一种基于生理阻抗的植物叶片输导阻力和固有输导阻力的测
定方法及装置
技术领域
[0001] 本
发明属于农业工程和
农作物信息检测技术领域，具体涉及一种基于生理阻抗的植物 叶片输导阻力和固有输导阻力的测定方法及装置，可以便捷、快速、定量检测植物叶片
水 力输导能力，定量判断植物叶片物质输导性能。
背景技术
[0002] 植物细胞由细胞壁和原生质体两部分组成，原生质体是由生命物质-原生质所构成。两 个主要的
电解内含物：液泡和
细胞质分别被液泡膜和原生质膜包围。细胞质含有大量由特 定膜包围的细胞器，液泡内的
水溶性溶液主要含有无机离子和
有机酸。
电流通过细胞膜时 产生电势差，电势差由细胞膜的有效运输系统和可选择的渗透特性来保持。细胞器具有不 同的电学特性，液泡和细胞质类似于
电阻器，在叶肉细胞里，液泡和细胞质占据了细胞内 绝大部分空间，细胞膜具有电容特性。当交变电流(AC)通过植物组织时，通过胞外间隙 和胞内的比例取决于AC
频率和组织特性。在AC
电路中，由
电阻器和电容器阻抗电流，阻 抗即为电阻器和电容器对电流抵抗之和。植物细胞的阻抗特性取决于生理条件、发育阶段、 养分状况、细胞结构、水分平衡以及
温度等。
[0003] 同一对象在同一环境下的阻抗测定中，阻抗大小主要取决于膜内外离子浓度及其梯度 比值，所以膜对各种离子的通透性大小以及
含水量决定了细胞阻抗大小，而对于叶片来说， 阻抗则更是取决于膜内外离子的浓度。外界激励改变离子的膜通透性，影响了膜内外离子 的浓度，而膜内外离子浓度差服从能斯特(Nernst)方程，生理阻抗则与细胞内离子浓度成 反比，由此可推导出，细胞的生理阻抗与外界激励的关系。
[0004] 目前测定植物的生理阻抗时通常出现重复性差，不同人不同时间不同地点，或者同一 个人不同时间不同地点、甚至同一个人、同一地点不同时间测定同一状态的叶片结果差异 较大，严重地影响测定结果的准确性，使测定结果难以分析，更不具备可比性。究其原因 是由于每次测定施加不同的夹持力，造成结果的偏差，为了准确地比较植物生理阻抗，使 不同批次的测定结果具有可比性，固定LCR
电极板的夹持力，获得特定夹持力下的植物生 理阻抗是当前植物电生理研究的当务之急！本发明通过调节夹持力，测定在不同夹持力下 植物叶片的生理阻抗，构建夹持力与植物叶片生理阻抗耦合模型，依据耦合模型获取特定 夹持力下的植物生理阻抗。
[0005] 植物叶片的生理阻抗反映的是对生理电流的对抗能力，而生理电流则是叶片中包括无 机、有机离子等介电物质运移产生的，阻抗越大，则介电物质的运输越慢，因此，植物叶 片生理阻抗可以反方面来反映叶片中极性物质的输导性能，也即植物叶片水力输导能力。 因此，本发明，建立不同夹持力变化下的植物叶片生理阻抗的耦合模型，对上述模型进行 求导，获得基于生理阻抗的植物叶片输导阻力模型，依据植物叶片输导阻力模型，获取基 于生理阻抗的植物叶片水力输导能力，为植物的水分利用策略研究和
灌溉技术的开发提供 方法的
支撑。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于生理阻抗的植物叶片输导阻力和固有输导阻力的测定 方法及装置，以克服
现有技术中无法测定生理阻抗和生理电流，以及测定结果重复性差， 不具备可比性的
缺陷。
[0007] 为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
[0008] 一种基于生理阻抗的植物叶片输导阻力和固有输导阻力的测定方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一，将测定装置与LCR测试仪连接；
