高光譜成像系統(tǒng)：茶樹(shù)葉片鉛含量與茶樹(shù)葉片光譜反射率相關(guān)性研究

1、引言

我國(guó)是茶葉出口大國(guó)，茶葉是我國(guó)傳統(tǒng)出口的優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品。茶葉富含茶多酚、氨基酸、維生素、生物堿和多種微量元素，是世界公認(rèn)的天然健康飲料，受到世界各國(guó)人民的喜愛(ài)。近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品質(zhì)量安全問(wèn)題的關(guān)注，茶葉中的重金屬污染成為茶葉衛(wèi)生安全的重要問(wèn)題之一。地物光譜儀利用波段寬度＜10mm的電磁波從研究對(duì)象上獲取系列數(shù)據(jù)，它融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)，即在保存數(shù)據(jù)的同時(shí)產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。

植物間化學(xué)和形態(tài)的不同導(dǎo)致不同植物對(duì)光譜的反射也不同，通過(guò)地物光譜儀獲取的植物信息可以反映植物的發(fā)育及健康狀況。因此在實(shí)際研究中可根據(jù)目標(biāo)，選擇合適的光譜波段，獲取詳細(xì)、精確的植物光譜信息。環(huán)境中的污染物能夠?qū)е轮参锏娜~面結(jié)構(gòu)、葉綠素含量及植株結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而引起植物光譜特征的改變。換言之，在重金屬污染脅迫下，其光譜反射特性會(huì)發(fā)生變化，污染越重，變化越大。因而從理論上，只要選擇適當(dāng)?shù)牟ǘ?，就可取得研究?duì)象在重金屬污染脅迫下的詳細(xì)而精確的光譜信息，能用于原位無(wú)損、快速檢測(cè)重金屬含量。

該研究選擇市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園３個(gè)區(qū)域的茶園茶樹(shù)為研究對(duì)象，應(yīng)用便攜式地物光譜儀獲取茶葉光譜信息，同時(shí)測(cè)定茶葉中鉛含量，探討鉛含量與光譜特征信息的相關(guān)關(guān)系，反演出檢測(cè)茶葉鉛含量的估算模型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用地物光譜儀檢測(cè)茶葉中重金屬鉛元素含量的目的，為茶葉的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

2、材料與方法

2.1 研究區(qū)概況及其樣品采集

研究區(qū)域位于云南省某市，于2020年6-8月采摘公路綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園3個(gè)地區(qū)的云南大葉種茶樹(shù)群體種中的勐海種茶葉的１芽１葉、２葉、３葉、４葉、５葉和６葉，共 18個(gè)樣品。采集到的樣品用蒸餾水洗滌洗去葉片表面的大氣灰塵顆粒物，并在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥至恒重，用研缽研磨過(guò)孔徑為0.074ｍｍ的篩子待測(cè)。

2.2 室內(nèi)樣品pb含量的測(cè)定

稱(chēng)取0.1g的普洱茶葉粉末放進(jìn)特氟龍材質(zhì)的瓶子，加５ｍＬ工藝超純硝酸（國(guó)藥集團(tuán)化 學(xué)試劑有限公司，純度為６５％～６８％），并將瓶子放進(jìn)不銹鋼高壓密閉罐中，擰緊并置于電熱恒溫干燥箱中120℃加熱12ｈ。取出冷卻后，特氟龍瓶子放置在帶孔電熱板上加熱揮發(fā)干硝酸，然后加3ｍＬ超純Ｈ２Ｏ２，并再次放進(jìn)電熱恒溫干燥箱中于80℃加熱6ｈ。

2.3 野外高光譜數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)地物光譜儀儀器能夠捕獲可見(jiàn)、近紅外和短波紅外光譜。測(cè)量時(shí)選擇晴天太陽(yáng)光照穩(wěn)定時(shí)段，風(fēng)力小于3級(jí)，以減少陰 影和強(qiáng)烈反射體的影響，平均氣溫26℃。測(cè)量光譜葉片光譜數(shù)據(jù)時(shí)，儀器探頭垂直向下，每次數(shù)據(jù)采集前都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。光譜曲線見(jiàn)圖1，市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園分別記為SQLHD、SQGYCY和JQCY，１芽１葉、２葉、３ 葉、４葉、５葉和６葉分別標(biāo)為1.asd.ref、2.asd.ref、3.asd.ref、4.asd.ref、5.asd.ref和6.asd.ref，不同區(qū)域葉片的反射光譜曲線的波形基本相似。

圖１ 不同區(qū)域葉位數(shù)為5的葉片在350-2500nm處的反射率

三、結(jié)果與分析

3.1 最佳光譜因子的確定

從市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹(shù)葉片不同葉位800ｎｍ左右波長(zhǎng)處光譜反射率（圖2-4）可以看出，葉位數(shù)與茶樹(shù)光譜的反射率呈現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢(shì)，隨著葉位數(shù)增加，茶樹(shù)光譜的反射率增加。因此，選擇800ｎｍ 波長(zhǎng)為茶樹(shù)最佳光譜因子波長(zhǎng)。

圖２ 市區(qū)綠化帶780-940ｎｍ處不同葉位反射率

圖３ 市區(qū)公園茶園775-830nm處不同葉位反射率

圖４ 郊區(qū)公園茶園792-810nm處不同葉位反射率

3.2 茶樹(shù)葉片Pb含量、800nm波長(zhǎng)處反射率與葉位數(shù)相關(guān)性分析

市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園葉片重金屬Ｐb含量、800ｎｍ 波長(zhǎng)處光譜反射率與葉位數(shù)曲線擬合分析顯示（表1、圖5），Pb元素隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)， 其決定系數(shù)(R2)分別為0.02(P=0.35)、0.36(P=0.12)、和0.79（P=0.01)。800nm波長(zhǎng)處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，其決定系數(shù)(R2)分別為0.79(P=0.01)、0.96（P＜0.01)和0.78(P=0.01)。

