一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用

1.本发明属于根系-土壤水分互作检测技术领域，具体涉及一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用，尤其涉及一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用。


背景技术：

2.生物炭是通过生物质热解产生的多孔质含碳的固体，将生物炭还田可以增加土壤碳汇，改善土壤保水、保肥能力，是农业与环境可持续发展的重要措施之一。将生物炭应用于节水灌溉技术，可以提高水资源的利用效率，保障干旱地区的粮食生产。在节水灌溉技术中，地下滴灌技术通过毛细管原理将水分缓慢输送到作物根区，在作物根区形成有限的保水区域。在地下灌溉技术中，检测土壤-根系水分互作，解析根系吸水特征及作物的光合作用特征，对地下滴灌技术中的精细水分管理具有重要意义。
3.由于水分在土壤中具有时空变异性，解析根系吸水活动一直是研究的热点和难点。传统根系吸水解析法通常采用模型反演法，根据单点测量的土壤水分数据反演richards模型参数，从而估算作物的吸水活动。传统方法的问题是无法实时监测作物吸水活动的时空变异。解析作物吸水需要高时空分辨率的数据，层析成像技术，如：x射线成像、核磁共振成像（mri）和电阻率成像（ert）可以获取作物根区的高时空分辨率数据，被广泛用于表征由根系吸水引起的土壤水分变化。然而，目前的图像处理技术难以区分由根系吸水和土壤水分再分布引起的土壤水分变化。并且，层析成像技术很难在实际应用中普及推广。
4.过往研究也开发了植物生理胁迫的无损检测方法，如：基于热红外图像的光合速率、气孔导度和叶片温度等生理胁迫指标的检测方法；基于植物整体或局部器官的力学特征变化预测植物水分胁迫的检测方法。然而，基于叶片的检测方法易受环境干扰，为后期数据处理带来困难。同时，这类方法需要昂贵的检测设备，且难以及时检测到作物的生理胁迫信号。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用，所述光合速率检测方法可以及时估算植物光合速率，操作简单，受环境干扰小；且数据获取较容易，成本较低。
6.本发明提供了一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，包括如下步骤：
7.1）对植物进行负压灌溉，依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置；
8.2）对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据；
9.3）对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据分
别进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据；
10.4）依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ωn；
11.对所述湿润区内土壤水分频谱数据中的根系吸水频率进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅a；
12.5）以预定的关系式ⅰ得到光合速率；
13.，关系式ⅰ；其中，和由初始条件决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。
14.优选的，进行所述负压灌溉前还包括，向土壤中施加生物炭。
15.优选的，以滴灌进行所述负压灌溉并将滴灌管与灌溉点源连接；每一株植物的种植位置设置一个灌溉点源。
16.优选的，步骤1）中所述估算的方法包括：对土壤中的灌溉点源设置不同水平的灌溉量，每次灌溉结束后，观察浸润距离；绘制所述浸润距离与灌溉量的关系曲线，依据所述关系曲线估算所述保水区域的大小和湿润峰的位置。
17.优选的，采用土壤水分传感器进行步骤2）中所述的监测；将所述土壤水分传感器分别埋入所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置。
18.优选的，进行所述步骤4）前，消除所述湿润区内的土壤水分含量-时间t变化数据背景环境中的基频以及直流分量和水分再分布的频率。
19.本发明还提供了上述技术方案所述的光合速率检测方法在节水灌溉中的应用。
20.优选的，所述节水灌溉包括地下滴灌。
21.优选的，所述地下滴灌包括地下滴灌的精细水分管理。
22.有益效果：
23.本发明提供了一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，包括如下步骤：
24.1）对植物进行负压灌溉，依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置；
