监测繁殖温室中的叶片温度和环境动态

《Smart Agricultural Technology》：Monitoring Leaf Temperatures and Environmental Dynamics in Propagation Greenhouses

叶温测量方法研究：红外辐射计在温室雾灌中的准确性验证。该研究对比人工叶热敏电阻、接触式热电偶和两种红外辐射计在槲寄生切花温室环境中的叶温测量性能，发现人工叶传感器白天误差达2.2-11.2°C，而红外辐射计（Apogee和Omega型号）与热电偶测量结果一致（误差±0.5°C），且能实时反映雾灌冷却效应。商业温室数据显示LAD范围-1.6至+3.2°C，高钠灯环境LAD最显著为+3.2°C。研究证实红外辐射计可作为非接触式叶温监测新方法，优化雾灌频率和水资源利用效率。

　　在植物繁殖温室中，准确测量叶片温度对于合理安排喷雾灌溉、维持光合作用和根系发育的最佳温度范围至关重要。目前，商业繁殖温室普遍采用“人工叶”热敏电阻，这些传感器暴露于光照下，以模拟叶片温度。然而，其在喷雾灌溉条件下的性能表现却缺乏系统研究。本研究通过对比两种非接触式红外（IR）辐射计（Apogee SI/SIF-111-ss 和 Omega OS151-LT/OS211-LT）与接触式热电偶、细丝热敏电阻以及人工叶传感器，评估了在繁殖条件下叶片温度测量的准确性，并探讨了叶片与空气温度差（LAD）的环境决定因素。研究数据采集于一个大学温室，时间为七天，涵盖阳光下的繁殖材料，并通过SAS进行分析。此外，还在七个美国商业繁殖温室中收集了互补的红外数据集，以验证红外辐射计在不同气候区域中的可靠性。

在夜间，所有传感器的测量值基本一致，但在白天，人工叶传感器相较于热电偶的温度测量高出2.2至11.2摄氏度，且其变异性较大。相比之下，两种红外辐射计在白天的测量值与热电偶接近，表现出较低的残差方差。这表明，红外辐射计在喷雾条件下能够提供更为准确和稳定的叶片温度监测。在商业温室中，平均LAD范围从-1.6°C到+3.2°C，其中使用高气压钠灯（HPS）的温室表现出最高的LAD值。喷雾事件后，LAD迅速下降，这表明蒸发冷却作用显著。研究结果表明，行业标准的人工叶温度传感器存在高达11.2°C的误差，而红外辐射计则能提供准确、非接触式的叶片温度监测，这将有助于动态控制喷雾频率，从而提高水使用效率和繁殖材料的质量。

叶片温度是植物生理和受控环境园艺中的关键参数，尤其是在繁殖阶段对移植植物的影响。植物组织的温度会影响光合作用和生长，发育速率以及植物对胁迫的反应，这些因素又进一步影响植物切口的不定根形成。不同植物物种对光合作用的最佳温度有所不同，较低的温度会导致代谢速率下降。高温通常与热和干旱胁迫相关，这些胁迫会影响气孔的功能。热胁迫可能通过降低Rubisco活性、光系统II的最大光化学效率以及光系统I的电子传输速率，从而损害植物的生理功能，同时增加活性氧的产生，导致细胞损伤。

了解叶片的环境动态并实时测量叶片温度，对于优化温室内的光照、空气温度、相对湿度和灌溉管理具有重要意义。叶片与空气温度差（LAD=T_leaf-T_air）综合了影响叶片能量平衡的因素，包括净短波和长波辐射、感热交换和潜热损失。正的LAD表示叶片净能量增加（如高辐射、低蒸发冷却），而负的LAD则反映强烈的蒸发冷却或辐射损失。在繁殖环境中，LAD主要受太阳辐射或补充照明、水汽压梯度驱动的蒸腾作用以及喷雾事件后表面水的蒸发影响。因此，LAD为理解环境与水状态之间的机制联系提供了重要线索。

