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Spectral characteristic parameters estimation models for potassium content of Juglans regia ‘Wen185’ leaves.

基于光谱特征参量的‘温185’核桃叶片钾含量估测模型


基于田间人工定量施肥试验,采用Pearson相关分析筛选与果实不同生育时期‘温185’核桃叶片钾(K)含量呈极显著相关的光谱特征参量,并以筛选出的光谱特征参量为自变量,采用回归分析构建‘温185’核桃果实不同生育时期叶片K元素含量估测模型.结果表明: ‘温185’核桃果实不同生育时期均存在一到多个与叶片K含量呈极显著相关(P<0.01)的光谱特征参量;分别以光谱特征参量绿色归一化差值指数、红边黄边面积比值、绿色比值指数和蓝边面积为自变量,采用三次函数建立的果实不同生育时期叶片K含量回归估测模型的拟合度(R2)均大于0.95,模型均方根误差小于0.8161 g·kg-1,相对误差绝对值小于2.7%,模型估测值与实测值一致.基于光谱特征参量采用三次函数构建的‘温185’核桃叶片K含量估测模型具有较高的估测精度,光谱技术在核桃树体K元素营养信息探测方面有较大的应用潜力.

According to the field trials  with quantitative fertilization, the spectral characteristic parameters which were highly significantly correlated with foliar potassium (K) content were screened out using Pearson correlation analysis, and the foliar K content estimation models of Juglans regia ‘Wen185’ in different phenological periods of fruit development were built up with these parameters as independent variables using regression analysis. The results showed that there were one or more spectral characteristic parameters which were highly significantly correlated with the foliar K contents of ‘Wen185’ walnut in the different phonological periods of fruit development (P<0.01). Through cubic function analysis with normalized difference green index in the fruit setting period, ratio red and yellow edge area index in the fruit rapidgrowth period, ratio green index in the fruit fatchange period and blue edge area in the fruit nearmature period as independent variable, the regression estimation models of the foliar K content in the different phenological periods of fruit development were established respectively, and their fitting degrees (R2) were all above 0.95. In addition, the estimated values of the models for the foliar K content of ‘Wen185’ walnut were consistent with the easured values of the independent samples, and the root mean square errors and the relative errors of the independent sample tests were less than 0.8161 g·kg-1 and 2.7% in the different phenological periods of fruit development. The models showed their high estimation accuracy. The spectrum technology possessed great application potential in monitoring K status of J. regia.


全 文 :基于光谱特征参量的‘温 185’核桃
叶片钾含量估测模型
胡珍珠  潘存德∗  肖  冰  潘  鑫
(新疆农业大学林学与园艺学院 /新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室, 乌鲁木齐 830052)
摘  要  基于田间人工定量施肥试验,采用 Pearson 相关分析筛选与果实不同生育时期‘温
185’核桃叶片钾(K)含量呈极显著相关的光谱特征参量,并以筛选出的光谱特征参量为自变
量,采用回归分析构建‘温 185’核桃果实不同生育时期叶片 K元素含量估测模型.结果表明:
‘温 185’核桃果实不同生育时期均存在一到多个与叶片 K含量呈极显著相关(P <0.01)的光
谱特征参量;分别以光谱特征参量绿色归一化差值指数、红边黄边面积比值、绿色比值指数和
蓝边面积为自变量,采用三次函数建立的果实不同生育时期叶片 K含量回归估测模型的拟合
度(R2)均大于 0.95,模型均方根误差小于 0.8161 g·kg-1,相对误差绝对值小于2.7%,模型估
测值与实测值一致.基于光谱特征参量采用三次函数构建的‘温 185’核桃叶片 K含量估测模
型具有较高的估测精度,光谱技术在核桃树体 K元素营养信息探测方面有较大的应用潜力.
关键词  核桃; 叶片; 钾素含量; 光谱
Spectral characteristic parameters estimation models for potassium content of Juglans regia
‘Wen185’ leaves. HU Zhen⁃zhu, PAN Cun⁃de∗, XIAO Bing, PAN Xin (Collage of Forestry
and Horticulture, Xinjiang Agricultural University / Key Laboratory of Forestry Ecology and Industry
Technology in Arid Region, Education Department of Xinjiang, Urumqi 830052, China) .
Abstract: According to the field trials with quantitative fertilization, the spectral characteristic pa⁃
rameters which were highly significantly correlated with foliar potassium (K) content were screened
out using Pearson correlation analysis, and the foliar K content estimation models of Juglans regia
‘Wen185’ in different phenological periods of fruit development were built up with these parame⁃
ters as independent variables using regression analysis. The results showed that there were one or
more spectral characteristic parameters which were highly significantly correlated with the foliar K
contents of ‘Wen185’ walnut in the different phonological periods of fruit development (P<0.01).
