模擬氮沉降下杜仲幼苗的光譜響應(yīng)

哀建國，杜江麗，金松恒，宋新章

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 天目學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

模擬氮沉降下杜仲幼苗的光譜響應(yīng)

哀建國1，杜江麗2，金松恒1，宋新章2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 天目學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

設(shè)置對(duì)照（0 kg·hm－2·a－1）、低氮（30 kg·hm－2·a－1）、中氮（60 kg·hm－2·a－1）3組模擬大棚試驗(yàn)，研究了杜仲（Eucommia ulmoides）幼苗在不同氮沉降處理下的光譜響應(yīng)特征。結(jié)果表明：杜仲幼苗在低氮處理下長勢(shì)良好，其光譜反射率總體處于最低水平，紅邊位置出現(xiàn)“紅移”趨勢(shì)，中氮使得杜仲葉片在可見光及近紅外波段的反射率普遍升高，并發(fā)生“藍(lán)移”現(xiàn)象，杜仲生長受到抑制，后期抑制則逐漸消除；氮沉降處理間的差異顯著性光譜區(qū)域隨著時(shí)間的推移逐漸增多，到10月植物生長后期差異顯著性開始降低；反高斯模型參數(shù)Rs、R0、λ0、λp和σ可作為反映杜仲受氮沉降影響整體水平的指標(biāo)，其中 R0最為顯著；與兩個(gè)歸一化植被指數(shù) NDVI和gNDVI相比，比值植被指數(shù)RVI700和RVI550表現(xiàn)出更為有效的指示脅迫作用。

杜仲；模擬氮沉降；光譜反射率；紅邊

近幾十年來，農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)的密集化，例如礦物燃料的燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用及畜牧業(yè)等人類活動(dòng)向大氣中排放了大量的含氮化合物[1]。目前中國南方已經(jīng)出現(xiàn)了大面積的氮沉降危害區(qū)，而我國也已成為繼歐、美之后的第三大氮沉降集中區(qū)[1～2]。現(xiàn)有研究表明，氮沉降會(huì)對(duì)植物生產(chǎn)力[3～4]、光合生理[5]、營養(yǎng)元素含量[6]等產(chǎn)生影響，但以上研究多以農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物和部分森林樹種或整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)藥用植物特別是木本藥用植物則研究較少。

杜仲（Eucommia ulmoides）為杜仲科（Eucommiaceae）杜仲屬（Eucommia）多年生落葉喬木，為我國特有珍貴中藥材和工業(yè)提膠原料樹種。杜仲在國內(nèi)栽培區(qū)域大致位于華東、華中和西南暖溫帶氣候區(qū)內(nèi)[7]，其分布區(qū)大體上和長江流域相吻合，而此區(qū)域亦是我國氮沉降分布最集中地區(qū)。