空气水汽压差（VPD_air）是指特定空气温度下饱和水汽压与实际水汽压之间的差异，可通过空气温度和相对湿度计算得出。叶片水汽压差（VPD_leaf）则是指在特定叶片温度下，假设叶片内部细胞水汽压达到饱和时，与实际空气水汽压的差异。植物蒸腾作用显著受到VPD_air和VPD_leaf的影响，这两种因素通过蒸发冷却影响叶片温度。叶片温度相对空气温度升高会增加蒸腾速率，而在高辐射和水分胁迫条件下，气孔关闭会减少蒸腾速率。这种缺乏蒸发冷却的情况可能导致叶片温度进一步上升，从而在植物切口中迅速引发水分胁迫。

通过灌溉或喷雾实现的蒸发冷却也是调节叶片温度的一种方式。充足的水分供应通常使植物冠层比周围空气更凉爽，这是由于叶片表面的水分蒸发和通过气孔的水汽交换，从而移除潜热和感热，降低叶片温度。相反，当土壤水分耗尽，蒸腾作用减少时，冠层温度会上升。在繁殖温室中，使用细小水滴喷雾切口可以减少叶片温度，保护切口免受热胁迫的影响。喷雾会凝结并在叶片表面形成水膜，使蒸发发生在外部水层而不是内部叶片组织。这种机制对于缺乏功能性根系的切口尤为重要，因为它们的水分吸收能力有限，喷雾有助于减少内部水分流失，防止脱水。

繁殖温室的设计和操作元素，如使用台架或地面系统、地面或强制空气加热、补充照明、玻璃材料、遮阳和能源帘系统，以及叶面喷雾灌溉，都会影响植物切口的能量平衡和叶片温度。繁殖温室通常维持较高的相对湿度，通常超过70%，从而降低VPD，减少蒸腾速率并防止对易受损组织的水分流失。此外，与生产根系植物的设施相比，繁殖温室的光照水平较低，这有助于减少叶片表面的辐射加热，防止对易受伤害的非根系切口造成过度的热胁迫和脱水。减少的空气流动会降低叶片表面的对流散热，从而形成一个更加稳定但可能较温暖的微气候。当与根区加热结合使用时，空气温度可以降低，这种根区加热在繁殖环境中很常见，以促进不定根的形成。这种局部加热可能会产生垂直温度梯度，其中靠近基质的空气比冠层更温暖，从而影响切口的整体能量平衡。补充照明，如使用发光二极管（LED）或高气压钠灯（HPS），在冬季阳光不足时较为常见，这可能会影响叶片温度。

在商业繁殖温室中，最广泛使用的叶片温度测量方法是“人工叶”，这是一种暴露在太阳辐射下的深色热敏电阻，通常放置在喷雾灌溉层上方。这些传感器是基于水汽压差的喷雾灌溉的行业标准。然而，人工叶热敏电阻可能不够准确，因为它们通常放置在喷雾灌溉区域上方，因此不会经历与植物叶片相同的蒸发冷却速率，导致温度测量的偏差。此外，根区加热系统会形成与人工叶热敏电阻不同的微气候，这些热敏电阻位于作物上方一米或更远的位置。人工叶热敏电阻的反射率和发射率与植物叶片不同，这可能影响其准确反映真实叶片状况的能力。需要直接接触并附着于植物材料的测量方法，如热电偶和热敏电阻，由于商业环境中频繁移动的短期作物，通常难以实施。叶片温度在作物中的变化，有些在阴影中，有些在阳光下，使得难以找到一致的代表性叶片进行测量。此外，叶片温度传感器容易脱落或意外损坏，这进一步增加了其在动态温室环境中的使用难度。在商业操作中，频繁的植物操作可能导致误触或损坏布线传感器，从而降低接触式测量方法的可靠性。

红外（IR）辐射计通过测量长波辐射估计表面温度，从而实现对叶片和冠层的非接触式测量。在植物系统中，准确的红外测温依赖于目标发射率（?）、传感器视野（FOV）、传感器与目标的距离以及FOV内非叶片背景的比例。对于大多数绿叶，发射率通常在0.97-0.99之间，推荐值为0.98。在温室中，由于混合的表面类型（基质、托盘、台架）和频繁的湿润事件，如果传感器距离太近、定位不当或水膜改变表面发射率，可能会导致温度测量偏差。这些误差可以通过固定安装在喷雾层上方、适当选择视野以及定期清洁镜头来减少。

