低成本传感器系统可协助农民识别植物盐分胁迫

低成本传感器系统可协助农民识别植物盐分胁迫

根据美国农业部数据，土壤盐碱化已成为农业领域中的关键问题之一。过量的可溶性盐分限制了植物对水分的吸收，抑制作物生长，并导致约30%的灌溉土地产量下降。灌溉不当、排水不畅或盐水入侵等问题都会引发盐碱化，进而破坏土壤结构，降低肥力，并带来严重的经济损失。为帮助农户识别并应对盐分胁迫，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发了一套低成本的传感器系统，可用于检测受胁迫植物释放的信号。

面向作物的低成本“电子嗅觉”

该系统通过检测植物释放的挥发性有机化合物（VOCs）来识别盐分胁迫。研究人员指出，受盐胁迫的植物会释放出与健康植株不同的气体模式，而他们设计的低成本传感器系统能够有效捕捉这一差异。相关研究成果发表在《IEEE传感器》期刊上。

“我们设计的低成本传感器系统能够识别植物在压力下释放的VOCs，可以看作是一种‘电子嗅觉’，它能‘嗅’到受损植物释放的气体，并在可见损害发生前向农民发出盐分胁迫的预警。”宾夕法尼亚州立大学蔬菜作物科学副教授Francesco Di Gioia表示。“盐度应激是全球许多地区，尤其是沿海地带的主要农业挑战。多数蔬菜作物对氯化钠等盐类高度敏感，盐分积累会抑制养分吸收并降低产量。”

植物样本被放置在穹顶容器下方，通过安装在穹顶顶部的低成本气体传感器捕获其释放的气体。图片来源：宾夕法尼亚州立大学。知识共享

第一作者Ali Ahmad是西班牙瓦伦西亚理工大学的研究员及博士生，他在宾夕法尼亚州立大学农业科学学院的Di Gioia实验室完成了这项研究。实验材料选择了芝麻菜——一种常用于沙拉的十字花科植物——并在植物科学系管理的水培温室中进行。

“我们采用水培系统，以精确控制盐分水平并排除其他变量，从而确保检测到的VOCs变化确实由盐胁迫引起。”Ahmad解释道。

温室中的盐胁迫实验

研究人员通过向营养液中添加两种不同浓度的氯化钠，模拟中度和重度盐胁迫条件。第三组植物作为对照组未接触盐。植物样本被置于穹顶容器下，气体通过安装在穹顶顶部的低成本传感器进行采集，监测周期持续八天。

“我们选用金属氧化物半导体传感器，因其体积小、部署便捷、网络兼容性强且价格低廉，部分传感器的价格甚至低于1美元。”Ahmad补充道。“这种传感器能够探测到极微量的气体变化，并在其半导体层中产生差异化的电信号。这意味着农民可以在田间广泛部署这类设备。然而，在它们成为精准农业的重要组成部分之前，还需要在传感器硬件和网络基础设施方面进行技术优化。”

人工智能解析植物气体信号

研究团队发现，传感器可识别出三种不同的气体模式，分别对应健康植物、中度胁迫植物和重度胁迫植物。随后，他们训练了一种机器学习模型——人工智能系统——用于识别盐胁迫植物的VOCs模式。

为了验证系统检测的准确性，研究人员还评估了植物的物理参数，包括生长情况、叶片健康状况和生理反应。最终数据显示，传感器网络在识别植物应激水平方面的准确率高达99.15%。随着胁迫程度的增加，受影响植物最终也出现了明显损伤。

低成本传感器在智能农业中的潜力

在另一项发表于《Advanced Sensor Research》期刊的研究中，团队进一步探讨了低成本金属氧化物半导体气体传感器在精准农业中的应用潜力。精准农业旨在通过减少水、肥料和能源等资源消耗来提高产量，而这类传感器可被用于早期识别植物问题，包括病害或其他非盐胁迫因素。

Di Gioia、Ahmad及团队成员指出，与近期盐胁迫研究中采用的低成本气体传感器相同，这类设备同样可用于识别处于干旱、病害或虫害状态下的植物所释放的VOCs。Di Gioia认为，结合VOCs检测与人工智能技术，有可能重塑农业模式，但前提是必须克服当前的技术瓶颈和实际部署难题。

“低成本气体传感器与人工智能的结合，为智能农业带来了巨大的希望。”Di Gioia说道。“然而，目前的技术尚未完全成熟，建立经济可行的传感器网络仍然面临挑战，因此仍需进一步的研究和更高质量的数据支持。一旦这些问题得到解决，该方法有望成为精准农业的重要工具。”

Ali Ahmad 等，基于MQ的新型传感器系统用于芝麻菜盐应力的非侵入性检测，IEEE Sensors 期刊（2026年）。DOI： 10.1109/jsen.2025.3637393

Ali Ahmad 等人，《低成本金属氧化物半导体气体传感器用于精密农业的前景》，《Advanced Sensor Research》（2026年）。DOI：10.1002/adsr.202500112