Németh Zsolt István, Rákosa Rita
Soproni Egyetem
,
Erdőmérnöki Kar, Kémiai Intézet, 9400 Sopron, Bajcsy-Zs. u. 4.nemeth.zsolt@uni-sopron.hu
Absztrakt: A növényi lombozatról való információszerzés a távérzékelési tudománynak egyik meghatározó alkalmazási területe. A növényi levelek reflexiós spektrális jellegzetességei visszatükrözik a növények aktuális vitalitási állapotát, valamint tájékoztatást adnak a növény és környezete közötti kölcsönhatásról is. A növényi lombozatról, az azt alkotó levelekről felvett spektrumok a vitalitási, kölcsönhatási információnak a hordozói. Az információnak a kinyerése a spektrum felvételeket befolyásoló determinisztikus (torzító) és sztochasztikus tényezők feltárását követeli meg. Kiküszöbölésük, kompenzálásuk elméletileg megalapozott spektrum-előkészítési stratégia alkalmazásával lehetséges. Leíró statisztikai módszerekkel (normalitásvizsgálat, korreláció és regresszió analízisek, F- és t-tesztek) a torzítástól és a sztochasztikus intenzitásváltozásoktól „megtisztított”, transzformált spektrumokból behatárolható a lombozat fajspecifikussága. Továbbá, a növény leveleinek környezeti körülményfüggő időbeli spektrális változásai is kimutathatóvá válnak.
Két erdei fafaj (bükk, kocsányos tölgy) lombozatának infravörös fényelnyelési sajátságait térképeztük fel három különböző időpontban, a lombozatok 7-7 db leveleire. A prímér FT-ATR-IR spektrumokon trendmentesítést és normálást magában foglaló spektrum-előkészítési transzformációt hajtottunk végre. A transzformált spektrumok korreláció analízise és a mintavételek átlagspektrumainak összehasonlító statisztikai értékelése (t-próba) érzékelhetővé teszi a növényi levél spektrumok környezeti körülmény érzékenységét, valamint az infravörös fényelnyelésnek a fajspecifikusságát.
Kulcsfogalmak: FT-IR spektrometria, lombozat, bükk, kocsányos tölgy
1. Bevezetés
A totálreflexiós (ATR) kiegészítő egységgel felszerelt Fourier-transzformációs infravörös spektrométerrel (FT-IR) az anyagok felületi rétegeiről (kb. 0-3 µm) információ nyerhető. Az FT-ATR-IR analitikai technika alkalmas a növényi levelek reflexiós IR-spektrumának felvételére. A levél felületi sejtjeinek szerves anyagkészlete határozza meg az FT-ATR-IR-spektrum mintázatát. A spektrum csúcsai a levélszövet jellegzetes molekularészeinek, funkciós csoportjainak (metil-, metilén, karbonil-, karboxil-, észter-, éter-, hidroxil-, amino-, aromás gyűrű-, telitetlen, ill, konjugált kettős kötésű, stb. csoportok) rezgési-gerjesztési átmeneteire vezethetők vissza (Buitrago, 2018). A csúcsmintázatot az IR-aktív (fényelnyelésre képes) szerves molekularészeknek a moláris abszorpciós koefficiensei, az intermolekuláris kölcsönhatásai, valamint az egymáshoz viszonyított mennyiségi arányai határozzák meg.
A növényi levél fényelnyelési sajátságán túl a prímér FT-ATR-IR spektrumot sztochasztikus hatások is befolyásolják. A mérőberendezés fényútjában lévő levegőnek széndioxid és vízgőz tartalma is hozzájárul az eredő spektrum kialakulásához. Az áramszolgáltatás feszültségének ingadozása kihat az IR fényforrás spektrális karakterisztikájára, ami a spektrum alapvonal tengelymetszetének és meredekségének módosulásait idézheti elő. A mintának az ATR egykristályhoz való illeszkedésének mértéke pedig a spektrum csúcsintenzitásaiban jelenik meg. A levél IR-fényelnyeléséhez az említett sztochasztikus faktorhatások hozzáadódnak az eredő (prímér) spektrumban.
Első lépésként, a növényi levél IR-fényelnyelésének statisztikai értékelése megköveteli a sztochasztikus faktorhatásoknak a kompenzálását. Ezt követően, a precizitás javulása után nyílik lehetőség a spektrumok, s azok tartományainak összehasonlítására a matematikai leíró statisztika módszereivel (normalitás vizsgálat, F- és t-próba).
