烤煙生物量指數模型構建及其驗證

?陸星星，王興德，陳世祿?

（1.玉溪農業職業技術學院，云南 玉溪 653106；2.玉溪市煙草公司華寧縣分公司，云南 玉溪 653100）

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烤煙生物量指數模型構建及其驗證

陸星星1，王興德2，陳世祿1

（1.玉溪農業職業技術學院，云南 玉溪 653106；2.玉溪市煙草公司華寧縣分公司，云南 玉溪 653100）

摘 要：為了構建科學合理的烤煙生長生物量模型，通過盆栽控水的方法，對5種不同處理的烤煙進行農藝性狀指標測定，采用變異系數法計算相關指標的權重，利用指數和法計算出烤煙生物量，實現在活體條件下測算烤煙生物量；并采用相關分析、擬合度分析對模型進行了驗證，證明該方法能較為敏感和準確地反映烤煙在生長發育過程中生物量的變化情況。

關鍵詞：烤煙；生物量；生物量指數；變異系數法；指數和法

生物量是監測作物長勢的一個重要指標[1]，它可以為陸地生態系統中的能量平衡和能量流動研究提供基礎數據[2-3]。目前，絕大多數地區作物生物量主要利用遙感技術進行估算，在水稻、小麥等作物上多有研究報道[4-6]。在烤煙生物量檢測中，長期采用“取樣-烘干-稱重”的傳統方法，往往破壞煙株，不利于對煙株生物量進行連續檢測。此外，在這種傳統的檢測方法中，不同時點的檢測樣本之間不存在實際上的傳承關系，只是一種參照關系。因此，在不破壞烤煙生長的條件下，通過煙株活體檢測，建立烤煙生長生物量指數模型，可以為干旱條件下烤煙栽培調控提供一定參考依據。

1 試驗設計及數據統計

1.1 試驗設計

試驗在玉溪農業職業技術學院防雨大棚內進行。供試烤煙品種為K326（由中國煙草南方育種中心提供）。試驗采用盆栽，漂浮育苗，移栽時間為2015年 3月25日，還苗7 d后進行控水處理，共設5個處理，即處理①（CK）：每隔1 d供水400 mL/株；處理②：每隔2 d供水400 mL/株；處理③：每隔3 d供水400 mL/株；處理④：每隔4 d供水400 mL/株；處理⑤：每隔5 d供水400 mL/株。每個處理重復15次，移栽量為75株煙苗。處理30 d后，在各處理中選擇長勢一致且具有代表性的5株煙株進行觀測，觀測指標為株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長、最大葉寬以及單株生物總干重等6項。各處理剩下的煙株統一每隔1 d供水400 mL/株，供水20 d后，觀測煙株的株高、莖粗、有效葉片數等指標。

1.2 數據統計

數據分析和處理均采用SPSS統計軟件進行。各指標數據的統計描述情況見表1。

表1　生物量要素指標數據統計描述

2 生物量指數模型構建

2.1 原始指標量的標準化

烤煙生物量指數采用指數和法進行計算，原始指標株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長、最大葉寬是描述烤煙生物量特征的不同指標，雖然其中4個指標都使用同一計量單位來表達量的大小，但是每個指標量表征的烤煙形態特性不一樣，取值區間也不一致。由于這5個原始指標量不具有可加性，所以要對指標進行標準化，從而解決原始指標量的可加性問題。如株高反映烤煙植株在垂直方向上的大小，取值區間為6.50～48.70 cm；莖粗反映煙株在水平方向上的大小，取值區間為0.40～1.75 cm；有效葉片數反映煙株在一定生長時段有效葉片的多少，取值區間為6.00～20.00片。這說明上述5個指標量不是同質變量，不具有可比性（可加性）。

研究通過將這5個指標的具體觀測值與同一指標的所有觀測值中的最大值進行比較，求取相對值的辦法，分別將5個指標的取值區間統一為0～1，使它們之間具有可加性。即用各個指標的實際觀測值除以該指標中的最大值所得到的值來代表該指標的可加性觀測值。如某指標中有一個實際觀測值是10，而最大觀測值是20，則該觀測值的可加性值為0.5。

2.2 指標權重的計算

在株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長、最大葉寬等5個反映烤煙生物量的指標中，受各種生長和栽培因素的影響，每個指標變化的相對幅度也不一致，因此各個原始指標量對生物量指數實際變化的貢獻強度也不一致。觀察研究所依據的數據群體的統計描述，在5個原始指標量中，相對變化幅度最大的指標是株高，變異系數為0.45，占5個原始指標量變異系數總和的0.28；有效葉片數等3個原始指標量的變異系數最小，僅為0.29，占5個原始指標量變異系數總和的0.18。即各個指標量受生長或栽培因素的影響，其可比的相對變異系數并不一致。也就是說，用以計算生物量指數的5個原始指標量，對實際生物量指數變化的貢獻不一樣，不應以相同的權重對待。因此，在應用這5個原始指標量綜合計算生物量指數的過程中，必須有針對性地考慮各個原始指標量對烤煙生物量指數貢獻的實際權重大小。

