烤烟生物量指数模型构建及其验证

 陆星星，王兴德，陈世禄 

（1.玉溪农业职业技术学院，云南 玉溪 653106；2.玉溪市烟草公司华宁县分公司，云南 玉溪 653100）



烤烟生物量指数模型构建及其验证

陆星星1，王兴德2，陈世禄1

（1.玉溪农业职业技术学院，云南 玉溪 653106；2.玉溪市烟草公司华宁县分公司，云南 玉溪 653100）

摘 要：为了构建科学合理的烤烟生长生物量模型，通过盆栽控水的方法，对5种不同处理的烤烟进行农艺性状指标测定，采用变异系数法计算相关指标的权重，利用指数和法计算出烤烟生物量，实现在活体条件下测算烤烟生物量；并采用相关分析、拟合度分析对模型进行了验证，证明该方法能较为敏感和准确地反映烤烟在生长发育过程中生物量的变化情况。

关键词：烤烟；生物量；生物量指数；变异系数法；指数和法

生物量是监测作物长势的一个重要指标[1]，它可以为陆地生态系统中的能量平衡和能量流动研究提供基础数据[2-3]。目前，绝大多数地区作物生物量主要利用遥感技术进行估算，在水稻、小麦等作物上多有研究报道[4-6]。在烤烟生物量检测中，长期采用“取样-烘干-称重”的传统方法，往往破坏烟株，不利于对烟株生物量进行连续检测。此外，在这种传统的检测方法中，不同时点的检测样本之间不存在实际上的传承关系，只是一种参照关系。因此，在不破坏烤烟生长的条件下，通过烟株活体检测，建立烤烟生长生物量指数模型，可以为干旱条件下烤烟栽培调控提供一定参考依据。

1 试验设计及数据统计

1.1 试验设计

试验在玉溪农业职业技术学院防雨大棚内进行。供试烤烟品种为K326（由中国烟草南方育种中心提供）。试验采用盆栽，漂浮育苗，移栽时间为2015年 3月25日，还苗7 d后进行控水处理，共设5个处理，即处理①（CK）：每隔1 d供水400 mL/株；处理②：每隔2 d供水400 mL/株；处理③：每隔3 d供水400 mL/株；处理④：每隔4 d供水400 mL/株；处理⑤：每隔5 d供水400 mL/株。每个处理重复15次，移栽量为75株烟苗。处理30 d后，在各处理中选择长势一致且具有代表性的5株烟株进行观测，观测指标为株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长、最大叶宽以及单株生物总干重等6项。各处理剩下的烟株统一每隔1 d供水400 mL/株，供水20 d后，观测烟株的株高、茎粗、有效叶片数等指标。

1.2 数据统计

数据分析和处理均采用SPSS统计软件进行。各指标数据的统计描述情况见表1。

表1　生物量要素指标数据统计描述

2 生物量指数模型构建

2.1 原始指标量的标准化

烤烟生物量指数采用指数和法进行计算，原始指标株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长、最大叶宽是描述烤烟生物量特征的不同指标，虽然其中4个指标都使用同一计量单位来表达量的大小，但是每个指标量表征的烤烟形态特性不一样，取值区间也不一致。由于这5个原始指标量不具有可加性，所以要对指标进行标准化，从而解决原始指标量的可加性问题。如株高反映烤烟植株在垂直方向上的大小，取值区间为6.50～48.70 cm；茎粗反映烟株在水平方向上的大小，取值区间为0.40～1.75 cm；有效叶片数反映烟株在一定生长时段有效叶片的多少，取值区间为6.00～20.00片。这说明上述5个指标量不是同质变量，不具有可比性（可加性）。

研究通过将这5个指标的具体观测值与同一指标的所有观测值中的最大值进行比较，求取相对值的办法，分别将5个指标的取值区间统一为0～1，使它们之间具有可加性。即用各个指标的实际观测值除以该指标中的最大值所得到的值来代表该指标的可加性观测值。如某指标中有一个实际观测值是10，而最大观测值是20，则该观测值的可加性值为0.5。

2.2 指标权重的计算

在株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长、最大叶宽等5个反映烤烟生物量的指标中，受各种生长和栽培因素的影响，每个指标变化的相对幅度也不一致，因此各个原始指标量对生物量指数实际变化的贡献强度也不一致。观察研究所依据的数据群体的统计描述，在5个原始指标量中，相对变化幅度最大的指标是株高，变异系数为0.45，占5个原始指标量变异系数总和的0.28；有效叶片数等3个原始指标量的变异系数最小，仅为0.29，占5个原始指标量变异系数总和的0.18。即各个指标量受生长或栽培因素的影响，其可比的相对变异系数并不一致。也就是说，用以计算生物量指数的5个原始指标量，对实际生物量指数变化的贡献不一样，不应以相同的权重对待。因此，在应用这5个原始指标量综合计算生物量指数的过程中，必须有针对性地考虑各个原始指标量对烤烟生物量指数贡献的实际权重大小。

由各个原始指标量的实际观测值统计得到的标准差除以其均值所得到的变异系数（CV），是一个取值区间为0～1的可比量，具有可加性。各个具体的原始指标量的变异系数占全部原始指标量变异系数总和的比重（即表1中的差异权重指标），能较好地反映该原始指标量对烤烟生物量指数贡献权重的大小。因此，研究采用表1中的差异权重指标来代表或反映各个原始指标量对烤烟生物量指数贡献权重的大小。