25.2）对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据；
26.3）对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据分别进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据；
27.4）依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ωn；
28.对所述湿润区内土壤水分频谱数据中的根系吸水频率进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅a；
29.5）以预定的关系式ⅰ得到光合速率；
30.，关系式ⅰ；其中，和由初始条件决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。
31.本发明使用负压灌溉方法确保保水区域边界水分振动周期与植物吸水周期一致；
使用频率分析的方法对根系保水区域边界的水分振动特性进行解析；使用弹簧-质量系统的振动模型建立该水分振动频率与植物光合速率之间的关系；使得光合速率的检测方法操作简单、受环境干扰小、且可以及时估算植物光合速率，预防作物水分胁迫；同时，本发明可以削减根系-土壤水分互作数据获取难、解析成本高等问题。当作物存在生理胁迫时，光合速率将发生变化，因此可以及时发现并有针对性的调整管理措施。当灌溉负压不能满足作物生长需求时，光合速率降低，可以及时增加灌溉负压，进而实现精细水分管理。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
33.图1为实施例1中一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法的原理图；
34.图2为实施例1中一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法的流程图；
35.图3为实施例1中番茄幼苗定植后88~93天各个土壤水分传感器的土壤水分响应；
36.图4为实施例1中水源处土壤水分振动的频谱；
37.图5为实施例1中其他传感器位置的频谱图；
38.图6为实施例1中滤波后水源处土壤水分波形及频谱。
具体实施方式
39.本发明提供了一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，包括如下步骤：
40.1）对植物进行负压灌溉，依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置；
41.2）对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据；
42.3）对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据分别进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据；
43.4）依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ωn；
44.对所述湿润区内土壤水分频谱数据中的根系吸水频率进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅a；
45.5）以预定的关系式ⅰ得到光合速率；
46.，关系式ⅰ；其中，和由初始条件决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。
47.本发明优选向土壤中施加生物炭，并混合均匀，以改善土壤的持水能力。本发明对生物炭的施加量没有特殊限定，依据本领域技术人员的经验常规添加即可。本发明所述土壤优选包括除沙土以外的任意土壤。
48.所述施加生物炭后，本发明优选在施加生物炭的土壤中埋设灌溉点源，每一株植物的种植位置设置一个灌溉点源，并优选将所述灌溉点源与负压灌溉的滴灌管进行连接，以实现对植物的负压灌溉，同时确保植物生长过程中在根系周围形成稳定的保水区域。在
本发明中，优选先设置灌溉点源后，再进行植物的种植。在本发明中，作物吸水是土壤-根系水分运移或生物炭-土壤-根系水分运移的主要驱动力，由此可以确保保水区域边界处土壤水分含量的振动周期与根系吸水周期一致。
49.得到所述保水区域后，本发明依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置。本发明所述估算的方法优选包括：对土壤中的灌溉点源设置不同水平的灌溉量，每次灌溉结束后，观察浸润距离；绘制所述浸润距离与灌溉量的关系曲线，依据所述关系曲线估算所述保水区域的大小和湿润峰的位置。本发明优选在观察浸润距离前将相对干燥的土壤移除，以方便浸润距离地观察。
