光譜判斷田間鮮煙葉成熟度的影響因子研究

徐興陽，何春榮，秦春麗，王　鋒，勞彩蓮*

(1.云南省煙草公司昆明市公司 云南 昆明 650051；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

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光譜判斷田間鮮煙葉成熟度的影響因子研究

徐興陽1，何春榮2，秦春麗1，王鋒1，勞彩蓮2*

(1.云南省煙草公司昆明市公司 云南 昆明 650051；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

利用便攜式地物波譜儀Field Spec 3測量烤煙成熟期煙葉的反射光譜，針對采收成熟度M2、M3，分析比較同一時間不同測量位點、及同一位點不同測量時間的反射光譜差異。結(jié)果表明：反射光譜的差異在不同測量位點主要體現(xiàn)在350～780 nm可見光波段和780～1300 nm近紅外波段，在不同測量時間主要體現(xiàn)在780～1300 nm近紅外波段。因此，利用光譜儀判斷鮮煙葉成熟度，受測量位點的影響較大，而受測量時間的影響較小，但若測量煙葉生理生化組分、厚度和水分等內(nèi)在指標(biāo)，時間及天氣狀況是必須考慮的重要因素。

烤煙；光譜法；鮮煙葉成熟度；影響因子

近紅外光譜技術(shù)被認為具有簡便、快速、無污染、樣品無需處理、適合在線分析等優(yōu)點，在煙草行業(yè)中扮演著越來越重要的角色，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。鮮煙葉的成熟度可通過葉片厚度、葉面顏色、主支脈顏色、茸毛脫落情況等外觀特征和葉綠素、含碳及含氮化合物含量等進行綜合判斷[4-6]，這些外觀特征和化學(xué)成分信息在煙葉光譜(反射、透射、吸收)中均有相應(yīng)表現(xiàn)，因而煙葉的成熟度可以通過測量煙葉的反射光譜進行分析[6-8]。當(dāng)前，針對田間新鮮煙葉的反射光譜、生化指標(biāo)等的研究，尚停留在選擇某一葉段某幾個“位點”上[9-11]。煙葉是從葉尖部到葉基部、從葉緣到中間漸次成熟的。換言之，同一葉片，其葉尖與葉基，中間與邊緣，正面與背面，葉片與主脈，都有明顯的素質(zhì)差異，不同葉段香味有較大差異[12-13]。為此，應(yīng)用光譜儀器判斷煙葉成熟度、或取樣檢測煙葉生化指標(biāo)時，選取不同的段位、位點進行檢測，對結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。目前，針對鮮葉取樣位點的選擇尚沒有具體標(biāo)準(zhǔn)，通常是針對每一個選定的葉片樣本主脈兩側(cè)沿葉尖、葉中、葉基進行選點觀測或打孔取樣[14-15]，也有將整個葉片打碎再進行檢測的[16-17]。另外，一天中不同時間測量是否會對煙葉成熟度反射光譜產(chǎn)生影響也鮮見報道。為此，本文擬研究鮮煙葉不同位點和測量時段對光譜測定儀檢測效果的影響，為正確使用光譜儀識別成熟度和科學(xué)選取 “位點”等提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地點及材料

于2005年8月中旬，在云南省尋甸縣烤煙科技試驗基地，以烤煙品種紅花大金元(以下簡稱紅大)成熟期的中部煙葉和上部煙葉為研究對象。

1.2儀器

煙葉反射光譜的測量在大田環(huán)境中進行。光譜反射率測量儀器為ASD Field Spec 3便攜式地物波譜儀，波長范圍是350-2500 nm，分辨率3-700 nm、10-1400 nm、2100 nm，接觸式葉片測量還需使用光譜儀配套的植被探頭和葉片夾持器。

1.3試驗方法

試驗分別測了紅大中部葉采收成熟度M2、M3，紅大上部葉采收成熟度M2各5個煙葉樣本，每個煙葉樣本測了12個“位點”，每個點測量3次，12個點每2個點為一組，做光譜平均，如圖1所示。其中位點1、2為位置1，稱為尖部；3、7為位置2，稱為中部偏上(外)；4、6為位置3，稱為中部偏上(里)；8、12為位置4，稱為中部偏下(外)；9、11為位置5，稱為中部偏下(里)；13、15為位置6，稱為基部。

針對葉片“位點”的選擇，比較同一時間，同一個煙葉樣本6個不同位置的光譜，以8月16號9個點測的煙葉光譜為例進行說明。

針對測量時間，比較一天的9點、11點、13點、15點、17點五個時間，同一個煙葉樣本同一位置的光譜，以8月16號測的煙葉第2個位置光譜為例進行說明。各個時間段的天氣狀況是：9點天氣晴，多云；11點天氣晴，光照較強；13點天氣晴，光照較強，期間下了小雨；15點和17點天氣陰。