Through cubic function analysis with normalized difference green index in the fruit setting period,
ratio red and yellow edge area index in the fruit rapid⁃growth period, ratio green index in the fruit
fat⁃change period and blue edge area in the fruit near⁃mature period as independent variable, the
regression estimation models of the foliar K content in the different phenological periods of fruit de⁃
velopment were established respectively, and their fitting degrees (R2) were all above 0.95. In ad⁃
dition, the estimated values of the models for the foliar K content of ‘Wen185’ walnut were consis⁃
tent with the measured values of the independent samples, and the root mean square errors and the
relative errors of the independent sample tests were less than 0.8161 g·kg-1 and 2.7% in the diffe⁃
rent phenological periods of fruit development. The models showed their high estimation accuracy.
The spectrum technology possessed great application potential in monitoring K status of J. regia.
Key words: Juglans regia; foliar; potassium content; spectrum.
本文由新疆维吾尔自治区“十二五”重大科技专项(201130102⁃2)和新疆研究生科研创新项目(XJGRI2014082)资助 This study was supported by
the Major Special Program for Science and Technology Development of the Xinjiang Uygur Autonomous Region during the 12th Five⁃Year Plan Period
(201130102⁃2) and the Graduate Student Innovation Project in Xinjiang (XJGRI2014082) .
2015⁃08⁃10 Received, 2016⁃02⁃06 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: pancunde@ 163.com
应 用 生 态 学 报  2016年 5月  第 27卷  第 5期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2016, 27(5): 1393-1400                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201605.014
    钾(K)是植物所必需的大量营养元素之一[1],
其虽不参与植物体内有机物的组成[2],却是植物生
长发育不可或缺的营养元素[3] .K 在植物体内一般
以离子形态存在,具有较强的移动性,对植物的代谢
过程和细胞或组织的结构起着重要作用[4],在果树
生长发育、开花结实的生命活动中具有多种生理作
用和功能[5],是果树增产和果品品质提高的重要基
础[6] .同时,K 对叶绿素的形成具有重要作用,其含
量的多寡严重影响着植物叶片结构、水分含量等生
理指标.K并非直接影响作物光谱特性,而是通过影
响作物叶片中生理生化成分含量间接地影响光谱反
射率[7],这就为采用光谱手段监测植物叶片 K 含量
提供了可能.光谱技术具有简便、快捷、高效、成本
低、重现性好等特点,目前已成为现代农业探测和获
取作物长势信息和营养状态的有效手段[8-10],并
已应用在一年生农作物[11-13] 和多年生木本果
树[5,14-16]叶片 K含量的估测上.如采用光谱特征参
数构建的油菜(Brassica campestris)叶片 K含量估测
模型决定系数达到了 0.86[12],采用反射光谱二阶微
分构建的锦橙(Citrus sinensis)叶片 K含量回归估测
模型的决定系数也达到了 0.82[15],均表现出了叶片
光谱信息对其 K 含量具有较好的定量可反演性.核
桃(Juglans regia)以其丰富的营养和独特的风味,名
列四大干果之首,因其较高的经济价值已成为南疆
农民主要经济来源之一.但能否应用光谱技术对核
桃树体营养元素含量进行适时快速的定量监测,目
前尚鲜有文献报道.鉴于此,本研究以‘温 185’核桃
品种为研究对象,同步测定果实不同生育时期活体
叶片光谱反射率及叶片中 K 含量,构建基于光谱特
征参量的叶片 K含量光谱估算模型,并采用独立样
本检验其普适性,以期为采用光谱技术对核桃树体
K含量的快速监测提供科学依据.
1  材料与方法
1􀆰 1  试验材料与试验设计
试验核桃生产园 ( 41° 12′ 54″—41° 13′ 03″ N,
79°15′41″—79°15′52″ E,海拔 1395 m)位于新疆阿
克苏地区乌什县阿克托海乡喀塔尔玉吉买村.乌什
县位于天山南麓托什干河中游,属暖温带大陆性干
旱气候,年均降水量 91.5 mm,年均蒸发量 2003.8
mm,年日照时数 2750 ~ 2850 h,农业为绿洲灌溉农
业,农林业生产依赖人工灌溉.试验地面积 2 hm2,树
龄 12年,株行距 5 m×6 m,东西行向栽植,‘温 185’
为主栽品种,‘新新 2 号’为授粉品种,树体生长健
康.试验地土壤为土层深厚的灌淤土,有机质、全 N、
全 P、全 K、碱解 N、速效 P、速效 K 的含量分别为
8.11 g · kg-1、 0. 90 g · kg-1、 0. 61 g · kg-1、 5􀆰 48
g·kg-1、39.41 mg·kg-1、1. 64 mg·kg-1和 100􀆰 82
mg·kg-1,肥力水平属中等偏下.试验地核桃植株叶
片 N、P、K含量分别为 25.47、4.72、6.65 g·kg-1,N、
P、K含量相对较低.
