昆明高校園林植被光合及光譜特性研究

陳云,王金亮,*,楊艷林,段平,李佳

1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,昆明 650500 2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500 3.云南省地理空間信息工程技術(shù)研究中心,昆明 650500

1 前言

光合作用是植物最重要的生理機(jī)能,也是生物賴以生存的基礎(chǔ),植物通過光合作用固碳釋氧,維持大氣碳-氧平衡;實(shí)現(xiàn)光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換,為人類提供能源;將無機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物,作為食物來源。目前,國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究,環(huán)境條件不同[1–3]和環(huán)境脅迫[4–7]會使植物生理特性產(chǎn)生差異。地物光譜特征是現(xiàn)代遙感技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一,它是選擇傳感器波段的依據(jù),也是分析各種遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。地物高光譜遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、植被監(jiān)測、礦物識別、土地覆蓋分類等領(lǐng)域[8],植物光譜反射信息可以反映出植物的營養(yǎng)狀況[9]和植物所處環(huán)境的變化[10],研究表明植物光譜特征與植物生理有著密切的關(guān)系,可用于估測植物葉綠素含量和水分含量,推斷植物光合能力,監(jiān)測植物生長狀況等[11]。園林植被在城市生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)效益,如美化環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、凈化空氣、吸塵降噪、提供休憩場所等,高校園林植物還承擔(dān)著科研教學(xué)、美觀欣賞、娛樂等功能。已有研究表明,城市園林植物具有較強(qiáng)的固碳釋氧能力[12–13],植物單位葉面積日固碳釋氧能力大小依次為:喬木>藤本>灌木[14]。雖然前人對植物光合和光譜進(jìn)行了大量研究,但對園林植物光合和光譜特性的綜合研究較少。云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)的植物類型豐富,基本涵蓋了昆明地區(qū)高校園林植物主要類型,以呈貢校區(qū)作為研究區(qū),對常見的10種高校園林植物的光合及光譜特性進(jìn)行研究,可為該地區(qū)高校園林植被的合理配置與園林生態(tài)動態(tài)監(jiān)測提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為云南師范大學(xué)呈貢校區(qū),位于昆明市呈貢區(qū),地處滇中高原東部,滇池東岸,東經(jīng)102°50￠52 ￠, 北緯 24 °51 ￠44 ￠, 平均海拔 1899 m。研究區(qū)屬于北亞熱帶低緯高原半濕潤季風(fēng)氣候,日照長,氣候溫和,四季如春,年均日照數(shù)2200小時,年平均溫度約15℃,年平均降水量約790 mm,干濕兩季分明,雨季5月至10月,降水量約占全年降水量的80%,氣溫日較差大,年較差小,全年無霜期長,約為280天,土壤類型為熟化旱作土壤[15]。滇中高原地帶性植被類型為北亞熱帶半濕潤常綠闊葉林[16],研究區(qū)內(nèi)植物種類豐富,有木本植物上百種,但多為外來樹種。

2.2 研究材料選取

測量實(shí)驗(yàn)于2017年1月進(jìn)行,選取了云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)校園內(nèi)部分常見常綠闊葉植物,共10種。其中,喬木7種,分別為滇潤楠(Machilus yunnanensis)、廣玉蘭(Magnolia grandiflora)、紅花木蓮(Manglietia insignis)、樂昌含笑(Michelia chapensis)、球花石楠(Photinia glomerata)、香樟(Cinnamomum camphoral)、枇杷(Eriobotrya japonica);灌木2種,分別為八角金盤(Fatsia japonica)、灑金葉珊瑚(Aucuba japonica),1種藤本植物為常春藤(Hedera jelix)。選取的每種植物樣本均為校園內(nèi)生長良好的健康植株,每種3株。

2.3 研究方法

2.3.1 光合作用參數(shù)測定

植物光合作用參數(shù)的測定包括三部分:光合作用速率日變化、光合-光強(qiáng)響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒鈪?shù),利用GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)(德國WALZ公司生產(chǎn))對其進(jìn)行測量。

(1)選擇光照條件較好的晴朗白天(8:00—17:00),對隨機(jī)選取的受光照較充分的健康成熟葉片進(jìn)行3次重復(fù)連體測量,以得到其光合作用日變化曲線。

(2)使用紅藍(lán)光源設(shè)定梯度光照強(qiáng)度進(jìn)行連體測量,測定植物凈光合作用速率,擬合光合-光響應(yīng)曲線。梯度光強(qiáng)依次設(shè)置為0、30、50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800 和 2000 μmol·m-2·s-1, 在測定時, 使植物適應(yīng)每一梯度光強(qiáng)3—5 min。