A vázolt értékelési stratégiát egy bükk- és egy kocsányos tölgyfa lombozatairól, három egymást követő hónapban (jún., júl., aug.) vételezett (7-7 levél/mintavétel) leveleknek a spektrumbázisára alkalmazva mutatjuk be.
2. Anyag és módszer
Növényi levelek: Soproni Egyetem, Botanikai Kert, Sopron, Bajcsy-Zs. u. 4.
FT-ATR-IR spektrométer: Shimadzu IRAffinity-1 + HATR 10 (ZnSe). Prímér spektrum: 49 db szkennelt spektrum átlaga (4000-670 cm-1), apodizáció: Happ-Genzel, felbontás: 1 cm-1, szoftver: IRsolution 1.60.
Spektrumfelvétel: a mintavételtől számított 45 percen belül.
Spektrum-előkészítés: (a) Prímér spektrumok atmoszférikus korrekciója (CO2, H2O). (b) Símítás 5 cm-1 felbontásra. (c) Értékeléshez 900-1800 cm-1 tartományra szűkítés. (d) Lineáris trendmentesítés. (e) 900-1800 cm-1 tartományú SNV transzformáció.
Normalitásvizsgálat: Hullámszámfüggő SNV intenzítások Shapiro-Wilk tesztje és Q-Q ábrái. F-teszt:
Azonos hullámszámhoz tartozó SNV intenzitások szórásértékeinek összehasonlítása. t-próba: Átlag SNV spektrumok azonos hullámszám értékekhez tartozó intenzitásainak összehasonlítása.
A mérés kivitelezési folyamatát az 1. ábra szemlélteti.
1. ábra. Információszerzés folyamata 3. Eredmények és értékelés
A mintafa egyedekről vételezett levelek prímér és a közölt spektrum-előkészítéssel transzformált spektrumait szemléltetik a 2. és a 3. ábrák. A 2a és 3a ábrák a három különböző mintavételi időpontban, mintavételenként 7-7 db levélre kapott spektrumokat (összesen: 21-21 db egyedi levélspektrum) tartalmazzák.
2a. ábra. Bükklevél prímér spektrumok 2b. ábra. Transzformált bükklevél spektrumok
3a. ábra. Tölgylevél prímér spektrumok 3b. ábra. Transzformált tölgylevél spektrumok Abban az esetben, ha a levelek IR-spektrumai környezeti körülménytől függetlenek, és ha a spektrum-előkészítéssel a sztochasztikus faktorhatások tökéletesen kiküszöbölhetők lennének, akkor a fajspecifikus transzformált spektrumoknak azonosaknak kellene lenniük egymással. A 2b és 3b ábrák szemrevételezésével is megállapítható, hogy a spektrum-előkészítési transzformáció keskeny sávokban megjelenő spektrumokat eredményezett. A mintavételek és a két fafaj szerint csoportosított, transzformált spektrumok csúcsmaximumainak értékeit az I. és II. táblázatok tartalmazzák.
I. táblázat. Bükklevél transzformált spektrumainak csúcsmaximum értékei
II. táblázat. Tölgylevél transzformált spektrumainak csúcsmaximum értékei
A transzformált spektrumok (2b és 3b ábrák) hullámhosszfüggő intenzitásértékeinek normáleloszlás jellegét Shapiro-Wilk teszttel ellenőriztük. A normalitásvizsgálatot mind a mintavételek szerinti adatcsoportokra (7-7 db intenzitás/hullámszám) és mind a hullámszámfüggő standardizálás utáni egyesített adatcsoportokra (21-21 db intenzitás/hullámszám) végrehajtottuk. A Shapiro-Wilk teszt (α=0,05) egyetlen egy esetben sem zárta ki a levelenkénti spektrális adatok normáleloszlású jellegét.
A transzformált spektrumok csúcsintenzitásainak normáleloszlást közelítő jellegét szemléltetik az I. és II.
táblázatokból kiemelt adatok (bükk: 1366 cm-1; tölgy: 1462 cm-1) standardizált értékeinek Q-Q plot diagramjai (4a és 4b ábrák).