[0010] 步骤二，选取生长在不同环境下带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并包住枝条基部；
[0011] 步骤三，清理新鲜枝条上叶片，并采摘长势较为一致的叶片；
[0012] 步骤四，将叶片夹在测定装置平行电极板之间，设置测定
电压、频率，通过改变
铁块 的
质量来设置所需的特定夹持力，并测定在不同夹持力下的植物生理阻抗；
[0013] 步骤五，构建植物叶片生理阻抗的耦合模型，获得模型的各个参数；
[0014] 步骤六，将步骤五的方程对夹持力进行求导，获得基于生理阻抗的植物叶片输导阻力 方程；
[0015] 步骤七，将夹持力F的值代入步骤六的输导阻力方程中，可获得被考察植物在被考察 夹持力下的叶片输导阻力；
[0016] 步骤八，令夹持力等于0，代入步骤六的输导阻力方程中，可计算获得被考察植物叶 片固有输导阻力；
[0017] 步骤九、依据被考察植物叶片输导阻力和固有输导阻力，获取基于生理阻抗的植物叶 片水力输导能力，定量判断植物叶片物质输导性能。
[0018] 进一步，所述测定装置包括
支架、
泡沫板、电极板、
导线、铁块、塑料棒及固定夹， 支架为矩形
框架结构、且一侧开放，支架上端开有通孔，供塑料棒伸入，支架下端朝内一 侧及塑料棒底端分别粘有两个泡沫板，泡沫板内镶嵌电极板，两个电极板各自引出一根导 线，塑料棒的泡沫板上可放置不同质量的铁块，塑料棒位于支架内部的一端由固定夹进行 固定；所述电极板为圆形极板，所述电极板的材质为
铜。
[0019] 进一步，所述步骤四中特定夹持力的设置方法为：通过增加不同质量的铁块，依据重 力学公式：F＝(M+m)g计算出夹持力F，式中F为夹持力，单位N；M为铁块质量，m 为塑料棒与电极片的质量，kg；g是重力
加速度为9.8N/kg。
[0020] 进一步，所述步骤五中，植物叶片生理阻抗的耦合模型为 Z 为生理阻抗，f是细胞膜内浓度Ci与阻抗之间转化的比例系数，膜内外通透离子总量C＝Ci +Co，耦合模型是基于
能斯特方程 推导出的，其中E为电动势，E0为标准 电
动势，R是理想气体常数，T是温度，Ci为细胞膜内浓度，Co为细胞膜外浓度，F0是法 拉第常数，n是通透离子转移数；电动势E的内能可转
化成压力做功，与PV成正比PV＝a E， a是电动势转换
能量系数，V为植物细胞体积，P是植物细胞受到的压强，压强P由压强公 式 求出，F为夹持力，S为极板作用下的有效面积；所述植物叶片的生理电阻的耦合模 型可
变形为Z＝y0+ke-bF，其中y0、k和b为模型的参数。
[0021] 更进一步，所述步骤六中将不同夹持力变化下的植物叶片的生理阻抗的耦合模型 Z＝y0+ke-bF对夹持力F求导获得的，得到基于生理阻抗的植物叶片输导阻力方程表达式为： Z′＝-bke-bF。
[0022] 更进一步，所述步骤七中将夹持力F代入Z′＝-bke-bF中，得到Z′F，则被考察植物叶片 输导阻力CR＝-Z′F。
[0023] 更进一步，所述步骤八中将夹持力F＝0代入Z′＝-bke-bF中，得到Z′F＝0＝-bk，则被考察 植物叶片固有输导阻力CR0＝-Z′F＝0＝bk。
[0024] 更进一步，所述步骤九中获取基于生理阻抗的植物叶片水力输导能力的方法是：比较 被考察植物叶片输导阻力和固有输导阻力，植物叶片输导阻力和固有输导阻力越大则基于 生理阻抗的植物叶片水力输导能力越小，植物叶片输导阻力和固有输导阻力越小则基于生 理阻抗的植物叶片水力输导能力越大。
[0025] 一种基于生理阻抗的植物叶片输导阻力和固有输导阻力的测定装置，包括支架、泡沫 板、电极板、导线、铁块、塑料棒及固定夹，支架为矩形框架结构、且一侧开放，支架上 端开有通孔，供塑料棒伸入，支架下端朝内一侧及塑料棒底端分别粘有两个泡沫板，泡沫 板内镶嵌电极板，两个电极板各自引出一根导线，塑料棒的泡沫板上可放置不同质量的铁 块，塑料棒位于支架内部的一端由固定夹进行固定；所述电极板为圆形极板，所述电极板 的材质为铜。
