不同地下水埋深下胡楊葉片生理參數(shù)及光譜特征分析

張冬冬,溫云夢(mèng),王家強(qiáng),李福慶,蔡海輝,柳維揚(yáng)

(塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

胡楊(Populuseuphratica)是楊柳科楊屬的植物,作為荒漠河岸林中具有優(yōu)勢(shì)且較古老的樹(shù)種之一,主要分布在塔里木河流域和克里雅河下游的中段,與胡楊相比,灰胡楊對(duì)水分的需求更高,這大大限制了它的分布范圍,但其喜水喜光,雖是淺根系植物但有發(fā)達(dá)的側(cè)根形成水平根系網(wǎng)[1]。作為荒漠河岸生態(tài)系統(tǒng)中,唯一的建群?jiǎn)棠?由于其具有較強(qiáng)的耐干旱、耐鹽堿、防風(fēng)沙、固河道的能力,對(duì)荒漠綠洲過(guò)渡帶脆弱生態(tài)系統(tǒng)的平衡起到關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用[2]。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外有著許多的研究者研究地下水位對(duì)植被的影響,在植被的地下水位監(jiān)測(cè)、生理學(xué)參數(shù)、高光譜遙感方面做了大量的工作,為后來(lái)者提供了大量的經(jīng)驗(yàn)與依據(jù)。陳亞寧等[4]對(duì)塔里木下游因生態(tài)輸水影響,地下水位動(dòng)態(tài)變化對(duì)植被影響的研究,得出天然植被組成、分布與長(zhǎng)勢(shì)受地下水埋深影響有直接關(guān)系的結(jié)論；宋玉等[5]對(duì)荒漠胡楊的葉片含水率進(jìn)行高光譜反演研究,得出偏最小二乘回歸法建立的模型最優(yōu),反射率一階微分光譜與葉片含水率相關(guān)性更好；趙新風(fēng)等[6]以塔里木下游的8個(gè)綠洲防護(hù)林地為研究區(qū),針對(duì)水鹽分布和其與地下水的關(guān)系進(jìn)行研究,結(jié)果表明，林地土壤含水量高鹽分越高,1.5m土層含水量隨地下水位上升而增大；朱成剛等[7]通過(guò)塔里木河下游地下水埋深變化，對(duì)胡楊葉綠素含量熒光特性和水勢(shì)影響進(jìn)行研究,得出相對(duì)葉綠素含量隨地下水埋深增大而呈現(xiàn)普遍下降現(xiàn)象,且下降幅度隨地下水埋深增大而增加的結(jié)論。本文對(duì)荒漠河岸林植物胡楊在不同地下水埋深下的生理參數(shù)和反射光譜進(jìn)行分析,通過(guò)研究胡楊生理參數(shù)苯丙氨酸解氨酶(PAL)、丙二醛(MDA)、葉綠素與高光譜的關(guān)系來(lái)反映胡楊所處的地下水埋深范圍,旨在為干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和植被恢復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取新疆阿瓦提縣豐收三場(chǎng)胡楊林保護(hù)區(qū)和塔里木河干流源頭為研究區(qū),豐收三場(chǎng)胡楊林保護(hù)區(qū)地理位置介于40°15′53.72″～40°18′23.13″N和80°19′54.71″～80°24′13.10″E之間,位于塔里木河上游源流區(qū)葉爾羌河下游,降雨量少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,屬于干旱區(qū)典型的大陸性氣候。葉爾羌河水的3個(gè)來(lái)源:冰山融雪、山巖縫隙中流出的泉水、雨水,為人們的生活、農(nóng)田灌溉以及河岸兩側(cè)的其他動(dòng)植物生長(zhǎng)提供了良好的水資源條件。但是,由于全年水量的分布差別過(guò)大,造成了葉爾羌河的豐水期與枯水期兩種水期,豐水期一般為7—9月。

塔里木河干流源頭(簡(jiǎn)稱為塔河源)位于新疆阿拉爾市境內(nèi),處于阿克蘇河、和田河與葉爾羌河3條河的交匯處,坐標(biāo)為40°27′N,80°56′E,該區(qū)屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候,干旱少雨,在每年7—9月受洪水漫溢影響為豐水期。

