综述：现实点来说：可穿戴植物传感器是否已经准备好用于作物监测了？

《ACS Sensors》：Let’s Get Real: Are Wearable Plant Sensors Ready for Crop Monitoring?

　　可穿戴植物传感器（WPS）在精准农业中具有潜力，但当前研究存在环境因素测试不足、交叉验证缺失、实地场景验证不足等问题。本文提出需加强多环境测试、完善传感器校准和可靠性验证，并探讨其在开放农田、温室及垂直农场中的优化应用。

　　近年来，随着科技的迅速发展，可穿戴植物传感器（WPSs）作为一种新型的植物监测技术，正逐渐受到广泛关注。这些传感器因其小巧、轻便、可贴附于植物表面的特性，为精准农业提供了新的可能性。然而，尽管WPSs在理论上具有巨大潜力，但其在实际应用中的表现仍存在诸多问题，尤其是在植物生理学背景理解不足、测试方法不完善以及在不同农业生产系统中的适应性方面。本文旨在探讨WPSs的技术特点、面临的挑战，以及其在不同生产环境中的应用前景，从而推动这一领域的发展。

### WPSs的技术潜力与挑战

WPSs的主要优势在于其能够直接监测植物生理状态，而不仅仅是形态特征。相比传统的非接触式方法，如图像识别、激光扫描等，WPSs通过直接接触植物，可以捕捉到与植物生长环境动态变化相关的信号，如光强、光谱分布、温度、蒸腾作用、营养成分、生物电势以及植物体内化学信号的变化。这些信号的获取对于理解植物如何响应环境变化至关重要。例如，光强不仅影响植物的光合作用效率，还通过光谱差异调控植物的形态发育。在实际应用中，WPSs的潜力在于其能够实现低成本、低功耗、自供电的长期监测，从而在开放田间、温室和垂直农场等多种生产系统中提供精准的环境反馈。

然而，WPSs的实际应用仍然面临多重挑战。首先，大多数研究仅在实验室或气候室内测试传感器，缺乏在真实农业环境中的长期验证。其次，传感器的测试往往忽略植物自身的生理反应和环境变化对信号的影响，导致数据解释的偏差。此外，许多研究在设计传感器时，没有充分考虑植物的生物学特性，例如不同作物的生长需求、环境变量的动态变化以及植物对环境的适应性。这些因素共同作用，使得WPSs在实际应用中难以发挥其应有的作用。

### 传感器测量的关键信号与相关技术

WPSs通常用于测量与植物生长、发育和环境适应性密切相关的多种信号。其中，光、温度、蒸腾压力差（VPD）、农药残留、植物生理信号（如生长、水分状态、营养成分、生物电势和植物化学信号）是常见的监测对象。

**光**是植物进行光合作用和调控生长的关键因素。植物对光的响应不仅取决于光强，还涉及光谱分布、光照时间以及光照模式。然而，许多研究在描述光环境时使用不准确的单位，如“lux”，而忽略了植物对光的真正需求，即“光合光子通量密度（PPFD）”。PPFD是衡量植物实际光合效率的重要参数，其单位为μmol photons m?2 s?1，与植物的生理活动密切相关。

**温度**对植物的生长和生理活动有直接影响。不同作物对温度的适应性不同，例如，豆科植物（如豇豆）在30°C左右生长最佳，而拟南芥则对低温更为敏感。因此，WPSs在测量温度时需要区分叶片温度和空气温度，并考虑到温度变化对植物信号的影响。此外，温度变化可能会影响传感器的性能，尤其是在阻抗或光纤传感器中，导致测量误差。

**蒸腾压力差（VPD）**是衡量植物水分胁迫的重要指标。VPD反映了叶片表面与周围空气之间的水蒸气浓度差异，进而影响植物的蒸腾作用和水分平衡。例如，在辣椒实验中，研究者发现，在干旱条件下，VPD在5天后显著上升，表明这种指标可用于早期检测水分胁迫。然而，目前大多数研究未能充分考虑VPD的动态变化及其与植物生长之间的复杂关系。

**农药残留**是农业中常见的问题，WPSs被用于监测多种农药，如有机磷类（如对硫磷和敌敌畏）、杀菌剂（如苯并咪唑）和除草剂（如百草枯和敌草快）。这些传感器通常采用电化学方法，如循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）。然而，许多研究仅关注表面残留物的检测，忽略了农药在植物内部的迁移和代谢过程。因此，为了实现更准确的监测，需要结合生理学研究和实际环境条件进行综合评估。

**植物生理信号**包括生长、水分状态、营养成分、生物电势以及植物内部的化学信号。生长可以通过应变传感器进行监测，这些传感器能够测量植物器官的伸长和变形。水分状态则涉及叶面湿度（LSH）和蒸腾作用的监测，通常采用电容或阻抗测量方法。营养成分的监测则主要集中在氮和钾等关键元素上，通过离子选择电极、微针传感器和有机电化学晶体管（OECT）等技术实现。此外，生物电势（如K?、H?、Cl?等离子的跨膜运动）也被用于检测植物对环境胁迫的反应，例如干旱或盐害。