[0026] 本发明具有有益效果：
[0027] 1.本发明通过在塑料棒的上下移动，使得两极板之间的距离能实现灵活调整，从而可 以测量不同厚度的植物叶片；通过两个泡沫板分别粘在支架底端和塑料棒上，在塑料棒上 添加一定质量的铁块来改变装置的压力，使得测量时不会损坏植物叶片，可以无损地在线 检测不同厚度的植物叶片的生理电容，简化了结构；考虑到经济性和实用性，并且由于圆 形电极可减少电极的边缘效应，所以本发明选择铜材料的圆形电极板。
[0028] 2.本发明不仅可以测定叶片的生理阻抗，而且还可以测定单位压力下生理阻抗的变化， 最终测定出植物叶片的输导阻力。
[0029] 3.本发明不仅可以测定夹持力增加对输导阻力的影响，而且还可以测定夹持力减小对 输导阻力的影响，为以叶片夹
角判断水分状况提供技术数据。
[0030] 4.本发明可以便捷定量出植物叶片水力输导能力，可以定量判断植物叶片物质输导性 能。
[0031] 5.本发明简便、准确、
精度高，测定结果不受测定条件的影响，具有可比性。
附图说明
[0032] 图1为本发明的结构示意图；图2为本发明测定方法
流程图；
[0033] 图中：1.支架；2.泡沫板；3.电极板；4.电导线；5.铁块；6.塑料棒；7.固定夹。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图与
实施例对本发明作进一步说明。
[0035] 本发明的基本原理为：
[0036] 由重力学公式：
[0037] F＝(M+m)g (1)
[0038] 式中F为重力(夹持力)，N；M为铁块质量，m为塑料棒与电极片的质量，kg；g是
重力加速度为9.8，N/kg。
[0039] 同一对象在同一环境下的阻抗测定中，阻抗大小主要取决于膜内外离子浓度及其梯度 比值，所以膜对各种离子的通透性大小以及含水量决定了细胞阻抗大小，而对于叶片来说， 阻抗则更是取决于膜内外离子的浓度。外界激励改变离子的膜通透性，影响了膜内外离子 的浓度，而膜内外离子浓度差服从能斯特(Nernst)方程，在膜外离子浓度一定时，生理阻 抗则与细胞内离子浓度成反比，由此可推导出，细胞的生理阻抗与外界激励的关系。
[0040] 植物细胞水分的多少关系着植物叶片细胞弹性的强弱，在特定夹持力下，不同植物细 胞膜的通透性发生不同的改变，因此其生理阻抗是不同的。
[0041] 能斯特方程的表达式如(2)式：
[0042]
[0043] 其中，E为电动势；E0为标准电动势；R是理想气体常数，等于8.314570J.K-1.mol-1； T是温度，单位K；Ci为细胞膜内浓度；Co为细胞膜外浓度；F0是法拉第常数，等于96485 C.mol-1；Z是通透离子转移数，单位mol。
[0044] 电动势E的内能可转化成压力做功，与PV成正比PV＝a E，即：
[0045]
[0046] 其中：P为植物细胞受到的压强，a是电动势转换能量系数，V为植物细胞体积；
[0047] 植物细胞受到的压强P可由压强公式求出，压强公式： 其中F为夹持力，S为 极板作用下的有效面积；
[0048] 在叶肉细胞里，液泡和细胞质占据了细胞内绝大部分空间。对叶肉细胞而言，Co与Ci之和是一定的，等于膜内外通透离子总量C，Ci则与电导率成正比，而电导率为阻抗Z的 倒数，因此， 可表达成 Z为阻抗，f是Ci与阻抗之间转化的比例系数， 因此，(3)可变成：
[0049]
[0050] (4)式变形，得
[0051]
[0052] (5)可变成：
[0053]
[0054] (6)式两边取指数，可变成：
[0055]