本研究針對(duì)不同地下水埋深,設(shè)置5個(gè)埋深梯度(0～2 m,2～4 m,4～6 m,6～8 m,8～10 m),在研究區(qū)內(nèi)找到各個(gè)埋深梯度,每個(gè)梯度下隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)作為采樣點(diǎn),研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 胡楊光譜數(shù)據(jù)采集

光譜數(shù)據(jù)采集用美國(guó)ASD公司的(FieldSpec Hand-hand2)便攜式地物光譜儀測(cè)定胡楊葉片光譜反射率,該儀器波段范圍為325～1 075 nm,波長(zhǎng)精度為±1 nm,光譜分辨率為小于3.0nm@700nm(可以分辨波長(zhǎng)在700 nm附近的光,如果在700 nm左右有兩種光波長(zhǎng)差大于3 nm,就可以分辨出來(lái)),擁有25°的寬視場(chǎng)角,且內(nèi)置紅外激光器能夠選擇視野范圍。

野外光譜數(shù)據(jù)的采集選擇晴朗無(wú)云或少云天氣,且在太陽(yáng)光線比較強(qiáng)的時(shí)間段,測(cè)定日期為2020年9月6日至2020年9月7日。在測(cè)定光譜時(shí)儀器探頭需垂直向下,且與胡楊葉片保持10 cm距離,同時(shí)使紅外激光定位樣品中心。在測(cè)量時(shí)需要以黑色作為背景,測(cè)定樣品前必須進(jìn)行白板校正,白板要完全覆蓋視場(chǎng),為保證曲線的穩(wěn)定性每隔10min需進(jìn)行白板校正,若光強(qiáng)發(fā)生變化也需進(jìn)行白板校正。在每個(gè)采樣點(diǎn)范圍內(nèi)選擇3株樹(shù)作為3個(gè)樣本,每一個(gè)樣本從胡楊中部冠層處的枝條上隨機(jī)的采集葉片10個(gè),每一個(gè)葉片的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行3次重復(fù),將這10個(gè)葉片的光譜反射率求平均,作為一個(gè)樣品的樣品值。

野外采集光譜數(shù)據(jù)時(shí)，由于受外界因素影響,光譜曲線在波段325～350nm處和900～1 075nm處的波動(dòng)性大,不利于研究,故將該波段剔除。數(shù)據(jù)采集過(guò)程會(huì)產(chǎn)生誤差,因此，在數(shù)據(jù)分析之前，運(yùn)用The Unscrambler X 10.5.1軟件對(duì)胡楊光譜曲線采用卷積平滑法(Savitrky-Golay)進(jìn)行平滑去噪,平滑能夠減小隨機(jī)因素引起的誤差,有利于體現(xiàn)出植物葉片的光譜特征。

1.3 生理指標(biāo)測(cè)定

生理指標(biāo)苯丙氨酸解氨酶與丙二醛的測(cè)定,使用試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)測(cè)定:粗酶液提取,按照一定比例,經(jīng)過(guò)冰浴勻漿研磨、離心、靜置得到待測(cè)液。使用分光光度計(jì)在290nm波長(zhǎng)下進(jìn)行吸光度測(cè)定,根據(jù)下列公式計(jì)算得到苯丙氨酸解氨酶活性。

ΔA=A1-A2

(1)

PAL含量(U/gFW)=17.3×ΔA÷W

(2)

式中:A1表示樣品的吸光度值,A2表示對(duì)照的吸光度值,ΔA表示樣品和對(duì)照在290nm處的吸光度差值,W表示樣本質(zhì)量,單位為g。

丙二醛(MDA)測(cè)定:MDA的提取,按照一定比例,經(jīng)過(guò)冰浴勻漿研磨、離心得到待測(cè)液。使用分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)532nm和600nm下的吸光度值,根據(jù)下列公式計(jì)算出丙二醛含量。

ΔA=A532-A600

(3)

MDA含量(nmol/gFW)=25.8×ΔA÷W

(4)

式中:A532，A600分別表示1mL比色皿測(cè)定樣品在波長(zhǎng)532，600nm處的吸光度值,ΔA表示波長(zhǎng)532nm和600nm的吸光度差值,W表示樣本質(zhì)量,單位為g。

1.3.1葉綠素密度測(cè)定

樣品帶回室內(nèi)后用乙醇法測(cè)定色素含量,將剪碎的樣品95%的乙醇處理,浸提色素48h以上,使用可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)537,647,663nm處進(jìn)行吸光度測(cè)定。根據(jù)下列公式計(jì)算葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)的濃度。