目前，高光譜遙感由于具有很高的光譜分辨率，能夠提供更為豐富的地物信息，已被廣泛用于監(jiān)測(cè)和研究環(huán)境變化引起的植物功能的變化。當(dāng)植物處于病蟲害、干旱、營養(yǎng)不良以及各類大氣污染物，諸如氮沉降、臭氧、重金屬等環(huán)境脅迫時(shí)，植物葉片的一些生理特性會(huì)隨環(huán)境因子的脅迫而發(fā)生改變，進(jìn)而將引起葉片光譜曲線形態(tài)的變化，因此可以利用遙感數(shù)據(jù)（光譜反射率）來獲取植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)信息[8～9]。本文利用高光譜遙感技術(shù)研究模擬氮沉降對(duì)杜仲幼苗葉片反射光譜的影響，以期為實(shí)現(xiàn)浙江高氮沉降區(qū)杜仲的光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省臨安市浙江農(nóng)林大學(xué)天目學(xué)院實(shí)驗(yàn)大棚，該地區(qū)年平均氣溫 15.8℃，7月為最熱月，歷年平均為28.1℃。年降水量1 426 mm，6月雨量最多，12月最少，屬中緯度北亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地處于近自然狀態(tài)，沒有人為經(jīng)營干擾。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2010年4月初選取81株生長健壯、高度相近的一年生杜仲實(shí)生苗，移栽到高20 cm，內(nèi)徑18 cm的塑料花盆中，栽培土壤由黃紅壤和肥料土按7：1的比例混合而成，并置于實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)共設(shè)9個(gè)樣方，每個(gè)樣方面積為1 m×1m，均勻放置9盆杜仲幼苗，樣方間距為0.5 m。實(shí)驗(yàn)分為對(duì)照（ck：0 kg·hm－2·a－1）、低氮（LN：30 kg·hm－2·a－1）、中氮（MN：60 kg·hm－2·a－1）3個(gè)處理組，9株為一重復(fù)，每個(gè)處理分別有3個(gè)重復(fù)。當(dāng)受試杜仲苗過了緩苗期后，分別將每個(gè)處理所需的NH4NO3溶解在50 mL水中（相當(dāng)于浙江省年新增降水0.6 mm），自2013年5月開始，在杜仲苗生長發(fā)育期內(nèi)（5－10月），每月一次定期用噴霧器均勻噴灑受試杜仲苗。對(duì)照組則噴灑等量自來水。之后對(duì)苗木進(jìn)行常規(guī)栽培管理。氮沉降處理后每隔25 d測(cè)定反射光譜。

2.2 反射光譜數(shù)據(jù)的采集

葉片光譜反射率采用美國Unispec-SC型單通道光纖光譜儀（波段范圍：310 ～ 1 100 nm；光譜分辨率：3 nm；采樣間隔：1 nm）進(jìn)行采集。光譜反射率的采集選擇在晴朗無云或少云的天氣進(jìn)行，采集時(shí)間為10:00－14:00（太陽高度角大于45°）。實(shí)驗(yàn)時(shí)從每個(gè)樣方中隨機(jī)選取3株杜仲苗，在每株的中上部隨機(jī)選取光照充分、葉色均勻無病斑的成熟葉片6片，每葉1個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。每次測(cè)量前需用標(biāo)準(zhǔn)白板校對(duì)調(diào)零。采集得的葉片光譜反射率數(shù)據(jù)先用Multispec5.1導(dǎo)出，利用Excel進(jìn)行初步處理并運(yùn)算，最后再用Origin 8.0進(jìn)行整理分析并作圖。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 光譜反射率 對(duì)18組原始光譜反射率數(shù)據(jù)求平均值得到平均光譜反射率，并對(duì)受試杜仲苗在低氮和中氮處理下400 ～ 800nm的平均光譜反射率做差，進(jìn)行差異顯著性分析。

2.3.2 植被指數(shù) 本實(shí)驗(yàn)中，選取了4個(gè)常用的植被指數(shù)（表 1）分析其在不同氮沉降水平的模擬實(shí)驗(yàn)作用下對(duì)受試杜仲樣本葉的區(qū)分度。其中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）是應(yīng)用最為廣泛的一種植被指數(shù)，常被用于植物脅迫的檢驗(yàn)[10]。在后續(xù)計(jì)算中，一律采用760 ～ 900 nm和630 ～ 690 nm所在波段范圍內(nèi)光譜反射率的平均值來表示NDVI 算式中的近紅外和紅光波段的值。

表1 植被指數(shù)Table 1 Vegetation index

2.3.3 反高斯模型 反高斯模型（inverted-Gaussian，IG）由Bonham-Carter于1988年首次提取，能夠模擬植被在670 ～ 780 nm范圍內(nèi)的光譜反射率曲線，用于定量分析植被的紅邊特性，其表達(dá)式為：

式中，R0為紅光區(qū)光譜反射率最小值，Rs為近紅外區(qū)域最大光譜反射率值；λp為紅邊波長位置（REP），λ0為紅光區(qū)光譜反射率最小值所對(duì)應(yīng)的波長；σ為高斯方程偏差參數(shù)，單位為nm，也等于λp－λ0。