50.得到所述保水区域的大小和湿润峰的位置后，本发明对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据。本发明优选采用土壤水分传感器进行所述监测，具体优选将所述土壤水分传感器分别埋入所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置。本发明对所述土壤水分传感器的来源和型号没有特殊限定，采用本领域中常规电容型土壤水分传感器即可。当温度和盐度对分析结果影响较大时，优选采用对温度和盐度不敏感的土壤水分传感器。本发明所述湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据优选以湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量随时间的变化曲线形式体现。本发明所述土壤水分含量的检测时间间隔需要保证土壤水分传感器有足够的时间分辨率，如实施例中的时间间隔为5min。
51.得到所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间变化数据后，本发明对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据。
52.在本发明中，所述干湿边界处的水分含量-时间t变化数据经快速傅里叶变换后，一般得到一个由水分的日变化引起的基频和一个由作物吸水引起的高频以及谐波，组成所述干湿边界处的土壤水分频谱数据。
53.得到所述干湿边界处的土壤水分频谱数据后，本发明依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ωn。
54.得到所述固有频率ωn后，本发明以所述固有频率ωn为对照，对所述湿润区内土壤水分频谱数据进行分析，得到由植物吸水活动引起的振动频率。本发明所述湿润区的土壤水分含量-时间t变化数据经快速傅里叶变换后，湿润区内土壤水分频谱数据中与固有频率ωn的整数倍一致的频率可判定为由植物吸水引起。
55.得到所述振动频率后，本发明优选对所述振动频率中背景中的基频以及直流分量和水分再分布的频率进行消除，保留植物根系吸水频率，得到滤波后的湿润区内土壤水分频谱数据。
56.得到所述滤波后的湿润区内土壤水分频谱数据后，本发明对所述滤波后的湿润区内土壤水分频谱数据进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅a。
57.得到所述固有频率ωn和振动振幅a后，本发明以预定的关系式ⅰ得到光合速率；
58.，关系式ⅰ；其中，和分别为振幅和相位，由初始波形决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。
59.在本发明中，可以假设保水区域边界，即湿润峰受到方向相反的力向量-土壤张力和根系吸力。根系吸力主要由根系吸水引起的水分向根部运移，光合作用是主要驱动力；土壤张力是干/湿水分边界处的弯月面现象导致的水分向四周水势较低的区域扩散，由灌溉负压决定。因此，沿着干/湿边界的法线方向存在推力和拉力，二者相互牵引制约。湿润峰在推力、拉力向量和的作用下前后振动。假设湿润峰由无限个弹簧振子构成，所述关系式ⅰ的推导过程优选包括：使用弹簧-质量系统的振动模型描述干湿边界区域的水分振动，边界区域受力向量和与沿法线方向位移可由以下微分方程式给出：
60.关系式ⅱ；
61.其中，是加速度，是弹簧上振荡器的质量，是弹性系数。
62.当=时，方程转化为：
63.，关系式ⅲ；
64.其中，为固有频率，为振动次数。方程的通解由下式给出：
65.，关系式ⅲ；
66.对这个方程求一阶导数，然后速度 由关系式ⅰ得出。
67.本发明使用负压灌溉方法确保保水区域边界水分振动周期与植物吸水周期一致；使用频率分析的方法对根系保水区域边界的水分振动特性进行解析；使用弹簧-质量系统的振动模型建立该水分振动频率与植物光合速率之间的关系。使得光合速率的检测方法操作简单、受环境干扰小、且可以及时估算植物光合速率，预防作物水分胁迫；同时，本发明可以削减根系-土壤水分互作数据获取难、解析成本高等问题。
68.基于上述优势，本发明还提供了上述技术方案所述的光合速率检测方法在节水灌溉中的应用。本发明所述节水灌溉优选包括地下滴灌，进一步优选包括地下滴灌精细水分管理。当作物存在生理胁迫时，光合速率将发生变化，因此可以及时发现并有针对性的调整管理措施。当灌溉负压不能满足作物生长需求时，光合速率降低，可以及时增加灌溉负压，进而实现精细水分管理。
69.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
70.实施例1
71.一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，步骤如下，其原理图及检测流程图分别如图1和图2所示。