Chla(μmol/ml)=0.01373A663-0.000897A537-

0.003046A647

(5)

Chlb(μmol/ml)=0.02405A647-0.004305A663

(6)

式中:A537，A663，A647分別表示使用1cm比色皿測(cè)定樣品浸提液在波長(zhǎng)537，663，647nm處的吸光度值。而葉綠素a和葉綠素b的分子量分別為893.5,907.5g/mol,再通過(guò)葉綠素分子質(zhì)量、葉片的含水率和比葉重計(jì)算出葉片單位葉面積的葉綠素含量(mg/cm2)。

1.3.2葉片含水率測(cè)定

葉片含水率的測(cè)定用烘干法,先將樣品稱量,經(jīng)過(guò)殺青烘干,待樣品至恒重,再次稱重,根據(jù)下列公式計(jì)算:

φ(%)=(W1-W2)/W1×100

(7)

式中:W1表示植物鮮重,W2表示植物干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel,The Unscrambler X 10.5.1和Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析研究。本研究對(duì)光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、對(duì)數(shù)和對(duì)數(shù)倒數(shù)4種數(shù)學(xué)變換,其根據(jù)下列公式計(jì)算。

(8)

(9)

Α=lg(R)

(10)

Β=1/A

(11)

式中:Ri為i波段原始反射率,Δλ為波長(zhǎng)λi+1與λi的距離,A為Ri的對(duì)數(shù)值,B為A的倒數(shù)值。

通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)光譜得到植物的三邊參數(shù),與原始光譜相比,三邊參數(shù)能夠更準(zhǔn)確的反映植被的光譜特性?！叭叀眳?shù)的定義[8]如表1所示。

表1 “三邊”參數(shù)定義

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水埋深下胡楊葉片生理指標(biāo)的變化特征

在干旱荒漠區(qū)降水稀少,由于地表徑流缺乏,植物的生命活動(dòng)對(duì)于地下水的需求更為突出,地下水位越深,植株生長(zhǎng)狀況越差,會(huì)直接影響植物的生理生態(tài)過(guò)程,因此植物的生理指標(biāo)葉綠素密度、MDA、PAL和葉片含水率會(huì)隨著地下水埋深的不同產(chǎn)生差異。

表2所示,隨著地下水埋深增大,葉片含水率與MDA含量的變化呈先下降后上升趨勢(shì),而葉綠素密度與PAL活性的變化則呈先上升后下降趨勢(shì)。胡楊葉片平均含水率在5個(gè)埋深下的差異較小,在4～6m處最低,為51.27%,在0～2m處含水率最高,達(dá)到65.03%；MDA含量的最高與最低處與含水率的一致,但是埋深4～6 m的MDA含量比埋深0～2 m處的低45.36%,而在埋深8～10m處MDA含量為1.412 90nmol/cm2FW,比埋深4～6m處增幅66.56%；葉綠素在埋深2～4m處的密度最大,為0.056 59mg/cm2,反而在埋深0～2m處密度最低,為0.035 22mg/cm2,從埋深0～2 m至2～4 m,葉綠素密度增幅了60.68%,隨埋深繼續(xù)增大,葉綠素密度逐漸下降,降幅大約為22.36%；通過(guò)表2可知,埋深0～2m處胡楊葉片的PAL活性最低,為1.169 25U/cm2FW,在埋深6～8m處活性達(dá)到做高4.183 01U/cm2FW,且其增幅與降幅均較大,從埋深0～2m至埋深6～8m,PAL活性增幅了257.75%,埋深8～10m處,活性突然下降了67.24%。由表3可知,葉綠素密度與其它指標(biāo)的相關(guān)性均較低(遠(yuǎn)小于0.5),則相關(guān)性較??；MDA含量與PAL活性達(dá)到顯著水平,但相關(guān)系數(shù)僅為-0.284 81,與含水率達(dá)到極顯著水平,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.605 59,相關(guān)性較強(qiáng)；PAL活性與含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.500 73,相關(guān)性也較強(qiáng)。

表2 不同埋深下胡楊的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 不同地下水埋深下胡楊生理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