(3)使用GFS-3000熒光模塊對熒光參數(shù)進(jìn)行測量,時間均在21:00—22:00進(jìn)行,以便使植物充分進(jìn)行暗適應(yīng),數(shù)據(jù)記錄每次均間隔3—5 min,飽和脈沖光強(qiáng)為 2000 μmol·m-2·s-1。

2.3.2 光譜測定

利用美國SVC HR-1024i地物光譜儀,獲取植被反射光譜信息。測量均在晴朗少云天氣進(jìn)行,時間為11:00—15:00之間,每種植物選取3株,測量10—15條光譜。鑒于實(shí)驗(yàn)需求,僅選取350—1000 nm波段的光譜信息用于分析,在此波段內(nèi),光譜分辨率≤3.5 nm,最小采樣帶寬≤1.5 nm。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel、SPSS和SVC HR-1024i配套軟件對采集的光合和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,包括光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、回歸模型分析、相關(guān)性分析等,其中光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理包括白板反射率校正、平滑去噪、融合等過程,并通過計算得到各植被光譜反射指數(shù),其計算方法見表1:

3 結(jié)果與分析

3.1 植物光合作用日變化分析

10種植物氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔限制值(Ls)和凈光合速率(Pn)的日變化趨勢既有相關(guān)性,但又存在差異(圖1)。Gs日變化趨勢表現(xiàn)為先增加后降低,再增加或者降低。其中,廣玉蘭、滇潤楠、枇杷、八角金盤、灑金葉珊瑚和常春藤在上午9:00時達(dá)到最大值,紅花木蓮、樂昌含笑和香樟在上午11:00達(dá)到最大值,球花石楠在下午13:00達(dá)到最大。喬木在下午13:00時Gs普遍有較大幅度降低或開始下降,兩種灌木在9:00開始下降;常春藤在11:00達(dá)到一個低值,并在之后變化緩慢。滇潤楠、樂昌含笑、八角金盤出現(xiàn)明顯的“雙峰”變化趨勢,廣玉蘭、紅花木蓮、香樟、灑金葉珊瑚和常春藤有微弱的“雙峰”現(xiàn)象,球花石楠和枇杷則呈“單峰”變化趨勢。Gs值的變化主要可能是因?yàn)橥獠凯h(huán)境的改變,正午前后溫度升高,且昆明此時為干季,相對濕度較低,植物通過控制氣孔開閉以減少水分的耗散。Gs平均值以紅花木蓮最高,最低的為枇杷,除枇杷Gs值較低外,喬木Gs日均值均大于灌木和藤本。

表1 植物光譜反射指數(shù)及計算方法Tab.1 Spectralreflectance vegetation index and calculation method

Tr日變化趨勢與Gs大體一致,除枇杷外,喬木Tr值整體上大于灌木和藤本。大多在11:00—13:00時形成峰值,此后Gs減小,Tr也隨之減小。Gs變化會直接影響Tr值的變化,但存在Tr的降低與Gs的降低的時間與程度不一致,滇潤楠和紅花木蓮沒有出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象,并且喬木峰值主要出現(xiàn)在11:00—15:00之間,與Gs相比延后,可能是在正午前后,雖然氣孔開始關(guān)閉,但氣溫升高使得Tr仍然較大;灌木、藤本植物以及枇杷可能由于處于光強(qiáng)相對較弱的環(huán)境,Tr與Gs變化趨勢基本一致。10種植物Tr平均速率由高到低依次為樂昌含笑、紅花木蓮、滇潤楠、球花石楠、廣玉蘭、香樟、八角金盤、灑金葉珊瑚、常春藤和枇杷。

Ci值除常春藤在8:00—9:00有微弱增加外,8:00—11:00總體變化趨勢為下降,大多在11:00—13:00達(dá)到最低值。喬木中球花石楠則一直呈下降趨勢,最后在10種植物中最低,這可能與球花石楠Gs值在15:00后持續(xù)下降并處于較低值,但凈光合速率又維持在較高水平有關(guān);其他喬木下降之后則有小幅上升或呈小幅波動變化。相比喬木,11:00前兩種灌木和藤本植物Ci值下降幅度小,這可能與此時喬木的光合速率大有關(guān);11:00后,灌木呈現(xiàn)小幅波動狀態(tài),藤本植物常春藤則增加幅度較大。

