極陣列板的電極中逐條(或全部)采集相應(yīng)的電響應(yīng)信號，電響應(yīng)信號可以是電阻值、電荷量、電壓或電流，該電響應(yīng)信號的采集方法根據(jù)外圍電路設(shè)計的不同可有所差異；設(shè)計電路直接讀取兩個微電極陣列板的電極線交叉點處葉片的電阻值，得到葉片電阻的點陣分布，或通過定值電阻分壓、電荷積累等方式獲取各交叉點處葉片的電壓值(或電流值)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到葉片電阻的點陣分布。

本發(fā)明的原理是，植物葉片組織由不同形狀、數(shù)量巨大的細胞組成，可分為由各細胞的細胞壁和細胞間質(zhì)組成的質(zhì)外體與由胞間連絲把相鄰細胞的原生質(zhì)貫穿在一起的共質(zhì)體，質(zhì)外體和共質(zhì)體都具有電阻。使用兩個相互交叉，由多條平行電極線組成的微電極陣列板夾持住植物葉片，測量兩個微電極陣列板上電極交叉點處的葉片電阻，得到各交叉點處的葉片組織電阻點陣，獲得葉片電阻的2維分布。電極線越多，得到的電阻點陣越密集，電阻分布的精度越高。

當植物缺水時，葉片組織的質(zhì)外體首先失水，細胞壁硬化，電阻升高；隨后，細胞膜組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原生質(zhì)胞間連絲收縮甚至拉斷，電阻進一步升高；如果水分脅迫加劇，水分將從細胞內(nèi)外流，共質(zhì)體失水，出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象，導(dǎo)致電阻繼續(xù)升高；重度缺水時，細胞膜結(jié)構(gòu)破壞，膜電阻轉(zhuǎn)而下降；同時，細胞膜選擇透性的破壞使細胞內(nèi)離子大量外滲，造成細胞壁及細胞間隙離子濃度增加，進一步降低了質(zhì)外體電阻。因此，葉片組織電阻分布中任何一點電阻的升高意味著葉片水分虧缺的開始，電阻分布升高幅度越大，表明缺水程度越嚴重，而電阻的下降則代表了葉片細胞發(fā)生了不可逆損傷。據(jù)此，本發(fā)明提出植物葉片電阻分布中任何一點電阻的升高是植物葉片需水的早期和靈敏信號，此時供水是保證葉片需水要求的最佳時機；當電阻分布恢復(fù)原狀時，可停止灌溉，從而實現(xiàn)精量灌溉。

采用微電極陣列測量植物葉片電阻分布，如圖4所示，電源模塊1通過控制模塊2給上電極板4上的電極線3逐條(或全部)施加電壓(或通入電流)，采集模塊7采集下極板5中的電極線6上的電響應(yīng)信號(電阻值、電荷量、電壓或電流)，分析模塊8得到上下微電極陣列板電極線每個交叉點處的葉片電阻，各交叉點處的葉片電阻構(gòu)成了葉片的電阻分布，根據(jù)葉片電阻分布及其變化實現(xiàn)植物的狀態(tài)識別、自動灌溉、環(huán)境檢測和遠程監(jiān)控。

本發(fā)明一種測量植物葉片電阻分布的方法應(yīng)用于判斷植物缺水程度并精準灌溉的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將植物葉片夾持在兩個微電極陣列板之間，兩個微電極陣列板上的電極線相互交叉，形成交叉點陣，葉片兩個表面分別與電極線良好接觸，夾持壓力以不損傷葉片為準；

步驟2，電源模塊1通過控制模塊2給其中一個電極板上的電極線逐條(或全部)施加電壓(或通入電流)；

步驟3，采集模塊7逐條(或全部)采集另外一個電極板上的電極中的響應(yīng)電信號(電阻值、電荷量、電壓或電流)；

步驟4，分析模塊8得出兩個電極板的電極線中每個交叉點處的植物葉片電阻，并繪制出植物葉片電阻分布圖；

步驟5，根據(jù)步驟4得到的植物葉片電阻分布圖，可以分辨出葉片電阻分布中發(fā)生的任何細微變化，啟動供水系統(tǒng)，進行灌溉作業(yè)，當葉片電阻分布恢復(fù)原狀時，停止供水。

實施例：

本實施例中的微電極陣列為在PCB板上制作的銅電極陣列，2個電極板的面積為7cm×10cm，電極板上的電極數(shù)各為40條，待測量的植物葉片為盆栽植物燕子掌。

采用本發(fā)明的方法測量燕子掌葉片中一部分的組織電阻分布，用黑點的大小代表測量點葉片組織電阻的大小，黑點越小表示電阻越小。圖5為正常生長的燕子掌葉片中一部分組織的電阻分布，由圖5可見，葉片不同部位的電阻大小不同，葉脈部分電阻較小，葉肉部分的電阻分布較大，葉肉部分的電阻大小也不均勻。

圖6為缺水狀態(tài)下的燕子掌葉片中相同部分的組織電阻分布圖，對比圖5和圖6可見，正常和缺水時葉片的電阻分布明顯不同，葉脈部分的電阻變化不大，但是葉肉部分許多區(qū)域的電阻變大了，說明這些組織處于缺水狀態(tài)。電阻變化越大，說明缺水越嚴重。如果根據(jù)電阻分布的變化情況及時啟動灌水機構(gòu)，當電阻分布恢復(fù)原狀時停止灌水，即可以實現(xiàn)精量灌溉。

應(yīng)該說明，本實施例僅為本發(fā)明的一種實施方式，而非對其的限制。

電極板的形狀、電極線的排布方式和電極線的數(shù)目都可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整和改進。電極線線條及間隔越細，條數(shù)越多，得到的葉片電阻點陣越密集，電阻分布越準確。在采集模塊7和分析模塊8中，讀出電阻的方法有很多，任何能夠讀出電阻的電路都在專利的保護范圍之內(nèi)。除此之外，在本發(fā)明的原理和技術(shù)方案下實施的任何非實質(zhì)性調(diào)整、修改和潤飾均屬于本發(fā)明的保護范圍。