近日，中國農業大學工學院彭彥昆教授團隊蘇文浩研究員課題組在國際權威期刊《Journal of Hazardous Materials》和《Computers and Electronics in Agriculture》連續發表2篇研究論文，系統揭示了作物外源信號標記物的高精感知及其在復雜大田環境中的土壤多維演化規律。

本系列研究立足技術創新與生態安全交匯點，系統構建了面向大田具身智能農機的外源信號標記及全生命周期環境監測方法學體系。研究探明了內吸性標記物在植株內的靶向運移規律與精細農藝安全邊界，攻克了復雜大田苗草同譜同形的視覺識別瓶頸；研究深入剖析了外源標記物在非結構化土壤中的多維演化行為，闡明了基質誘導與界面絡合導致熒光信號假性消失的關鍵機制，開創性構建了融合近紅外光譜與碳總量正交驗證的雙光譜矩陣解耦框架，嚴謹打通了表觀信號損失與真實物質歸趨的定量聯系。上述成果實現了農機高魯棒性視覺導引與全鏈條環境風險控制的深度融合，不僅重塑了農業標記材料的綠色評價范式，更為我國高端智能除草裝備的規模化商用筑牢了堅實的可持續發展屏障。

智慧農業的快速發展對大田除草農機裝備的苗草精準識別提出了更高要求，開發外源信號標記技術是突破傳統視覺易受同譜同形、草壯苗弱干擾的關鍵路徑。然而，作物信號標記物在完成田間智能導引任務后，可能會進入土壤環境。早期標記信號能否在植株冠層實現長效智能感知、以及材料落入土壤后的暴露劑量與演化特征是否影響生態環境安全，尚不明確。因此，本系列研究一是聚焦基于根系吸收途徑的作物熒光標記長效智能感知，二是解析標記材料進入土壤后的空間分配與多維光譜解耦機制，為智慧農業智能化裝備的商用落地筑牢綠色生態安全屏障。

研究揭示，通過將安全有效的熒光標記物（熒光素鈉和羅丹明 B）應用于可移栽番茄根系，植物可通過其自身的輸導組織完成系統性運輸，自下而上轉運至番茄枝干與葉片。微觀成像表明熒光高效富集于莖部和葉片主脈，呈現獨特的機器可讀標簽。團隊通過嚴密的生物量雙因素方差分析與光穩定性評估，確立了不影響作物生長且信號穩定的黃金參數組合，大田長效感知窗口達25至28天，且實際作業無需洗根。基于自主搭建的裝有特定濾波片的熒光成像視覺系統，研究首選并開發了計算復雜度低、識別速度極快的單圖像多閾值分割算法，可通過高低雙重灰度閾值及最大連通域質心快速定位作物，成功實現了早期番茄苗與普遍性雜草的可視化智能區分，完美適配車載移動邊緣端的高效實時部署。

單圖像識別算法處理流程，包含番茄與雜草的（a）偽彩色圖、（b）中值濾波圖、（c、d）不同階段的形態學二值化圖、（e）最大連通域及紅圈質心，及（f）綠標番茄、紅標雜草的識別結果圖

上述研究《基于熒光成像的自動可視化番茄植株中的作物信號標記用于區分作物和雜草》（Automatic visualization of crop signaling markers in tomato plants for differentiation of labeled plants from weeds based on fluorescence imaging）發表在農業與計算機領域頂級國際期刊Computers and Electronics in Agriculture，中國農業大學為該論文的唯一完成單位，工學院碩士研究生張賀怡為論文的第一作者，蘇文浩研究研究員為論文的通訊作者，彭彥昆教授對本研究給予了大力支持。

進一步研究發現，當上述示蹤模型材料（硫氮共摻雜納米碳點）落入真實非結構化土壤體系中時，淋溶液中的表觀熒光信號在25天孵育內快速下降（半衰期約5.48天）。團隊通過猝滅劑添加試驗證實，這種信號衰減本質上是由土壤淋溶液基質誘導猝滅以及Fe3?等金屬離子的強界面絡合猝滅導致的光學信號隱形，并非分子層面的完全消解。操作性熒光當量分配實驗結合溶解總有機碳（DOC）正交驗證表明，不可回收分數從9.5%大幅上升至39.4%，從質量平衡的角度證實了信號物發生了明顯的土壤吸附滯留。在此基礎上，研究開創性引入1100–1200 nm和1400–1450 nm兩個近紅外窗口作為不完全依賴發光態的互補經驗光譜維度，成功校正和約束了傳統單維熒光監測的解釋邊界，實現了材料“形態演化、基質猝滅、土壤滯留與多維光譜響應”的精準解耦。

雙光譜矩陣解耦框架用于解析復雜土壤淋溶液中碳點熒光衰減行為

近紅外互補響應窗口揭示與熒光不同的信號變化趨勢

上述研究《基于雙光譜監測解耦土壤淋溶液中碳點的熒光衰減與結構降解》（Decoupling fluorescence attenuation from structural degradation of carbon dots in soil leachates using bispectral monitoring）發表在環境領域國際權威期刊Journal of Hazardous Materials，中國農業大學為該論文的第一完成單位，工學院碩士研究生王啟為論文的第一作者，蘇文浩研究員為論文的通訊作者，彭彥昆教授對本研究給予了大力支持。