由于大氣CO2濃度(Ca)基本上維持在一個較穩(wěn)定的水平,根據(jù)Ls的計算方法可得出,Ls的變化趨勢應(yīng)隨Ci的變化而成相反方向的變化。但是在實(shí)際測量過程測量時間的不同、外部環(huán)境(如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等)不同以及儀器自身的誤差等客觀原因,Ca值會發(fā)生變化。因此Ls值呈現(xiàn)出波動的狀態(tài),如除枇杷外,另外六種喬木在8:00—17:00的時間段整體上呈增加趨勢,但在9:00—15:00則有小幅波動;枇杷、常春藤和兩種灌木則在一天中出現(xiàn)較為明顯的波動。

10種植被Pn整體上喬木高于藤本植物,藤本植物略高于灌木。測量時段內(nèi),喬木除枇杷外,其他喬木Pn有明顯的增加,在11:00左右達(dá)到較高水平;在13:00時除球花石楠Pn達(dá)到最大外,其他喬木此時Pn出現(xiàn)明顯減低,出現(xiàn)明顯的“午休”特征。喬木Pn日最大值從大到小依次為:紅花木蓮>滇潤楠>香樟>樂昌含笑>球花石楠>廣玉蘭>枇杷,平均凈光合速率由大到小依次為:滇潤楠>紅花木蓮>樂昌含笑>香樟>球花石楠>廣玉蘭>枇杷。灌木和藤本植物屬于陰生植物,Pn較低,常春藤優(yōu)于其余兩種灌木,常春藤、八角金盤和灑金葉珊瑚在9:00—11:00由于光照增強(qiáng)溫度升高,光合速率下降。枇杷Tr、Gs和Pn日變化值顯著小于其他喬木,甚至低于灌木和藤本植物,并在9:00開始持續(xù)下降到較低水平,這可能與枇杷基本種植于建筑物墻下,且位于建筑物北面,光照不充分,生長情況較差有關(guān),經(jīng)過試驗(yàn),在對枇杷給定一個紅藍(lán)光源后,光合作用速率有明顯上升, 可以達(dá)到 8 μmol·m-2·s-1甚至更高, 因此枇杷種植的不合理布局而受光照不充分是導(dǎo)致其光合作用較低的主要原因。

植物光合速率下降原因有氣孔限制和非氣孔限制[22],可依據(jù)Ci和Ls的變化方向進(jìn)行判斷[23–24]。因此,在正午前后,喬木Pn值下降(枇杷在9:00開始出現(xiàn)下降),植物出現(xiàn)午休現(xiàn)象,此時都呈現(xiàn)Ci值下降而Ls增加,表明此時主要是受氣孔限制影響;而測量時段內(nèi),在傍晚時分,紅花木蓮Pn值出現(xiàn)第二次下降,但此時Ci濃度上升,Ls下降,表明此時主要受非氣孔因素限制,此時外部環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度等下降,使得凈光合作用速率下降。兩種灌木和藤本植物都在九點(diǎn)開始Pn值開始下降,但不同的是八角金盤屬于氣孔限制,而灑金葉珊瑚和常春藤則是受非氣孔因素影響。

3.2 植物光合-光響應(yīng)曲線分析

非直角雙曲線模型是目前擬合光合-光響應(yīng)曲線較普遍使用的模型[25],將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 22分析軟件中,進(jìn)行非線性分析,根據(jù)非直角雙曲線模型公式:

其中,Pn為凈光合速率,AQE為表觀量子效率,PAR為有效光合輻射,Amax為最大凈光合速率,Rday為暗呼吸速率,K為曲率。在設(shè)置AQE、Amax、Rday、K初始值后,運(yùn)行SPSS軟件進(jìn)行迭代運(yùn)算,即可得到模型模擬值[26]。得到的光合-光響應(yīng)曲線如圖2。

10種植Pn對光強(qiáng)的響應(yīng)趨勢基本一致,在有效光合輻射(PAR)處于較低水平(<200 μmol·m-2·s-1)時,植物Pn增長較快,說明在低PAR下植物利用光能的效率較高。隨著有效光合輻射的增加,凈光合速率增長幅度變緩。由于模型本身的特點(diǎn),光合光響應(yīng)曲線是一條趨近于極值的漸近線[27]。枇杷雖然生長在無陽光直射的環(huán)境下,但本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對光強(qiáng)的響應(yīng)是最顯著的,最大凈光合速率在所有植物中最大;藤本和灌木雖然為陰生植物,但仍然有較高的光合作用潛力。從光合-光響應(yīng)曲線可知,合理配置植物將可以獲得更高的環(huán)境效益。