为了获得覆盖范围更广的植株叶片 K 含量、扩
展范围更大的光谱反射率数据,从而达到减弱两端
数据的影响,使其更具普适性,本研究对试验地核桃
样株进行人工定量施肥干扰,采用“3414”肥料效应
田间试验[17],即:4 个水平分别为不施氮(N)、磷
(P)、K肥,N、P、K 常规施肥量的 0.5 倍,N、P、K 常
规施肥量和 N、P、K 常规施肥量的 1.5 倍,共 14 个
处理.每样株 N、P、K 的常规施肥量(纯量)分别为
1􀆰 6、0.6 和 0.2 kg,在核桃萌芽前(2013 年 3 月下
旬)一次性施入.每处理设 3个重复小区,共 42 个试
验小区,随机排列.施肥位置在树冠 2 / 3 处,采用环
状沟施,施肥深度 50 cm.
1􀆰 2  光谱数据测定
对‘温 185’核桃果实 4个生育时期进行光谱数
据测定,分别选择在 2013 年 5 月 5 日(坐果期)、5
月 30日(速生生长期)、7 月 1 日(脂化期)和 8 月
25日(近成熟期)进行.光谱数据测定采用主动式
UniSpec⁃SC(单通道)便携式光谱分析仪( PP Sys⁃
tems公司生产).该型号光谱分析仪自带光源,测量
的波段范围为 310 ~ 1130 nm,光谱分辨率<10 nm,
Bin Size = 3.3 nm,绝对精度<0.3 nm,扫描时间<1 s,
同步精确性约 20 ms,输出波段数为 821(光谱仪最
后将数据重采样成 1 nm).所有光谱测定均选择晴
朗无云、无风或微风天气,测定时间为北京时间
12:00—15:00,此时太阳几乎直射叶面(太阳高度角
变化较小),光照条件良好.每次数据采集前对光谱
仪进行标准校正,测定过程中根据天气条件及时进
行白板标准校正.为保证所测光谱数据的可靠性,试
验小区每一样株选取健康叶片 10片,对每片活体健
康叶片选取 6个样点重复测定,即:叶脉两侧分别选
取叶片前部、中部及后部重复测定.光谱仪自动在每
样点采集 5 条光谱反射率曲线,每样株共采集 300
条光谱曲线,以其平均值作为该样株光谱反射率.
1􀆰 3  叶样采集及 K含量测定
与光谱数据测定同步,每样株采集已进行光谱
数据测定的 10片叶片,将每个试验小区采集的叶样
混合成一个样品.根据植物组织中 K 元素发射的特
4931 应  用  生  态  学  报                                      27卷
征谱线,利用火焰光度计法通过识别该元素的特征
光谱对其进行定性、定量的 K含量测定.试验采集的
‘温 185’核桃叶样 K含量为 1~15 g·kg-1 .
1􀆰 4  数据处理
受到仪器和目标物本身光谱特性等多种因素的
影响,所测得的光谱数据包含噪声部分,通过某种光
谱数据的预处理可以消除噪声并突出光谱特征中的
某些细微差别.本研究通过光谱特征参量来实现光
谱数据预处理.依据在农作物上的相关研究[18],本
文选用对叶片 K 含量有较好预测性的光谱特征参
量 4类 25种,其中:光谱“位置”特征参量有蓝边位
置(λb)、红边位置(λr)、黄边位置(λy)、绿峰位置
(λg)和红谷位置(λo)5 种;光谱“幅值”特征参量有
蓝边幅值(Db)、红边幅值(Dr)、黄边幅值(Dy)、绿
峰反射率(Rg)和红谷反射率(Ro)5 种;光谱“面积”
特征参量有蓝边面积(SDb)、黄边面积(SDy)和红边
面积(SDr)3种;光谱指数特征参量有绿峰红谷比值
(Rg / Ro)、绿峰红谷归一化值[(Rg-Ro) / (Rg+Ro)]、
绿色比值指数(RNIRg)、红色比值指数(RNIRr)、蓝
色比值指数(NIRb)、绿色归一化差值指数[(NIR-
Green) / ( NIR + Green )]、红色归一化差值指数
[(NIR-Red) / (NIR+Red)]、蓝色归一化差值指数
[(NIR-Blue) / ( NIR +Blue)]、红边蓝边面积比值
(SDr / SDb)、红边黄边面积比值(SDr / SDy)、红边蓝
边面积归一化值[(SDr -SDb) / (SDr +SDb)]和红边
黄边面积归一化值[(SDr-SDy) / (SDr+SDy)]12种.
