图1.  灌溉的传感器信号技术、数据传递和远程控制示意图。

当今全世界淡水资源的大约80%被用于人工灌溉，在世界人口不断增长、气候恶化以及农田日趋盐碱化的时代，如何通过引入人工智能传感系统来有效降低水的消耗？本文介绍了这样一种方案。

根据专家们的估计，为了能够在2025年养活日益增长的地球人口，必须将全球粮食产量提高35%。今天全世界生产的植物性食物已经有50%是在人工浇灌的土地上种植的。这种强烈灌溉的后果导致了全球年复一年万顷良田的荒芜。仅就现在情况而言，在全球两亿六千万公顷灌溉的农田中就有八千万公顷遭遇到土地盐碱化。正如在世界的许多地方所观察到的那样，由于降水量的明显减少以及长期的缺水，使得近年来引入了高盐分的灌渠水来灌溉，于是最终又进一步导致农田土壤受损。虽然一些“节水”式的灌溉系统例如滴水灌溉装置逐渐取代了强耗水技术如自灌溉系统，但是即使对于“节水”式的灌溉系统而言，如果能够将植物真正需水的时间通过传感系统加以掌握的话，还可以进一步发挥节水的潜力。

测量土壤中的含水量只能为植物的供水提供粗略和间接的依据，这是因为土壤的状态可能在各个局部之间存在着巨大差异，而且不同的植物对于缺水的反应又很不相同。与此相反，基于植物本身来确定缺水程度的方法则往往要胜过采用土壤测试的方法。确定一种植物对水分需求的可靠参数是测定叶片组织细胞的膨胀压力，这是因为这种细胞膨胀对于从土壤和大气中吸纳水分或者失去水分的反应特别敏感。此外，这种通过细胞膨胀压力的测量还可以对所期望的收成预测言之有据，植物气孔的开启与闭合会对叶子的细胞膨胀压力发生作用。

图2.  （A）舒劳氏压力弹测量法的原理与结构，（B）为Zimmermann 的细胞膨胀压力传感器的原理与结构。

实际的压力测量方法

许多植物生理学家以及一些农场主测量压力时采用的是舒劳氏压力弹测量法。该法是将一片剪切的叶片（于2小时前经用薄膜包裹以防止蒸散作用）或者一支株枝置于钢质容器内进行加压。 测量弹中叶片切口开始出水时的压力数值（见图2A），这一压力数值（可达4Mpa）可以视为植物维管束中水的绝对压力以及叶片中的水势能（=细胞膨胀减去渗透压之差）。这种方法具侵入性，非常不准确，而且很费时，因此仅被用于某一植物性周期进程中的偶然性测量。

图3.  ZIM-磁性传感器：（A）：香蕉叶，（B），示意图和测量原理；Pclamp，所施外压；Pc，细胞膨胀压力；Pp：输出压力，系由传感器所测出，并与细胞膨胀压力成反比。

Zimmermann的植物细胞膨胀测量法（见图2B）是一种可以在叶细胞中直接测量细胞膨胀压力的唯一方法。在这种探头中借助于一种充满油的微型玻璃毛细管来测量细胞膨胀压力，将毛细管于显微镜下通过巧妙的手法插入到一个叶细胞中，细胞膨胀压力将细胞液推入毛细管中。这种油/水所产生的分界面可用一种与一根金属棒连接的微米螺旋进行最佳调节。这种从油相产生的和与细胞膨胀相应的平衡压力可用一种压力传感器进行测量，这种细胞膨胀探头提供非常准确的测量数值，但是要求操作者必须很有经验，而且这种测量不适于在室外进行，因为即便是很微小的叶片移动也会导致毛细管的震动从而使细胞破裂。

具磁性的细胞膨胀压力探头

一种新的非侵入性的、普遍适用的磁性细胞膨胀压力探头，如图3A所示，可以在测量条件下，在一片香蕉叶片上来测量叶片中相对的细胞膨胀压力。为了回答有关细胞膨胀压力绝对值这一令人感兴趣的问题，可以将该磁性探头事先采用图2B所示细胞膨胀压力探头进行校正。

图4.  经过4个月（以色列）野外测量后由传感器在叶片上所留下的印记，（A）：叶之上面，（B）：叶之下面，上部是葡萄叶，中部是橙子叶，下部是橄榄叶。

这种磁性探头（科学命名称为叶片钳压探头，商业名字ZIM-探头，意即Zimmermann 灌溉检测器）能够满足对于最佳灌溉-传感器系统的所有要求：成本低廉、操作简便、抗雨水、风暴和沙土地质以及强烈的日光照射。即使最小的细胞膨胀压力动态变化也能够及时地、高精度地测出。这种测量为非侵入性的，不会伤害叶子，而且在整个植物生长周期均可使用（图4）。

这种探头可以装备小型无线电发射装置，将细胞膨胀压力信号发送到远程数据转播中心站， 中心站通过移动式收发报机将信号传送至因特网服务器（见图1）。

图5.  （A），在以色列时达4个月之久的葡萄叶的PP测量节录，相应的温度变化（黑线表示）和相应的湿度变化（红线表示）分别示于该图的下半部，灌溉结果分别采用向下的箭头表明。