結(jié)合在低光強(qiáng)(<200 μmol·m-2·s-1)部分的線性回歸分析,可得到相應(yīng)光合參數(shù)值(表2)。Rday最大的是的是紅花木蓮,最小的枇杷;光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)最大的是紅花木蓮,最小的是常春藤;光飽和點(diǎn)(LSP)最大的是廣玉蘭,最小的是常春藤;Amax最大的是廣玉蘭,最小值為灑金葉珊瑚;AQE表示植物利用弱光的能力,其值較大植物有常春藤、廣玉蘭、八角金盤和灑金葉珊瑚,高于另外六種喬木,表明它們對弱光環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力,AQE值最小為枇杷。Rday、LCP、LSP的值充分反映了陽生植物與陰生植物的生長特點(diǎn)。

3.3 植物葉綠素?zé)晒?/h3>

葉綠素?zé)晒獗环Q為是植物光合作用的探針,它能反映植物進(jìn)行光合作用的能力與效率,對植物光合作用研究具有重要作用[28]。初始熒光(F0)是PSⅡ反應(yīng)中心處于開放時的熒光值,可反映葉綠素的濃度;最大熒光(Fm)是PSⅡ反應(yīng)中心處于關(guān)閉時的熒光水平,反映了PSⅡ中電子傳遞狀況;最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)表示對光能的轉(zhuǎn)化效率,可以反映植物受脅迫條件的狀況[29];光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)指植物獲得的光量子通過光能耗散掉的能量,非光化學(xué)淬滅(NPQ)則表示以熱能耗散掉的能量[30]。幾種植物的熒光參數(shù)差異較大(表3),F0值較大的植物有灑金葉珊瑚、常春藤、球花石楠、枇杷,較小的有紅花木蓮、樂昌含笑;Fm值較大的為枇杷、灑金葉珊瑚、常春藤、八角金盤;對光能的轉(zhuǎn)換效率由高到低依次為:八角金盤、枇杷、樂昌含笑、灑金葉珊瑚、紅花木蓮、常春藤、香樟、球花石楠、滇潤楠和廣玉蘭,qP和NPQ值最低的均為枇杷,由于其所處環(huán)境能量獲取并不充足,因此以光和熱能耗散的能量相對較少。

圖1 Gs(a)、Tr(b)、Ci(c)、Ls(d)、Pn(e)日變化Fig.1 Diurnal changes in Gs(a),Tr(b),Ci(c),Ls(d)and Pn(e)

圖2 光合-光響應(yīng)曲線Fig.2 Photosynthesis-light response curve

表2 植物葉片光合參數(shù)Tab.2 Photosynthetic parameters of plant leaves

3.4 植物光譜與植被指數(shù)分析

10種植物的反射光譜曲線變化趨勢基本相同,但由于植物自身生理狀態(tài)如葉綠素含量、水分含量等不同,不同植物反射光譜存在差異(圖3)。10種植物在350 nm—700 nm波長范圍內(nèi)光譜反射率較低,但在550 nm—560 nm波長處出現(xiàn)反射率峰值,其值從大到小依次為:滇潤楠、灑金葉珊瑚、樂昌含笑、常春藤、廣玉蘭、球花石楠、八角金盤、香樟、紅花木蓮、枇杷;在波長670 nm—690 nm處出現(xiàn)明顯的光譜吸收谷,此時光譜反射率最小的是紅花木蓮,為0.0269,最大值枇杷為0.0568;在690 nm—750 nm波長,植物反射率增長較快,形成陡坡,在760 nm附近出現(xiàn)反射率峰值,760 nm—1000 nm波長間光譜反射率處于較高水平。

NDVI值由大到小依次為:紅花木蓮、香樟、廣玉蘭、樂昌含笑、滇潤楠、球花石楠、常春藤、八角金盤、枇杷、灑金葉珊瑚;葉綠素歸一化指數(shù)(chlNDI)和紅邊位置(λre)與植物葉綠素含量具有正相關(guān)關(guān)系,chlNDI值由大到小依次為:枇杷、紅花木蓮、球花石楠、灑金葉珊瑚、香樟、常春藤、八角金盤、廣玉蘭、樂昌含笑、滇潤楠;紅邊位置相差不大,總體在715 nm—724 nm之間;PSRI、WBI、PRI值整體上相差不大(表4)。