‘温 185’核桃叶片 K含量与光谱特征参量的相
关系数应用 Pearson 相关计算,其相关性检验采用
双侧检验方法;而叶片 K 含量光谱特征参量估测模
型的建立则采用回归分析,采用 6 种函数,分别为:
幂函数( y = axb)、指数函数( y = aebx)、半对数函数
(y=alnx+b)、一次函数( y = ax+b)、二次函数( y =
ax2-bx+c)和三次函数(y=ax3+bx2+cx+d).
模型拟合的优劣程度采用纠正后的拟合度
(R2)进行比较;为判断所得的回归关系是否成立和
可靠,对筛选出的叶片 K 含量回归模型的残差进行
正态、独立、等方差检验[19] .回归模型残差的正态分
布、独立性、方差齐性分别采用 χ2 检验、 Durbin⁃
Watson(DW)检验和 Levene(W)检验[20] .检验模型
估测值与实测值是否存在差异采用置信椭圆 F 检
验法[21],度量模型的估测精度则采用均方根误差
(RMSE)和相对误差(RE) [22] .
采用 SPSS 17.0、DPS 7.05软件对数据进行统计
分析;采用 Original 7.5 软件作图;采用 Excel 2003
软件进行数据整理、计算.
2  结果与分析
2􀆰 1  果实不同生育时期叶片 K 含量与光谱特征参
量的相关性
由表 1可以看出,‘温 185’核桃果实坐果期,叶
片 K 含量与 λr、Dr、Rg呈显著相关(P < 0. 05),与
RNIRg也呈显著正相关(P<0.05),并与 Dy和(NIR-
Green) / (NIR+Green)的正相关性均达到极显著水
平(P<0.01),与其余 19 种光谱特征参量的相关性
均未达到显著水平.
果实速生生长期,叶片 K含量与 Dy呈极显著负
相关(P<0.01),与 λy、SDy、SDr / SDy、Rg / Ro、( SDr -
SDy) / (SDr+SDy)和(Rg -Ro) / (Rg +Ro)均达到极显
著相关水平(P<0.01),其中,与 SDr / SDy的相关系数
最大,达到 0.972,与 Dr的相关性仅达到显著水平(P
<0􀆰 05),与其余 17 种光谱特征参量的相关性均未
达到显著水平.
果实脂化期,叶片 K 含量与 Dy、SDb、RNIRg、
SDr / SDy、Rg / Ro和(Rg -Ro) / (Rg +Ro)的正相关性均
达到极显著水平(P<0.01),与 Db、Ro、RNIRr、NIRb、
( NIR - Red ) / ( NIR + Red )、 ( NIR - Blue ) /
(NIR+Blue)、(SDr -SDb) / (SDr +SDb)、(SDr-SDy) /
(SDr+SDy)的相关性仅达显著水平(P<0􀆰 05),与其
余光谱特征参量的相关性均未达显著水平.
果实近成熟期,叶片 K 含量仅与 SDb呈极显著
正相关(P<0.01),相关系数为 0.784,与 Db、RNIRg、
(SDr-SDb) / (SDr+SDb)仅呈显著相关(P<0􀆰 05),而
与其余 21种光谱特征参量的相关性均未达到显著
水平.
2􀆰 2  果实不同生育时期叶片 K 含量光谱特征参量
估测模型
每个生育时期筛选出与叶片 K 含量呈极显著
相关的光谱特征参量为自变量( x),以叶片 K 含量
为因变量(y),采用 y=axb(幂函数)、y=aebx(指数函
数)、y=alnx+b(半对数函数)、y=ax+b(一次函数)、
y=ax2-bx+c(二次函数)和 y = ax3 +bx2 +cx+d(三次
函数)建立回归模型.由表 2 可以看出,核桃果实坐
果期、速生生长期、脂化期、近成熟期均表现为采用
三次函数建立的以某一被选取的光谱特征参量为自
变量的回归模型拟合度(R2)最高,其中:果实坐果
期的光谱特征参量为(NIR-Green) / (NIR+Green),
速生生长期为 SDr / SDy,脂化期为 RNIR / Green,近
成熟期则为 SDb .