本研究用MATLAB[18]對測得的光譜進行處理分析。

圖1　田間鮮煙葉葉形模擬圖

2　結(jié)果與分析

2.1測定位置對煙葉反射光譜的影響

下圖所示為6個不同位置的鮮煙葉反射光譜，煙葉樣本紅大中部葉M2、M3各五片，紅大上部葉M2五片。

圖2　紅大中部葉M2第一片葉

圖3　紅大中部葉M3第一片葉

圖4　紅大中部葉M2第二片葉

圖5　紅大中部葉M3第二片葉

圖6　紅大中部葉M2第三片葉

圖7　紅大中部葉M3第三片葉

圖8　紅大中部葉M2第四片葉

圖9　紅大中部葉M3第四片葉

圖10　紅大中部葉M2第五片葉

圖11　紅大中部葉M3第五片葉

圖12　紅大上部葉M2第一片葉

圖13　紅大上部葉M2第二片葉

圖14　紅大上部葉M2第三片葉Fig.14　The third leaf of Hongda upper leaf M2

圖15　紅大上部葉M2第四片葉

圖16　紅大上部葉M2第五片

從圖2～16可以看出，煙葉不同位置光譜的差異主要體現(xiàn)在350～780 nm的可見光波段和780～1300 nm的近紅外波段，其他波段差異不是很明顯。

2.2測定時間對煙葉反射光譜的影響

下圖所示為5個不同時間點的鮮煙葉反射光譜，煙葉樣本紅大中部葉M2、M3各五片，紅大上部葉M2五片。

圖17　紅大中部葉M2第一片葉

圖18　紅大中部葉M3第一片葉

圖19　紅大中部葉M2第二片葉

圖20　紅大中部葉M3第二片葉

圖21　紅大中部葉M2第三片葉

圖22　紅大中部葉M3第三片葉

圖23　紅大中部葉M2第四片葉

圖24　紅大中部葉M3第四片葉

圖25　紅大中部葉M2第五片葉

圖26　紅大中部葉M3第五片葉

圖27　紅大上部葉M2第一片葉

圖28　紅大上部葉M2第二片葉

圖29　紅大上部葉M2第三片葉

圖30　紅大上部葉M2第四片葉

圖31　紅大上部葉M2第五片葉

從圖17～31可以看出，煙葉不同時間光譜的差異主要體現(xiàn)在780～1300 nm的近紅外波段，其他波段差異不是很明顯。

3　結(jié)論與討論

3.1位置選擇對光譜法判斷成熟度的影響

在390～780 nm可見光波段，各種色素是影響煙葉光譜的主要因素，其中葉綠素最為重要，而在780～1300 nm近紅外波段，煙葉的反射率主要來自煙葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與生理生化組分、厚度、水分等關(guān)系密切[6-8]。在葉形圖中位置6(黑色曲線)，即基部光譜的反射率最小，說明基部葉綠素含量高，成熟最晚，而位置3(藍色曲線)以上的一半左右光譜反射率最大，說明煙葉的中部偏上(里)在整個煙葉中葉綠素含量最低，成熟最早。同時，也說明這兩個位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物差異最大，但這種差異尚待研究?？傮w而言，煙葉的尖部以及中部偏上要早于煙葉的中部偏下以及基部成熟。這一結(jié)果與烤后煙葉外觀質(zhì)量特征相吻合，可能與煙葉各個位置的有關(guān)，通常情況下煙葉受光照條件從尖部至基部依次變差，基部受光條件最差，內(nèi)含物質(zhì)也最少[12-13，19]。

3.2時間選擇對光譜法判斷成熟度的影響

在不同測量時間，490～700 nm可見光波段盡管也有差異，但不明顯，所以測量時間幾乎不會影響光譜對煙葉成熟度的判斷。在780～1300 nm近紅外波段，由于煙葉的反射率主要來自生理生化組分、厚度、水分等內(nèi)部指標(biāo)，其差異說明，在不同時間的煙葉，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生化組分等都發(fā)生了變化，甚至細胞大小、細胞壁排列方向和細胞質(zhì)異質(zhì)性等也可能發(fā)生了變化。

從本研究看，在近紅外波段上午9點反射率最小，11點和13點反射率最大，13點下過雨后15點有的煙葉樣本反射率又下降，17點過后反射率又進一步上升。由此說明，溫度較低、太陽光照弱、含水量較多可能是光譜反射率較低的緣故，反之，溫度較高，光照較強，含水量較低是反射率較高的緣故。為此，若采用光譜反射率測量煙葉的生理生化組分、厚度和水分等內(nèi)在指標(biāo)，時間及天氣影響是必須考慮的重要因素。

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Study on Influence Factors of field judging the maturity of fresh tobacco leaf byspectrometry

XU Xing-yang1，HE Chun-rong2，QIN Chun-li1，WANG Feng1，LAO Cai-lian2*

(1.Yunnan Tobacco Company Kunming Branch，Kunming 650051 Yunnan，China;2.College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083,China)

In order to provide a theoretical basis for maturity determination of fresh leaf in the field by spectrometer,We measured the reflectance spectrum of mature tobacco leaves by Field Spec 3 and collected leaf spectra of M2 and M3.Analysis compared with time under different measuring sites,and at the same loci in different measuring time reflectance difference.The results showed that the difference of reflectance spectra in different measurement sites mainly in 350 ～ 780nm and 780 ～ 1300nm visible to near infrared band in different measuring time is mainly reflected in the 780 ～ 1300nm near infrared band.Therefore,using the spectrometer to determine the maturity of fresh tobacco leaves was mainly influenced by the measurement sites.Measure time had little effect on it,but when measuring internal indexes such as physiological and biochemical composition,thickness and water content of,tobacco leaves,time and weather conditions were important factors to be considered.

Flue-cured tobacco;Spectrometry;Maturity of fresh tobacco leaf;Factors

2016-03-23；

2016-04-07

中國煙草總公司云南省公司資助項目(2013YN17)。

勞彩蓮(1966-)，女，博士，副教授，主要研究方向：作物光譜技術(shù)研究及應(yīng)用；E-mail:wxjylh@126.com。

S572，TS411

A

1008-0457(2016)04-0088-07國際

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.04.016