随着信息技术的进步,现代农业正在向精准农业和物理农业发展。精准农业的基础在于解读植物自身光电信息与植物状态之间的关系,实现对植物状态的无损诊断;物理农业的目的是开发基于植物电磁信息,能够显著促进作物萌发与生长和提高抗逆性的光、电、磁等干预技术。因此,采集、分析和解读植物光电信息对于精准农业和物理农业的发展具有重要意义。本文针对精准农业和物理农业中植物光电信息的分析、处理和应用展开研究,提出根据植物电位波动信息,通过植物细胞电位和外界电场耦合共振,显著促进作物萌发与生长并提高其抗逆性的研究思路;同时,基于植物自身光子辐射信息,建立快速、无损和准确评价电场生物学效应的方法,期望解决植物光电信息分析处理和相关技术应用中的一些关键问题。基于植物电位波动信号的特点,本文首先采用自行搭建的植物电位波动采集系统获得了植物叶片的电位波动信号,使用互补集合经验模态分解(CEEMD,complementary ensemble empirical mode decomposition)方法对采集到的电位波动信号进行分解,用排列熵和软阈值方法对信号进行降噪处理,然后进行HHT(Hilbert-Huang transform)变换,得到信号的边际谱,并采用重心频率SCF(spectral center frequency)、边缘频率SEF(spectral edge frequency)和幅值指数AI(amplifier index)描述植物电位波动信号的频域分布,边际谱熵MSE描述电位波动的复杂度,动作电位灵敏指数Q表征电位波动对环境变化响应的灵敏程度,从而建立了基于边际谱的植物叶片电位波动特征参数体系。基于以上研究方法,详细研究了玉米叶片电位波动信号的特征,发现玉米叶片电位波动信号的振幅非常微弱,并且极不稳定,其边际谱是连续的极低频谱。研究还发现,干旱胁迫下不同品种的玉米叶片电位波动边际谱表现出明显的差异,通过分析边际谱的变化规律,可以了解玉米叶片细胞对干旱的适应和损伤过程。为了研究植物的超弱光子辐射特征,本文设计了基于光电倍增管(PMT)的超弱光子辐射检测系统。该系统集成了激发光源和快门控制模块,通过对激发光的波段、激发光强、激发时间和检测时间的精确控制,实现对生物超弱光子辐射及其光谱特征的精确测量。在理论上提出了超弱光子辐射的非线性动力学模型及其分析方法,建立了超弱光子辐射的参数评价体系。针对萌发高粱和玉米种子的超弱光子辐射的研究表明,种子萌发过程中的自发光子辐射强度ISL,受激光子辐射的动力学参数初始光子数I0、相干时间τ和积分强度I(T)分别与细胞的生命活动紧密相关,通过对这些参数的测量和分析,可以实时、灵敏和无损伤的了解和判断种子萌发过程中细胞代谢系统发生的变化。在上述研究的基础上,本文还开发了基于植物电位波动特征的极低频高压脉冲电场(PEF)处理系统,采用0.2Hz～15Hz频段的高压脉冲电场干预玉米种子的萌发过程,研究了玉米种子萌发过程中的超弱光子辐射和常规生理指标对高压脉冲电场的响应,确定了最优脉冲频率。对萌发绿豆使用高压PEF和高压静电场(HVEF)处理的对比研究发现,极低频PEF对种子萌发的促进作用比HVEF的作用更加显著,从蛋白质合成、超氧自由基含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性变化等方面阐述了产生差异的原因。基于超弱光子辐射信息的研究还表明,极低频PEF处理能够有效提高玉米萌发期和苗期的抗旱性,通过自发光子辐射和受激光子辐射可以无损伤的对干旱胁迫下种子萌发期和苗期细胞组织序性、功能分子之间的相互作用与代谢调节情况进行灵敏诊断,进而对其抗旱性强弱做出评价。本文关于植物自身电位波动信息和光子辐射信息的解读和分析结果,及其基于植物光电信息的PEF生物学效应的研究,为精准农业和物理农业新技术研究提供了参考,同时为根据植物自身电磁特征深入研究电场生物学效应,开发能够有效促进植物生长和提高抗逆性的物理农业新技术奠定了基础。