由上述內(nèi)容可知,MDA含量與PAL活性大小均對(duì)地下水埋深較敏感,而葉綠素密度與葉片含水率高低受地下水埋深影響較小。水是植被進(jìn)行光合作用的主要原料之一,也是各種生理生化反應(yīng)的介質(zhì)或者溶劑,在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著不可或缺的作用。通過(guò)張麗等[9]對(duì)胡楊的研究可知,在干旱區(qū)適宜植物正常生長(zhǎng)的地下水埋深為2～4m,胡楊的最適埋深為2～3m,因此,埋深2～4m處即為胡楊生長(zhǎng)條件最好處。但隨埋深增大,含水率下降,由陳亞鵬等[10]和朱成剛等[7]的研究可知,地下水埋深越大,胡楊根部能夠吸收到的水分越少,會(huì)造成植物水分脅迫加劇[11],最終導(dǎo)致胡楊葉片含水率隨埋深增大而降低,但葉片含水率出現(xiàn)先降后升,且埋深8～10m處急劇上升的現(xiàn)象,原因是埋深8～10m處胡楊離河較近(圖1(b)),但由于附近農(nóng)田對(duì)地下水的利用過(guò)度,導(dǎo)致埋深平常處于較低水平,然而采樣期(9月)受到補(bǔ)給造成地下水位抬升,使得長(zhǎng)時(shí)間處于干旱脅迫下的胡楊得到緩解,葉片中的水分開(kāi)始迅速增加。埋深4～6m處地下水位變化幅度較小,因此,在干旱脅迫下葉片含水率保持在較低水平。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)在植物生長(zhǎng)發(fā)育、抗病蟲(chóng)害、構(gòu)成植物支撐系統(tǒng)等方面[12]與植物形成次生物質(zhì)過(guò)程中均起著重要作用,還能夠衡量植物的抗逆能力。植物在干旱[13-14]、低溫[13]、高溫[15]等逆境下,不僅會(huì)造成PAL活性上升,還會(huì)導(dǎo)致酚酸、類黃酮和木質(zhì)素等代謝產(chǎn)物大量積累。同時(shí),由表3可知,含水率與PAL活性呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.500 73,具有較強(qiáng)的相關(guān)性。表現(xiàn)出隨含水率的增大,PAL活性下降,且隨著干旱脅迫的加劇,PAL活性越高。

葉綠素作為植物光合作用的主要色素之一,不僅對(duì)植物光合起核心作用,還能夠作為重要的生理指標(biāo)衡量植物耐鹽性。由劉國(guó)華等[16]與郭楓等[17]的研究可知,干旱區(qū)地下水埋深較淺時(shí),土壤易產(chǎn)生劇烈的鹽堿化,導(dǎo)致植物體內(nèi)高濃度的鹽破壞了葉綠素的合成,造成葉綠素含量的下降。因此,在埋深0～2 m處葉綠素密度最低,原因可能是因?yàn)樗惶?蒸發(fā)強(qiáng)烈等因素導(dǎo)致該埋深下的鹽濃度過(guò)高,進(jìn)而對(duì)胡楊造成了鹽害。在埋深大于4m后,隨埋深增大葉綠素密度下降,逐漸趨近于平坦。

丙二醛(MDA)作為最終分解產(chǎn)物之一,是植物器官在衰老或逆境下發(fā)生的生理傷害,導(dǎo)致植物細(xì)胞發(fā)生膜脂過(guò)氧化,其含量高低能夠反映植物在逆境環(huán)境中受到傷害的程度。隨地下水埋深增大,植物體內(nèi)MDA含量也增大,是因?yàn)橹参锸艿降母珊得{迫加劇,造成體內(nèi)MDA含量的積累,這與莊麗等[18]的研究結(jié)果一致,嚴(yán)重的干旱脅迫又會(huì)造成MDA含量呈跳躍式增長(zhǎng)[19-22],所以在埋深大于4 m時(shí),隨著地下水埋深增大,胡楊MDA含量先緩慢上升后急劇上升。但在地下水埋深0～2m處,植物體內(nèi)MDA 含量卻達(dá)到最高,要稍高于干旱脅迫最重的8～10m處的胡楊MDA含量,通過(guò)前人的研究可知[23-25,17],這可能是因?yàn)樵诘叵滤裆钶^低時(shí),植物受到鹽分脅迫的影響,造成體內(nèi)MDA含量的增加。