表１ 不同葉位茶樹(shù)葉片Pb含量和800nm處光譜反射率

采樣的３個(gè)區(qū)域茶葉重金屬Pb元素在葉片中的含量為0.134-0.843μｇ/ｇ，這與Zhang等采集貴州省普安縣茶園中茶葉樣品中的重金屬含量一致，且低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2017)和茶葉重金屬含量限量標(biāo)準(zhǔn)(NY/T288-2018NY659-2013)限量要求。因此認(rèn)為在公路綠化帶、市區(qū)公園和郊區(qū)茶園中的云南大葉種茶樹(shù)葉片隨著葉位數(shù)的增加重金屬Pb含量表現(xiàn)出富集的現(xiàn)象，但飲用 １芽１～６葉茶葉,重金屬Ｐｂ含量仍屬安全范圍。茶樹(shù)葉片生長(zhǎng)年齡的增加不僅延長(zhǎng)了葉對(duì)各類(lèi)重金屬的暴露時(shí)間，而且葉的生理特征也會(huì)發(fā)生改變。一方面，茶樹(shù)植株為了解毒將有毒重金屬結(jié)合在含 Ｃ、Ｎ、Ｓ的大分子有機(jī)物上，其發(fā)生遷移的趨勢(shì)遠(yuǎn)不如其他營(yíng)養(yǎng)元素，使得有毒重金屬固定積累在植物的某些組織中，故隨著重金屬的暴露時(shí)間越長(zhǎng)，其含量可能就越高。這可能是該研究中隨著葉位數(shù)的增加，茶葉中有毒重金屬Pb元素增加的原因。而３個(gè)采樣區(qū)域重金屬Pb含量差異性不明顯，可能與禁止使用含Pb汽油有關(guān)。國(guó)家有關(guān)部門(mén)規(guī)定，從2001年7 月1日起，在全國(guó)禁止使用含鉛汽油，全面推廣使用無(wú)鉛汽油。采樣的３個(gè)區(qū)域茶葉800nm波長(zhǎng)處光譜反射率為0.405-0.978, 且隨著葉位數(shù)的增加，光譜反射率有增加的趨勢(shì)（表１和圖５）。這可能與茶樹(shù)葉片生理生化及重金屬含量的變化有關(guān)。

圖５ 茶樹(shù)葉片Pb含量、800nm波長(zhǎng)處反射率隨著葉位變化特征

3.3茶樹(shù)800nm波長(zhǎng)處光譜反射率與Pb含量線性相關(guān)擬合方程

為了利用茶樹(shù)的光譜測(cè)量推斷其重金屬含量，將不同葉位數(shù)茶樹(shù)葉片重金屬Pb含量與800ｎｍ 波長(zhǎng)處光譜反射率進(jìn)行線性擬合。市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹(shù)葉片重金屬Pb含量與800nm波長(zhǎng)處光譜反射率曲線擬合分析顯示（圖６），其線性擬合方程分別為ｙ＝１.６５ｘ－0.52（R2＝ ０．３７，Ｐ＝ ０．１２）、ｙ＝ 0.25ｘ＋0.04（R2＝0.47，Ｐ＝0.07）和ｙ＝ 1.50ｘ－0.92（R2＝0.37，Ｐ＝0.12）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用光譜技術(shù)檢測(cè)其他方式脅迫下生理生化指標(biāo)含量方面開(kāi)展了大量工作，Yu等通過(guò)采集７種病害脅迫下大麥樣本的高光譜數(shù)據(jù)，建立葉綠素含量的定量模型，模型的系數(shù)分別達(dá)到0.84和0.81。許凱雯檢測(cè)病害侵染大麥過(guò)程中的葉綠素ａ、葉綠素 ｂ、丙二醛和抗壞血酸含量變化，發(fā)現(xiàn)４種組分與侵染時(shí)間顯著相關(guān)，并建立４種生理生化指標(biāo)的可見(jiàn)近紅外光譜的特征波長(zhǎng)模型，預(yù)測(cè)集的決定系數(shù)均在0.66以上。Li 等研究了不同鹽脅迫水平對(duì)蓖麻子幼苗葉片葉綠素、丙二醛和脯氨酸的影響，以及光譜特征參數(shù)與蓖麻子幼苗葉片生理之間的關(guān)系。而該研究的重金屬Pb含量與800nm波長(zhǎng)處光譜反射率呈線性相關(guān)，模型的擬合系數(shù)為0.37-0.47。

圖６ 茶樹(shù)葉片Ｐｂ含量與800nm波長(zhǎng)處反射率擬合曲線

四、結(jié)論

（１）市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹(shù)葉片重金屬Pb含量隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，可能與葉片在空氣中的暴露時(shí)間及植物重金屬解毒機(jī)制有關(guān)；同時(shí)，800nm波長(zhǎng)處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，茶樹(shù)葉片的光譜反射率可能與茶樹(shù)的生理生化特征有關(guān)。

（２）市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹(shù)葉片重金屬Pb 含量與800ｎｍ 波長(zhǎng)處光譜反射率呈線性相關(guān)，其線性擬合方程分別為ｙ＝1.65x－0.52（R2＝0.37,P=0.12)、ｙ＝0.25x＋0.04（R2＝0.47,P=0.07)和ｙ＝1.50x－0.92（R2＝0.37,P=0.12)。茶樹(shù)的光譜信息與茶樹(shù)葉片的生理生化特性有關(guān)， 且茶樹(shù)的高光譜特征間接反映茶樹(shù)葉片重金屬的含量。

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審核編輯 黃宇