在不同作物和环境条件下，红外辐射测温已被用于监测冠层和叶片温度，以进行灌溉控制和胁迫检测。例如，在温室观赏植物中，红外测温用于灌溉控制和胁迫检测；在盆栽一品红和其他切口中，红外测温被用于监测；在叶菜和结果作物中，红外测温也发挥了作用。最近的综述指出，当测量条件受控时，热感应技术在不同物种间具有良好的稳健性，但强调温室特定的考虑因素，如湿度分层、遮阳装置和补充照明光谱。这些研究结果表明，红外辐射测温是一种有效的跨作物方法，其在繁殖环境中应用的验证是必要的，特别是在低冠层覆盖、频繁喷雾和背景变化较大的条件下。

通过红外测温获得的远程冠层温度已被研究人员成功用于安排根系植物的灌溉。尽管红外辐射计不是新技术，但它们尚未在温室繁殖条件下与接触式叶片传感器进行比较。繁殖条件包括较低的植物覆盖度，这意味着红外辐射计会测量植物和基质表面的组合。对于盆栽温室植物，红外辐射计提供了一种非侵入式的、广泛区域的测量方式，可以快速准确地反映叶片温度的变化，因此适合商业种植操作。然而，为了确保准确的温度测量，仍需考虑发射率、距离、环境温度和大气吸收等因素。

本研究在三个方面扩展了温室中红外测温在叶片温度监测方面的先前研究。首先，通过在真实繁殖条件下（频繁喷雾和低冠层覆盖）直接验证两种商业红外辐射计，与接触式热电偶和广泛使用的“人工叶”热敏电阻进行比较，这些条件尚未系统报道。其次，通过将叶片与空气温度差（LAD）与包括喷雾和补充照明在内的驱动因素联系起来，利用来自受控研究试验和多个商业温室的高分辨率数据集。第三，通过聚焦于一品红切口，这些是重要的园艺作物，通过无根切口繁殖，具有代表性的宽叶观赏切口，并且在温室中有详细记录的叶片温度响应。研究结果预计可推广到其他通过类似叶片光学和热特性繁殖的园艺植物。

鉴于红外辐射计在非侵入式、大面积测量和快速响应方面的潜力，它们可能为叶片温度监测提供一个实用且准确的解决方案，从而改进当前方法（如热电偶和“人工叶”热敏电阻）的局限性。基于此框架，我们假设：1）行业标准的“人工叶”在繁殖环境中可能无法准确代表叶片温度，而非接触式红外辐射计则能提供更可靠和准确的叶片表面温度测量，同时仍适用于商业温室；2）LAD会随着不同来源的辐射变化而变化，喷雾会导致表面水的蒸发冷却，从而迅速且可重复地降低LAD。因此，我们的第一个目标是比较不同温度传感器在测量植物切口叶片温度方面的准确性，评估其在繁殖温室条件下的性能。红外传感器与人工叶热敏电阻、接触式热电偶和热敏电阻在大学研究温室中进行了比较。第二个目标是评估环境条件如喷雾事件对叶片温度的影响。通过了解叶片温度的动态，种植者可以更好地管理植物健康并优化生长条件。

在大学研究温室中，进行了实验以评估不同温度传感器在测量一品红切口叶片温度方面的性能。实验中使用了两种未生根的一品红切口（‘Point Pelee’和‘Olympia White’），它们在72孔繁殖托盘中生长，这些托盘包含高比例的珍珠岩的泥炭基质。通过静止的上部喷雾喷头进行营养液灌溉，使用15-5-15 N-P₂O₅-K₂O（Peters Excel 15-5-15 Cal-Mag Special with Black Iron）进行灌溉，浓度为100 mg·L^-1 N。喷雾事件每天安排在白天每20分钟一次，夜晚每60分钟一次。这种安排是基于之前在同一繁殖温室的初步试验，其中测试了不同的喷雾间隔以保持切口的水分状况。所选频率保持了切口的膨压，防止叶片萎蔫，同时避免了过度淋洗。夜晚较长的喷雾间隔反映了切口在夜晚较低的蒸腾需求。

