利用几何形态测量学评估茶尺蠖危害茶叶严重度的可行性分析

潘鹏亮，王国君，2，张方梅，刘红敏，2，史洪中，2，尹　健

(1.信阳农林学院 农学院/豫南植物有害生物绿色防控院士工作站，河南 信阳 464000；2.信阳师范学院 大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南 信阳 464000)

茶尺蠖(EctropisobliqueProu)是我国茶产区的重要害虫之一，以幼虫取食茶树[Camelliasinensis(L.) Kuntze]叶片，不但会造成减产，还影响茶树来年长势[1]。在制定此类害虫的防治适期时，除了根据诱捕到的成虫数量，推测幼虫孵化高峰期以外[2]，还可以通过田间调查幼虫虫口数量或危害严重度来决定采取有效的防治方法。此外，虫口数量和危害严重度调查还用于验证防治效果。然而，由于茶尺蠖幼虫具有畏光性和保护色，受惊动后吐丝逃跑等特点[3]，调查其虫口数量难度较大。被害叶率和被害叶严重度是评估植物病害发生程度的重要指标，这些指标同样也可能被用于评估虫害严重度。据报道，茄二十八星瓢虫(HenosepilachnavigintioctopunctataFabricius)成虫取食茄子叶片的面积可以通过叶面仪测量方法获得[4]。钟取发等[5]提出一种基于叶片模板自动匹配的叶片虫损面积测量方法，并对10类不同叶片以及这些叶片的虫损面积进行了测量评估，平均相对误差为4.78%。这说明，通过图像处理技术有可能实现害虫危害叶片严重度的评估。目前，大多数的文献报道均是对不同植物正常叶片面积进行测量[6]，涉及到的植物范围很广，比如农作物[7-8]、瓜果[9-10]、蔬菜[11]、杂草[12]、林木[13-14]、花卉[15]等。使用的测量技术包括图像处理法[16-17]、方格法、鲜质量法、纸质量法、光电面积仪法、求积仪法、线性回归估测法等[18]。然而，对茶树叶片面积和害虫危害茶叶面积进行测量和评估的报道还不多见。本研究拟利用图像处理和几何形态测量学方法，对茶树不同叶位叶面积和叶片各几何形态学参数进行测量，对茶尺蠖危害茶树叶片虫损叶面积进行评估，验证此技术评估茶树害虫危害茶树叶片严重度的可行性。

1　材料和方法

1.1　植物种类

茶树叶片采自豫南植物有害生物绿色防控院士工作站试验基地8～10年生茶园，其位于河南省信阳市浉河港镇，茶树品种为福云7号，是当地近几年推广的主栽品种之一。对照植物垂丝海棠(MalushallianaKoehne.)和栀子花(Gardeniajasmindoesvar.grandifloraNakai.)叶片采自信阳农林学院校内。

1.2　取样和处理方法

茶树枝条取2017年6月初修剪后生长出的新生枝，每枝1芽5叶左右。分2组，一组为无明显被取食的枝条(65枝，共342片叶)，一组是被茶尺蠖危害的枝条(65枝，共352片叶)。采集叶片时茶树叶片被害率低，茶尺蠖呈点片发生。垂丝海棠9枝，栀子花9枝，均为当年生枝条，每种植物取50片单叶作为测量对象。所有枝条被采集后48 h内进行叶片平展处理。

1.3　图像获取方法

参考刘时城等[12]处理植物叶片时采用的图像扫描分辨率即300 dpi对所有植物叶片进行图像获取。在获取叶片图像时，使用爱普生平板式扫描仪(Epson Perfection V370 Photo)进行24位全彩扫描，并在扫描玻璃板上方增补冷阴极光源(LP-300，Universal electronics industries ltd.)，以消除反射扫描时的叶片阴影。扫描时根据不同植物叶片大小进行数量不等的批量操作，以节省时间。同时，为了后续的研究，扫描时叶尖向上，叶柄向下放置。

1.4　数据处理与统计分析

选取茶树第4位叶50片，与海棠和栀子花叶片各50片进行几何形态特征参数的获取，所使用的软件为中国农业大学IPMist实验室开发的BugShape v1.0，并通过单因素方差分析比对不同植物叶片各参数间的差异。通过获取叶面积(Area)、叶片图像长轴长度(LAL: long axis length)和短轴长度(SAL: short axis length)，对3类茶树叶片，即无茶尺蠖危害枝条上的叶片(正常叶片NL: normal leaf)、被茶尺蠖危害枝条上的正常叶片(被害枝无损叶UL: undamaged-leaf in damaged-branches)和被茶尺蠖危害枝条上的受损叶(虫损叶DL: damaged-leaf)，进行参数间的相关(Pearson correlation)和线性回归(Linear regression)分析，建立相应的回归方程。通过独立样本t检验(Independent-samplesttest)，分析不同叶位被害枝无损叶和正常枝叶面积、长轴长度和短轴长度的差异。