59315期                        胡珍珠等: 基于光谱特征参量的‘温 185’核桃叶片钾含量估测模型           
表 1  核桃果实不同生育时期叶片 K含量与光谱参量的相关系数
Table 1  Correlation coefficients between spectral parameters and foliar K content of Juglans regia at fruit various deve⁃
lopment periods
光谱参量
Spectral parameter
果实坐果期
Fruit setting
period
果实速生生长期
Fruit rapid
growth period
果实脂化期
Fruit fat⁃
change period
果实近成熟期
Fruit near⁃
mature period
基于光谱位置特征参量 蓝边位置 λb -0.5635 0.3186 0.4266 0.4572
Characteristic parameter 红边位置 λr 0.7189∗ -0.4314 -0.1073 0.0217
based on spectral position 黄边位置 λy -0.5686 0.8675∗∗ 0.2228 -0.4794
绿峰位置 λg -0.3679 -0.4176 0.1419 0.3645
红谷位置 λo 0.3693 0.1034 -0.5282 0.1617
基于光谱幅值特征参量 蓝边幅值 Db -0.2108 0.3378 0.6932∗ 0.7802∗
Characteristic parameter 红边幅值 Dr 0.6913∗ 0.6768∗ -0.0281 -0.0927
based on spectral slop 黄边幅值 Dy 0.9144∗∗ -0.8596∗∗ 0.8937∗∗ -0.0809
绿峰反射率 Rg -0.7420∗ -0.0412 -0.3680 0.1027
红谷反射率 Ro -0.3224 -0.4317 -0.7658∗ -0.0101
基于光谱面积特征参量 蓝边面积 SDb -0.0188 0.1008 0.8979∗∗ 0.7840∗∗
Characteristic parameter 黄边面积 SDy 0.1081 0.9190∗∗ -0.5862 -0.0612
based on spectral area 红边面积 SDr 0.4548 0.2417 0.0272 -0.0513
基于光谱指数特征参量 绿峰红谷比值 Rg / Ro -0.1529 0.9204∗∗ 0.8618∗∗ 0.1196
Characteristic parameter 绿峰红谷归一化值(Rg-Ro) / (Rg+Ro) -0.1552 0.9480∗∗ 0.7990∗∗ 0.1197
based on spectral index 绿色比值指数 RNIRg 0.7018∗ 0.1106 0.8896∗∗ -0.6859∗
红色比值指数 RNIRr 0.5559 0.4226 0.6507∗ -0.0616
蓝色比值指数 NIRb 0.2984 -0.3021 0.7152∗ 0.1789
绿色归一化差值指数(NIR-Green) / (NIR+Green) 0.8379∗∗ 0.0575 0.4374 -0.1227
红色归一化差值指数(NIR-Red) / (NIR+Red) 0.5386 0.3424 0.7702∗ -0.0435
蓝色归一化差值指数(NIR-Blue) / (NIR+Blue) 0.2450 -0.3275 0.7513∗ 0.1801
红边蓝边面积比值 SDr / SDb 0.3557 -0.1421 -0.4786 -0.0371
红边黄边面积比值 SDr / SDy -0.5374 0.9718∗∗ 0.8036∗∗ 0.1808
红边蓝边面积归一化值(SDr-SDb) / (SDr+SDb) 0.3268 -0.0921 -0.7596∗ -0.7472∗
红边黄边面积归一化值(SDr-SDy) / (SDr+SDy) -0.5372 0.9617∗∗ 0.7700∗ 0.1941
∗P<0.05; ∗∗P<0.01.