所有叶片温度传感器都经历了相同的喷雾频率和持续时间，因此传感器的准确性和对喷雾的响应不受具体间隔的影响。标准化的喷雾安排为评估传感器对湿润和干燥阶段的响应提供了可重复的、周期性的信号。实验期间，温室内的空气温度范围从22.3°C到32.1°C，相对湿度从60.5%到92.3%，PPFD从0到748.7 μmol·m^-2·s^-1。通过分析这些数据，可以观察到不同时间点的环境因素趋势。所有温度（叶片、空气、土壤和水）在白天随着太阳辐射的增加而上升，而夜晚则下降。这反映了不同温度在能量平衡组件（如净辐射、潜热和感热通量、热质量）上的差异，并强调了在解释温室条件时考虑表面特定性质的重要性。辐射数据进一步提供了这些温度动态的背景信息。

在实验期间，叶片减去空气温度（LAD）表现出动态变化，受到辐射和蒸发冷却过程的影响。在24小时期间，叶片温度平均比空气温度高0.5°C到0.8°C，特别是在辐射高峰时段（小时11到12），这可能是由于短波辐射的吸收和蒸发冷却的限制。相比之下，其余时间叶片温度比空气温度低0.1°C到0.7°C。这些偏差表明，在受控温室条件下，辐射和蒸发冷却是LAD的主要驱动因素。在研究中，我们观察到喷雾事件后叶片温度迅速下降，这表明蒸发冷却对减少植物胁迫具有显著作用。在商业温室中，LAD的范围从-1.6°C到+3.2°C，其中使用高气压钠灯（HPS）的温室表现出最高的LAD值。这表明补充照明类型对叶片温度有显著影响，特别是在没有补充照明的温室中，LAD为负值，而在使用LED照明的温室中，LAD为0.3°C。这表明，补充照明的类型会影响叶片温度，从而影响水汽压差和蒸腾速率。

研究还发现，喷雾事件对叶片温度和基质水分状态有直接的影响。在喷雾事件期间，基质水分迅速增加，而喷雾后，水分通过蒸腾作用逐渐减少。这种动态的水分波动表明，喷雾不仅有助于冷却叶片表面，还能提供短期的切口水分供应，从而影响水分的可用性。喷雾后的基质重量迅速下降，表明虽然喷雾事件提供了临时的水分供应，但基质中的水分保留是短暂的，因此需要频繁的喷雾周期来维持最佳的水分平衡。这强调了在设计喷雾计划时，监测植物和基质水分动态的重要性，以避免喷雾事件之间过度干燥，这可能导致植物胁迫。

在商业温室中，数据进一步揭示了补充照明对LAD的重要影响。在使用HPS补充照明的温室中，叶片温度较高，这可能是由于HPS照明产生的辐射热量较高，相较于LED灯具。在所有使用HPS照明的温室中，除了一个之外，LAD都为正值，即叶片温度通常高于空气温度。而没有补充照明的温室（如Grower 1和Grower 5）则表现出负的LAD值。这表明，补充照明类型是影响叶片温度的重要因素，因此在温室管理中需要考虑这些因素以优化植物温度和减少热胁迫。

在过去的研究所发现，较高的叶片温度和正的叶片-空气温度差与增加的蒸腾速率密切相关，因为更大的热能会增强叶片与周围空气之间的水汽压梯度（VPD_leaf），从而加速叶片表面的水分流失。例如，在使用HPS照明的温室中，由于较高的VPD_leaf，需要更频繁的喷雾来缓解水分流失并维持无根切口的水分供应。然而，如果叶片温度仍然较高，如在Grower 3中，喷雾仍然是必要的，以冷却叶片。这表明，补充照明对蒸腾速率的影响是显著的，因此在温室管理中，需要考虑这些因素以优化水分管理。

