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到顯著相關(guān)。利用主成分分析方法對其分析的結(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幾個可見光波段的信息，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水稻葉片葉綠素進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：Q-331 文獻標識號：A 文章編號：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；對于小區(qū)試驗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)分析是近年來廣泛應(yīng)用的一種多元統(tǒng)計分析方法，它研究兩組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)分析可以簡化相關(guān)不顯著(P>0.05)的量，從而通過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指標化為少數(shù)指標的多元統(tǒng)計方法，目前已被引入土地資源保護、環(huán)境脆弱性評價研究等諸多領(lǐng)域，與其它環(huán)境質(zhì)量的定量評價方法相比，具有能夠減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性等優(yōu)點，在水、大氣、土壤等環(huán)境介質(zhì)中的污染物評價研究中均有應(yīng)用。各波段的光譜特征數(shù)據(jù)很多，計算較麻煩，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化數(shù)據(jù)，得到幾個主成分，其貢獻率占據(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。找出幾個能代表大部分波段光譜特征的波段有利于更進一步的研究。

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

1、材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與材料

試驗區(qū)位于青島市研究基地，土壤為棕壤，有機質(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，小區(qū)面積為15.18m²，重復(fù)3次。株行距為0.15m x0.22m，按大田管理方式進行田間管理，統(tǒng)一施肥。

供試材料為水稻品種臨稻10。測量時期為：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)進行主成分分析。

1.2 光譜測試

鮮葉片光譜測量在暗室中進行。使用由美國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個波段，視場角為25°。鹵鎢燈光源AvaLight-HAL作為補償光源。從右試驗區(qū)選取具有代表性且長勢一致的水稻植株10-20株，分別測主莖上完全展開的頂1葉(以從葉鞘中能見葉耳為準，孕穗后為劍葉)、頂2葉的透射光譜、吸收光譜。同步采樣測定水稻葉片的葉綠素含量。

1.3 葉綠素含量測定

光譜測定之后的葉片，立即摘取，疊加在一起，中間位置盡量對應(yīng)，用打孔器在葉片中部左右對稱均勻選取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型分光光度計測定663nm和645nm的吸光度值A(chǔ)，然后按下式計算葉綠素含量：

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)，每個波段都對原始數(shù)據(jù)以10nln為標準進行平均，從而得出了37個波段的簡化數(shù)據(jù)。選用典型相關(guān)分析和主成分分析兩種方法進行分析。

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

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)性均達顯著水平(P<0.05)，其中430－726nm之間兩者達極顯著(P<0.01)相關(guān)水平。整個生育期在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含量均達到顯著相關(guān)水平，其中430-735nm的相關(guān)系數(shù)達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，變化趨勢基本一致，均呈正相關(guān)，除分蘗期與葉綠素b含量僅500-538nm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，第二主成分得分值為縱坐標做散點圖(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幾個可見光波段光譜的信息，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、第二主成分得分值為縱坐標做散點圖(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)分析方法對葉綠素含量與光譜特征的相關(guān)性進行分析，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)性曲線變化趨勢基本一致，透射率與葉綠素含量呈負相關(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水稻葉片的光譜特征進行分析，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水稻葉片葉綠素進行分析得出的敏感波段范圍基本一致。

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