表 2  核桃果实不同生育时期叶片 K含量光谱估测模型的拟合度
Table 2  Fitting degree (R2) of spectral parameter⁃based regression models for foliar K content of Juglans regia at fruit
various development periods
果实生育时期
Phenological period of
fruit development
光谱特征参量
Spectral
parameter
幂函数
Power
function
指数函数
Exponential
function
半对数函数
Semilog
function
一次函数
Linear
function
二次函数
Quadratic
function
三次函数
Cubic
function
果实坐果期 Dy 0.8326 0.8335 0.8369 0.8361 0.8518 0.8810
Fruit setting period (NIR-Green) / (NIR+Green) 0.7020 0.6983 0.7063 0.7021 0.7137 0.9636
果实速生生长期 λy 0.7634 0.7503 0.7527 0.7526 0.7609 0.7609
Fruit rapid growth period Dy 0.7329 0.7412 0.7488 0.7389 0.7418 0.7420
SDy 0.8372 0.8465 0.8465 0.8446 0.8467 0.8490
Rg / Ro 0.8468 0.8285 0.8613 0.8471 0.8848 0.9482
(Rg-Ro) / (Rg+Ro) 0.9007 0.8919 0.9007 0.8986 0.9020 0.9271
SDr / SDy 0.9329 0.9472 0.9478 0.9438 0.9496 0.9613
(SDr-SDy) / (SDr+SDy) 0.9287 0.9293 0.9214 0.9248 0.9339 0.9595
果实脂化期 Dy 0.7826 0.7732 0.7810 0.7986 0.8947 0.9123
Fruit fat⁃change period SDb 0.8187 0.7940 0.8196 0.8061 0.8133 0.8478
Rg / Ro 0.7277 0.7473 0.7173 0.7527 0.7514 0.7595
RNIRg 0.7809 0.7607 0.8114 0.7914 0.9091 0.9543
SDr / SDy 0.6345 0.6247 0.6345 0.6457 0.7589 0.7664
果实近成熟期
Fruit near⁃mature period
SDb 0.5609 0.8579 0.7682 0.6147 0.8938 0.9760
6931 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 3  核桃果实不同生育时期叶片 K含量光谱特征参量估测模型和残差检验
Table 3   Effect regression equations of spectral parameters about foliar potassium content at fruit various development
periods and its residuals inspection for Juglans regia
果实生育时期
Phenological period of
fruit development
回归模型参数
Parameters of
regression equation
拟合度 R2
Fitting degree
R2
样本量
Sample
size
回归方程显著
性水平 P值
Regression
equation
significance
level
σ^2 残差正态分布 χ2检验
Normal distribution
chi⁃square test
of residuals
残差一阶自相关 DW检验
First⁃order
autocorrelation
test of residuals
残差方差齐性W检验
Test for homogeneity
of variance
果实坐果期
Fruit setting period
9528.5,-18405,
11846,-2530.1
0.9636 42 0.0001 0.70932 χ2=5.8999<χ20.1(6)
= 10.64
e~N(0, 0.70932)
DW=1.9 ∈
[1.662,2.338]
α=0.05
W =1.385<F0.05(13,28)
= 2.09
果实速生生长期
Fruit fast growing period
0.1418,6.222,
91.56,462.61
0.9613 42 0.0001 0.35172 χ2=5.4753<χ20.1(6)
= 10.64
e~N(0, 0.35172)
DW=2.162 ∈
[1.662,2.338]
α=0.05
W =1.666<F0.05(13,28)
= 2.09
果实脂化期
Fruit fat⁃change period
4.5389,-75.832,
4222.64,-777.4
0.9543 42 0.0001 0.46032 χ2=4.5792<χ20.1(6)
= 10.64
e~N(0, 0.46032)
DW=1.984 ∈
[1.662,2.338]
α=0.05
W =0.278<F0.05(13,28)
= 2.09
果实近成熟期
Fruit near⁃mature period
2×108,-98062600,
1502.6,4.3024
0.9760 42 0.0001 0.53412 χ2=8.5864<χ20.1(6)
= 10.64
e~N(0, 0.53412)
DW=1.514 ∈
[1.468,2.532]
α=0.01
W =2.012<F0.05(13,28)
= 2.09
回归模型参数依次为三次函数(y=ax3+bx2+cx+d)中参数 a、b、c、d的值 The values of parameters of regression equation were the a, b, c, d values of
the cubic function (y=ax3+bx2+cx+d), respectively.
2􀆰 3  叶片 K含量光谱特征参量估测模型的诊断与
精度检验
对果实不同生育时期拟合度(R2)最高的回归
模型残差 eij( i = 1,2,3,……,14; j = 1,2,3)进行检
验.由表 3 可以看出,模型的残差均服从正态分布,
残差之间相互独立,不存在一阶自相关,且方差差异
不显著,表现为齐性,表明叶片 K 含量与光谱特征
参量之间的三次函数回归关系假设成立.
