基于葉綠素相對含量的烤煙葉色仿真

李青山，張玉琴，沈晗，湯朝起，張偉娜，譚效磊，劉莉，任杰，徐秀紅*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點實驗室，山東青島266101；2.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海200082；3.山東臨沂煙草有限公司沂水分公司，山東沂水276400；4.山東臨沂煙草有限公司，山東臨沂276001）

顏色在指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)和烤后煙的評價方面具有重要作用。一方面準(zhǔn)確判斷煙葉葉色可為科學(xué)施肥、病理診斷提供科學(xué)依據(jù)［1］。另一方面鮮煙葉顏色是判斷和確定烤煙田間成熟度的主要依據(jù)［2，3］，烘烤過程中煙葉顏色變化是烘烤操作的重要依據(jù)，烤后煙葉顏色是影響煙葉等級和質(zhì)量的重要因素［3，4］。煙葉葉片的 SPAD 值可以反映煙葉葉綠素相對含量，是反映植物生理活性變化的最重要指標(biāo)之一［5］。色差計通過Lab 顏色空間能夠準(zhǔn)確 測定物體 表面顏 色［6］。 葉綠 素相對值（SPAD）與表觀顏色具有較高的關(guān)聯(lián)性［7］。許多科研工作者利用色差計和葉綠素儀在SPAD 值預(yù)測葉綠素含量［8～10］、顏色參數(shù)預(yù)測色素含量［11～13］、顏色參數(shù)與 SPAD 值的關(guān)系［7，14，15］等方面開展了大量工作。煙草作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉葉片的顏色是反映烤煙內(nèi)在生理功能和生長狀態(tài)的重要特征，定量描述葉片顏色動態(tài)變化過程對于烤煙生長的數(shù)字化和可視化具有重要意義［16］?；赟PAD 值和顏色參數(shù)，水稻、小麥和黃瓜等作物葉色可視化或仿真研究已經(jīng)開展很多［17～24］，主要是分析作物不同SPAD 值與葉片顏色分量之間的相關(guān)關(guān)系并建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合相應(yīng)作物葉片的三維模型，實現(xiàn)基于SPAD 值的作物葉片表面顏色的可視化模擬。而針對烤煙煙葉葉色的可視化研究略有滯后。在烤煙葉片的三維模型并未構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為了盡快實現(xiàn)煙葉葉色的可視化模擬，本文首先開展分析SPAD 值和顏色參數(shù)之間的關(guān)系，探索是否可基于SPAD 值實現(xiàn)煙葉葉色仿真，為下一步煙葉葉色可視化模擬的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

本文以NC55 和NC102 中部葉和上部葉為供試材料，原位測量烤煙煙葉顏色參數(shù)和SPAD 值，分析鮮煙葉顏色參數(shù)和SPAD 值在成熟期的動態(tài)變化及相關(guān)關(guān)系，通過進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，建立基于SPAD 值預(yù)測顏色參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并對模型的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗證。采用所建數(shù)學(xué)模型預(yù)測不同SPAD 值煙葉所對應(yīng)的顏色參數(shù)，并進(jìn)一步探索是否可簡單編程實現(xiàn)顏色仿真，目的是為進(jìn)行烤煙煙葉葉色的可視化的下一步研究提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016 年在山東省臨沂煙草有限公司沂水試驗站進(jìn)行。土壤類型為褐土，肥力中等。純氮施用量控制在 82.5 kg·hm-2，氮磷鉀比例為 1∶1.1∶2.8。施用太陽島復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O 為 1∶1∶2）525 kg·hm-2、豆 餅 300 kg·hm-2、硫 酸 鉀 225 kg·hm-2、磷酸二銨 75 kg·hm-2。施肥方法為 60%肥料作為基肥施用，其余于移栽30 d 后追施。行距1.2 m，株距0.5 m。煙田管理按優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行。供試烤煙品種為NC55 和NC102，部位為中部葉和上部葉。

1.2 試驗設(shè)計

選擇長勢一致的煙田作為試驗田，按照面積劃分為3 個小區(qū)，各小區(qū)選取具有代表性的一行煙株作為定位行；各定位行選取具有代表性的3 株煙作為定位株；各定位煙株，選取第10～11 葉位的葉片作為中部葉定位葉，選取第15～16 葉位的葉片作為上部葉定位葉。各定位葉在葉基、葉中和葉尖距主脈5～8 cm 處用黑色碳素筆畫圓圈標(biāo)記測量點（左右各一個，標(biāo)記圓圈大小以不影響測量結(jié)果為主）。