上述情況說(shuō)明，在地下水埋深較淺時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生鹽害,進(jìn)而影響胡楊MDA含量和葉綠素密度,且其影響要超過(guò)干旱脅迫對(duì)植物的影響,而PAL活性隨葉片含水率的增大而減小。

2.2 不同地下水埋深下胡楊葉片的光譜特征分析

圖2為不同地下水埋深下的胡楊葉片反射光譜曲線及經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、對(duì)數(shù)和對(duì)數(shù)倒數(shù)變換的光譜曲線,圖中的胡楊光譜曲線在形態(tài)上相似,趨勢(shì)與“峰谷”分布符合綠色植物的典型光譜特征。

植物的光譜反射率在可見(jiàn)光波段由葉片色素決定,在近紅外波段受葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)決定,而短波紅外波段則受水分決定。運(yùn)用數(shù)學(xué)變換的方法處理植物光譜數(shù)據(jù),能在一定程度上放大植物光譜的細(xì)節(jié)信息,突出不同埋深下的胡楊光譜特征差異。綠色植被擁有的“峰谷”反射特征,圖2(a)中顯示在可見(jiàn)光波段(380～780nm)只有“一峰兩谷”,分別為550nm處的“綠峰”、480nm處的“藍(lán)谷”和680nm處的“紅谷”。由圖2(d)可看出,在不同埋深下,胡楊的“一峰兩谷”位置上的差異較小,但在反射率上存在顯著差異。由圖2(d)可知,在“藍(lán)谷”處,不同埋深下胡楊反射率大小順序?yàn)?4～6m>0～2m>6～8m>8～10m>2～4m；“綠峰”處,不同埋深下胡楊反射率大小順序?yàn)?4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,與“紅谷”處的差異一致。由圖2(a)可知,埋深4～6m的“紅谷”反射率為0.150 16,其它埋深的“紅谷”反射率都在15%以下,且都低于各自波段“藍(lán)谷”的反射率。在760～900nm是一個(gè)反射率高、相對(duì)平坦的區(qū)域,反射率在42%～57%之間,其中以埋深4～6m的反射率最高,在56%左右,其余幾個(gè)埋深都低于50%。不同埋深下的胡楊葉片光譜在紅邊與高反射平臺(tái)之間均有一個(gè)反射率較大的小峰,這可能是由于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響所引起的。通過(guò)“一峰兩谷”所表現(xiàn)出來(lái)的反射率差異,可以作為識(shí)別不同埋深的特征波段。因?yàn)橹脖凰憩F(xiàn)出來(lái)的特征受到環(huán)境的影響,為適應(yīng)各種不同的生境,其會(huì)產(chǎn)生一些變異,所以會(huì)導(dǎo)致其光譜反射率與典型綠色植物產(chǎn)生差異。

圖2 不同地下水埋深下胡楊原始光譜與數(shù)學(xué)變換后光譜

植被光譜特征主要體現(xiàn)在可見(jiàn)光-近紅外波段,由于光譜反射率數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)變換可以消除植被的背景干擾,放大細(xì)小的特征便于研究[26],因此,選取350～900nm對(duì)胡楊光譜反射率一階導(dǎo)數(shù)值進(jìn)行分析。利用一階求導(dǎo)后得到的三邊參數(shù)能定量對(duì)光譜進(jìn)行分析,比原始光譜更能準(zhǔn)確反映植被光譜特性。