72.实验在人工气候室内进行，土壤采用高温烧制粘土，实验前将土壤放入110℃烘箱干燥24h后过筛（1mm）。将处理后土壤铺入25
×
25cm圆柱形盆中，轻轻压实，压实后容重约为1.0g/cm3。将在同种土壤中育苗30日后的番茄幼苗移入盆中。灌溉点源使用纤维材料制成（toyobo, bks0812g），与供水管（滴灌管）相连。将点源埋入作物根区中间位置，确保种植
点、供水点位置一致。这样可使水分直接送入作物根区，以毛管水力将水传送到周围的土壤中，可以使水源周围形成球形土壤保水区域，将水源与根系保持一致，可使球形保水区域恰好包裹根区。
73.人工气候室内设置两个条件：条件1（8：00~22：00）为光照条件，使室内光源照射番茄苗，确保植物光合作用；条件2（22:00~8:00）下关灯。空气温度和最大湿度在条件1下设置为30℃和60%，在条件2下设置为22℃和60%。灌溉由控制器自动控制，每日光照期间灌溉间隔150min（每日6次），每次灌水量为10ml，采用液体肥料（n：p：k=5：5：5，hyponex）与灌溉水以1:500混合，作为栽培期间养分供给。
74.将电容式土壤水分传感器（ec-5，meter）分别放置在距离水源水平方向3cm、6cm和12.5cm和垂直方向3cm、6cm和17cm处。传感器长8.9cm，宽1.8cm，高0.7cm。每个测量距离板约3cm的土壤体积的圆柱形剖面。传感器垂直于水流方向安装，以尽量减少传感器体积的影响。数据由数据记录器（em5b，meter）以5min的采样间隔自动记录。每个传感器的测量值都根据实验土壤进行校准，移栽后88~93d时间段，每个土壤水分传感器的响应数据如图3所示，其中顶部的曲线是生长室内的空气温度。下一条线是植物生长及水源位置的土壤含水量。曲线h1、h2、v1和v2分别是距离水源水平方向（h1、h2）和垂直方向（v1、v2）3cm和6cm位置的土壤水分值。h1和h2、v1和v2表示湿土和干土之间边界区域的水分值。曲线h3和v3分别显示了距水源水平12cm和垂直17cm的干燥土壤的测量值。
75.由图3可以得出：每条土壤水分含量曲线显示了与生长室日常设置同步的周期性响应。水源处的传感器对供水敏感，每个尖峰代表着每次灌溉事件的水分响应。假设土壤水分的动力学函数是f（t），则有：
76.，关系式ⅳ；
77.式中α、β和a0是直流（dc）分量参数，代表累积水分增加量；t为时间，ωn为振动频率；n是傅里叶级数的谐波数，an和bn是傅里叶系数。本发明主要针对水分数据的振动分量（ac），特别是在swrz的边界区域的振动，以估计由作物吸收活动引起的水流。
78.将快速傅里叶变换（fft）应用于土壤水分数据，以分析根-土壤水系统中水分数据中振动分量参数（ac）的固有频率。水分振动是水分入渗、再分布、以及植物吸水作用的结果。其中入渗、再分布过程主要是由每次灌溉事件引起，与根系吸水活动无关。对振动分量进行频率分析，是为了抽取与植物吸水活动相关的频率。对该土壤水分含量数据采用快速傅立叶变换 （fft），以分析根-土水分系统中水分振动分量的固有频率，对水源处以及其他位置土壤水分传感器的土壤水含量进行fft变换后的土壤水分频谱分别如图4和图5所示。
79.由图4可以得出：该系统表现出周期性响应，其谐波是基频的数倍。每日光照时间（8:00am~22:00）灌溉6次，由于水分入渗过程、再分布过程、番茄吸水都会影响土壤水分的运移，可以认为5.26和5.85cycle/14h处出现的两个尖峰都是由灌溉事件引起。在10.52和11.69cycle/14h发现谐波振动，是灌溉频率的两倍。11.11cycle/14h的峰值表明在灌溉周期之外存在振动，可能由作物吸水引起。
80.图5为其他传感器位置的水分数据的fft频谱，其中h1、h2、v1和v2是干/湿土壤边界附近位置的水分振动，h3和v3是干燥土壤中的水分振动。v2在5.85cycle/14h处（标记）出现了明显的峰值。该频率与图2中显示的每日灌溉事件的频率一致，并且在其他传感器位置
未明显观测到该频率。可知该处土壤水分对作物吸水活动敏感，且作物吸水周期与灌溉周期一致，因此判定该频率为作物吸水的固有频率。
81.使用高通滤波器滤波器对图3中的土壤水分波形及频谱进行滤除，实验中水分数据的采样频率为0.00334hz。本实验使用了巴特沃斯高通滤波器，滤波器的参数设置如下：通带截止频率（wp）、阻带起始频率（ws）、通带纹波（rp）和阻带中的最小驱动（rs）分别设置为0.00005hz、0.00008hz、3db和20db。使用matlab r2018atm软件进行滤波处理。该滤波器滤除了与人工气象室日常设置（0.58cycle/14h）同步的基础频率、直流分量、灌溉频率，保留了由作物吸水引起的频率及谐波，结果如图6所示，其中（a）为巴特沃斯高通滤波器滤波后的土壤水分波形；（b）为滤波后水分数据的fft频谱。