NC55 中部葉和上部葉分別于打頂后第20 d和30 d 開始進(jìn)行第1 次數(shù)據(jù)測量，之后各部位每隔10 d 進(jìn)行下一次測量，直至煙葉無法進(jìn)行下一次測定為止（上部葉后期每隔5 d 測量一次），中部葉和上部葉均測量6 次（M1～M6）；NC102 中部葉和上部葉分別于打頂后第21 d 和31 d 開始進(jìn)行第1 次數(shù)據(jù)測量，之后各部位每隔10 d 進(jìn)行下一次測量（上部葉后期每隔5 d 測量一次），中部葉和上部葉均測量5 次（M1～M5）。

1.3 顏色參數(shù)的測定

采用CR-10 型全自動色差計進(jìn)行鮮煙葉顏色參數(shù)（L、a、b、C、H°）的測定。L 值取值 0～100，表示煙葉顏色的黑白狀態(tài)；a 值取值-100～+100，表示煙葉顏色的紅綠狀態(tài)；b 值取值-100～+100，表示煙葉顏色的藍(lán)黃狀態(tài)；通過L、a 和b 計算得到（圖1）。每片煙葉的各顏色參數(shù)取6 個點的平均值。

圖1 CIE LAB 彩度坐標(biāo)圖Fig.1 CIE LAB chroma map

1.4 葉綠素含量的測定

葉綠素含量采用SPAD-502 葉綠素儀（日本）測定，6 個點的平均值作為該片煙葉的SPAD 值。煙葉葉片的SPAD 值可以反映煙葉葉綠素相對含量［5］

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 模型建立

利用NC55 品種的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，并進(jìn)行線性回歸分析，建立模型，利用NC102 的試驗數(shù)據(jù)對回歸方程進(jìn)行檢驗。

顏色參數(shù)和SPAD 值數(shù)據(jù)采用Excel 10.0 和SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作圖軟件采用Origin 2016 和Microsoft PowerPoint。簡單相關(guān)分析采用雙變量相關(guān)分析（Pearson 相關(guān)系數(shù)和雙側(cè)檢驗，**：相關(guān)性在0.01 水平上極顯著，*：相關(guān)性在0.05水平上顯著）?；貧w分析采用逐步回歸分析（線性，引入水平P=0.05）。模型準(zhǔn)確性評價標(biāo)準(zhǔn)為R2和（均方根誤差）。

1.5.2 葉色仿真

選擇 4 個 SPAD 值（5、15、25、35）進(jìn)行葉色仿真，通過模型函數(shù)求得Lab，采用Excel 10.0 的VBA 編輯器，轉(zhuǎn)換成RGB 系統(tǒng)，并顯色。

2 結(jié)果與分析

2.1 顏色參數(shù)

由圖2 可以看出，隨著成熟度的提高，NC55和NC102 中部葉和上部葉顏色參數(shù)L、b 和C 均呈不斷增大的趨勢；NC55 中部葉和上部葉顏色參數(shù)a 前期變化不大，后期呈增大趨勢；而NC102 中部葉顏色參數(shù)a 基本保持在-12.02 左右，上部葉顏色參數(shù)a 呈增大趨勢；顏色參數(shù)H°呈不斷減小的趨勢，這可能與鮮煙葉顏色在成熟期由濃綠漸漸轉(zhuǎn)變成黃綠色或淡黃色有關(guān)。

圖2 鮮煙葉顏色參數(shù)在成熟期的變化Fig.2 Changes in color parameters of fresh tobacco leaves during maturity

2.2 SPAD 值

在成熟期，NC55 中部葉和上部葉的SPAD 值均呈不斷減小的趨勢，M6 比M1 分別減小了8.9（CM）和11.9（BM），其中上部葉M4 略有增大，原因可能是由于在測量前降水較多，煙株吸收氮素，色素含量重新增大；NC102 中部葉和上部葉呈不斷減小的趨勢，分別減小了8.9（CM）和10.4（BM）（圖3）。