叶片上被磁性探头遮盖了气孔的小叶片起到一种传感器元件的作用，发生于自由叶子组织中的细胞膨胀压力的变化能够在数分之一秒内传递到叶片小点的细胞中，这是因为该细胞与其周围的组织通过液力连接在一起的缘故。这种传感器元件是通过运用两个圆形的铝盘将叶片钳夹于其间来实现的（见图3B），两个铝盘各与一种磁体相连。传感器元件中细胞膨胀压力的变化是通过一种高灵敏的微型压力传感器进行测量的，该传感器用硅胶固定于底部铝盘上。通过螺纹可以改变上部铝盘与上部磁体之间的距离，通过改变两个磁体间的距离可以将磁压调节至最佳程度，并与叶子的厚度及其机械强度相适应。

细胞膨胀压力是通过叶子的压力传递功能来进行测定的，亦即通过位于下部圆盘的压力传感器来测量经过叶子组织后的压力信号的衰减。这种衰减取决于与钳压相反的细胞膨胀压力（见图3B）。在较高的细胞膨胀压力情况下，只有相应于所施加钳压的一小部分被传送出去，而当细胞膨胀压力较小时则产生出相当于所施加钳压的一大部分，也就是说，传感器传送的压力信号与细胞膨胀压力呈负相关的关系。

图6.  位于澳大利亚西海岸野外一颗5m高的油梨树叶子细胞的缺水程度随时间和空间发生的动态变化图形（中午北面有阳光照射）。在树的1.5m和5m的高度朝天的方向安置了4种传感器（O：红色；N：灰色；W：黑色； S：蓝色），可以看出失水情况与日照有强烈依附关系。

结果

在实验室、植物温室和野外条件下，针对拟南芥、西红柿、辣椒植物、香蕉树、葡萄株、朱栾、橙子、橄榄树和油梨所进行的广泛和长期的测量表明，缺乏灌溉对于细胞膨胀压力产生的效应要明显不同于小气候的相应影响。图5A显示的是一个在以色列室外条件下对葡萄树进行的传感器测量的典型例子。与细胞膨胀压力同时测量的还有温度和湿度测量。图中看出，在停止滴灌之后，在正午时分传感器输出信号的幅度PP在其后的数天内不断地增大，也就是说，细胞膨胀压力的损失随着干旱程度的增加而增加。在停止灌溉后一段时间的夜间，由于土壤中还没有足够的水分，原来的细胞膨胀压力仍然不能建立起来，同时，在夜间测量的输出压力信号PP增大。在灌溉一周以后（见图5A之箭头所示），原来的夜间和正午的细胞膨胀压力值便得以在数小时之内趋于稳定。

在图5A的测量中可以规则地观察到，在停止灌溉的3天后出现了PP值（=细胞膨胀压力）周期性的变化，这种跌宕起伏的现象源于植物气孔周期性的开合所致，许多植物例如香蕉（见图5B）和橄榄（见图5C）都试图以这样的方式来减少水分的损失。可是由于在气孔闭合的时候也就不再进行CO2的吸收，于是也就减少了收成。这种高灵敏度传感器表明，由这个农场主所选定的灌溉战略仅为次佳之选。 在3天之后就进行灌溉可能会优于数周之久的灌溉。其总的用水量完全可能进一步得到降低。

展望

确定细胞膨胀压力或PP的数值，即超越了它就必须进行灌溉才能获得最佳收成和产品质量的界限值，是未来研究的前沿。从2010年3月起拟在多个地中海国家和南美洲国家通过栽培植物和果树进行试验，在荷兰也已就西红柿的温室栽培所进行的测量表明了这一技术的潜能。甚至在森林经济中也会发现这种磁传感器的重大意义。如同图6所示，通过置入多个传感器能够首次对于树木的供水动力学进行精确的测量，对欧洲不同树木进行的实验取得了有关树木供水的新知识。一种有价值的仪器可以将这一技术进一步用于科学领域，例如可以研究生理作用对于非侵入性的基因排除。开展这种广泛应用的前提是，在不久的将来，使这种迄今为止仍然停留在样机水平的传感器转变成为商业大规模的产品。

背景知识

植物的细胞是由刚性的细胞壁所包围，从而使细胞在力学上保持稳定，同时使得通过渗透膜过程来建立流体力学上的超压力成为可能，这种超压力就叫做细胞膨胀压力。该压力在供水良好的情况下在早晨的数值通常为500~700 kPa。在高蒸发情况下（例如中午当气温达到最高值、湿度成为最低值时）细胞膨胀压力可能下降到100 kPa以下。当细胞膨胀压力为零时，细胞膜会从细胞壁脱落，即所谓的胞质皱缩，这一过程是不可逆的，细胞就此死掉。细胞膨胀压力大于300 kPa对于细胞的延伸生长以及对于生物化学和生物物理反应（因而对于产品质量）是必要的，这是由于传输与合成过程部分地依附于压力。