2.3 生物量指数计算

依据株高（x1）、茎粗（x2）、有效叶片数（x3）、最大叶长（x4）、最大叶宽（x5）等5个原始指标量计算烤烟生物量指数。烤烟生物量指数是一个相对比较值，其取值区间为0～100。烤烟生物量指数计算公式如下：

式中，y代表生物量指数，取值范围：0～100；xi代表第i个生物量指数原始指标量的具体观察值；ximax代表第i个生物量指数原始指标量的n个观察值中的最大值；vi代表第i个生物量指数原始指标量样本变异系数占所有生物量因素样本变异系数值总和的比重，即表1中的差异权重指标。

依据式（1），计算得到75组反映烤烟生物量大小的生物量指数，最大值为97.1，最小值为23.3，均值为67.4，标准差是21.6。

3 模型验证

3.1 相关性检验

相关性检验结果表明，依据式（1），计算得到75个反映烤烟生物量大小的生物量指数与其配对的75个烤烟生物干重量数据之间存在高度正相关。由表2可见，相关系数高达0.952，其显著性超过99%的概率，说明生物量指数与对应的烤烟生物干重量之间，不仅数据的变化方向一致，而且相关度极高，能灵敏地反映生物量指数随烤烟生物干重量变化而变化。

表2　相关性检验

3.2 拟合度检验

通过SPSS数据分析工具，应用曲线回归分析模型，分析和描述75对数据在生物量指数和生物总干重2个维度上的分布状况，结果显示生物总干重随生物量指数的变化趋势表现为明显的线性关系（图1），其拟合度达到极显著水平（表3）。两者之间的回归关系可表达为一条斜率为0.669的线性关系曲线（R2=0.906，Sig.=0.000），其数学表达式见式（2）：

图1　烤烟生物干重与生物量指数关系

表3　模型汇总和参数估计值

4 结论与讨论

（1）在烤烟生长发育过程中，株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长和叶宽等5个烟株外观指标是烟株总生物量的直观表现，与烟株总生物量之间存在高度正相关性，能有效地反映各个时点烟株生物量的变化状态。

（2）通过检测烟株在生长发育过程中不同时点株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长和最大叶宽等5个外观指标，找到一个能较好地反映烤烟生物量变化方向和大小的综合指标——烤烟生物量指数。

（3）该研究通过数据转换，有效地消除了株高、茎粗、有效叶片数、最大叶长和最大叶宽等5个烟株外观指标量不可加的问题，并通过科学途径找到了解决以上5个指标在反映烤烟生物量大小时权重问题的方法，从而提供了一套科学合理，能在活体条件下检测烤烟生物量大小的方法。

（4）通过采集配对数据进行相关分析和拟合度分析，利用该研究提供的方法取得的烤烟生物量指数，能较为敏感和准确地反映烤烟在生长发育过程中生物量的变化情况，是一种在烤烟活体条件下检测烤烟生物量大小的科学方法。

参考文献：

[1] Bai J H，Li S K，Wang K R，et al. Estimating aboveground fresh biomass of different cotton canopy types with homogeneity models based on hyper spectrum parameters [J]. Agricultural Sciences in China，2007，6（4）：437-445.

[2] 侯学会，牛 铮，黄 妮，等. 小麦生物量和真实叶面积指数的高光谱遥感估算模型[J].国土资源遥感，2012，（4）：30-35.

[3] 陈 龙，史学正，徐胜祥，等. 基于水稻叶面积指数的根生物量预测模型研究[J].土壤，2014，46（5）：862-868.

[4] Koppe W，Gnyp M L，Hutt C，et al. Rice monitoring with multitemporal and dual-polarimetric TerraSAR-X data[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2013，（21）：568-576.

[5] 薛利红，曹卫星，罗卫红. 基于冠层反射光谱的水稻产量预测模型[J]. 遥感学报，2005，9（1）：100-105.

[6] 任建强，陈仲新，周清波，等. 基于叶面积指数反演的区域冬小麦单产遥感估测[J]. 应用生态学报，2010，（11）：2883-2888.

（责任编辑：叶雪娥）

Establishment and Validation of Flue-cured Tobacco Biomass Index Model

LU Xing-xing1，WANG Xing-de2，CHEN SHi-lu1（1. Yuxi Agriculture Vocation-Technical College, Yuxi 653106, PRC; 2.Huaning Xian Branch of Yuxi Tobacco Company, Yuxi 653100, PRC）

Abstract：In order to establish scientific and reasonable biomass model for the growth of flue-cured tobacco, we adopted the method of potted plant water control, agronomic traits of flue-cured tobacco were determined. The variation coefficient method was adopted to calculate the relevant index weight, and the flue-cured tobacco biomass was calculated by using exponential sum methods. It realized the measurement of flue-cured tobacco biomass model in vivo. Then we used correlation analysis and fitting analysis to verify the model. It proved that the method can accurately reflect the change of tobacco in the process of growth and development of biomass.

Key words：flue-cured tobacco; biomass; biomass index; variation coefficient method; exponential sum methods

作者简介：陆星星（1976-），女，云南玉溪市人，副教授，主要从事烟草生态条件与质量调控研究。

基金项目：云南省教育厅2012年科研基金项目（2012Y403）

收稿日期：2015-10-18

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.008

中图分类号：S572

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0024-03