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观赏植物叶面积测定及相关分析

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2013-10-18 11:52:57  阅读

叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用和合成有机物质的主要器官,是地球上生物生存的基础和能量的来源。叶片的大小对光能利用、水分蒸发量、干物质积累、收获量及经济效益有着显著的影响。因此,简便、快速与准确地进行叶面积检测,对指导作物合理密植、群体结构调整、变量施肥和精确喷灌以获得高产具有重要意义;对病虫灾情的准确估计和采取合理的保护措施有着重要的参考价值。多年来,人们对叶面积的测量做了大量的实验研究,测定叶面积的方法多种多样,但或多或少都有一定的缺点。其中,方格法操作过程既费时又费工,对于形状不规则的叶片测量精度大大降低;打孔称重法(或直接称重法) 受叶片厚度、叶龄及叶片含水量的影响很大,因而误差太大;称纸重法受取纸叶样和纸张质地均匀度的影响,也会产生一定的误差;抛物线拟合法或辛普松公式法不适合叶缘为不规则曲线的叶片;系数法和回归方程法操作简单,可活体测量,但事先需测量大量叶片,得出校正系数或最佳回归模型,对单个叶片误差较大,特定系数或模型只能适用于特定的种类、品种和植株,且不适应于叶形变化大且无规律的种类品种;求积仪法比较准确,可用此作为其它方法检测的标准,但需离体测量,操作方法繁琐、速度慢,且叶子的长宽比越大,误差就越大,周长越大,误差也越大。
随着计算机图像处理技术水平的提高,图像处理技术被广泛应用到农业工程领域,具有操作实时、结果准确的特点,可节省大量的人力、物力和时间。鉴于传统叶面积检测法的缺点和计算机图像处理技术的优点,研究人员开始探索用图像处理技术来检测叶面积的方法。本文采用扫描仪采集叶片图像并用图像处理软件测定叶片长度、宽度、重量、叶形指数、叶面积指数、比叶面积等指标,与叶面积测定仪测定结果相比较,检验叶面积仪测定叶面积的可行性,并试图寻找一种简便、快速、准确计算叶面积的方法,按比叶面积进行聚类分析,为植物生理生态研究提供服务。
1  试验设计与研究方法
1.1  试验材料与仪器
1.1.1  试验材料 2008 年3 月7 日,在聊城大学生态园选择生长良好、无病虫害、整齐一致的鹅掌柴、仙客来、三角梅、非洲茉莉、桂花和绿萝6 种观叶植物作为试验材料。
1.1.2  仪器 扫描仪(MRS - 2400U2) 、扫描式活体叶面积测定仪(SHY2150) 、叶面积仪、能够安装运行Photoshop等软件的计算机、电子分析天平(FC104 ,精度010001 g) 、烘干箱、直尺等。
1.2  试验设计
试验选择完整的、大小各异的鹅掌柴、仙客来、三角梅、非洲茉莉、桂花和绿萝叶片各30 片,并将叶片按顺序编号带回实验室。测量叶的长、宽、鲜重和干重,分别采用叶面积仪测定叶片的叶面积,扫描仪扫描叶片得到叶片图像,采用图像处理技术测量叶面积,分别计算比叶面积、叶面积指数、叶形指数,并对叶面积仪和扫描仪测定结果进行分析比较,验证活体叶面积仪在观赏植物应用上的可靠性。
1.3  叶面积测定方法
1.3.1  叶面积仪测定 取植物叶片1 片,用干纱布擦干净上、下叶面,下压探测器盖上的按柄,打开探测器上盖,将叶片横向夹入,露出叶基部或叶柄。松开按柄,上盖合拢。右手持探测器柄,压回零按钮,使荧光屏显示“0”。左手轻拉叶片和测长索,直至叶片完全通过探测器,记下荧光屏上显示的数字,即为叶片的面积。