4a. ábra. Bükklevél standardizált csúcsintenzitásainak 4b. ábra. Tölgylevél standardizált csúcsintenzitásainak normáleloszlási jellege 1366 cm-1 hullámszámnál normáleloszlási jellege 1462 cm-1 hullámszámnál
Az azonos hullámszámokhoz, de eltérő mintavételekhez tartozó csúcsintenzitások szórásértékeinek (I. és II. táblázat adatainak szórásértékei) F-tesztje szignifikánsan eltérő, ill. azonosnak tekinthető szórás
összehasonlításához a korrigált t-próbát alkalmaztuk (Sváb, 1973). Az eredmények vizualizálására alkalmazták a t-próba P-valószínűségeinek hullámhosszfügését (Buitrago, 2018). A szemléletességet előtérbe helyezve, a t-próba hullámszámfüggő eredményeinek bemutatásához bevezetjük a fényelnyelés szignifikáns eltéréseit ábrázoló un. szignifikancia t-próba spektrumot, amely azoknál a hullámszám értékeknél zérusértékű, ahol a t-próba szignifikáns eltérést nem valószínűsít, ill. 1 értéket vesz fel azokban a spektrum tartományokban, ahol az átlagos fényelnyelések között szignifikancia valószínűsíthető. Két bükk, két tölgy, valamint egy bükk és egy tölgy átlagspektrum pároknak a t-próba összehasonlítási eredményeit szemléltetik az 5, 6 és 7. ábrák. Ezeken az ábrákon alul az összehasonlított átlagspektrumok, felül a t-próba szignifikancia spektrumai szerepelnek.
5. ábra. Bükklevél átlagspektrumok t-próbája 6. ábra. Tölgylevél átlagspektrumok t-próbája
7. ábra. Tölgy- és bükklevél átlagspektrumok t-próbája
Átlagspektrum-párokat a két fafajon belül és a két fafaj közötti lehetséges kombinációikra képezve, a t-próba összehasonlítás az 5.-7. ábrák szignifikancia spektrumaihoz hasonló eredményt szolgáltatott. Az átlagspektrumok hasonlóságának számszerűsítésére a szignifikancia spektrumból származtatható egy dimenziómentes mérőszám, amit spektrális szignifikancia indexnek neveztünk el. A szignifikancia index százalékos skálán azt fejezi ki, hogy a szignifikáns eltérésűnek adódó spektrális résztartományok összege mekkora hányadát teszi ki a teljes spektrumtartománynak. A lehetséges átlagspektrum összevetések szignifikancia index értékeit a III. táblázat tartalmazza.
III. táblázat. Átlagspektrum összehasonlítások t-próba szignifikancia index értékei
A t-próba összehasonlítások fafajokon belül 10 % alatti, fafajok között 40 % feletti szignifikancia értékeket eredményeztek.
4. Összefoglalás
A növényi sejtek faj specifikus anyagkészlete, valamint vegetációs időszakon belüli változása visszatükröződik az FT-IR spektrumokban is. Az alkalmazott spektrum-előkészítési stratégia kiküszöböli az FT-ATR-IR mérésnél jelentkező, a spektrumok determinisztikus információtartalmát elfedő, „rontó”
sztochasztikus jellegű hatásokat. A transzformált spektrumok F- és t-próba értékelései megerősítik a növényi lombozat IR fényelnyelésének vegetációs időszakon belüli determinisztikus változását, módosulásait. A fafajon belüli és fajok közötti szignifikancia index értékek jelentős eltérése lehetővé teszi a növényi lombozatok fajspecifikus behatárolását, ill. megkülönböztethetőségét. Az általunk javasolt értékelési stratégia a távérzékelés hiperspektrális felvételeinek feldolgozásába integrálható. A 10 % szignifikancia index tartományon belül a környezeti körülménynek lombozatra gyakorolt hatása monitorozható.
Köszönetnyilvánítás
A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017”
című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Szechenyi2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Hivatkozások
Buitrago M. F. (2018): Infrared spectroscopy of leaf traits: Detecting plant stress and identifying plant species, Ph D dissertation ITC 318, Universíty of Twente, p. 185.; ISBN: 978-90-365-4534-1; doi:
10.3990/1.9789036545341
Sváb János (1973): Biometriai módszerek a kutatásban, Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1973., p. 517.
III. RING – Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodás Tudományos Konferencia 2019. október 10-11. - Sopron, Hungary