表3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)Tab.3 Chlorophyll fluorescence parameters

圖3 植物光譜反射曲線Fig.3 Spectral reflectance curve of plants

3.5 光譜特性與光合特性的關(guān)系分析

對植被指數(shù)和光合參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,得到Pearson 相關(guān)系數(shù)(表 5)。其中,NDVI、λre、PRI與Pn、Gs、Tr存在較顯著的相關(guān)關(guān)系,并且NDVI與Pn的相關(guān)性最高,達(dá)到了0.941,λre與Gs的相關(guān)性最低,相關(guān)性為0.666;chlNDI與Pn、Gs、Tr之間存在較低的相關(guān)關(guān)系;PSRI與Gs、Ci間存在較低的相關(guān)性,分別為0.592和0.514;WBI與光合參數(shù)之間表現(xiàn)出極低的相關(guān)性,最低的僅為0.295;植被指數(shù)與Ci之間均表現(xiàn)出較低或極低的相關(guān)性。由于不同植被間光合生理狀況存在差異,以及植被指數(shù)與光合參數(shù)較顯著的相關(guān)性,可以通過光譜特征實(shí)現(xiàn)對植物生長狀況的遠(yuǎn)距離監(jiān)測。

表4 植物光譜指數(shù)Tab.4 Spectral index of plants

4 結(jié)論與討論

利用GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)和SVC便攜式地物光譜儀對10種園林植物的光合及光譜特性進(jìn)行了測量,通過分析可以得出:

(1)影響植物光合作用能力的因素較為復(fù)雜,植物種類、生長階段、葉片年齡、健康狀況等內(nèi)部因素與光、CO2、水、溫度等環(huán)境條件都會對植物光合產(chǎn)生影響[3–4,8,28]。10種植物Pn值整體上喬木高于藤本植物,藤本植物略高于灌木,史紅文等[12]指出植物固碳釋氧能力與光合速率之間為正相關(guān)關(guān)系,因此本文所得結(jié)果與劉雪蓮等[14]對冬季昆明園林植物固碳釋氧能力喬木>藤本植物>灌木的研究結(jié)果一致,但Pn日變化趨勢存在差異,兩者在地域背景與時間上相似,結(jié)果出現(xiàn)不同可能是因?yàn)楸狙芯康臑⒔鹑~珊瑚和八角金盤生存環(huán)境不同,均生長在受光照不充足的建筑物下。該結(jié)果與陳月華等[13]人對長沙園林植物固碳釋氧能力研究認(rèn)為灌木>喬木的結(jié)論不同,可能是由于植物生長環(huán)境、研究對象種類與數(shù)量選取以及測量時間不同;但喬木冠幅及葉面積指數(shù)均較大,在固碳釋氧能力方面應(yīng)更占優(yōu)勢[12]。Pn、GS和Tr呈現(xiàn)單峰或雙峰的變化,而Ci值則呈現(xiàn)早晚較高,中午較低的變化趨勢,Pn、GS、Tr和Ci值日變化趨勢與尤揚(yáng)等[31]、邵璽文等[32]對含笑、黃芪光合特性的研究結(jié)果相似;Pn、GS、Tr和Ci之間變化的密切聯(lián)系與安鋒等[33]學(xué)者對8種木本植物生理生態(tài)研究結(jié)果一致。

表5 植物光譜指數(shù)與光合特性的關(guān)系Tab.5 Relationship between spectralindex and photosynthetic characteristics of plants

(2)植物光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)都是反映植物耐陰性與適應(yīng)不同光環(huán)境的指標(biāo)[34],在10種植物中,兩種灌木和常春藤均為陰生植物,其LCP較喬木低,說明其耐陰性較強(qiáng),與黃成林等[35]對五種攀援植物對光強(qiáng)響應(yīng)特點(diǎn)的研究結(jié)果相似;LSP的高低可說明植物利用高光強(qiáng)的能力強(qiáng)弱,10種植物中廣玉蘭LSP值最大,利用強(qiáng)光能力最強(qiáng),最弱的是常春藤。LCP較低與LSP較高認(rèn)為是對弱光環(huán)境的響應(yīng)與適應(yīng),枇杷相比其他喬木利用弱光的能力更強(qiáng)。AQE反映植物在弱光下的光合效率[26],對弱光的利用效率整體上灌木和藤本植物>喬木。