1.3.2  图像处理技术测定 利用扫描仪获得植物叶片数字图片,采用Photoshop 软件处理分析并计算叶面积。打开叶片图像,用Photoshop 软件中“磁性套索”或者“魔棒”工具选取图片中叶片部分,然后打开菜单中“图像”,选取“直方图”选项,记录显示参数中的“像素”数值,用软件中“套索”工具,选取坐标纸任意已知图形面积,记录选区“像素”数值,作为计算系数,计算公式为:叶面积= 叶片像素数/ 选取方格像素数×已知图形面积。如果扫描图是按照100 %扫描,不需要参照,可直接查看图片大小(最好选cm 为单位) ,并全选图片从直方图获得整张图片像素,叶面积= 叶片像素点数/ 整张图片像素数×整张图片面积。
1.4  数据处理
数据的整理、统计分析、作表和作图均采用Excel 软件和DPS 数据处理软件。
2  结果与分析
2.1  叶面积测定方法的比较
用叶面积仪和图像处理技术所测得的鹅掌柴、三角梅、仙客来、非洲茉莉、桂花、绿萝的叶面积( S ) 平均值见表1 。对6 种植物采用2 种不同的测定方法测得的叶面积进行回归分析,分别得出回归方程和相关系数(表2) 。
 由表2 可知,除仙客来R2 = 018672 外,其它5 种R2 > 0195 ,具有很好的相关性,所以叶面积仪测定的结果是可靠的。同时,对2 种方法测得的叶面积进行总体回归分析,得到回归方程和相关系数: y =019735 x + 415329 ,R2 = 019979 ,说明叶面积仪能够完全反映叶片的真实面积。
2.2  叶形指数
叶形指数( M) 是反映叶片特征的一个指标,它是叶的长( L ) 和宽( D) 的比值(即M = L / D) 。将植物叶片的长和宽取平均值,求得6 种植物的叶形指数,见表3 。
2.3  比叶面积和叶面积指数
比叶面积(Specific leaf area ,SLA) 是指单位干重的鲜叶表面积( SL A = S / W) ,其数值大小直接受叶片厚度、形状和重量等的影响,在一定程度上反映了叶片截获光的能力和在强光下的自我保护能力。比叶面积越大的植物,单位干重的叶片面积越大,叶片越薄,有利于捕获更多的光能,提高了植物具有更快的生长速度的可能性。由表4 可知,6 种植物比叶面积大小排列顺序为:仙客来> 三角梅> 鹅掌柴> 绿萝> 非洲茉莉> 桂花。LambersH ,Poorter H1 研究表明,低比叶面积的植物能更好地适应资源贫瘠和干旱的环境,高比叶面积的植物保持体内营养的能力较强。桂花的比叶面积为63.44 ,远小于其他几种植物,在一定程度上反映了它适应资源贫瘠和干旱环境的能力,仙客来和三角梅的比叶面积较大,说明保持体内营养的能力较强,生长旺盛。叶面积指数(Leaf area index ,LAI) 既可以定义为单位面积上所有叶子表面积的总和(全部表面L A I) ,也可以定义为单位面积上所有叶子向下投影的面积总和(单面L A I)  。本文定义的叶面积指数是指全部表面L A I 。它是叶覆盖量的无量纲度量,可以用公式L A I = S / ( L ×D) 计算。由表4 可知,叶面积指数排列顺序为:非洲茉莉= 仙客来> 三角梅> 鹅掌柴> 绿萝> 桂花,表明植物不同,叶面积指数也不同,桂花的叶面积指数最小,说明单位面积上所有叶子表面积的总和小,生物量就小,生长也就不旺,这与桂花不适宜在碱性土壤栽培的实际相符,聊城土壤pH 值为7.8~8.2 ,为典型的碱性土壤;其他几种植物叶面积指数较大,表现为生长良好。
2.4  叶面积回归方程
