一种基于激光散斑检测植物根系生长势的苗木活力实时监测方法

摘要

本发明公开了一种基于激光散斑检测植物根系生长势的苗木活力实时监测方法，本发明基于激光散斑的亚纳米量级的光学干涉测量方法来代替根生长势测量，本法方法具有无损、非接触的优点，可用于连续监控根系生长过程；同时检测时间短，对苗木的环境破坏小能确保能得到更准确的信息，可以实时、持续地监测根的变化。

说明书

技术领域

本发明属于植物生长监测技术领域，尤其涉及基于激光散斑的光学干涉测量苗木生长势的测量技术。

背景技术

马尾松分布广阔、生长迅速、环境适应性强，是我国南方还林工作中发挥重要作用的先锋树种，但其栽培工作并不容易。在还林的最初阶段，为了确保苗木的健康，就需要集约化的苗圃和丰富的造林实践经验，苗木质量的好坏直接关系着还林工作的成功与否。我国的生态文明建设需要大量优质的苗木，因此准确评估苗木的活力、调控苗木的质量就成了林业发展的关键技术问题。

现有技术中，评价苗木质量的方法有很多，包括测量苗木的形态指标和生理指标等等。半个多世纪以来，国际上对苗木质量评价的方法经历了由形态指标转向活力指标综合发展的阶段.常见的评价苗木活力的指标与根系有关，例如根的质量、根冠比、根系电解质渗漏和根系生长势等。根系有助于植物吸收水分，根的生长速度决定了植物的生长速度，帮助植物克服种植压力，因此根的生长在促进苗木的种植和生长方面一直被认为是重要的。栽培时，根系初期的生长情况对苗木的存活和后续的生长至关重要。该指标通过根系生长势(RGP)测试进行评估，在RGP测试中，将苗木保存在可控的环境条件下，并在固定时间后测量根系的生长。RGP还影响着水和营养的摄取，既是苗木生根能力的一个指标，又是苗木生长性能的一个衡量指标。RGP数值高就能够提高苗木的成活率且助于植物的生长。

RGP是一种有效的指标和测量方法，但它也需要足够的时间(通常是几天)才能获取。根系形态的变化是动态的、缓慢的，由于缺乏有效的高空间分辨率的测量方法，导致RGP的测量时间较长。为了解决这一问题，就需要一种既能快速得到RGP又能持续监控根系伸长的高灵敏度测量技术。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种基于激光散斑检测植物根系生长势的苗木活力实时监测方法，本法方法具有无损、非接触的优点，可用于连续监控根系生长过程；同时检测时间短，对苗木的环境影响小能确保能得到更准确的信息，进而获得苗木活力的评价依据。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于激光散斑检测植物根系生长势的苗木活力实时监测方法，包括以下步骤：

(1)首先，将待测苗木置于容器土壤中栽培生长，直到苗木根部从土壤生长达到容器内壁并有部分根部从土壤中裸露；

(2)然后，通过激光器发出两束532nm波长的激光照射在裸露在土壤外的苗木根部，利用散射效应产生两个散斑场并发生叠加，然后CCD相机通过偏光镜观察得到两个散斑场的干涉图样；

(3)当根系样本持续生长时，根系样本在两个照射点之间距离会发生伸长Δx，进而使得两个干涉散斑场之间的光学路径差ΔL也将随之改变，通过式(1)得到伸长Δx，

式中，λ为入射激光的波长，θ为入射激光与观察方向之间的夹角，

(4)在某一时间段内以预设频率按照步骤(2)和(3)的方法持续获得苗木该段时间t内的伸长Δx，得到苗木的根生长率PER＝Δx/t，从而评价监测苗木生长活力。

进一步的，所述入射激光的两个照射点之间的距离为3mm。

进一步的，所述苗木为马尾松。

进一步的，步骤(4)中持续测量时间t为120s，检测频率为0.5s。

有益效果：与现有技术相比，本发明能在短时间内(即分钟尺度)测定苗木的RER，远小于日尺度的RGP方法。本发明具有无损、非接触的优点，可用于连续监控根系生长过程。测量时只需要一个很小的根和很短的时间，对苗木的环境影响小，确保能得到更准确的信息。在微观尺度下可以观察到根并不总是在生长。通而过对根的连续监控，可以获得马尾松苗木活力的评判依据。。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为本发明实施例中马尾松苗木根部光照点产生的激光散斑图；

图3为本发明实施例中马尾松苗木生长率的均值和方差对比曲线；

图4a本发明实施例中在水分胁迫环境(干土)中马尾松苗木单根伸长率的散点图；

图4b本发明实施例中在水分胁迫环境(干土)中马尾松苗木单根伸长率的柱状图；

图4c本发明实施例中在水分胁迫环境(干土)中马尾松苗木单根伸长率的箱线图；

图5a本发明实施例中在没有水分胁迫环境(湿土)中马尾松苗木单根伸长率的散点图；

图5b本发明实施例中在没有水分胁迫环境(湿土)中马尾松苗木单根伸长率的柱状图；

图5c本发明实施例中在没有水分胁迫环境(湿土)中马尾松苗木单根伸长率的箱线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