在对虫损叶面积损失评估时，把受损叶分为3类，即叶长完整型、叶宽完整型、长宽均完整型，分别利用不同叶位上叶面积与长轴长度、叶面积与短轴长度、叶面积与长宽乘积建立的回归方程，对虫损叶完整叶面积进行拟合。拟合结果与实测虫损叶剩余面积之差作为害虫取食损失的面积。本研究利用正常叶片和被害枝无损叶建立的面积回归方程分别计算虫损面积，同时，通过3次人工目测估计虫损面积，并进行评测效果比较。此外，对不同叶位被害率以及被害枝虫损叶比例分布进行了初步分析。

2　结果与分析

2.1　茶树叶片与对照植物叶片的差异

单因素方差分析结果表明，茶树叶片与海棠和栀子花叶片在所提取的形态学参数，如面积(F=90.563,df=2,147;P<0.001)、周长(F=31.899,df=2,147;P<0.001)、长轴长度(F=49.545,df=2,147;P<0.001)、短轴长度(F=142.561,df=2,147;P<0.001)、等效圆半径(F=118.803,df=2,147;P<0.001)、偏心率(F=34.631,df=2,147;P<0.001)、紧凑度(F=146.297,df=2,147;P<0.001)、球状性(F=60.745,df=2,147;P<0.001)、叶状性(F=5.585,df=2,147;P=0.005)和圆形度(F=145.524,df=2,147;P<0.001)，差异均达到极显著水平。多重比较(LSD或Games-Howell)结果表明，茶树叶片与海棠叶片在各参数间均存在极显著差异，与栀子花叶片相比，两者之间在周长、长轴长度、偏心率、紧凑度、球状性、叶状性和圆形度方面存在极显著差异，而其他参数间差异不显著(图1)。

同组内不同字母表示处理间差异极显著(P<0.01)

2.2　茶树叶面积与长宽参数间的回归分析

相关分析结果表明，无论是正常叶片、被害枝无损叶，还是虫损叶，所测得的叶面积与其长轴长度、短轴长度，以及长轴长度与短轴长度之积均有极显著的正相关关系。每一叶位的叶片面积与各参数均建立了显著正相关线性回归方程，其中，正常叶片面积与长轴长度和短轴长度之积的回归系数为0.613～0.700，被害枝无损叶与其的回归系数为0.610～0.682，虫损叶与其的回归系数为0.617～0.679(表1)。

2.3　茶树被害枝无损叶与正常枝叶面积差异

通过独立样本t检验，在第3叶位和第5叶位，正常枝与被害枝完整叶片的面积存在极显著差异，且正常叶片的面积大于被害枝无损叶，而2类叶在第4、1、2、6叶位的面积无显著差异。通过对长轴长度和短轴长度的分析发现，在第3叶位和第5叶位，正常叶的长轴长度和短轴长度均极显著大于被害枝无损叶，而第4叶位只有短轴长度有极显著差异(图2)。

2.4　茶树叶面积损失评估比较

为了比较不同方法评估虫损叶面积损失情况的差异，对正常叶不同叶位得到的回归方程、无损叶回归方程和人工目测估计结果进行比较。单因素方差分析结果表明，通过正常叶和被害枝无损叶相关叶位的回归方程得到的虫损叶面积，与人工评估方法得到的虫损叶面积之间无显著差异(F=1.136，df=2,195;P=0.323)(图3)。

表1　茶树不同叶位叶面积与各参数的相关系数和回归方程

**表示差异达到极显著水平(P<0.01)

相同字母表示差异不显著(P>0.05)

2.5　茶树被害枝不同叶位被害情况

通过对虫损叶被害情况的统计发现，当茶尺蠖种群密度不大的情况下，其取食茶树叶片时，对不同叶位的叶片取食概率有明显的差异，偏好性从强到弱的叶位顺序为3、4、2、5、1、6，即在1年生6叶枝条上，最偏好取食第3叶位的成年叶片，而最不喜欢取食最下部的老叶(图4)。

图4　茶树不同叶位虫损叶率分布

在所调查的被害枝条中，不同取食面积的虫损叶占1年生枝条叶片数的比例也有明显的分布规律。即被害枝虫损叶面积在20%及以下的占总叶片数的36.48%，在40%及以下的累积占67.30%，而被害枝虫损面积超过80%的叶片数量只占3.14%(图5)。这说明，当虫口密度不大时，此类害虫在田间的取食具有间断性和枝条选择的随机性。