82.由图6可以得出：由于作物光合作用与环境的日变化相关，因此fft频谱通常表现出周期性响应，且作物吸水的固有频率为基频的整数倍。使用高通滤波器滤除由水分再分布引起的频率分量，保留作物吸水的固有频率及谐波频率。图6（a）中所示该振动最大幅度为0.4（%），作物吸水速率可由公式ⅰ估算为0.9
×
10-4
（%/s）。
83.，关系式ⅰ；
84.同时，实施例也测试了非周期性灌溉的情况。在不规则灌溉的情况下，水源的频率不容易识别，因为水分振动对swrz中的灌溉敏感，但灌溉对边界区域水分输送的影响较小。实验观测到由于根系吸水引起的水分向根系运移而引起的频率，这些频率与生长室内光照频率对应，可以判断这些频率由植物光合作用引起。由边界处的水分频率可以判断水源处土壤水分频谱中由根系吸水引起的频率区域，采用滤波方法即可恢复作物吸水波形，进而估算光合速率。
85.最后应说明的是，因为本实施例采用正压灌溉法，所以作物吸水频率主要受到灌溉频率的影响，本发明技术方案提出使用负压灌溉法，由此保水区域边界处水分振动主要驱动力是作物吸水，因此干湿边界土壤水分振动频率变化反应了作物吸水频率变化，可以根据作物吸水需求调节灌溉负压，进而实现精细水分管理。在植物吸水的固有频率分析中，干湿边界土壤水分数据变换频谱后一般有一个基频和一个高频以及谐波，高频是作物吸水引起，基频是水分含量的日变化引起，在频率解析上只滤除基频即可。
86.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，包括如下步骤：1）对植物进行负压灌溉，依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置；2）对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据；3）对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据分别进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据；4）依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ω
n
；对所述湿润区内土壤水分频谱数据中的根系吸水频率进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅a；5）以预定的关系式ⅰ得到光合速率；，关系式ⅰ；其中，和由初始条件决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。2.根据权利要求1所述的光合速率检测方法，其特征在于，进行所述负压灌溉前还包括向土壤中施加生物炭。3.根据权利要求1或2所述的光合速率检测方法，其特征在于，以滴灌进行所述负压灌溉并将滴灌管与灌溉点源连接；每一株植物的种植位置设置一个灌溉点源。4.根据权利要求1所述的光合速率检测方法，其特征在于，步骤1）中所述估算的方法包括：对土壤中的灌溉点源设置不同水平的灌溉量，每次灌溉结束后，观察浸润距离；绘制所述浸润距离与灌溉量的关系曲线，依据所述关系曲线估算所述保水区域的大小和湿润峰的位置。5.根据权利要求1所述的光合速率检测方法，其特征在于，采用土壤水分传感器进行步骤2）中所述的监测；将所述土壤水分传感器分别埋入所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置。6.根据权利要求1所述的光合速率检测方法，其特征在于，进行所述步骤4）前，消除所述湿润区内的土壤水分含量-时间t变化数据背景环境中的基频以及直流分量和水分再分布的频率。7.权利要求1~6任一项所述的光合速率检测方法在节水灌溉中的应用。8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述节水灌溉包括地下滴灌。9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述地下滴灌包括地下滴灌的精细水分管理。

技术总结
本发明属于根系-土壤水分互作检测技术领域，具体涉及一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用。本发明使用负压灌溉的方法确保保水区域边界水分振动周期与植物吸水周期一致；使用频率分析的方法对根系保水区域边界的水分振动特性进行解析；使用弹簧-质量系统的振动模型建立该水分振动频率与植物光合速率之间的关系。使得光合速率的检测方法操作简单、受环境干扰小、且可以及时估算植物光合速率，预防作物水分胁迫；同时，本发明可以削减根系-土壤水分互作数据获取难、解析成本高等问题。解析成本高等问题。解析成本高等问题。


技术研发人员：李奇辰 霍丽丽 姚宗路 赵立欣 罗娟 张沛祯 贾吉秀
受保护的技术使用者：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/9