(3)葉綠素?zé)晒馐潜碚髦参锷砩鷳B(tài)狀態(tài)的重要指標(biāo),葉綠素?zé)晒鈪?shù)能反映植物生理的內(nèi)在特點(diǎn),Fv/Fm又稱內(nèi)稟光化學(xué)效率,植物光合速率大并不意味著光合效率高[34]。不同植物熒光參數(shù)存在較明顯差異。枇杷、八角金盤、灑金葉珊瑚、常春藤Fv/Fm值相比其他喬木大,光能轉(zhuǎn)化效率稍高,與其處于弱光的環(huán)境是相符的。qP和NPQ是能量耗散的兩種不同形式,也是自身的一種保護(hù)機(jī)制,其值越大,植物抗逆性越強(qiáng)[30]。Choi等[4]、He 等[5]、Jamil[6]等和盧廣超等[7]對不同脅迫條件下植物葉綠素?zé)晒獾淖兓M(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)對植物生長的監(jiān)測。

(4)10種植物的光譜反射率曲線特征和規(guī)律明顯,在550 nm—560 nm波段有明顯的小反射峰,在670 nm—690 nm波長之間則出現(xiàn)明顯的吸收谷,690 nm—750 nm植物光譜反射率曲線形成“陡坡”,760 nm處出現(xiàn)峰值,760 nm—1000 nm波長間光譜反射率處于較高水平,與Pe?uelas[36]等研究的結(jié)果一致。反射率變化主要是由植物葉片在可見光波段對綠光的反射和對紅藍(lán)光的吸收作用明顯以及葉片海綿組織在近紅外波段的強(qiáng)烈反射造成的;不同植物光譜曲線存在差異,是葉片表面特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生化成分濃度和分布差異的體現(xiàn)[36]。植物光譜指數(shù)與光合特性的相關(guān)性分析結(jié)果表明,NDVI、λre與Pn、Gs、Tr呈較顯著相關(guān),PSRI與Pn之間相關(guān)性較高,與Gs和Ci的相關(guān)性較低,與王娣等[37]對農(nóng)作物和園林植物的研究和王明奎[38]對油松的研究結(jié)果相一致。chlNDI、WBI與Pn、Gs、Tr、Ci之間表現(xiàn)出較低相關(guān)性,與王明奎的研究結(jié)果不同[38];PRI與Pn、Gs、Tr呈較顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與Ci相關(guān)性較低,與方曉雨等[39]對3種喬木研究得出蒙古櫟、紫椴PRI與Pn呈正相關(guān)關(guān)系,紅松PRI與Pn無明顯相關(guān)性的結(jié)論不同,表明不同植物生理特征存在差異,植物類型不同和植物葉片生理結(jié)構(gòu)差異都會影響植物對光譜反射的敏感程度。

目前已有相關(guān)研究利用光譜特征監(jiān)測植物生長狀態(tài),王迅等[9]通過提取特征波段建立光譜數(shù)據(jù)與鈣、磷、鉀、纖維和粗蛋白等營養(yǎng)成分的關(guān)系模型來分析高寒草地的營養(yǎng)狀況;方曉雨等[39]通過分析不同樹高光譜與光合特征的變化,建立光譜光譜指數(shù)PRI與光合作用之間的聯(lián)系,探討樹高對喬木生理狀態(tài)的影響;王娣等[37]通過選取最佳模型,建立基于光譜指數(shù)的Pn反演機(jī)制,并認(rèn)為紅邊指數(shù)與光合速率的關(guān)系更加緊密。植物光合作用能力是反映植物生長狀況和適應(yīng)逆境脅迫的重要指標(biāo),而植物在生長過程中的微小變化可以通過植物光譜特征表現(xiàn)出來[36]。研究結(jié)果表明NDVI、λre、PSRI和PRI與Pn、Gs、Tr都有較顯著的相關(guān)性,正相關(guān)表示光譜指數(shù)值越大,光合作用速率越大,生理活動活躍;負(fù)相關(guān)則表明該光譜指數(shù)值越大,光合速率越小,生理活動緩慢。通過構(gòu)建光譜指數(shù)與光合參數(shù)之間的最優(yōu)模型,可以估測植物光合作用的能力,監(jiān)測植物生長、生理和健康狀況。植物光譜指數(shù)與光合特性的密切聯(lián)系,以及現(xiàn)代精密儀器設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展,使得人們能夠進(jìn)行越來越精細(xì)的研究,也使得在植物生理研究中采用光譜分析技術(shù)成為可能。因此利用植物反射光譜特征監(jiān)測園林植物的生理特征是園林管理的一個可靠方法。

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