本實(shí)驗(yàn)中，R0和Rs分別選定為波長670 ～ 685 nm和780 ～ 795 nm范圍的光譜反射率平均值，并利用最小二乘法來估算685 ～ 780 nm波段內(nèi)另外兩個(gè)參數(shù)λ0和σ[14]：

利用參數(shù)R0和Rs在B（λ）和λ間通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，并對(duì)紅邊參數(shù)模型的未知系數(shù)α0和α1進(jìn)行估算，則IG模型的參數(shù)λ0和σ分別為：

3 結(jié)果與分析

3.1 氮沉降對(duì)杜仲葉片光譜反射率的影響

圖1 模擬氮沉降處理對(duì)杜仲平均光譜反射率的影響Figure 1 Mean spectral reflectance of seedlings under different nitrogen deposition

反射率曲線是宏觀上觀察植物受脅迫狀態(tài)的最佳指標(biāo)，反射率越高，則表明植物吸收的光越少，受脅迫越大。圖1為受試杜仲苗在5個(gè)月實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中不同氮沉降處理下的平均光譜反射率比較。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組葉片的原始反射光譜變化趨勢(shì)是一致的，都具有450 nm和650 nm處兩個(gè)明顯的吸收谷、550 nm處綠光反射峰、680 ～740 nm反射率急劇增高的紅邊區(qū)以及780 ～ 1 100 nm的近紅外高原平臺(tái)，但在不同處理間差異顯著。實(shí)驗(yàn)初期和中期，在可見光范圍內(nèi)（400 ～ 700 nm），中氮組杜仲葉片平均光譜反射率最高，低氮組最低，說明中氮處理對(duì)受試杜仲苗造成了一定的脅迫，而低氮處理則起到了“施肥效應(yīng)”。后期，低氮和中氮實(shí)驗(yàn)組兩條光譜反射曲線幾乎重合，其平均光譜反射率都低于對(duì)照組，這種變化可能是杜仲苗對(duì)中濃度的氮沉降脅迫產(chǎn)生了一定耐受性的緣故。

3.2 低氮和中氮處理的差異顯著性分析

從圖1可知，中氮（MN）組的杜仲葉片光譜反射率在實(shí)驗(yàn)前期和中期都要高于低氮（NM）處理。為了進(jìn)一步說明受試杜仲苗對(duì)兩種濃度模擬氮沉降的響應(yīng)程度，計(jì)算二者平均光譜反射率間的差值（LN-MN），并通過Excel分析其差異大小，用Origin 8.0作圖比較，結(jié)果如圖2。

圖2 低氮和中氮處理下杜仲葉片的平均光譜反射率差值（LN-MN）Figure 2 Difference of mean spectral reflectance of seedlings between LM and MN treatment

由圖2可以看出，在550 nm為中心的綠光反射區(qū)、700 nm附近的紅邊以及近紅外部分，低氮和中氮處理的平均光譜反射率間差異比較顯著。此外，5－9月，在可見光部分低氮處理的光譜反射率幾乎都低于中氮處理，并且隨著時(shí)間的推移差值逐漸增大，到2013年9月差值達(dá)到最大。這種差值的差異顯著性（黑色部分）與差值大小變化基本一致，即差異顯著性的光譜區(qū)間隨著時(shí)間的推移也在逐漸增多，到10月份植物生長后期開始降低。上述結(jié)果表明，在杜仲生長的初期和中期，中氮處理使杜仲生長受到了一定程度的脅迫，而低氮處理長勢(shì)良好，差異顯著；后期，兩種處理間的差異不顯著。