图5　茶树被取食叶面积大小在1年生枝条叶片中的频率分布

3　结论与讨论

本试验证明，通过某些几何形态特征提取软件，可以自动获取到植物叶片的面积、周长、长轴长度和短轴长度，以及等效圆半径等参数。这些参数可以用于对茶树叶片、海棠叶片和栀子花叶片的区分。不同类型的茶树叶片(正常叶片、被害枝无损叶和虫损叶)面积与软件提取到的长轴长度、短轴长度以及两者的乘积均存在极显著的正相关关系，每一叶位均可建立相应的回归方程。利用这些回归方程对虫损叶被取食面积进行评估，与人工实际评测的结果无显著差异。正常叶与被害枝无损叶在第3、5叶位上，其面积存在显著差异，即正常叶片面积大于被害枝无损叶。被害枝不同叶位被害情况分析表明，在茶尺蠖种群密度低时，其取食茶树叶片具有明显的叶位选择偏好性，即在1年生6叶枝条上，偏好性从强到弱的叶位顺序为3、4、2、5、1、6。在同一枝条上，虫损叶的比例分布也具有明显的规律，即被害枝虫损叶率20%及以下的占36.48%，40%及以下的累积占67.30%，被害枝虫损率超过80%的只占3.14%。

本研究利用图像处理与分析技术，对茶树1年生枝条不同叶位叶片面积等参数进行了软件自动获取，避免了人工目测评估虫损叶面积受人为因素影响的不足，为茶尺蠖类害虫危害茶树严重度提供了科学的评估方法。研究中用到的几何形态特征提取软件BugShape v1.0较多地被应用于各类昆虫外部形态特征的提取[19-22]，稳定性强，其最初版也被应用于菟丝子种子的区分[23]，改良版用于鳞翅目昆虫[24]和鼠类头骨[25]形态特征的提取。本研究在一定程度上拓展了此类软件的应用范围。

在同类研究中，袁哲明等[26]在测量十字花科蔬菜食叶害虫的食叶量时，利用计算机+手持式扫描仪+叶片复印纸的方法，获取到目标叶片面积。但该方法只适合于室内用叶碟法测定食叶量，对害虫取食前叶片面积不固定或田间实际测量取食叶面积时，无法完成取样测量。钟取发等[5]提供的典型叶片模板自动匹配法测量虫损叶面积最大相对误差为8.22%，对于形状复杂度低的叶片误差较小，方法可行。但对生长点无限生长型植物如茶树的叶片，需要建立不同成熟度的模板才能满足实际需求，技术繁琐，且没有形成成熟的软件产品，无法推广应用。本研究利用不同叶位长轴长度、短轴长度和长轴与短轴长度之积分别与面积建立回归方程，可以分别模拟害虫取食后3种类型(长轴长度完整、短轴长度完整、长轴和短轴均完整)叶片的原始叶片面积，进而可对取食叶面积分别进行评估，可操作性强。通过对比正常叶、受害枝无损叶回归方程的计算结果和人工目测结果发现，3种方法在评测茶树叶片被取食面积时无显著差异。通过获取不同植物叶片形态学参数，不但能够区分植物叶片的种类，在植物种类鉴定中具有应用价值，还能够精确计算不同叶位面积、周长、长轴长度、短轴长度等，为建立植物生长模型，以及评估害虫危害严重度[27]等提供可靠数据。

通过前期的调查发现，茶尺蠖幼虫密度在中等水平以下时，茶树叶片被取食后绝大多数能够保留叶长或/和叶宽(占91.38%)，因此本研究未对叶长和叶宽均被取食的类型进行评估。另外，通过研究叶片长轴长度和短轴长度建立的面积回归方程，对该茶树品种不同叶位的长宽系数进行了估计，即在无茶尺蠖危害的枝条上，系数范围为0.613～0.700，被害枝条无损叶系数范围为0.610～0.682。而在《农作物种质资源鉴定技术规程—茶树》中，茶树叶片大小的确定以叶长、叶宽和系数0.7的乘积作为叶面积，忽略了不同品种、不同叶位长宽系数的变化。

据报道，茶树不同成熟度的叶片对茶尺蠖生长发育有影响，成叶有利于其幼虫的生长发育，老叶不利于取食[28]。这与本研究结果一致，即茶尺蠖偏好取食的叶位顺序为第3、4、2、5、1、6位叶。此外，本研究还在一定程度上证明了茶尺蠖危害茶树叶片后引起其防御反应[29]，如在被害枝上，无损叶片的叶面积小于正常未受害枝条叶面积，推测无损叶为防御茶尺蠖的危害在合成防御物质时消耗了能量。

致谢：中国农业大学沈佐锐教授和高灵旺副教授在软件应用方面提供了帮助与支持，信阳农林学院2013级植物保护专业学生常世江、李建豪等同学参与了前期的研究工作，在此一并致谢！