为了在较短的时间内判断马尾松苗木的活力，本发明采用比RGP花费更少时间的基于统计干涉法的激光散斑技术来测量马尾松苗木的根伸长量。为了证明激光散斑技术可以通过根系来区分苗木的质量，本发明对两组马尾松苗木采用了不同程度的水分胁迫。苗木吸收的水分越少，根系通过光合作用所能获得的能量就越少，这将影响其根系的生长速度。利用激光散斑技术，可以实时、持续地监测根的变化。具体步骤和方法如下：

首先，选择马尾松苗木并种植在一个塑料圆筒容器里，当苗长到大约50cm高时，它的根就会贴在容器内壁上，并暴露出土壤，将苗木从容器里拿出来，让根暴露在空气中进行测量，如果根长得不够长，埋在土里，就难以测量根的伸长。此外，如果用水冲洗除掉根系附近的土壤，破坏根系所处的环境，会给根带来严重的水分胁迫，使其迅速干燥；如果把根放在水里，水中的杂质和水分的流失也会使测量根的伸长变得困难。因此，本发明仅需要将包根和土壤的容器去除，土壤中的根在干燥的空气条件下保持生长，使用本方法进行测量时不影响马尾松的生长，降低了破坏生长环境所带来的影响。

如图1所示本发明的原理，将波长为532nm的SHG-YAG激光器发出的光分成两束照射松树幼苗根部。利用散射效应，产生两个散斑场并叠加。用CCD相机通过偏光镜观察两个散斑场之间的干涉图样，如图2所示。当根系样本在两个照明点之间的距离拉长Δx时，两个干涉散斑场之间的光学路径差ΔL也将随之改变。其关系可以表示为：

ΔL＝Δxsinθ (1)

其中，θ是照明光束与观察方向之间的夹角。由ΔL的变化引起的物体相位

其中λ是激光的波长。由式(1)和(2)得到

通过统计干涉法分析干涉散斑图，可以得到散斑相位

本发明中，只需要暴露在外部的根系，无需剥去根部的土壤，由于根系所处的环境没有被破坏，根就能存活得更久，这也为实验提供了充足的时间。把每株苗木放在可以自由升降平的台上，来确保两束激光能照到选定的根部。沿着塑料容器内壁，可以看到苗木的根部，并挑选长势最好的侧根来进行实验，从根尖的伸长区选择两个点进行激光照射来测量根部的伸长量。将两个照射点之间的距离设置为3mm，即持续监控3mm的根部样本。测量时间为150s，每0.5s测量一次。每个根至少做两次实验。每株苗木选择2根进行重复实验，总共测试了13 株苗木。

如图3所示，用伸长率来区分本实施例中两组马尾松，将伸长率绘制在坐标系上，通过数据点的分布寻找两组马尾松之间存在的差异。

一个根来自于水分胁迫环境(干土)中的马尾松苗木；另一个根来自于没有水分胁迫环境(湿土)中的苗木。本研究以0.5s为间隔中测量了根部样本的3mm部分,计算得到速率＝根伸长率/0.5*3。

随机选择两个根来测试它们的伸长率，如图4a，4b,4c所示,分别为来自于水分胁迫环境 (干土)和为没有水分胁迫环境(湿土)中的马尾松苗木的根的伸长率及其统计数据的点状图、柱状图和箱线图。

从上图比对可知，干土中的根伸长率(PER)与湿土中的根伸长率变化类似，都有周期性的表现。在大多数时间里，湿土中的RER高于干土中的RER。在直方图中，湿土柱条在干土柱条的右侧，表明湿土中的根长在某一时间增加，而干土中的根长在某一时间增加较少甚至开始收缩。在箱线图中，无论土壤状况如何，它们都有一个相似的中值且都接近于零。干土中大部分时间的伸长率小于零，下四分位数的伸长率远大于上四分位数的伸长率。离散的数据大多与湿土有关，而与干土有关的则较少，这说明湿土中的根长大部分时间都在增加，而干土中的根长大部分时间都在缩短。

图5a,5b,5c显示了所有根系样本的RER及其统计数据，干土与湿土根系的RER有明显差异。干土根系RER大部分低于湿土。在柱状图中，黄色区域向左边延伸很远，而蓝色区域主要显示在接近零的位置。这意味着湿土中的根在短时间内长度有所增加，而干土中的根与前者相比有很大的收缩。在箱线图中，这种差异更加明显。它们的异常值不同：干土根系的异常值主要集中在负值区域，湿土根系的异常值主要集中在接近于零的区域。

本发明能在短时间内(即分钟尺度)测定马尾松苗木的RER，远小于日尺度的RGP方法。该方法具有无损、非接触的特点，可用于连续监控根系生长过程。测量时只需要一个很小的根和很短的时间，对苗木的环境影响小，确保能得到更准确的信息。在微观尺度下可以观察到根并不总是在生长。通过对根的连续监控，可以获得马尾松苗木活力的评判依据。