基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法与流程

本发明涉及到一种基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法。

背景技术：

需冷量是桃及其他落叶果树的重要农艺性状，是其低温环境中生理休眠及其解除的量化指标。需冷量直接关系到果树栽培成败和分布区域，因此，需冷量评价是有的放矢地进行不同需冷量品种选育和栽种区域优化配置的重要前提。

国内外对桃以及其他落叶果树和植物的需冷量评价现有方法有3种，第一种是较笼统地进行田间观察统计，该法应用于需冷量估算模型的建立，在实际需冷量评价中几乎不被采用。第二种是人工控制试验，即连续3～5年，在冷量积累过程中，连续采集枝条，人工控制光、温度和湿度进行培养；在培养过程中为了保证枝条生活力，需要每隔3～5天更换培养液和修剪新茬，培养10天，或多至3周；然后基于花芽重量或形态变化进行分级统计，直到花芽重量、或萌芽率、或开花数达到一定值或比例时的枝条采集时间为需冷量满足；再结合冷量积累过程中的气温统计，利用需冷量估算模型，如0～7.2℃、7.2℃、犹它和动态模型等进行需冷量估算；该方法是一直以来最常用的方法，但缺陷亦是非常明显，即培养条件苛刻、程序复杂繁琐、工作量大、统计复杂，评价过程中影响结果的环境和人为因素太多，控制难度大。第三种是近年提出的基于长时期(至少15年以上)且可靠的气象和物候数据的偏最小二乘回归分析估算需冷量，该方法基础数据要求苛刻，需要至少15年以上的精确完整的气象和物候数据，而且不适用于没有物候记录的新品种资源，应用极少。因此，现有评价方法的缺陷极大限制了需冷量评价进程。基于此，迫切需要探索建立高效评价需冷量的技术和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法，其步骤包括：

(1)方法建立：采用待测农业气候区划区域^[1,2]的已知需冷量的具代表性的若干个桃品种资源，并进行花芽采集；对采集的不同冷量积累阶段的花芽分别对剖，静置于密封容器中一段时间后利用电子鼻测定挥发性物质的气味；对各阶段花芽的气味进行分析、区分，并建立定量模型，从而建立起桃品种资源花芽生理休眠及解除过程中挥发性物质气味与实时冷量占需冷量的比值的对应关系；

(2)方法应用：对该农业气候区划区域未知需冷量的桃品种资源生理休眠及解除过程中任一冷量积累时期的花芽进行挥发性物质的气味检测，利用步骤(1)中建立的定量模型进行定量分析，推定该冷量积累时期的实时冷量占需冷量的比值；根据气温数据和有效低温累积起点日期，计算未知需冷量的桃品种资源花芽生理休眠及解除过程中该任一冷量积累时期的实时冷量；计算推定需冷量，公式为：推定需冷量＝实时冷量/实时冷量占需冷量的比值，即得到该未知需冷量的桃品种资源的推定需冷量。

步骤(1)中根据花芽生理休眠及解除过程中实时冷量占需冷量的比值设定为若干个冷量积累阶段，并建立起桃品种资源花芽生理休眠及解除过程中挥发性物质气味与不同冷量积累阶段的实时冷量占需冷量的比值的对应关系；步骤(2)中还利用步骤(1)中建立的定量模型进行聚类分析，推定该冷量积累时期的实时冷量所处冷量积累阶段。其中步骤(1)比值的设定是规避桃品种资源需冷量变异度大的因素，达到统一不同需冷量品种资源冷量积累阶段的目的。

优选的，步骤(2)中还利用步骤(1)中建立的定量模型进行聚类分析，推定该冷量积累时期的实时冷量所处冷量积累阶段。

优选的，步骤(1)中具有代表性的已知需冷量的桃品种资源是经过3～5年评价，年份间需冷量相对稳定，连续年份的需冷量的标准差在平均值10％以下的品种资源。

优选的，步骤(1)代表性桃品种资源至少涵盖需冷量极短、短、中、长的品种资源，界定标准参考中国农业出版社出版的《桃种质资源描述规范和数据标准》一书第83页。

优选的，所述实时冷量，是秋季落叶后，自有效低温累积起点日期始，至采样日期止的实际冷量积累值，具体可通过适合该农业气候区划区域的或广泛应用的需冷量估算模型(如0～7.2℃模型、7.2℃模型、犹它模型、动态模型等)所描述的方法进行。

优选的，步骤(1)中阶段设定和花芽采集时间确定的方法为：将具代表性的每个已知桃品种资源的需冷量定为1，秋季落叶后，每个品种按花芽生理休眠及解除过程中实时冷量与需冷量的比值由小到大进行分阶段设定，比值取值范围为0～1.2，阶段的数量和密度随机，根据实时冷量，计算实时冷量与需冷量的比值，比值达到各设定比值的时间确定为每阶段的花芽采集时间。