3.3 模擬氮沉降處理對(duì)杜仲植被指數(shù)的比較

對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間杜仲的光譜反射率平均值進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表2。由表2可知，兩種濃度模擬氮沉降處理下的杜仲植被指數(shù)變化特征基本一致，各個(gè)指數(shù)LN處理的值基本上都高于MN和ck的值，表明在低氮處理下受試杜仲苗生長狀態(tài)更佳，中氮處理則在一定程度上抑制了杜仲幼苗的生長。進(jìn)一步分析比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的RVI700和RVI550差值比gNDVI和NDVI的差值更大，說明利用特定波長位置上的光譜反射率所構(gòu)建的植被指數(shù)，對(duì)有效區(qū)分不同氮沉降處理水平下的杜仲樣本更加有效。

3.4 模擬氮沉降對(duì)杜仲反高斯模型紅邊參數(shù)的影響

近年來隨著高光譜遙感的興起而發(fā)展起來的光譜數(shù)據(jù)分析技術(shù)中，植被“紅邊”位移現(xiàn)象是研究最多、成效最顯著的成果之一?！凹t邊”是綠色植物在紅光范圍（680 ～ 750 nm）之間反射率增高最快的點(diǎn)，即紅光范圍內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的光譜位置。

表2 不同處理時(shí)間的杜仲植被指數(shù)Table 2 Vegetation index of seedlings at different time

本實(shí)驗(yàn)中，利用反高斯（IG） 模型來模擬 杜仲在氮沉降處理下的光譜反射 率的紅邊位置曲線，并對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行定量分析，進(jìn)而篩選出相對(duì)明顯的參數(shù)作為反應(yīng)氮沉降脅迫的指標(biāo)。IG模型中共有5個(gè)參數(shù)，分別為Rs、R0、λ0、λp和σ0，經(jīng)計(jì)算，5個(gè)參數(shù)同處理水平間具有較好的相關(guān)性，結(jié)果如圖3。

Rs是近紅外區(qū)域肩反射率值，結(jié)果顯示，低氮組Rs值總體上最大（7月和10月除外），表明低氮處理會(huì)降低杜仲在近紅外區(qū)域肩吸收強(qiáng)度，中氮和對(duì)照組則無明顯規(guī)律，不同處理的Rs值總體上差異不明顯。R0值位于葉綠素a的吸收峰值區(qū)，其值受葉綠素含量的影響。前期和中期，3組氮沉降處理的R0值呈LN ＞ ck ＞ MN，后期則對(duì)照組最大。說明在杜仲生長季低濃度的氮沉降有助于葉片中葉綠素的形成，這也能解釋實(shí)驗(yàn)中低氮處理下的杜仲葉片在多數(shù)情況下比對(duì)照組高的現(xiàn)象。

圖3 氮沉降處理下反高斯模型參數(shù)比較Figure 3 Comparison of IG model parameters under different nitrogen deposition treatments（mean±SE）

λ0和λp分別指的是紅光區(qū)域葉綠素吸收谷和紅邊所對(duì)應(yīng)的波長位置，二者間的關(guān)系為：λp= λ0+σ0中期，低氮組的λ0值相對(duì)較大，中氮組和對(duì)照組差異不顯著，初期和后期則無明顯規(guī)律。5－8月，低氮組的λp值要高于對(duì)照和中氮組，中氮最低，表明低氮處理會(huì)使杜仲產(chǎn)生“紅移”，促進(jìn)了杜仲生長，而中氮處理在這一時(shí)期則產(chǎn)生了一定的抑制作用。此外，6－8月，中氮組杜仲紅邊位置發(fā)生了“藍(lán)移”，后期又逐漸向長波方向移動(dòng)，推測(cè)可能因?yàn)樵缙谥袧舛鹊牡两狄种屏硕胖偕L，但在時(shí)間足夠長的情況下，杜仲會(huì)對(duì)逆境脅迫表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性和承受力。隨著杜仲葉片長大，葉面積指數(shù)增大，同時(shí)葉綠素含量增多，中濃度的氮沉降所造成的脅迫在一定程度上就會(huì)被減弱甚至消除。σ是反高斯模型的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，對(duì)應(yīng)紅光吸收谷的寬度，其值受λ0和λp影響，無明顯規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