**植物化学信号**，如糖、植物激素和挥发性有机化合物（VOCs），在植物的生长调控和应激反应中起着重要作用。例如，糖在植物体内参与能量代谢和渗透调节，而植物激素（如脱落酸、水杨酸和生长素）则调控植物的生长模式和防御机制。VOCs则是植物在受到病原体或环境胁迫时释放的信号分子，可用于早期检测病害或胁迫状态。然而，目前VOCs的监测仍处于初步阶段，许多传感器的灵敏度和特异性不足，且缺乏对信号动态变化的深入研究。

### 传感器测试的常见问题与改进方向

在WPSs的实际测试中，存在一些普遍的问题，这些问题可能会影响传感器的可靠性、适用性和数据解释的有效性。首先，许多研究未能充分描述植物的生长环境，包括温度、湿度、光照强度、光周期以及CO?浓度等。这导致实验设计缺乏代表性，难以推广到实际农业场景中。其次，实验中的生物重复数量不足，大多数研究仅使用单一植株或未明确说明重复次数，这使得实验结果难以反映植物的自然变异性和环境的复杂性。

此外，传感器在植物上的安装方式也影响其性能。例如，某些传感器需要插入植物组织，这可能导致植物的伤口反应，进而影响传感器的稳定性。同时，传感器的物理设计（如电缆连接、无线通信模块等）也可能对植物的生长和生理活动产生干扰，如影响气孔功能、水分运输或微生物活动。因此，为了确保传感器的准确性和可靠性，需要在测试过程中考虑这些潜在的干扰因素，并采取相应的措施进行优化。

在数据验证方面，许多WPSs仅在实验室环境中进行校准和测试，而忽视了实际植物上的表现。由于植物体内信号的复杂性和动态变化，实验室环境下的校准结果可能无法准确反映植物的真实状态。因此，必须在植物上进行交叉验证，即使用独立的测量方法（如称重法、化学分析等）来确认传感器数据的准确性。

### WPSs在不同生产环境中的应用前景

WPSs的应用范围广泛，涵盖了开放田间、温室和垂直农场等多种农业系统。在开放田间，WPSs需要应对极端的环境条件，如强烈的阳光、紫外线辐射、雨水、风、尘土和温度波动。因此，传感器的耐用性和环境适应性是关键。例如，通过使用柔性封装材料、可拉伸的传感器设计和防水处理，可以提高WPSs在开放田间的稳定性和长期监测能力。此外，由于开放田间环境复杂，传感器需要具备自供电能力，如利用光伏电池、压电或摩擦发电技术，以减少对外部电源的依赖。

在温室环境中，WPSs可以利用较为稳定的环境条件，如可控的温度、湿度和光照。然而，温室中的高湿度可能导致传感器的凝结问题，而LED照明则可能引入光学干扰。因此，传感器需要具备同步光周期的能力，或采用光学滤波技术以减少噪声。此外，温室中的环境条件相对可控，但传感器仍需具备良好的耐久性，以适应长期监测的需求。

垂直农场（VFSs）为WPSs提供了独特的应用环境。VFSs通常采用水培或雾培技术，配合LED照明实现全年生产。由于缺乏外部天气变化，传感器的耐用性可能相对容易实现，但LED照明可能对光学传感器造成干扰。因此，VFSs中的WPSs需要进行同步校准，并采用滤波技术以提高数据准确性。此外，VFSs的高能耗问题也是研究者关注的重点，如何通过集成传感器数据和机器学习算法，实现精准的环境调控和资源管理，是未来发展的关键方向。

### 未来发展方向与建议

为了实现WPSs的广泛应用，需要从多个方面进行改进。首先，传感器的设计和测试应更加注重植物的生理学特性，确保其在实际环境中能够准确反映植物的状态。其次，实验设计需要更加严谨，包括充分的生物重复、合理的环境条件描述以及与实际农业需求相匹配的测试方法。此外，传感器的物理设计应尽量减少对植物的干扰，例如采用无线传输技术、减少电缆连接或优化传感器的安装位置。

在数据处理和解释方面，WPSs的数据应与环境变量和植物生理变化相结合，以提供更全面的分析。例如，通过结合叶面湿度、VPD、植物激素水平和VOCs排放，可以更准确地判断植物是否受到胁迫。同时，机器学习和数据分析技术可以用于提高信号识别的准确性，并实现对多种胁迫的区分。

最后，WPSs的应用需要与农业实践相结合，特别是在精准农业、病害监测和资源优化方面。例如，通过实时监测植物的水分和营养状态，农民可以更精确地调整灌溉和施肥策略，从而提高资源利用效率。此外，WPSs还可以用于监测农药残留，帮助优化施药时间和剂量，减少环境污染和健康风险。

综上所述，WPSs作为一种新兴的植物监测技术，具有巨大的潜力。然而，其在实际应用中的成功依赖于科学的测试方法、合理的传感器设计以及对植物生理学的深入理解。只有通过持续的研究和改进，WPSs才能真正成为精准农业的重要工具，为全球农业生产提供更高效的解决方案。