由各個原始指標量的實際觀測值統計得到的標準差除以其均值所得到的變異系數（CV），是一個取值區間為0～1的可比量，具有可加性。各個具體的原始指標量的變異系數占全部原始指標量變異系數總和的比重（即表1中的差異權重指標），能較好地反映該原始指標量對烤煙生物量指數貢獻權重的大小。因此，研究采用表1中的差異權重指標來代表或反映各個原始指標量對烤煙生物量指數貢獻權重的大小。

2.3 生物量指數計算

依據株高（x1）、莖粗（x2）、有效葉片數（x3）、最大葉長（x4）、最大葉寬（x5）等5個原始指標量計算烤煙生物量指數。烤煙生物量指數是一個相對比較值，其取值區間為0～100。烤煙生物量指數計算公式如下：

式中，y代表生物量指數，取值范圍：0～100；xi代表第i個生物量指數原始指標量的具體觀察值；ximax代表第i個生物量指數原始指標量的n個觀察值中的最大值；vi代表第i個生物量指數原始指標量樣本變異系數占所有生物量因素樣本變異系數值總和的比重，即表1中的差異權重指標。

依據式（1），計算得到75組反映烤煙生物量大小的生物量指數，最大值為97.1，最小值為23.3，均值為67.4，標準差是21.6。

3 模型驗證

3.1 相關性檢驗

相關性檢驗結果表明，依據式（1），計算得到75個反映烤煙生物量大小的生物量指數與其配對的75個烤煙生物干重量數據之間存在高度正相關。由表2可見，相關系數高達0.952，其顯著性超過99%的概率，說明生物量指數與對應的烤煙生物干重量之間，不僅數據的變化方向一致，而且相關度極高，能靈敏地反映生物量指數隨烤煙生物干重量變化而變化。

表2　相關性檢驗

3.2 擬合度檢驗

通過SPSS數據分析工具，應用曲線回歸分析模型，分析和描述75對數據在生物量指數和生物總干重2個維度上的分布狀況，結果顯示生物總干重隨生物量指數的變化趨勢表現為明顯的線性關系（圖1），其擬合度達到極顯著水平（表3）。兩者之間的回歸關系可表達為一條斜率為0.669的線性關系曲線（R2=0.906，Sig.=0.000），其數學表達式見式（2）：

圖1　烤煙生物干重與生物量指數關系

表3　模型匯總和參數估計值

4 結論與討論

（1）在烤煙生長發育過程中，株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長和葉寬等5個煙株外觀指標是煙株總生物量的直觀表現，與煙株總生物量之間存在高度正相關性，能有效地反映各個時點煙株生物量的變化狀態。

（2）通過檢測煙株在生長發育過程中不同時點株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長和最大葉寬等5個外觀指標，找到一個能較好地反映烤煙生物量變化方向和大小的綜合指標——烤煙生物量指數。

（3）該研究通過數據轉換，有效地消除了株高、莖粗、有效葉片數、最大葉長和最大葉寬等5個煙株外觀指標量不可加的問題，并通過科學途徑找到了解決以上5個指標在反映烤煙生物量大小時權重問題的方法，從而提供了一套科學合理，能在活體條件下檢測烤煙生物量大小的方法。

（4）通過采集配對數據進行相關分析和擬合度分析，利用該研究提供的方法取得的烤煙生物量指數，能較為敏感和準確地反映烤煙在生長發育過程中生物量的變化情況，是一種在烤煙活體條件下檢測烤煙生物量大小的科學方法。

參考文獻：

[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] 侯學會，牛 錚，黃 妮，等. 小麥生物量和真實葉面積指數的高光譜遙感估算模型[J].國土資源遙感，2012，（4）：30-35.

[3] 陳 龍，史學正，徐勝祥，等. 基于水稻葉面積指數的根生物量預測模型研究[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] 薛利紅，曹衛星，羅衛紅. 基于冠層反射光譜的水稻產量預測模型[J]. 遙感學報，2005，9（1）：100-105.

[6] 任建強，陳仲新，周清波，等. 基于葉面積指數反演的區域冬小麥單產遙感估測[J]. 應用生態學報，2010，（11）：2883-2888.

（責任編輯：葉雪娥）

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

作者簡介：陸星星（1976-），女，云南玉溪市人，副教授，主要從事煙草生態條件與質量調控研究。

基金項目：云南省教育廳2012年科研基金項目（2012Y403）

收稿日期：2015-10-18

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.008

中圖分類號：S572

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）01-0024-03