光谱判断田间鲜烟叶成熟度的影响因子研究

徐兴阳，何春荣，秦春丽，王　锋，劳彩莲*

(1.云南省烟草公司昆明市公司 云南 昆明 650051；2.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)



光谱判断田间鲜烟叶成熟度的影响因子研究

徐兴阳1，何春荣2，秦春丽1，王锋1，劳彩莲2*

(1.云南省烟草公司昆明市公司 云南 昆明 650051；2.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)

利用便携式地物波谱仪Field Spec 3测量烤烟成熟期烟叶的反射光谱，针对采收成熟度M2、M3，分析比较同一时间不同测量位点、及同一位点不同测量时间的反射光谱差异。结果表明：反射光谱的差异在不同测量位点主要体现在350～780 nm可见光波段和780～1300 nm近红外波段，在不同测量时间主要体现在780～1300 nm近红外波段。因此，利用光谱仪判断鲜烟叶成熟度，受测量位点的影响较大，而受测量时间的影响较小，但若测量烟叶生理生化组分、厚度和水分等内在指标，时间及天气状况是必须考虑的重要因素。

烤烟；光谱法；鲜烟叶成熟度；影响因子

近红外光谱技术被认为具有简便、快速、无污染、样品无需处理、适合在线分析等优点，在烟草行业中扮演着越来越重要的角色，具有十分广阔的应用前景[1-3]。鲜烟叶的成熟度可通过叶片厚度、叶面颜色、主支脉颜色、茸毛脱落情况等外观特征和叶绿素、含碳及含氮化合物含量等进行综合判断[4-6]，这些外观特征和化学成分信息在烟叶光谱(反射、透射、吸收)中均有相应表现，因而烟叶的成熟度可以通过测量烟叶的反射光谱进行分析[6-8]。当前，针对田间新鲜烟叶的反射光谱、生化指标等的研究，尚停留在选择某一叶段某几个“位点”上[9-11]。烟叶是从叶尖部到叶基部、从叶缘到中间渐次成熟的。换言之，同一叶片，其叶尖与叶基，中间与边缘，正面与背面，叶片与主脉，都有明显的素质差异，不同叶段香味有较大差异[12-13]。为此，应用光谱仪器判断烟叶成熟度、或取样检测烟叶生化指标时，选取不同的段位、位点进行检测，对结果会产生较大影响。目前，针对鲜叶取样位点的选择尚没有具体标准，通常是针对每一个选定的叶片样本主脉两侧沿叶尖、叶中、叶基进行选点观测或打孔取样[14-15]，也有将整个叶片打碎再进行检测的[16-17]。另外，一天中不同时间测量是否会对烟叶成熟度反射光谱产生影响也鲜见报道。为此，本文拟研究鲜烟叶不同位点和测量时段对光谱测定仪检测效果的影响，为正确使用光谱仪识别成熟度和科学选取 “位点”等提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地点及材料

于2005年8月中旬，在云南省寻甸县烤烟科技试验基地，以烤烟品种红花大金元(以下简称红大)成熟期的中部烟叶和上部烟叶为研究对象。

1.2仪器

烟叶反射光谱的测量在大田环境中进行。光谱反射率测量仪器为ASD Field Spec 3便携式地物波谱仪，波长范围是350-2500 nm，分辨率3-700 nm、10-1400 nm、2100 nm，接触式叶片测量还需使用光谱仪配套的植被探头和叶片夹持器。

1.3试验方法

试验分别测了红大中部叶采收成熟度M2、M3，红大上部叶采收成熟度M2各5个烟叶样本，每个烟叶样本测了12个“位点”，每个点测量3次，12个点每2个点为一组，做光谱平均，如图1所示。其中位点1、2为位置1，称为尖部；3、7为位置2，称为中部偏上(外)；4、6为位置3，称为中部偏上(里)；8、12为位置4，称为中部偏下(外)；9、11为位置5，称为中部偏下(里)；13、15为位置6，称为基部。

针对叶片“位点”的选择，比较同一时间，同一个烟叶样本6个不同位置的光谱，以8月16号9个点测的烟叶光谱为例进行说明。

针对测量时间，比较一天的9点、11点、13点、15点、17点五个时间，同一个烟叶样本同一位置的光谱，以8月16号测的烟叶第2个位置光谱为例进行说明。各个时间段的天气状况是：9点天气晴，多云；11点天气晴，光照较强；13点天气晴，光照较强，期间下了小雨；15点和17点天气阴。