研究结果还表明，红外辐射计在繁殖条件下能够提供准确的叶片温度测量，同时具备非接触式、易于部署和维护的优势。尽管红外传感器的采购成本高于简单的热电偶或热敏电阻设备，但它们在多温室监测中的实用性和准确性使其成为一种有潜力的替代方案。在实际应用中，红外辐射计可以集成到自动控制系统中，实现基于实时叶片条件的动态喷雾控制，从而提高水分使用效率和植物质量。然而，为了确保红外传感器的准确性，仍需考虑发射率、距离、环境温度和大气吸收等因素。此外，由于商业温室中可能存在的障碍物和遮挡物，红外辐射计的安装位置和视线范围需要仔细考虑，以避免测量误差。

研究还强调了在不同温室中，LAD的差异反映了温室设计和外部气候条件的综合作用。例如，在使用HPS补充照明的温室中，叶片温度较高，这会驱动更高的蒸腾速率。在没有补充照明的温室中，LAD为负值，表明空气温度高于叶片温度。这表明，补充照明的类型和强度对叶片温度和蒸腾速率有显著影响，因此在温室管理中需要考虑这些因素。同时，喷雾事件后LAD的迅速下降进一步证明了蒸发冷却在减少植物胁迫中的重要性。

本研究的结果对于优化温室环境管理和提高植物健康具有重要意义。通过准确测量叶片温度，种植者可以更好地调整喷雾频率，从而在减少水分浪费的同时，防止植物胁迫。此外，叶片温度的动态变化为开发基于实时数据的灌溉管理系统提供了基础。在未来的应用中，红外辐射计可以与自动控制技术结合，实现更精确的水分管理。研究还建议，可以采用简单的阈值系统，当LAD超过+2°C持续3分钟以上时，增加喷雾频率并减少喷雾持续时间，以引入滞后效应，防止过度灌溉。这种策略有助于减少灌溉浪费、流失、植物胁迫和萎缩，同时最大化叶片表面的蒸发冷却效果，从而提高植物质量。

研究还指出，虽然红外辐射计在动态喷雾条件下表现出较高的准确性和稳定性，但在实际应用中仍需考虑一些实际限制。例如，红外传感器的采购成本可能较高，这可能会限制其在多个温室区域的广泛应用。此外，红外传感器需要定期清洁镜头以去除生物膜，虽然这种校准可能不需要频繁进行，但需要一定的维护。因此，在实际部署红外辐射计时，需要权衡其成本和维护需求与带来的管理优势。

通过本研究，我们希望为温室中叶片温度的测量提供一种新的方法，同时为基于叶片温度的动态喷雾管理提供理论支持。在实际应用中，这种非接触式测量方法能够减少对植物的干扰，提高监测的效率。此外，红外测温技术可以与自动化灌溉系统集成，实现更精确的水分管理。这种集成不仅有助于提高水分使用效率，还能够优化植物生长条件，提高切口的健康状况和质量。

在研究中，我们还发现，不同温室之间的LAD差异反映了温室设计和外部气候条件的综合作用。例如，在使用HPS补充照明的温室中，LAD较高，而在使用LED照明的温室中，LAD较低。这表明，补充照明的类型和强度是影响叶片温度的重要因素，因此在温室管理中需要综合考虑这些因素。此外，喷雾事件后LAD的迅速下降进一步证明了蒸发冷却在减少植物胁迫中的作用。通过这些发现，我们可以更好地理解不同环境因素如何共同影响叶片温度，并为优化温室管理提供科学依据。

总之，本研究为在繁殖温室中准确测量叶片温度提供了新的方法，并强调了红外辐射计作为非接触式测量工具的潜力。通过与热电偶和人工叶传感器的对比，我们发现红外辐射计在喷雾条件下能够提供更准确的叶片温度数据。这些结果不仅对当前的温室管理实践具有指导意义，还为未来的智能温室技术发展提供了理论支持。红外测温技术的引入，有助于提高温室中水分管理的精确度，从而优化植物生长条件，提高切口的质量和产量。