本研究中样本数比光谱波段数少,此时的波段
噪声模式可能与某种理化成分相关,而光谱反射率
并未与核桃叶片某些理化成分相关,而出现“过度
拟合”现象.为控制和避免“过度拟合”,对所建立的
光谱特征参量估测模型采用独立样本进行检验,以
评价模型的可靠性.于 2014 年分别在‘温 185’核桃
果实的坐果期、速生生长期、脂化期和近成熟期,从
大田生产园中随机抽取 42 个样株作为独立样本对
筛选出的果实不同生育期叶片 K 含量光谱特征参
量估测模型估测值与实测值的一致性进行检验,果
实坐果期、速生生长期、脂化期和近成熟期置信椭圆
检验 F值分别为 0.0045、0.0514、2.686和 0􀆰 5143,均
小于 F0.05(2,40)= 3.23,表明模型估测值与实测值
之间有较强的一致性 (图 1).果实 4 个生育时期
估测模型的均方根误差 ( RMSE)依次为 0􀆰 8161、
0.3472、0.4884、0.7840 g·kg-1,相对误差(RE)依次
为 2.7%、0.1%、-1.0%和 2.7%.可见,估测模型的均
方根误差和相对误差均较小,表明模型均具有较高
的估测精度.
3  讨    论
在‘温 185’核桃果实不同生育时期,与叶片 K
含量呈极显著相关的特征参量各不相同.在果实坐
果期,与叶片 K含量呈极显著相关的光谱特征参量
有 Dy、(NIR-Green) / (NIR+Green).这是因为可见
光波段内叶绿素对作物的光谱特性起主导作用[23],
而坐果期,核桃叶片较为幼嫩,叶绿素含量较少呈嫩
黄色,且此时期叶片厚度相对较薄、结构不稳定、含
水量较高,细胞水化度高;近红外区域的光谱反射率
因其叶片内部结构表现为反射率高、透过率高和吸
收率低;此外,近红外波段光谱反射率还受波段高频
噪音、水分、内部散射、叶片的相对厚度和细胞间隙
的交互作用的影响[24-26],从而导致上述结果.
在果实速生生长期,与叶片 K 含量呈极显著相
关的光谱特征参量有 Dy、λy、SDy、SDr / SDy、Rg / Ro、
(SDr-SDy) / ( SDr +SDy)、(Rg -Ro) / (Rg +Ro),在果
实脂化期有 Dy、RNIRg、SDr / SDy、Rg / Ro、SDb,在果实
近成熟期仅有 SDb .植物叶片的光谱特性主要由叶
片内部的生理生化性质、叶绿体色素、水分、蛋白质、
核酸、糖类等物质对光波的吸收、反射和传导所引
起[27-28],受叶片自身的叶色、叶片结构及水分状况、
叶片的植株形态及长势长相等因素的影响[29] .K 对
上述因子影响较大,在植物细胞液中的积累含量高
达 60~150 mmol·L-1 [30-32],可促进叶绿素的形成,
若 K含量偏低会使表皮细胞发生变化,叶面厚度增
加,叶片栅栏、海绵组织的细胞会收缩和局部破裂.
植物体内 K通常以阳离子形式存在[33],具有较强的
79315期                        胡珍珠等: 基于光谱特征参量的‘温 185’核桃叶片钾含量估测模型           
图 1  核桃果实不同生育时期叶片 K 含量估测值与实测值
的关系
Fig.1  Relationships between predicted and measured values for
foliar K content of Juglans regia at fruit various development
periods.
a) 果实坐果期 Fruit setting period; b) 果实速生生长期 Fruit fast
growing period; c) 果实脂化期 Fruit fat⁃change period; d) 果实近成
熟期 Fruit near⁃mature period.
流动性,从成熟组织流向幼嫩组织以供其生长、发
育[34],流动过程中提供电子平衡,而并不促进溶质
的积累[35] .另外,K 是促进植物细胞体积增大的基
本动力,其离子的波动和水分通量的变化导致植物
细胞自身膨胀、体积迅速增加,因此,核桃叶片在果
实速生生长期迅速增大,叶片内细胞结构也迅速发
生变化.此外,K 离子既是植物细胞膨压渗透(细胞
膨压和周围细胞壁的相互作用可维持组织的硬度)
调节的重要因素,也是维持自身渗透变化平衡的主
要因子,是流经质膜产生气孔运动时调节植物体内
CO2和水的重要调节机制[36
-37],是维持酶、蛋白质、
核酸活性的重要动力,还是控制植物体内水分关
系[38]的重要元素.叶片自身细胞形态对光谱反射率
的影响也较大,不同生育时期,核桃叶片细胞在形
状、尺寸和排列上表现出多样性[39] .其次,与其他多
胞固体相比,核桃叶片细胞中空气占据了较大体积
分数[40],而空气的反射率远小于叶片的光谱反射
率,从而弱化了核桃叶片光谱反射率.另外,果实坐
果期、速生生长期、脂化期、近成熟期的光谱测定时
间分别为 5月 5 日、5 月 30 日、7 月 1 日和 8 月 25
日,随生育时期的推移,温度呈增高趋势,而较高的
温度可影响光谱入射率[41] .可见,K 含量、温度等对
核桃叶片叶色、结构、水分状况、生理生化性质、形态
及长势影响较大,从而导致果实不同生育时期光谱
特征各不相同,因而果实各生育时期与叶片 K 含量
呈极显著相关的特征参量各不相同.有研究表明,果
实速生生长期是‘温 185’核桃叶片 K 的敏感时期,
即在该时期进行采样最为准确、稳定[42] .