优选的，对各阶段花芽采集时，选择着生混合芽或花芽且芽体饱满充实的一年生枝条上的花芽，全树随机采集。

优选的，密封容器放置于20～30℃的环境下，所述一段时间为0.5～2h，同一个方法中的方法选择的温度和时间一致。

优选的，所述电子鼻检测流速为300～400ml/min，时间为45～60s，取3～10个时间点的稳定信号，稳定信号处各传感器的值即综合表征桃花芽不同冷量积累阶段挥发性物质的气味。

步骤(1)中所述区分是利用电子鼻数据分析系统，根据所设定的不同冷量积累阶段的实时冷量与需冷量的比值进行分阶段的对所选稳定信号数据的导入，进行主成分与判别式分析；

所述定量是利用电子鼻数据分析系统，分别对各冷量积累阶段所选稳定信号数据赋于设定的比值，利用偏最小二乘法建立定量模型；

所述聚类是利用建立的偏最小二乘法建立定量模型，利用欧氏距离和马氏距离聚类方法进行聚类分析；

所述推定是利用已建立的定量模型进行未知需冷量品种资源花芽生理休眠及解除过程中任一冷量积累时期花芽样品的实时冷量占需冷量的比值及所处冷量积累阶段的推定。

优选的，所述需冷量、实时冷量、推定需冷量的单位一致，随所用需冷量估算模型而定。

本发明利用电子鼻检测技术，将花芽生理休眠及解除过程中挥发性物质的气味与花芽实际冷量积累值关联起来，建立了花芽生理休眠及解除过程中挥发性物质气味与花芽冷量积累过程中不同阶段的实时冷量占需冷量比值的关系，用该方法可通过一次性测定未知需冷量的品种资源花芽生理休眠及解除过程中任一冷量积累时期的花芽样品的挥发性物质气味，推定出该样品的实际冷量积累值(实时冷量)占需冷量的比值，结合利用需冷量估算模型和气温数据计算得出的该花芽样品的实时冷量，以该实时冷量除以方法推定的比值，从而推定出该份品种资源的需冷量，另该方法还可对实际冷量所处阶段进行推定，达到了高效便捷评价桃品种资源需冷量的目的，克服了现有方法费时费力和基础数据要求苛刻的缺陷；另外，本发明建立的方法是基于花芽不同积累阶段挥发性物质的气味，即花芽生理休眠及解除过程中的生理指标作为基础数据，克服了现有方法的结果易受人为控制试验条件多因素、年际间天气等影响的缺陷。本发明开创性地采用基于桃花芽生理休眠及解除过程中的花芽挥发性物质的气味检测，建立气味与冷量积累的对应关系，来评价需冷量，在桃需冷量评价工作中的应用价值高，以及对其他落叶果树或植物需冷量评价方法创新的借鉴意义大。

附图说明

图1为电子鼻传感器对桃花芽(‘霞晖8号’20190109)挥发性物质的响应图(横坐标为时间，纵坐标为响应值)。

图2为9个已知需冷量桃品种资源花芽不同冷量积累阶段挥发性物质气味的主成分分析(横坐标为第一主成分，纵坐标为第二主成分)。

图3为9个已知需冷量桃品种资源花芽不同冷量积累阶段挥发性物质气味的线性判别式分析(横坐标为第一判别式，纵坐标为第二判别式)。

图4为9个已知需冷量桃品种资源花芽不同冷量积累阶段挥发性物质气味的偏最小二乘法定量模型的质量判定结果。

图5为未知需冷量桃品种资源花芽样品(‘新疆黄肉’20200123)的定量模型得出实时冷量与需冷量的比值的结果展示。

图6为未知需冷量桃品种资源花芽样品(‘新疆黄肉’20200123)的欧氏距离和马氏距离分析得出所处冷量积累阶段的结果展示。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例中采用的电子鼻为德国airsense公司pen3.5电子鼻。

2018-2019年度，以南京地区已知需冷量的9个桃品种资源(前期用人工控制试验方法连续评价了3年需冷量，需冷量相对稳定，范围为208±20～1040±55h，涵盖了极短、短、中和长类型)的花芽为材料，取自江苏省农业科学院国家桃资源圃成年树，田间统一管理。每个品种资源的花芽需冷量定义为1，每个品种资源按实时冷量与各自的需冷量的比值均设定5个阶段，分别为ⅰ(0)、ii(0.4)、ⅲ(0.8)、ⅳ(1)、ⅴ(1.2)，按0～7.2℃估算模型(该模型应用广泛，且较适宜该农业气候区划区域)确定冷量积累起点时间，即以秋季日平均温度稳定通过7.2℃的日期为有效低温累积的起点(2018年12月6日)，按此起点，结合气温数据，计算实时冷量和实时冷量与每个品种资源的需冷量的比值，当实时冷量分别与各个品种资源的需冷量的比值达到设定的每个阶段比值时，即0、0.4、0.8、1、1.2，确定各个品种资源每个阶段的花芽采集日期并采集花芽，不同阶段各品种资源名称、需冷量和各阶段花芽实时冷量和采样时间见表1，按该表1采集花芽(3次重复)进行电子鼻检测，检测流速为300ml/min，时间为50s，取每个样品的第28s～35s的8个时间点的稳定信号，根据所设定的不同冷量积累阶段的实时冷量与需冷量的比值，即0、0.4、0.8、1、1.2进行分阶段的对所选稳定信号数据的导入，进行主成分与判别式分析，能明显区分各冷量积累阶段视为可较好地建立定量模型，分别对各冷量积累阶段所选稳定信号数据赋予设定的比值，即0、0.4、0.8、1、1.2，建立偏最小二乘法定量模型，基于f检验和随后的概率(p值)估计，模型质量(图5中的quality)为100％，即表示p值为1.0，判定该定量模型为一个好模型。