本研究用MATLAB[18]对测得的光谱进行处理分析。

图1　田间鲜烟叶叶形模拟图

2　结果与分析

2.1测定位置对烟叶反射光谱的影响

下图所示为6个不同位置的鲜烟叶反射光谱，烟叶样本红大中部叶M2、M3各五片，红大上部叶M2五片。

图2　红大中部叶M2第一片叶

图3　红大中部叶M3第一片叶

图4　红大中部叶M2第二片叶

图5　红大中部叶M3第二片叶

图6　红大中部叶M2第三片叶

图7　红大中部叶M3第三片叶

图8　红大中部叶M2第四片叶

图9　红大中部叶M3第四片叶

图10　红大中部叶M2第五片叶

图11　红大中部叶M3第五片叶

图12　红大上部叶M2第一片叶

图13　红大上部叶M2第二片叶

图14　红大上部叶M2第三片叶Fig.14　The third leaf of Hongda upper leaf M2

图15　红大上部叶M2第四片叶

图16　红大上部叶M2第五片

从图2～16可以看出，烟叶不同位置光谱的差异主要体现在350～780 nm的可见光波段和780～1300 nm的近红外波段，其他波段差异不是很明显。

2.2测定时间对烟叶反射光谱的影响

下图所示为5个不同时间点的鲜烟叶反射光谱，烟叶样本红大中部叶M2、M3各五片，红大上部叶M2五片。

图17　红大中部叶M2第一片叶

图18　红大中部叶M3第一片叶

图19　红大中部叶M2第二片叶

图20　红大中部叶M3第二片叶

图21　红大中部叶M2第三片叶

图22　红大中部叶M3第三片叶

图23　红大中部叶M2第四片叶

图24　红大中部叶M3第四片叶

图25　红大中部叶M2第五片叶

图26　红大中部叶M3第五片叶

图27　红大上部叶M2第一片叶

图28　红大上部叶M2第二片叶

图29　红大上部叶M2第三片叶

图30　红大上部叶M2第四片叶

图31　红大上部叶M2第五片叶

从图17～31可以看出，烟叶不同时间光谱的差异主要体现在780～1300 nm的近红外波段，其他波段差异不是很明显。

3　结论与讨论

3.1位置选择对光谱法判断成熟度的影响

在390～780 nm可见光波段，各种色素是影响烟叶光谱的主要因素，其中叶绿素最为重要，而在780～1300 nm近红外波段，烟叶的反射率主要来自烟叶内部结构，与生理生化组分、厚度、水分等关系密切[6-8]。在叶形图中位置6(黑色曲线)，即基部光谱的反射率最小，说明基部叶绿素含量高，成熟最晚，而位置3(蓝色曲线)以上的一半左右光谱反射率最大，说明烟叶的中部偏上(里)在整个烟叶中叶绿素含量最低，成熟最早。同时，也说明这两个位置的内部结构、内含物差异最大，但这种差异尚待研究。总体而言，烟叶的尖部以及中部偏上要早于烟叶的中部偏下以及基部成熟。这一结果与烤后烟叶外观质量特征相吻合，可能与烟叶各个位置的有关，通常情况下烟叶受光照条件从尖部至基部依次变差，基部受光条件最差，内含物质也最少[12-13，19]。

3.2时间选择对光谱法判断成熟度的影响

在不同测量时间，490～700 nm可见光波段尽管也有差异，但不明显，所以测量时间几乎不会影响光谱对烟叶成熟度的判断。在780～1300 nm近红外波段，由于烟叶的反射率主要来自生理生化组分、厚度、水分等内部指标，其差异说明，在不同时间的烟叶，内部结构、生化组分等都发生了变化，甚至细胞大小、细胞壁排列方向和细胞质异质性等也可能发生了变化。

从本研究看，在近红外波段上午9点反射率最小，11点和13点反射率最大，13点下过雨后15点有的烟叶样本反射率又下降，17点过后反射率又进一步上升。由此说明，温度较低、太阳光照弱、含水量较多可能是光谱反射率较低的缘故，反之，温度较高，光照较强，含水量较低是反射率较高的缘故。为此，若采用光谱反射率测量烟叶的生理生化组分、厚度和水分等内在指标，时间及天气影响是必须考虑的重要因素。

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Study on Influence Factors of field judging the maturity of fresh tobacco leaf byspectrometry

XU Xing-yang1，HE Chun-rong2，QIN Chun-li1，WANG Feng1，LAO Cai-lian2*

(1.Yunnan Tobacco Company Kunming Branch，Kunming 650051 Yunnan，China;2.College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083,China)

In order to provide a theoretical basis for maturity determination of fresh leaf in the field by spectrometer,We measured the reflectance spectrum of mature tobacco leaves by Field Spec 3 and collected leaf spectra of M2 and M3.Analysis compared with time under different measuring sites,and at the same loci in different measuring time reflectance difference.The results showed that the difference of reflectance spectra in different measurement sites mainly in 350 ～ 780nm and 780 ～ 1300nm visible to near infrared band in different measuring time is mainly reflected in the 780 ～ 1300nm near infrared band.Therefore,using the spectrometer to determine the maturity of fresh tobacco leaves was mainly influenced by the measurement sites.Measure time had little effect on it,but when measuring internal indexes such as physiological and biochemical composition,thickness and water content of,tobacco leaves,time and weather conditions were important factors to be considered.

Flue-cured tobacco;Spectrometry;Maturity of fresh tobacco leaf;Factors

2016-03-23；

2016-04-07

中国烟草总公司云南省公司资助项目(2013YN17)。

劳彩莲(1966-)，女，博士，副教授，主要研究方向：作物光谱技术研究及应用；E-mail:wxjylh@126.com。

S572，TS411

A

1008-0457(2016)04-0088-07国际

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.04.016