《European Journal of Agronomy》：Plant acoustic emission as early stress signals: Towards remote integrated monitoring for sustainable agriculture
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植物生物声学通过声发射（AEs）检测非生物胁迫，为早期精准农业干预提供依据。结合物联网传感器与遥感技术（光谱/热/雷达数据），融合机器学习与数字孪生模型，可提升空间分辨率和胁迫分类精度，优化灌溉、营养及植保管理，促进气候适应型农业发展。关键挑战包括开发耐用的声学传感器、建立物种特异性AE数据库及揭示分子机制。
贝达布拉塔·萨哈（Bedabrata Saha）| 安舒·拉斯托吉（Anshu Rastogi）
波兰波兹南生命科学大学环境与机械工程学院生物气候学系，Piatkowska 94，波兹南 60-649
摘要
非生物胁迫，包括干旱、盐碱、寒冷和热浪，对全球农业生产和粮食安全构成了严重威胁。在这些胁迫出现可见症状之前及早检测到它们，对于实施资源高效的干预措施至关重要。植物声学领域的新兴研究表明，植物能够主动感知并发出声学信号，这使我们对植物的认识从被动实体转变为动态的环境传感器。植物通过机械敏感通道检测振动，对传粉者翅膀的拍打或食草动物的啃咬等外部信号作出反应，从而调节生长（例如根向性）、生理过程（例如钙信号传导、活性氧的产生）、授粉效率以及针对生物和非生物胁迫的防御机制。在生理紊乱期间，如渗透压胁迫导致的木质部空化过程中，植物还会产生超声声学信号（AEs），这些信号是代谢或结构损伤发生前的敏感、无创生物标志物。本综述阐明了植物声学在感知和发射方面的双重作用，强调了AEs作为早期水力功能障碍指标的重要性，尤其是在作物研究中，并首次突出了AEs在农学中的应用价值。虽然基于地面的AE监测能够提供精确的实时数据，但其点状监测特性限制了其可扩展性。我们提出将AE信号与物联网（IoT）传感器获取的数据以及卫星/无人机（UAV）提供的光谱、热成像和雷达数据相结合的方法。机器学习和作物数字孪生技术的融合提高了空间分辨率、胁迫分类和预测准确性，克服了光学指数中的大气干扰等限制。这一框架使得精准农业成为可能（例如提前触发缺水灌溉、优化灌溉计划、管理养分和病虫害），从而提高作物的抗逆能力。简而言之，这有助于改善作物的风险评估和灾害缓解。主要挑战包括开发坚固的传感器、建立特定物种的AE数据库以及深入理解其分子机制。通过生物声学和光谱协同技术“聆听”植物，我们为可持续的、基于生理学的作物监测和智能决策系统铺平了道路。
部分摘录
引言：植物声学在可持续农业中的应用
气候变化引发的胁迫（如干旱、盐碱和极端温度）日益威胁农业生产力，导致全球粮食安全受到威胁。气候变化使得这些胁迫更加频繁、强烈且难以预测（Franco-Navarro等人，2025年）。因此，需要一种早期、低成本且无创的胁迫检测工具，以便及时、有针对性地进行资源保护和产量保障。
方法论
本综述属于叙述性综述，而非系统性综述或元分析。因此，未进行定量综合分析、偏倚风险评估或PRISMA风格的流程图编制；而是通过定性方法识别和整合相关文献，以提供该领域的解释性概述，突出关键概念、机制和应用。
文献通过Web of Science、Google Scholar和Scopus等主要学术数据库进行系统性搜索获得。
声学感知与机械敏感信号传导
植物感知声音的能力是植物与环境相互作用中一个迷人但尚未充分研究的方面。与动物不同，植物缺乏专门的听觉器官，主要依靠细胞膜中的机械敏感结构（如离子通道）来检测空气传播或通过基质传递的声波引起的纳米级振动（Tyagi等人，2023年）。甚至植物花结构也可以起到声学放大器的作用，增强特定声音的检测能力。
植物的声学信号（AEs）
木质部空化过程中产生的声学信号是植物生物声学研究中最早且研究最深入的方面之一。利用声学信号检测木质部空化的方法早在20世纪60至80年代的开创性研究中就已出现。Milburn和Johnson（1966年）的早期研究表明，木质部的空化事件会产生可检测的声学信号，为将栓塞形成与声学信号联系起来提供了物理基础。
遥感技术
近几十年来，遥感技术已成为监测农业系统的可靠、无创且大规模的工具，彻底改变了作物健康和水分状况的评估方式（Mulla，2013年；Wu等人，2023b年）。传统方法利用来自卫星、无人机等平台的光谱、热成像和荧光数据来推断植物胁迫的关键指标。常用的植被指数包括归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index）等。
植物声学与遥感的融合：未来发展方向
植物的声学信号，尤其是与木质部空化相关的信号，是一种新型且未被充分利用的生物物理信号，可以作为植物胁迫的早期指标。然而，在技术优化方面仍存在挑战。在渗透压胁迫下，木质部导管中的空化事件会产生高频超声信号，这些信号通常具有胁迫特异性，并且早于可见症状的出现，因此非常适合早期检测。
结论
植物生物声学处于机械生物学、生态学和数据科学的交叉领域，为理解植物的水分关系和胁迫生理提供了独特而未被充分利用的研究途径。木质部空化过程中产生的声学信号能够直接、灵敏且无创地指示水力功能障碍，通常在可见症状出现之前就已发生。然而，由于其点状监测的特性，空间覆盖范围有限，因此需要将其与大规模监测技术相结合。
资金支持
作者衷心感谢波兰国家学术交流机构（Narodowa Agencja Wymiany Akademickaja, NAWA）提供的Ulam NAWA博士后奖学金（BNI/ULM/2024/1/00145）。
作者贡献声明
贝达布拉塔·萨哈（Bedabrata Saha）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、资金申请、数据整理、概念构建。
安舒·拉斯托吉（Anshu Rastogi）：撰写与编辑、结果验证、监督、数据分析、概念完善。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
