厚皮甜瓜葉面積測定方法的研究

王 穎，楊重法，奚浩然，王玲蕊

（海南大學農(nóng)學院 ?？?570228）

葉片是作物進行光合作用、蒸騰作用和呼吸作用的主要器官[1]。葉片的數(shù)量和葉面積的大小，對作物的生長發(fā)育、光能利用、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量等都有顯著的影響[2]。作物的葉面積是作物栽培、作物育種、植物營養(yǎng)、作物生理生態(tài)等研究領(lǐng)域的重要考察指標[3]。因此，準確地測定葉面積十分重要。

葉面積測定包括方格法、稱重法、打孔法、求積儀法、長寬系數(shù)法等傳統(tǒng)方法和近年開發(fā)的光電掃描法、圖像像素解析法等方法。方格法、稱重法、打孔法、求積儀法、圖像像素解析法費時費工并且具有破壞性，便攜式掃描儀由于掃描方向和速度的穩(wěn)定性難以控制而誤差較大[4-6]。長寬系數(shù)法或線性回歸方程法具有快速、簡便、便于連續(xù)觀察等優(yōu)點，在生產(chǎn)和科研上應(yīng)用較多[4-5]，主要通過葉片的長寬、形狀及小葉的數(shù)量等特征指標計算系數(shù)或建立回歸方程來估算葉面積[7-13]，但是由于沒有估算缺刻對葉面積的影響，僅適合于比較規(guī)則的葉片，因此模型的適應(yīng)性差，測定準確度有待提高。目前關(guān)于缺刻對估算葉面積影響的研究鮮見報道。

厚皮甜瓜的葉片因品種和生育期不同，缺刻深淺和數(shù)量差異很大。呂雅蘭等[14]通過葉片豐滿度等間接缺刻指標估算厚皮甜瓜的葉面積，但是部分參數(shù)的生物學意義不明確。筆者在前人研究的長寬系數(shù)法和葉片豐滿度的研究基礎(chǔ)上，探討通過葉長、葉寬及缺刻深度等葉片形態(tài)指標估算葉面積的可行性，以期提高估算厚皮甜瓜葉面積的準確度和適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料來源于海南大學農(nóng)學院（儋州校區(qū)）試驗基地，包括臺灣農(nóng)友種苗（中國）有限公司的厚皮網(wǎng)紋甜瓜品種‘長香玉’、珠海太陽現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司的厚皮網(wǎng)紋甜瓜品種‘激情’、白皮紅肉甜瓜品種‘秋月’、紅皮白肉甜瓜品種‘紅姑’。

1.2 試驗設(shè)計

2015年3—6月和9—12月分別進行4個甜瓜品種的夏季和秋季栽培，于2015年5月28日至6月5日（夏茬甜瓜果實成熟期）、2015年10月20日、11月5日、11月20日、12月10日（秋茬甜瓜伸蔓期至果實成熟期）采摘主莖上全部完整葉片，每個品種采摘20株，共計1 298片葉。

1.3 方法

葉片形態(tài)指標測量方法如圖1所示。厚皮甜瓜的葉片大致左右對稱，有些葉片無缺刻，有些葉片有1～2對對稱的缺刻。為了便于觀察，選擇葉片左側(cè)的葉長和缺刻形態(tài)作為觀測對象。首先目測葉片，確定葉片有無缺刻。若無缺刻，則測量左側(cè)葉長L和全葉葉寬W。若有缺刻，確定缺刻的數(shù)量、葉緣尖點或拐點即 a、b、c、d、e 的位置。然后測量左側(cè)葉長L；測量葉寬，W1為葉基（葉柄與葉身連接處）上部的寬度，W2為葉基下部的寬度。最后測量缺刻N，缺刻凹點與切線bc或cd的垂直距離，凹陷取負值。

圖1 厚皮甜瓜葉片形態(tài)測量方法的示意圖

采用掃描法測定葉面積，先用HP Scanjet 2400掃描儀對葉片進行掃描，然后使用Lia32軟件計算被掃描葉片的面積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

全葉的葉寬取W1和W2中最大值W。使用Ex?cel 2007軟件進行數(shù)據(jù)整理和分類，使用JMP10軟件進行數(shù)據(jù)分析和模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 厚皮甜瓜葉片的特征

厚皮甜瓜葉面積及主要形態(tài)指標的數(shù)據(jù)特征如表1所示，樣本數(shù)為1298，葉面積在16.8～422.3cm2范圍，變異系數(shù)為44.68%；葉長L在5.9～27.2 cm范圍，變異系數(shù)為23.21%；葉寬W1的距離在5.7～26.3cm范圍，變異系數(shù)為23.60%；葉寬W2的距離在0.00～23.4cm范圍，變異系數(shù)為61.80%；全葉最大葉寬W的距離在5.7～26.3 cm范圍，變異系數(shù)為23.50%；缺刻N1的距離在-7.3～0.0 cm范圍，變異系數(shù)為-91.37%；缺刻N2在-4.3～0.0 cm范圍，變異系數(shù)為-121.35%。以上數(shù)據(jù)顯示，葉片面積及各項形態(tài)指標的變化幅度較大。

表1 厚皮甜瓜葉面積及形態(tài)指標的數(shù)據(jù)特征

2.2 主要形態(tài)指標間的相關(guān)性分析

主要葉面積及其形態(tài)指標之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表2。葉面積與各形態(tài)指標之間有一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在-0.448～0.994 范圍，L、W1、W 與葉面積的相關(guān)性較高。L和W1、W以及W1和W之間高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.9%。