表19个已知需冷量桃品种资源冷量积累不同阶段花芽实时冷量和采集日期

图1电子鼻对桃花芽的挥发性物质有明显的响应，电阻比刚开始时较低，随着挥发物在传感器表面富集，传感器电阻比不断地增大，最后趋于平缓，于28-42s区间达到非常稳定的状态，并且每一个传感器对桃花芽的挥发物响应有差异。w1s(甲烷类)、w1w(硫化氢)、w2w(芳香成分，有机硫化物)、w5s(氮氧化物)较其他传感器有更高的相对电阻率值。

图2主成分分析，不同冷量积累阶段桃花芽区分度值都在0.998以上(区分度值见表2)，第一主成分和第二主成分的贡献率分别为84.76％和12.90％，总的贡献率为97.66％，两主成分同时对桃花芽冷量不同累积阶段的区分起作用。

图3为线性判别式分析，两判别式的总贡献率为80.49％，判别式一和判别式二的贡献率分别为64.69％和15.80％。随着判别式一递增，桃花芽的冷量累积度也逐渐增加，除了第ⅲ阶段与第ⅳ和第ⅴ阶段(即实时冷量与需冷量的比值为0.8的与1和1.2)有极其轻微交叉，第i阶段和第ii阶段(即实时冷量与需冷量的比值分别为0和0.4)相互能明显区分，且与第ⅲ、ⅳ和ⅴ阶段均能明显区分。说明用线性判别式分析能区分出桃花芽生理休眠及解除过程中冷量累积不同阶段。

图4为偏最小二乘法建立的定量模型质量判定结果，基于f检验和随后的概率(p值)估计，模型质量(图5中的quality)为100％，即表示p值为1.0，判定该定量模型为一个好模型。

表2桃品种资源花芽冷量不同积累阶段区分度值

应用及验证：采集未知需冷量的14个品种资源(为了达到上述所建立的基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法的全面最优的验证效果，基于一般需冷量越短，盛花期越早，需冷量越长，盛花期越晚的基础理论，本实施例验证选择的品种资源盛花期差异大，盛花期尽量覆盖了极早、早、中、晚、极晚的品种资源)的23个不同采样时期的样本，于2019～2020年度结合0～7.2℃需冷量估算模型(该模型应用广泛，且较适宜该农业气候区划区域)，利用上述建立的基于电子鼻检测技术高效评价桃花芽需冷量的方法推定需冷量，并同时利用现有人工控制试验估算需冷量，对该两种方法所得需冷量结果进行比较。采集花芽生理休眠及解除过程中任一冷量积累时期的花芽样品(3次重复)进行电子鼻检测，利用以上建立的方法进行挥发性物质检测；任一冷量积累时期的实时冷量按0～7.2℃估算模型确定的冷量积累起点时间(2019年11月27日)和结合气温数据计算得出；利用以上建立的方法进行定量分析，推算出实时冷量占需冷量的比值；最后以公式：推定需冷量＝实时冷量/实时冷量占需冷量的比值，即得到推定需冷量；最后，将推定需冷量与人工控制试验估算的需冷量进行比较，结果见表3，利用spss统计软件的配对样本t检验得出本发明建立的方法所得推定需冷量与人工控制试验所得估算需冷量差异不显著(显著性水平0.05)；说明利用本发明建立的方法用于未知桃品种资源需冷量的评价可行。两种聚类方法对23个不同采样时期样本所处冷量积累阶段的推定，其中18个推定一致，仅有5个推定有出入，说明本发明建立的方法可推定花芽生理休眠及解除过程中任一样品冷量积累所处阶段，为该方法的准确率增加了砝码。另，利用本发明建立的方法应用于某一未知桃品种资源需冷量评价时，可以通过在花芽生理休眠及解除过程中进行多次评价，如本实施例验证中的‘金陵黄露’、‘霞脆’和‘新疆黄肉’，取每次推定需冷量的均值作为需冷量评价结果，可取得更好的评价效果。

表3模型验证结果

参考文献：

1、丘宝剑,卢其尧.农业气候区划及其方法[m].科学出版社,1987.

2、亓来福.国内外农业气候区划方法[j].气象科技,1980(02):34-37.