摘要：利用典型相關(guān)分析方法分析了不同生育期葉綠素含量與各波段光譜特征的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，除分蘗期與葉綠素b含量相關(guān)性不顯著外，各生育期在430-700nm葉綠素含量與各波段光譜特征均達(dá)到顯著相關(guān)。利用主成分分析方法對(duì)其分析的結(jié)果顯示，第一主成分主要包含了510-520、520-530、530-540、540-550、550-560、570-580nm幾個(gè)可見(jiàn)光波段的信息，第二主成分主要包含了760-770、750-760、740-750、730-740nm近紅外波段的信息。利用典型相關(guān)分析和主成分分析對(duì)水稻葉片葉綠素進(jìn)行分析得出的敏感波段范圍基本一致。

關(guān)鍵詞：典型相關(guān)分析；主成分分析；葉綠素含量；透射率；吸收率

中圖分類號(hào)：Q-331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942(2010)10-0019-05

植物不同生育期葉綠素含量與各波段透射率和吸收率之間有著一定的相關(guān)性；對(duì)于小區(qū)試驗(yàn)不同葉位高光譜單波段葉綠素含量與各波段透射率和吸收率之間的相關(guān)性，不同葉位、不同生育期相關(guān)系數(shù)最大的波段范圍不同。典型相關(guān)分析是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它研究?jī)山M或兩組以上變量的線性函數(shù)之間相關(guān)程度的大小。典型相關(guān)分析可以簡(jiǎn)化相關(guān)不顯著(P>0.05)的量，從而通過(guò)分析葉綠素含量與各波段光譜特征的相關(guān)性找出顯著相關(guān)的波段范圍。主成分分析方法是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，目前已被引入土地資源保護(hù)、環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)研究等諸多領(lǐng)域，與其它環(huán)境質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)方法相比，具有能夠減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性等優(yōu)點(diǎn)，在水、大氣、土壤等環(huán)境介質(zhì)中的污染物評(píng)價(jià)研究中均有應(yīng)用。各波段的光譜特征數(shù)據(jù)很多，計(jì)算較麻煩，由于它們之間具有相關(guān)性，所以可以利用主成分分析法簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，得到幾個(gè)主成分，其貢獻(xiàn)率占據(jù)主要部分，既能反映各波段的共性特征，又能反映各波段的不同特征。找出幾個(gè)能代表大部分波段光譜特征的波段有利于更進(jìn)一步的研究。

本文即采用此兩種方法對(duì)水稻葉片葉綠素的敏感波段進(jìn)行篩選，并對(duì)其效果進(jìn)行比較分析。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

試驗(yàn)區(qū)位于青島市研究基地，土壤為棕壤，有機(jī)質(zhì)含量7.1g/kg、全氮0.62g/kg、堿解氮47.2mg/kg、速效磷23.1mg/kg、速效鉀130.8 mg/kg、有效硫18.4mg/kg、全硫181.7mg/kg。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為15.18m²，重復(fù)3次。株行距為0.15m x0.22m，按大田管理方式進(jìn)行田間管理，統(tǒng)一施肥。

供試材料為水稻品種臨稻10。測(cè)量時(shí)期為：7月15日(分蘗期)、7月26日(拔節(jié)期)、8月5日(孕穗期)、8月16日(抽穗期)和8月28日(灌漿期)。以孕穗期的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

1.2 光譜測(cè)試

鮮葉片光譜測(cè)量在暗室中進(jìn)行。使用由美國(guó)ASD(Analytical Spectral Devices)公司制造的ASD野外光譜輻射儀(ASD-Field Spec)，其光譜范圍為350-1050nm，色散為1.4nm，光譜分辨率是3nm。有512個(gè)波段，視場(chǎng)角為25°。鹵鎢燈光源AvaLight-HAL作為補(bǔ)償光源。從右試驗(yàn)區(qū)選取具有代表性且長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻植株10-20株，分別測(cè)主莖上完全展開(kāi)的頂1葉(以從葉鞘中能見(jiàn)葉耳為準(zhǔn)，孕穗后為劍葉)、頂2葉的透射光譜、吸收光譜。同步采樣測(cè)定水稻葉片的葉綠素含量。

1.3 葉綠素含量測(cè)定

光譜測(cè)定之后的葉片，立即摘取，疊加在一起，中間位置盡量對(duì)應(yīng)，用打孔器在葉片中部左右對(duì)稱均勻選取0.05g于試管中，加80％丙酮(用前搖勻)50ml于室溫下遮光靜置24h至樣品完全發(fā)白，提取液搖勻，用80％的丙酮做空白，取上清液用722型分光光度計(jì)測(cè)定663nm和645nm的吸光度值A(chǔ)，然后按下式計(jì)算葉綠素含量：

Chla(mg/L)=12.72A₆₆₃-2.59A₆₄₅

Chlb(mg/L)=22.88A₆₄₅-4.67A₆₆₃

將Chla與Chlb相加即得葉綠素總量(Chit)：

Chit(mg/L)=Chla+Chlb=20.2A₆₄₅+8.05A₆₆₃

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

選取400-770nm之間的37個(gè)波段(bl：400-410，b2：410-420，b3：420-430，b4：430-440，b5：440-450，b6：450-460，h7：460-470，b8：470-480，b9：480-490，b10：490-500，b11：500-510，b12：510-520，b13：520-530，b14：530-540，b15：540-550，b16：550-560，b17：560-570，b18：570-580，b19：580-590，b20：590-600，b21：600-610，b22：610-620，b23：620-630，b24：630-640，b25：640-650，b26：650-660，b27：660-670，b28：670-680，b29：680-690，b30：690-700，b31：700-710，b32：710-720，b33：720-730，b34：730-740，b35：740-750，b36：750-760，b37：760-770)，每個(gè)波段都對(duì)原始數(shù)據(jù)以10nln為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平均，從而得出了37個(gè)波段的簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)。選用典型相關(guān)分析和主成分分析兩種方法進(jìn)行分析。