光谱特征参量是将简单的单波段光谱信息转化
为相对复杂的组合波段,不但可以增加信息的负载
量、增大波段间的差异,还可以降低外界因素的影
响.本研究所选的 4类特征参量特点各不相同,光谱
位置、光谱幅值、光谱面积特征参量与叶片的各项生
理生化参数密切相关,能够较好地反映绿色植物的
光谱特性,而光谱指数特征参量是将某些特定波段
(一般选取光谱响应反差较为明显的对绿色植物强
吸收的可见光波段和被高反射的近红外波段)的光
谱反射率进行组合,从而将光谱信息最大化.随着核
桃果实生育时期的推移,叶片发育逐渐成熟,叶色呈
黄⁃绿⁃黄变化,厚度逐渐增加直至稳定,水分含量逐
渐降低,叶片细胞在形状、尺寸和排列上表现出多样
性,从而导致光谱特征参量也发生响应的变化.同
时,随着核桃果实生育时期的推移,位置特征参量先
后出现红移、蓝移现象,光谱幅值逐渐变小,光谱面
积均先减小后增大,光谱指数特征参量变化各不相
同,在果实坐果期和近成熟期,光谱指数特征参量数
值差异较大,而在果实速生生长期和脂化期则相对
稳定.
分别以(NIR-Green) / (NIR+Green)、SDr / SDy、
RNIRg和 SDb为自变量,采用三次函数建立的果实不
同生育时期叶片 K 含量回归估测模型的拟合度
(R2)均在 0.95以上,且模型的三次函数回归关系成
立,并具有较高的估测精度.不同生育时期叶片内 K
8931 应  用  生  态  学  报                                      27卷
含量、叶片结构、叶片含水量、叶片厚度等存在差异
而导致不同生育时期筛选的光谱特征参量各不相
同.由于采集的原始光谱反射率含有来自高频随机
噪音、样本不均匀、基线漂移、光散射等不利因素的
影响,为消除上述不利因素的影响,本研究将原始数
据进行预处理,筛选出的特征参量为自变量构建关
于 K含量的三次函数回归模型,可以减少因光照环
境等条件变化引起的乘性因素影响,还可以有效地
增强可见光区的光谱差异[43],这在一定程度上也能
够削弱因光照环境等条件变化造成的光谱反射率测
量误差对估测精度的影响.需要特别指出的是,本研
究所筛选的光谱特征参量及构建的估测模型仅针对
新疆乌什县人工绿洲灌溉条件下进入盛果期的‘温
185’核桃,而其能否适用于其他生境、品种和生长
阶段的核桃树体,有待进一步研究.
综上,与叶片 K含量呈极显著相关的光谱特征
参量在果实坐果期有 Dy、 ( NIR - Green) / ( NIR +
Green),在速生生长期有 Dy、 λy、 SDy、 SDr / SDy、
Rg / Ro、(SDr - SDy ) / ( SDr + SDy )、 ( Rg - Ro ) / ( Rg +
Ro),在果实脂化期有 Dy、RNIRg、SDr / SDy、Rg / Ro、
SDb,在果实近成熟期有 SDb .分别以(NIR-Green) /
(NIR+Green)、SDr / SDy、RNIRg和 SDb为自变量采用
三次函数建立的果实坐果期、速生生长期、脂化期和
近成熟期叶片 K含量回归估测模型的精度均较高,
可应用于‘温 185’核桃树体 K 营养水平的监测,表
明光谱技术可为无损、适时、快速监测‘温 185’核桃
叶片 K营养状况提供技术途径,在核桃树体 K营养
信息探测方面有较大的应用潜力.
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作者简介  胡珍珠,女,1986年生,博士研究生. 主要从事果
树栽培与生理研究,已发表论文 5篇. E⁃mail: huzhenzhu2785
@ 163.com
责任编辑  杨  弘
胡珍珠, 潘存德, 肖冰, 等. 基于光谱特征参量的‘温 185’核桃叶片钾含量估测模型. 应用生态学报, 2016, 27(5): 1393-1400
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0041 应  用  生  态  学  报                                      27卷