（1）研究結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，杜仲幼苗在低氮處理下長勢(shì)良好，其光譜反射率總體處于最低水平，表明低濃度的氮沉降促進(jìn)了杜仲生長，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間都起到了一定的“施肥效應(yīng)”；中濃度的氮沉降使得杜仲葉片在可見光及近紅外波段的反射率普遍升高，杜仲生長受到抑制，這種抑制作用在后期逐漸消除，且與低氮組的光譜反射曲線幾乎重合。氮沉降處理間的差異顯著，但到10月植物生長后期開始降低。

（2）與NDVI和gNDVI相比，植被指數(shù)RVI700和RVI550表現(xiàn)出更為有效的指示脅迫作用。本次研究中考慮到利用特定波長位置上的光譜反射率所構(gòu)建的植被指數(shù)，對(duì)有效區(qū)分不同氮沉降處理水平下的杜仲樣本比較寬波長范圍的傳統(tǒng)植被指數(shù)NDVI更加有效，因此，可以考慮用RVI700等特定波長位置上有顯著指示作用的指數(shù)代替NDVI指數(shù)作為杜仲受氮沉降脅迫的指標(biāo)。

（3）反高斯模型參數(shù)Rs、R0、λ0、λp和σ在6個(gè)時(shí)期均可作為反映杜仲受氮沉降脅迫整體水平的指標(biāo)，其中參數(shù) R0最為顯著。在杜仲生長季，低氮組杜仲的R0最低，表明在該時(shí)期低濃度的氮沉降有助于葉片中葉綠素的形成，這也能解釋實(shí)驗(yàn)中低氮處理下的杜仲葉片在多數(shù)情況下比對(duì)照組高的現(xiàn)象。

（4）在實(shí)驗(yàn)初期和中期，與對(duì)照組相比，低氮組杜仲光譜反射率紅邊位置總體上呈“紅移”趨勢(shì)，中氮組則發(fā)生了“藍(lán)移”，并且表現(xiàn)出時(shí)間上的累積性，反映出低氮處理對(duì)杜仲生長的促進(jìn)和中氮處理的脅迫。但在后期，中氮組也發(fā)生了“紅移”現(xiàn)象，分析可能是因?yàn)槎胖僭谏L后期表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)性。

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Spectral Response of Eucommia ulmoides Seedlings to Simulated Nitrogen Deposition

AI Jian-guo1，DU Jiang-li2，JIN Song-heng1，SONG Xin-zhang2
（1.Tianmu College of Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2.School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A & F University，Lin’an 311300, China）

Experiments were conducted on spectral response characteristics of Eucommia ulmoides seedlings under different simulated nitrogen deposition like control (CK: 0 kg/ha·a－1), low nitrogen (LN: 30 kg/ha·a－1), medium nitrogen (MN: 60 kg/ha·a－1).The result showed that the seedlings grew well under low nitrogen treatment, with the lowest spectral reflectance, and the red edge position presented a trend of “red shift”.While the spectral reflectance in visible light and near infrared band of seedlings under medium nitrogen deposition was generally higher, and the“blue shift” phenomenon occurred, consequently, the growth of seedlings was restrained but grew well later.The spectral regions of significant difference among different treatments increased with time, while in October, differences reduced.The inverted-Gaussian model parameters such as Rs, R0, λ0, λpand σ could be indicators of spectral response of seedlings under simulated nitrogen deposition, among which, R0 performed the best.Compared with NDVI and gNDVI, RVI700and RVI550could better indicate stress of nitrogen.

Eucornmia ulmoides; simulated nitrogen deposition; spectral reflectance; red edge

S718.43

A

1001-3776（2014）06-0072-06

2014-04-25；

2014-09-20

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Y3110393）

哀建國（1968－），男，浙江海寧人，副教授，博士，從事植被生態(tài)學(xué)與植物資源開發(fā)利用研究。