[0056] 进一步变形，可得：
[0057]
[0058] 式(8)中Z为生理阻抗，对于同一个待测叶片在同一环境下，V、S、a、E0、R、T、n、 F0、C、f都为定值，令 因此(8)式可变形为：
[0059] Z＝y0+ke-bF (9)
[0060] (9)式y0、k和b为模型的参数。
[0061] 对(9)式求导得：
[0062] Z′＝-bke-bF (10)
[0063] 植物叶片的生理阻抗反映的是对生理电流的对抗能力，而生理电流则是叶片中包括无 机、有机离子等介电物质运移产生的，阻抗越大，则介电物质的运输越慢，因此，植物叶 片生理阻抗可以从反方面来反映叶片中极性物质的输导性能，也即植物叶片水力输导能力。 (10)式的
生物学意义可表征为单位压力下生理阻抗的变化，可代表植物叶片的输导阻力； 比较被考察植物叶片输导阻力和固有输导阻力，输导阻力越大则基于生理阻抗的植物叶片 水力输导能力越小，输导阻力越小则基于生理阻抗的植物叶片水力输导能力越大。
[0064] 一种基于生理电阻的植物叶片导水度和固有导水度的测定装置，如图1所示，由支架 1、泡沫板2、电极板3、电导线4、铁块5、塑料棒6、固定夹7组成；支架1为矩形框架 结构、且一侧开放，支架1上端开有通孔，供塑料棒6伸入，支架1下端朝内一侧及塑料 棒6底端分别粘有两个泡沫板2，泡沫板2内镶嵌电极板3，两个电极板3各自引出一根导 线4，用于与LCR测试仪(HIOKI 3532-50型，日本日置)连接，塑料棒6的泡沫板2上可 放置不同质量的铁块5，从而改变装置的压力，测定在不同夹持力下植物叶片的生理电容； 塑料棒6位于支架内部的一端由固定夹7进行固定，当塑料棒下端与支架端合在一起时， 两个电极板3就完全对应在一起；电极板3为材质为铜的圆形极板，以减少电极的边缘效 应。
[0065] 本发明的使用步骤如下：使用时先将本发明装置的两根导线4与LCR测试仪的9140 四
端子测试
探头相连，再抬起塑料棒6，使两电极板3将待测量的植物叶片夹持住，电极 板的直径为10mm，设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，塑料棒与电极片的质量为 0.017kg，通过添加已知质量为0.1kg的铁块数目来改变铁块5的质量，从而改变装置的压 力，测定在不同夹持力下植物叶片的生理电阻。
[0066] 实施例1：以构树为例。在江苏大学校园内采摘长势较为一致的不同生长环境下带有 叶片的构树新鲜枝条来进行测定，快速检测构树叶片固有输导阻力以及在叶片与地面夹角 为30°时的叶片输导阻力。
[0067] 步骤一，将测定装置与LCR测试仪连接；
[0068] 步骤二，选取生长在水边和土里带有叶片的构树新鲜枝条，并用湿
棉花包住枝条基部， 以减缓水分散发；
[0069] 步骤三，迅速返回实验室，清理所述新鲜枝条上叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条 上长势较为一致的叶片；
[0070] 步骤四，将叶片夹在平行板之间，设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，通过增 加不同质量的铁块来设置所需的特定夹持力，迅速测定在不同夹持力下的构树叶片生理阻 抗，如表1；
[0071] 步骤五，利用SigmPlot
软件将不同夹持力及其对应的生理阻抗数据拟合成构建基于能 斯特方程的植物叶片的生理阻抗与夹持力变化的耦合模型，获得模型的各个参数，如表2； 其中R2为决定系数的平方，n为样本数，P为显著性指标；
[0072] 步骤六，将不同夹持力变化下的构树叶片生理阻抗的耦合模型方程对夹持力进行求导， 获得基于生理阻抗的构树叶片输导阻力方程，如表3；