表2 主要形態(tài)指標之間的相關(guān)性

2.3 厚皮甜瓜葉面積預(yù)測模型的建立與驗證

2.3.1 葉面積預(yù)測模型的建立與外部驗證 按采樣時間次序進行間隔抽樣，將獲得的1 298組數(shù)據(jù)劃分為3組，其中2組用于建模，1組用于模型的外部驗證?；诟餍螒B(tài)指標與葉面積之間的關(guān)系、多重共線性分析、不同模型的擬合和驗證效果對模型進行優(yōu)化，得到預(yù)測厚皮甜瓜葉面積的模型（式1）。式1中，L·W反映了葉片大小與葉面積的關(guān)系，N1·L 反映了缺刻 1 與葉面積的關(guān)系，N2·L 反映了缺刻2與葉面積的關(guān)系。模型擬合結(jié)果，決定系數(shù)R2為0.988 6，均方根誤差RMSE為7.686。

S=-13.289 7+（L·W）0.943+0.267N1·L+0.153 N2·L（式 1）

圖2 厚皮甜瓜實測葉面積與預(yù)測葉面積的關(guān)系

圖2顯示了厚皮甜瓜葉面積預(yù)測模型的外部驗證結(jié)果，預(yù)測值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)r為0.9950，均方根誤差RMSE為7.201，表明模型預(yù)測的準確度很高。

2.3.2 模型的適應(yīng)性驗證 為了檢驗?zāi)Ｐ偷倪m應(yīng)性，對‘長香玉’‘秋月’‘激情’‘紅姑’4 個品種的獨立數(shù)據(jù)分別進行了外部驗證，結(jié)果如表3所示。預(yù)測值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)r均達到0.994 0以上，均方根誤差RMSE均小于6.900，表明模型對各個品種的葉面積預(yù)測準確度很高。

表3 4個品種的模型驗證比較

3 討論與結(jié)論

前人通過系數(shù)法和回歸分析法在多種不同作物上預(yù)測葉面積，主要通過以易測變量長和寬及其組合變量建立葉面積的預(yù)測模型[8，15-21]，但其系數(shù)或回歸方程多針對某一品種或葉形而建立，且很少考察缺刻程度指標及其缺刻對葉面積的影響，適用范圍較小，準確度有待提高。目前，關(guān)于厚皮甜瓜、草莓、葡萄、番茄等具有缺刻的非規(guī)則葉片的研究多集中在葉片大小如葉長、葉寬等變量對葉面積的影響方面，而關(guān)于缺刻或缺刻變量對葉面積影響的研究鮮見報道。筆者除保留反映葉片大小的變量外，又導(dǎo)入了能夠直觀地反映葉片缺刻形態(tài)的變量，得到預(yù)測模型的準確度高于僅用葉長、葉寬的乘積建立的回歸方程。另外，由于厚皮甜瓜的葉片大致左右對稱，本研究選擇葉片左側(cè)的葉長和缺刻形態(tài)作為觀測對象既有代表性又省時省力。

不同的甜瓜品種，葉形存在一定的差異，甚至同一甜瓜品種，因其取葉節(jié)位、生態(tài)條件不同，葉形也存在差異。通常在日照強烈、高溫干燥條件下高節(jié)位的葉片缺刻較深，而陰雨潮濕及低節(jié)位葉片缺刻較淺或無缺刻[5]。有些葉片呈下部較寬的心形，有些呈具有缺刻的不規(guī)則形狀。如果僅通過反映葉片大小的變量長和寬預(yù)測葉面積，難免會產(chǎn)生誤差。預(yù)測葉面積模型的外部驗證結(jié)果顯示，當自變量中沒有缺刻變量時，預(yù)測葉面積與實測葉面積的均方根誤差9.434；當在自變量中添加缺刻變量N1·L和N2·L后，均方根誤差RMSE降低到7.201（數(shù)據(jù)省略）：表明添加缺刻變量可以提高預(yù)測葉面積的準確度。預(yù)測葉面積模型對4個甜瓜品種的驗證結(jié)果顯示，模型對各個品種的葉面積預(yù)測準確度也很高。由此可知，本研究通過對不同品種的大量數(shù)據(jù)采集及分析，得到的預(yù)測模型既適用于心形葉片也適用于具有缺刻的非規(guī)則葉片，同時也適用于網(wǎng)紋甜瓜和光皮甜瓜等多個品種。因此，在預(yù)測模型中導(dǎo)入反映缺刻深淺的變量可減小和消除品種之間在缺刻上存在的系統(tǒng)差異，提高了預(yù)測的準確度。另一方面，缺刻變量可以消減葉片因缺刻特征產(chǎn)生的誤差，增加了模型對不同葉形和不同品種葉片的適應(yīng)性。

綜上所述，將反映缺刻的變量導(dǎo)入預(yù)測模型，可以提高預(yù)測準確度和增強預(yù)測模型的適應(yīng)性。本研究基于葉片大小和缺刻特征構(gòu)建的厚皮甜瓜葉面積的預(yù)測模型，預(yù)測準確高、適應(yīng)性較強，因而在科研和生產(chǎn)中，可以通過測量葉長、葉寬及缺刻深度來計算葉面積。該方法操作簡單，且無需離體測量，具有較高的應(yīng)用價值。