2.3 顏色參數(shù)與SPAD 值相關(guān)分析

選用NC55 品種的實驗數(shù)據(jù)建立SPAD 值與顏色參數(shù)的回歸方程，首先對NC55 的顏色參數(shù)與SPAD 值進(jìn)行相關(guān)分析（表1），發(fā)現(xiàn)中部葉（CM）和上部葉（BM）顏色參數(shù) L、b、C 均與 SPAD 值呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；SPAD 值均與中部葉和上部葉顏色參數(shù)H°均呈顯著或極顯著正相關(guān)；而中部葉和上部葉顏色參數(shù)a 與SPAD 值間相關(guān)性沒有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 品種鮮煙葉SPAD 值在成熟期的變化（NC55（a）和NC102（b）Fig.3 Fresh tobacco leaf SPAD value changes during maturity（NC55（a）和 NC102（b）

表1 顏色參數(shù)與SPAD 值的相關(guān)性Table 1 Correlation between color parameters and SPAD values

2.4 顏色參數(shù)與SPAD 值回歸分析

通過相關(guān)分析可知，顏色參數(shù)（L、a、b、C 和H°）與SPAD 值呈顯著或極顯著正負(fù)相關(guān)。對顏色參數(shù)和SPAD 值進(jìn)行線性回歸分析前，首先對參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗，Kolmogorov-Smirnov（由于樣品數(shù)較少，不選用W statistical quantity）檢驗，結(jié)果表明（表2），顏色參數(shù)和SPAD 值均服從正態(tài)分布（Sig＞0.05）。以SPAD 值為自變量為（x），以L、a、b、C 和 H°為因變量（y）為進(jìn)行線性回歸分析（圖4）。除了顏色參數(shù)a，基于SPAD 值建立的顏色參數(shù)回歸方程，通過R2值和P 值說明建立的方程具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 顏色參數(shù)和SPAD 值分布正態(tài)性檢驗Table 2 Normality test of color parameter and SPAD value distribution

2.5 模型的驗證

圖4 顏色參數(shù)與SPAD 值建立的回歸方程Fig.4 Regression equation established by color parameters and SPAD values

利用NC102 的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗，一方面進(jìn)一步驗證模型的可用性，另一方面檢驗?zāi)Ｐ驮谄贩N間的通用性?；貧w模型的評價標(biāo)準(zhǔn)是有較高的相關(guān)系數(shù)r 和較低的均方根誤差RMSE。通過對預(yù)測值與實測值進(jìn)行相關(guān)分析和計算標(biāo)準(zhǔn)誤差其中n 為樣本數(shù)，為 SPAD 值的測量值，yi 為 SPAD 值的預(yù)測值。對實測值和預(yù)測值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)顏色參數(shù)L的實測值和預(yù)測值達(dá)到極顯著相關(guān)（r=0.67**，RMSE=3.09）；顏色參數(shù)b 達(dá)到極顯著相關(guān)（r=0.54**，RMSE=3.93）；顏色參數(shù) C 達(dá)到極顯著相關(guān)（r=0.52**，RMSE=3.67）；顏色參數(shù) H 達(dá)到極顯著相關(guān)（r=0.53**，RMSE=3.57）。結(jié)果表明模擬值與實際觀測值的一致性較好（圖5），回歸方程的模擬結(jié)果具有一定可靠性。

2.6 葉色可視化模擬

選擇 4 個 SPAD 值（5、15、25、35）進(jìn)行葉色仿真，通過模型函數(shù)求得顏色參數(shù)L、a、b。采用Excel 10.0 的 VBA 編輯器，把顏色參數(shù) Lab 轉(zhuǎn)換成RGB，并進(jìn)行顏色模擬（圖6）。從視覺上看，隨著SPAD 值的降低，葉片的顏色大致呈綠到黃的變化趨勢，顏色的變化主要體現(xiàn)在葉片顏色R、G、B 分量的變化上，即顏色參數(shù)L、a、b 分量上的變化。隨SPAD 值的變化，仿真葉色的變化與實際大田表現(xiàn)出來的基本一致，說明基于SPAD 值進(jìn)行葉色模擬是可行的。

圖5 實測值與預(yù)測值的相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis between measured and predicted values

