水稻叶面积测量方法的研究

马 敏，李绪孟

（湖南农业大学 理学院，湖南 长沙410128）

水稻株型改良在水稻增产上起着重要的作用。水稻叶面积是水稻株型研究通常需要测量的形态指标，对于水稻叶面积的测量问题的研究从很早之前就已经成为热门。关于水稻叶面积的测量或者计算已经有几种比较成熟的办法。较为常见的测定植物叶面积的方法有：长宽校正法、复印称重法、叶面积仪测定法、方格纸法等。由于需要测量所有植株的全部叶片，且随着植株的生长，叶片数量增多，叶面积增大，这些测量都属于破坏性测量，且存在不易在大面积范围内开展的缺陷。所以，准确、快速地在田间条件下测定植物叶面积，对了解植物的生长、发育状况，对于水稻株型形态研究和水稻冠层光分布模型的建立以及理想株型的改良具有重要意义。因此，研究一种快捷精确的叶面积测量方法有重要的实际意义。

1 国内外研究动态

关于水稻叶面积的测量有几种比较成熟的办法。较为常见的测定植物叶面积的方法有：长宽校正法(张宪政1992)、复印称重法(Yoshida等1976)、叶面积仪测定法(朱德峰和亢亚军1996；Dobermann和Pampolino 1995)、方格纸法(刘贯山1996)、打孔称重法等。植物苗龄较小时，采用各种方法都比较方便；但随着苗龄的增加，叶片数增多，测定的难度即越来越大，由于几乎所有的方法都需要采集样点上所有植株的全部叶片进行测定，这样做费时费力。另外，叶面积仪测定法需要的仪器设备一般价格比较昂贵，测定较为耗时；应用长宽校正法时，需要在测定不同品种的水稻(Oryza sativa L.)所需的校正系数后才能获得准确的结果；复印称重法是经典的测定方法，但是植物生长后期的叶面积较大时十分费力和耗时。打孔称重法则是基于相近叶位叶片的比叶重(单位面积叶片质量)相对恒定的原理，通过测定采样区植物叶片干重和极少量叶片比叶重来计算叶面积的方法，采用打孔称重法可以大大地降低工作量。此法曾在测定烟草叶面积中应用过，但得出的结论认为不适合于烟草叶面积的测定(刘贯山1996);但此方法已成功地用于马铃薯叶面积的(Sattelmacher私人通讯)，所以，此法还有待于进一步的研究。

2 研究的主要内容

（1）实验数据采集。水稻的生长过程分为：幼苗期、秧苗分蘖期、幼穗发育期、开花结实期。其中在秧苗分蘖期叶片增多，此时营养的构建对水稻以后的生长有很重要的意义，在抽穗期叶面积指数对于光合作用以及水稻的产量有着重要的意义，所以，这两个时期会作为我们重点大规模进行叶片测量的时期。对于已有的叶面积测定方法，经过遴选，我们选用比较准确且操作性比较强的打孔称重法对叶面积进行测定。以此作为后面叶面积研究的参考值。

（2）实验数据的处理。①长宽法计算叶面积。长宽法测量计算水稻叶面积的一般公式为：叶面积=叶长*叶宽*K（K=0.75），在1996年，朱德峰曾经对此进行过研究，得出的结论是，计算叶面积时用的校正系数实际上是对叶片宽度的校正，是反映叶片宽度在叶片上的变化因子（平均叶片宽度与最大叶片宽度之间的比值），这就使得不同叶形品种之间使用相同的校正系数，造成叶面积的误差。所以，我们对计算方法进行了改进，采用三点测量，即取叶片最长距离以及三个宽度（1/5处,1/2处,1/5处测量叶宽），传统校正系数K就是在虚拟叶片边界之后得到的一个值，我们采用同样的方式，使用拟合叶片的边界积分计算叶面积，虽然取样数据较多，运算强度加大，但是通过三组宽度得到叶片长和宽的关系，随之使得叶面积测量结果也更加准确。②应用统计回归方法拟合叶宽、叶长与叶基距的关系，叶宽、叶长与叶龄的关系。设叶长为a，叶宽为b，叶龄为X,叶基的距地距离为Y。应用统计回归方法拟合叶宽、叶长与叶基距的关系，叶宽、叶长与叶龄的关系。为了大致了解叶长、叶宽分别与叶龄、叶基的距地距离的关系，首先，对收集的数据进行曲线拟合，画出散点图,观察判断是线性关系还是二次曲线关系等等。根据图像建立相对应的回归模型，计算出回归系数。将计算水稻叶面积与长和宽之间的计算公式转换为含有回归系数的计算，检验结果是否准确，进而判断水稻叶面长和宽与叶龄与叶基距地距离之间的关系。

（3）计算模型的提取。①利用Matlab统计工具箱中的命令regress进行模型模型求解。将所有的实验数据进行excel输入，推求一个解析函数y=f(x)使其通过或近似通过有限序列的资料点(xi，yi)，通常用多项式函数通过最小二乘法求得此拟合函数。利用首先确定回归系数的点估计值

然后，求回归系数的点估计和区间估计、并检验回归模型：[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X,alpha)。最后，画出残差及其置信区间：rcoplot（r，rint）。②在实验过程中发现其它建模方法。

（4）计算软件编写。利用C++或者Matlab进行编程。可供一般计算机工作人员使用，只需要从网上下载该测量软件，安装后进行注册。输入用户名和密码之后便可以进入测量界面，页面左侧有一个工具栏，有水稻叶长、叶宽、叶龄、叶基距地距离、叶脉数量等相关选项，可以根据用户对水稻叶面不同的测量方面进行选择。运行的结果会被永久的存储在系统中，只要登录就能查看测量历史。

3 研究的主要创新点

（1）在进行大规模的水稻叶片叶面积分析的基础上，建立数学模型，建立叶面积与叶龄、叶宽、叶长、叶基距等之间关系的数学模型。

（2）本研究测量叶面积考虑了更多的因素，如多组叶宽与一组叶长、叶龄、叶基距等。

（3）利用专业知识，进行计算机编程，使得输入几组相关测量数据就可以快速准确的得到水稻叶面积的值。

（4）采用本方法能够在不破坏植物继续生长的基础上对叶面积进行测量。