采用SPSS13.O軟件中的相關(guān)分析和因子分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2、結(jié)果與分析

2.1 光譜特征與葉綠素含量的典型相關(guān)分析

2.1.1 光譜透射率與葉綠素含量的相關(guān)性分析

結(jié)果(圖1)顯示，在分蘗期、抽穗期和灌漿期430-745nm及拔節(jié)期、孕穗期430-720nm之間葉綠素a含量與透射率均達(dá)到顯著相關(guān)(P<0.05)，其中在分蘗期、抽穗期、灌漿期的430-720nm之間相關(guān)性達(dá)到0.01水平，其中以抽穗期的相關(guān)性最高。在430-746nm之間，各生育期(除分蘗期)的透射率與葉綠素b含量的相關(guān)性均達(dá)顯著水平(P<0.05)，其中430－726nm之間兩者達(dá)極顯著(P<0.01)相關(guān)水平。整個(gè)生育期在430-725nm之間的透射率與葉綠素總量的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著(P<0.05)水平，其中分蘗期、孕穗期、抽穗期和灌漿期430-720nm之間，拔節(jié)期510-660、690-705nm之間相關(guān)性達(dá)到極顯著(P<0.01)水平。

綜合分析分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期葉片光譜透射率與葉片葉綠素a、b及其總含量的相關(guān)性，除分蘗期透射率與葉綠素b含量相關(guān)性不顯著外，透射率與葉綠素含量在450-720nm之間均呈顯著負(fù)相關(guān)，在500、700nm出現(xiàn)谷值，相關(guān)性下降隨后上升，在550nm和680nm出現(xiàn)峰值。

2.1.2 光譜吸收率與葉綠素含量的相關(guān)性分析

不同生育期葉片光譜吸收率與葉綠素含量相關(guān)關(guān)系的分析結(jié)果(圖2)表明，在分蘗期、抽穗期、灌漿期430-745nm，拔節(jié)期、孕穗期430-700nm葉片光譜吸收率與葉綠素a含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中分蘗期、抽穗期、灌漿期在430-726nm之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著(P<0.01)水平。各生育期(除分蘗期)430-750nm之間，光譜吸收率與葉綠素b含量均達(dá)到顯著相關(guān)水平，其中430-735nm的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.01顯著水平，分蘗期只有500-538nm左右相關(guān)性顯著。所有生育期430-708nm的吸收率與葉綠素總量的相關(guān)系數(shù)都在0.53以上，相關(guān)性達(dá)到0.01極顯著水平，分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期的相關(guān)系數(shù)接近，抽穗期的相關(guān)系數(shù)最高。

綜合分析水稻葉片光譜吸收率與葉綠素含量的相關(guān)性，變化趨勢(shì)基本一致，均呈正相關(guān)，除分蘗期與葉綠素b含量?jī)H500-538nm相關(guān)性顯著外，各生育期430-700nm光譜吸收率與葉綠素a、b及其總含量的相關(guān)性均達(dá)到0.05顯著水平，以抽穗期的相關(guān)系數(shù)最高，并在500nm和700nm出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)的峰值，在550nm和680nm出現(xiàn)谷值。

2.2 水稻葉片與光譜特征的主成分分析

2.2.1 水稻葉片透射光譜的主成分分析

由結(jié)果(表1)可知，含有兩個(gè)主成分，其變化能夠反映水稻葉片光譜中主要的、綜合的信息。根據(jù)第一主成分和第二主成分在不同波段的系數(shù)和按照系數(shù)大小的排序情況，獲得敏感波段：

以第一主成分得分值為橫坐標(biāo)，第二主成分得分值為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖(圖3)，第一主成分變化方向代表了方差變化最大的方向，第二主成分變化方向反映了方差次大的變化方向。

第一主成分主要包含了510-520、520-530、570-580、580-590、530-540、560-570、540-550nm幾個(gè)可見(jiàn)光波段光譜的信息，第二主成分主要包含了760-770、750-760、740-750、730-740nm等近紅外波段光譜的信息。

2.2.2 水稻葉片吸收光譜的主成分分析

由表2可知，同樣含有兩個(gè)主成分，第一主成分包含的信息較多，在光譜中起的作用較大。同樣以第一主成分得分值為橫坐標(biāo)、第二主成分得分值為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖(圖4)。

表明，第一主成分主要包含了520-530、530-540、510-520、560-570、540-550、550-560、570-580nm幾個(gè)波段的信息，第二主成分主要包含了760-770、750-760、740-750、730-740nm等波段的信息。

3、結(jié) 論

利用典型相關(guān)分析方法對(duì)葉綠素含量與光譜特征的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，除分蘗期透射率與葉綠素b含量相關(guān)性不顯著外，各生育期在430-700nm葉綠素含量與各波段光譜特征均達(dá)到顯著相關(guān)。各生育期透射率、吸收率與葉綠素含量的相關(guān)性曲線變化趨勢(shì)基本一致，透射率與葉綠素含量呈負(fù)相關(guān)，吸收率與葉綠素含量呈正相關(guān)。

利用主成分分析方法對(duì)水稻葉片的光譜特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，第一主成分主要包含了5lO-520、520-530、530-540、540-550、550-560、570-580 nm等可見(jiàn)光波段的信息，第二主成分主要包含了760-770、750-760、740-750、730-740nm等近紅外波段的信息。

利用典型相關(guān)分析和主成分分析兩種方法對(duì)水稻葉片葉綠素進(jìn)行分析得出的敏感波段范圍基本一致。

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