圖6 不同SPAD 值葉片的葉色仿真Fig.6 Leaf color simulation of different SPAD value leaves

3 討論與結(jié)論

在烤煙成熟期，煙葉隨著成熟度的提高，NC55 和NC102 中部葉和上部葉顏色參數(shù)的變化趨勢基本一致，這與李青山等結(jié)果一致［6，11］。L 均在成熟期不斷增大；NC55 中部葉和上部葉顏色參數(shù)a 前期變化不大，后期呈增大趨勢；而NC102 中部葉顏色參數(shù)a 基本保持在-12.02 左右，但上部葉顏色參數(shù)a 呈增大趨勢；顏色參數(shù)b 和C 均呈不斷增大的趨勢；顏色參數(shù)H°呈不斷減小的趨勢，這些結(jié)果說明鮮煙葉在成熟期亮度逐漸增強(qiáng)，顏色逐漸變?yōu)辄S綠或者淡黃色，這與SPAD 值在成熟期不斷減小相吻合。煙葉葉片的SPAD 值可以反映煙葉葉綠素相對含量，SPAD 值的減小，說明相對葉綠素含量逐漸減少，且葉綠素含量的減少幅度遠(yuǎn)大于類胡蘿卜素含量的減少，所以表觀上表現(xiàn)為鮮煙葉的綠色逐漸褪去，黃色逐漸顯現(xiàn)［6，11，12］。顏色參數(shù)a 的變化規(guī)律較差，這可能是因為鮮煙葉在下雨過后會出現(xiàn)返青現(xiàn)象。

顏色參數(shù)和SPAD 值均與色素含量呈顯著或極顯著相關(guān)，均可基于顏色參數(shù)或SPAD 值建立準(zhǔn)確可靠預(yù)測色素含量的模型［10～12］，一定程度上解釋了本文中顏色參數(shù)和SPAD 值呈顯著或極顯著正負(fù)相關(guān)關(guān)系的原因。以SPAD 值（自變量）和顏色參數(shù)（因變量）可建立有效的回歸方程，通過另一品種的數(shù)據(jù)對所建方程進(jìn)行驗證，方程的預(yù)測效果較好，說明基于SPAD 值可以預(yù)測鮮煙葉的顏色變化。顏色參數(shù)a 值表示的是顏色紅綠狀態(tài)，基于SPAD 值不能夠建立有效預(yù)測方程，這可能是因為鮮煙葉在下雨過后會出現(xiàn)返青現(xiàn)象，而SPAD 值并未增加，從而導(dǎo)致顏色參數(shù)a 與SPAD值的相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平，今后在研究烤煙鮮煙葉在生育過程中的動態(tài)變化時，應(yīng)將氣候因素考慮進(jìn)來。

陸聲鏈等［24］基于SPAD 值建立了與顏色分量（R、G、B）的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，取得了較好的黃瓜葉色仿真效果。本文選取不同SPAD 值，采用所建回歸方程對顏色參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而通過編程實現(xiàn)顏色仿真，通過視覺來看，隨著SPAD 值的減小，顏色大致呈由綠到黃的變化趨勢，這與大田實際表觀基本一致，說明基于SPAD 值對烤煙葉色進(jìn)行仿真也是可行的。另有學(xué)者基于葉片三維模型，利用SPAD 值與顏色分量的關(guān)系實現(xiàn)了水稻和玉米葉片顏色變化的可視化模擬，均取得了較好效果［20～23］，但如何實現(xiàn)烤煙不同生育時期鮮煙葉顏色變化的可視化模擬，有待進(jìn)一步研究探索。

本研究僅研究了山東煙區(qū)的2 個主栽品種NC55 和NC102 的中部葉和上部葉，但不同品種的烤煙葉片SPAD 值與顏色參數(shù)的關(guān)系會有所不同；而且在不同的施肥水平下，同一烤煙品種葉片的SPAD 值與顏色參數(shù)的關(guān)系也會有所不同。除此之外，同一葉片的葉尖、葉中和葉基的SPAD 值在相同條件下也表現(xiàn)出差異，然而本文選用的則是葉片的平均SPAD 值。因此，針對不同品種、不同施肥水平下的SPAD 值與顏色參數(shù)的關(guān)系以及同一葉片的不同部位的線性插值研究還需進(jìn)一步的探索。

實現(xiàn)烤煙不同生育時期鮮煙葉顏色變化的可視化模擬，還有以下工作需要展開研究：（1）不同施肥條件是否會影響鮮煙葉色仿真的效果？（2）不同品種間鮮煙葉色仿真是否存在差異？（3）如何實現(xiàn)鮮煙葉片不同部位的葉色仿真？（4）如何構(gòu)建烤煙鮮煙葉片的三維模型？

基于對本文結(jié)果的充分討論，得出以下結(jié)論：山東煙區(qū)主栽烤煙品種煙葉的顏色參數(shù)和SPAD值呈極顯著或顯著相關(guān)?；赟PAD 值建立的回歸方程可較好地預(yù)測顏色參數(shù)，進(jìn)而對葉色進(jìn)行仿真是可行的。