分别对叶长和叶面积、叶宽和叶面积、叶长×叶宽和叶面积进行回归分析(见表5) 。由表5 可知,在L 与S 回归分析中,只有三角梅和非洲茉莉2 种植物的回归方程的R2 在0190 左右,其他几种植物回归方程的R2 普遍偏低,所以L 与S 回归方程不可采用;在D 与S 和L ×D 与S 的回归分析中,2 个回归方程的R2 都较高,但均呈现D 与S 的R2 高于L ×D 与S 的R2 的现象,所以用D 与S 进行回归分析效果较好,另外每种植物的叶形指数近似一个常数( M = L / D) ,只要测定L 或D 中的一个就可代入回归方程计算S 。一般情况下叶宽容易测量,因此在建立叶面积回归模型时,只采用叶宽进行回归分析,回归方程为: S = b0 + b1 ×L + b2 ×D + b3 ×L ×D ,把L = M ×D 代入,回归方程可写成: S = b0 + ( b1 ×M + b2) ×D + b3 ×M ×D2 ,6 种植物的叶面积公式见表6。
对表6 中的公式进行模型检验,将表3 中的叶宽值代入表6 中的公式可算得6 种植物的预测值分别为21.9964 、24.9472 、33.3377 、37.2972 、16.2565 、83.2126 。预测值与实测值的相关系数达019536 ,表明回归方程是可靠的。聚类分析主要是基于距离的聚类,聚类的目的是给出数据的最优划分。聚类结果体现了数据的分布特征,利用聚类的方法分析未知的数据,能够从中发现有意义的模式。由于聚类是一个非监督的过程,在许多实际应用中要求对聚类的结果进行验证,否则用户无法知道发现的知识是否有意义。比叶面积表征了单位干重的叶片面积受光照、温度、营养状况和叶龄等因素的影响是因物种而异的。比叶面积是物种层面的特征参数,反映了物种在长期适应环境过程中形成的属性之一。尽管同一物种的比叶面积因光照、养分条件和采样时间的不同而有所变动,但这种变动尚不能掩盖不同物种的比叶面积差异。对6 种植物的比叶面积进行聚类分析(图1) 。由图1 可知,当距离为32.86时,6 种植物可分为3 类,一类是仙客来和三角梅,一类是桂花,一类是鹅掌柴、非洲茉莉和绿萝。周永斌等研究认为植物耐阴性的形态适应方式主要是增加比叶面积。前人研究表明:仙客来和三角梅喜阳光充足;桂花喜光,但也有一定的耐阴能力;鹅掌柴喜半阴;非洲茉莉喜阳光,原生环境多为半阴状态;绿萝要求有明亮散射光,耐阴性强,惧怕强光直射。因此,比叶面积聚类分析结果可以反映植物的需光情况,即仙客来和三角梅喜阳光充足,桂花喜光,但有一定的耐阴能力,鹅掌柴、非洲茉莉和绿萝喜半阴。由于比叶面积往往与植物的生长和生存对策有紧密的联系,能反映植物对不同生境的适应特征,使其成为植物比较生态学研究中的首选指标,比叶面积可以作为进行植物适应环境策略的分类依据之一,对于植物栽培管理具有一定的指导意义。
3  结论与讨论
利用图像处理技术可实时、快速和准确地进行活体单片叶面积检测,可对整株植物的总叶面积进行统计,因此,基于图像处理技术的叶面积检测法不失为一种值得推广的方法。叶面积仪测量叶面积虽然简便快捷,但受手拉的速度(应保持1 m·s - 1) 影响,在熟练操作的情况下才能保证尽可能准确。本文检验了叶面积仪测定叶面积的可行性,确定了6 种植物的叶面积、比叶面积、叶形指数和叶面积指数; 并对叶面积与叶宽进行了相关性分析,得出叶宽与叶面积的关系密切,进而得出测量叶面积的简便方法,即叶面积关于叶宽的一元二次方程,只需通过测量叶宽就可以算出叶片的面积;最后根据比叶面积对观赏植物进行了聚类分析,结果表明比叶面积可以反映观赏植物对光照的适应性,6 种植物对光的需求情况是:仙客来和三角梅喜阳光充足,桂花喜光,但有一定的耐阴能力,鹅掌柴、非洲茉莉和绿萝喜半阴,这为合理管理观赏植物提供了可靠的参考依据。

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