近日，中国农业大学工学院彭彦昆教授团队苏文浩研究员课题组在国际权威期刊《危险材料杂志》（Journal of Hazardous Materials）和《农业计算机与电子》（Computers and Electronics in Agriculture）连续发表2篇研究论文，系统揭示了作物外源信号标记物的高精感知及其在复杂大田环境中的土壤多维演化规律。
本系列研究立足技术创新与生态安全交汇点，系统构建了面向大田具身智能农机的外源信号标记及全生命周期环境监测方法学体系。研究探明了内吸性标记物在植株内的靶向运移规律与精细农艺安全边界，攻克了复杂大田苗草同谱同形的视觉识别瓶颈；研究深入剖析了外源标记物在非结构化土壤中的多维演化行为，阐明了基质诱导与界面络合导致荧光信号假性消失的关键机制，开创性构建了融合近红外光谱与碳总量正交验证的双光谱矩阵解耦框架，严谨打通了表观信号损失与真实物质归趋的定量联系。上述成果实现了农机高鲁棒性视觉导引与全链条环境风险控制的深度融合，不仅重塑了农业标记材料的绿色评价范式，更为我国高端智能除草装备的规模化商用筑牢了坚实的可持续发展屏障。
智慧农业的快速发展对大田除草农机装备的苗草精准识别提出了更高要求，开发外源信号标记技术是突破传统视觉易受同谱同形、草壮苗弱干扰的关键路径。然而，作物信号标记物在完成田间智能导引任务后，可能会进入土壤环境。早期标记信号能否在植株冠层实现长效智能感知、以及材料落入土壤后的暴露剂量与演化特征是否影响生态环境安全，尚不明确。因此，本系列研究一是聚焦基于根系吸收途径的作物荧光标记长效智能感知，二是解析标记材料进入土壤后的空间分配与多维光谱解耦机制，为智慧农业智能化装备的商用落地筑牢绿色生态安全屏障。
研究揭示，通过将安全有效的荧光标记物（荧光素钠和罗丹明 B）应用于可移栽番茄根系，植物可通过其自身的输导组织完成系统性运输，自下而上转运至番茄枝干与叶片。微观成像表明荧光高效富集于茎部和叶片主脉，呈现独特的机器可读标签。团队通过严密的生物量双因素方差分析与光稳定性评估，确立了不影响作物生长且信号稳定的黄金参数组合，大田长效感知窗口达25至28天，且实际作业无需洗根。基于自主搭建的装有特定滤波片的荧光成像视觉系统，研究首选并开发了计算复杂度低、识别速度极快的单图像多阈值分割算法，可通过高低双重灰度阈值及最大连通域质心快速定位作物，成功实现了早期番茄苗与普遍性杂草的可视化智能区分，完美适配车载移动边缘端的高效实时部署。
单图像识别算法处理流程，包含番茄与杂草的（a）伪彩色图、（b）中值滤波图、（c、d）不同阶段的形态学二值化图、（e）最大连通域及红圈质心，及（f）绿标番茄、红标杂草的识别结果图
上述研究《基于荧光成像的自动可视化番茄植株中的作物信号标记用于区分作物和杂草》（Automatic visualization of crop signaling markers in tomato plants for differentiation of labeled plants from weeds based on fluorescence imaging）发表在农业与计算机领域顶级国际期刊Computers and Electronics in Agriculture。
进一步研究发现，当上述示踪模型材料（硫氮共掺杂纳米碳点）落入真实非结构化土壤体系中时，淋溶液中的表观荧光信号在25天孵育内快速下降（半衰期约5.48天）。团队通过猝灭剂添加试验证实，这种信号衰减本质上是由土壤淋溶液基质诱导猝灭以及 Fe³⁺ 等金属离子的强界面络合猝灭导致的光学信号隐形，并非分子层面的完全消解。操作性荧光当量分配实验结合溶解总有机碳（DOC）正交验证表明，不可回收分数从 9.5% 大幅上升至 39.4%，从质量平衡的角度证实了信号物发生了明显的土壤吸附滞留。在此基础上，研究开创性引入1100–1200 nm 和 1400–1450 nm 两个近红外窗口作为不完全依赖发光态的互补经验光谱维度，成功校正和约束了传统单维荧光监测的解释边界，实现了材料″形态演化、基质猝灭、土壤滞留与多维光谱响应″的精准解耦。
双光谱矩阵解耦框架用于解析复杂土壤淋溶液中碳点荧光衰减行为
近红外互补响应窗口揭示与荧光不同的信号变化趋势
上述研究《基于双光谱监测解耦土壤淋溶液中碳点的荧光衰减与结构降解》（Decoupling fluorescence attenuation from structural degradation of carbon dots in soil leachates using bispectral monitoring）发表在环境领域国际权威期刊 Journal of Hazardous Materials。
来源: 中国农业大学