[0073] 步骤七，将叶片与地面夹角为30°时的夹持力F值(在本实验中等于-1.07N)代入基于 生理阻抗的构树叶片输导阻力方程中，可计算获得构树在叶片与地面夹角为30°时的叶片输 导阻力，如表4；
[0074] 步骤八、令夹持力等于0，代入基于生理阻抗的构树叶片输导阻力方程中，可计算获 得构树叶片固有输导阻力，如表4；；
[0075] 步骤九，依据构树叶片输导阻力和固有输导阻力，获取基于生理阻抗的构树叶片水力 输导能力，定量判断构树叶片物质输导性能。
[0076] 表1不同环境下生长的构树在不同夹持力F(单位N)下的生理阻抗Z(单位:MΩ)[0077]
[0078] 表2不同环境下生长的构树叶片生理阻抗Z与夹持力F变化的耦合模型及参数[0079]
[0080]
[0081] 表3不同环境下生长的构树基于生理阻抗的叶片输导阻力模型
[0082]
[0083] 表4在不同环境下生长的构树叶片输导阻力和固有输导阻力
[0084]
[0085] 实施例2:以桑树为例，在江苏大学校园内采摘长势较为一致的不同生长环境下带有叶 片的桑树新鲜枝条来进行测定，快速检测桑树叶片固有输导阻力以及在叶片与地面夹角为 30°时的叶片输导阻力。所有步骤同实施例1。
[0086] 设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，测得的在不同夹持力下的桑树叶片生理阻 抗，如表5所示。基于能斯特方程推导出的植物叶片生理阻抗与夹持力变化的耦合模型以 及各个参数如表6；将不同夹持力变化下的桑树叶片生理阻抗的耦合模型方程对夹持力进 行求导，获得基于生理阻抗的桑树叶片输导阻力方程如表7；将叶片与地面夹角为30°时的 夹持力F值(在本实验中等于-1.07N)代入基于生理阻抗的桑树叶片输导阻力方程中，可 计算获得桑树在叶片与地面夹角为30°时的叶片输导阻力如表8；将夹持力等于0，代入基 于生理阻抗的构树叶片输导阻力方程中，计算获得桑树叶片固有输导阻力如表8；依据桑 树叶片输导阻力和固有输导阻力，获取基于生理阻抗的桑树叶片水力输导能力，定量判断 构树叶片物质输导性能。
[0087] 表5不同环境下生长的桑树在不同夹持力F(单位：N)下的生理阻抗Z(单位:MΩ)[0088]
[0089] 表6不同环境下生长的桑树叶片生理阻抗Z与夹持力F变化的耦合模型及参数[0090]
[0091] 表7不同环境下生长的桑树基于生理阻抗的叶片输导阻力模型
[0092]
[0093] 表8在不同环境下生长的桑树叶片输导阻力和固有输导阻力
[0094]
[0095] 本发明的实施效果如下：
[0096] 从表2和表7可以看出，构建的叶片生理阻抗与夹持力变化的耦合模型能够很好地表 征叶片生理阻抗与夹持力变化关系(P<0.0001)。
[0097] 从表4和表8中可以看出，构树的输导阻力显著地小于桑树，表明构树具有高效的输 导性能，输送物质阻力小，消耗的能力小，水分利用效率高；这是实际是相符的。
[0098] 从表4和表8中还可以看出，当叶片与地面夹角为30°时，两种植物的叶片输导阻力 都增加。这是因为，当叶片与地面夹角为30°时，植物的蒸腾作用增强，此时，植物为了 阻止水分的失去，增加了输导阻力；这也符合实际情况。
[0099] 另外，构树和桑树叶片输导阻力在不同环境下表现不同，这可能与它们对环境的适应 机制是不同的。由此可知，本发明可为植物的环境适应性的研究提供技术支撑。
[0100] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的
基础上,本领域技术人员不需要 付出创造性劳动即可做出的各种
修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