不同地下水埋深的胡楊光譜位置參數(shù)如表4所示。紅邊能夠反映植被的生長(zhǎng)狀況,在植被長(zhǎng)勢(shì)較好時(shí)紅邊向長(zhǎng)波方向移動(dòng),稱為“紅移”,當(dāng)植物受到脅迫或衰老時(shí),紅邊向短波方向移動(dòng),稱為“藍(lán)移”。通過(guò)表4可知,不同埋深下胡楊的藍(lán)邊面積(SDb)與紅邊面積(SDr)大小均為:4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,但不同埋深下胡楊的藍(lán)邊面積(SDb)差異不明顯。不同埋深下胡楊的黃邊面積(SDy)大小為:2～4m>8～10m>6～8m>0～2m>4～6m,差異較小。胡楊藍(lán)邊位置WP-b波長(zhǎng)最大值為埋深6～8m處(527nm),剩下4個(gè)梯度下藍(lán)邊位置波長(zhǎng)差異較小,胡楊黃邊位置WP-y在不同埋深下差異較大,大小為4～6m>6～8m>8～10m>2～4m>0～2m,4～6m處的波長(zhǎng)為631nm,黃邊位置的最小波長(zhǎng)為596nm。0～2m埋深處的胡楊紅邊位置與其他埋深的胡楊紅邊位置差異較大,剩下4個(gè)梯度之間的紅邊位置差異不明顯,埋深0～2m時(shí)水位過(guò)高,導(dǎo)致胡楊可能受到鹽分脅迫,造成紅邊“藍(lán)移”。其他參數(shù)值對(duì)于不同埋深的胡楊較為穩(wěn)定。結(jié)果表明,不同埋深下的胡楊黃邊位置差異較大,能粗淺地區(qū)分胡楊處于不同埋深,要對(duì)不同埋深下的胡楊進(jìn)行比較準(zhǔn)確的區(qū)分,需要采取其他特征提取手段或光譜變換形式。

表4 不同地下水埋深的胡楊三邊參數(shù)特征

2.3 胡楊葉片光譜參數(shù)與生理指標(biāo)含量的相關(guān)分析

為確定胡楊葉片生理指標(biāo)含量隨地下水埋深的不同與光譜參數(shù)的相關(guān)性強(qiáng)弱,對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)及光譜位置參數(shù)數(shù)據(jù)與胡楊的生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖3顯示,原始光譜(a)與對(duì)數(shù)光譜(d)的相關(guān)系數(shù)曲線趨勢(shì)是一致的,而對(duì)數(shù)倒數(shù)光譜(e)是對(duì)數(shù)光譜數(shù)據(jù)經(jīng)倒數(shù)變換得到的,造成兩者的相關(guān)系數(shù)曲線是呈對(duì)稱的,因此,最后得出的結(jié)論是一致的。原始光譜與葉綠素密度的相關(guān)系數(shù)曲線在波長(zhǎng)350～400nm處變化幅度較大,不利于進(jìn)一步分析,在波段517～855nm內(nèi),相關(guān)系數(shù)曲線趨勢(shì)呈“W”型,在517～644nm和 687～855nm波段均有顯著性,而在531～593nm和692～754nm波段均達(dá)到極顯著水平,隨波長(zhǎng)增大,負(fù)相關(guān)系數(shù)均是先增大再減小,在556nm處,相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.433 88,至710nm,相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.636 55,為相關(guān)系數(shù)的最大值。原始光譜與PAL活性在416～900nm具有顯著性正相關(guān),在726～768nm之外的波段達(dá)到極顯著水平,在653nm處有相關(guān)系數(shù)最大值0.516 88；從429nm至900nm,原始光譜與葉片含水率均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān),在波長(zhǎng)645nm處達(dá)到負(fù)相關(guān)的最大值,相關(guān)系數(shù)為-0.605 30,總體變化幅度較??；在350～900nm波段,一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)光譜與生理指標(biāo)含量之間的相關(guān)系數(shù)均呈現(xiàn)強(qiáng)烈正負(fù)交替變換,且有大量光譜數(shù)據(jù)與生理指標(biāo)含量的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平。4個(gè)生理指標(biāo)中相關(guān)系數(shù)最大值為-0.636 55,是葉綠素密度與光譜紅邊710nm處的相關(guān)性程度,說(shuō)明葉綠素密度與紅邊處的相關(guān)關(guān)系更強(qiáng)。

圖3 光譜數(shù)據(jù)與胡楊生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)曲線

將胡楊葉片的葉綠素密度、MDA含量、PAL活性、葉片含水率與光譜特征進(jìn)行相關(guān)性分析,得到表5生理參數(shù)與光譜變量的相關(guān)系數(shù)。由表5能夠看出:葉綠素密度與黃邊幅值、紅邊面積相關(guān)性達(dá)到顯著水平,而與藍(lán)邊幅值、藍(lán)邊面積、黃邊面積、紅遍位置、綠峰幅值與綠峰位置的相關(guān)性均達(dá)到極顯水平,其中相關(guān)系數(shù)最大的是藍(lán)邊面積,與葉綠素密度成負(fù)相關(guān)(r為-0.547)。MDA與紅谷位置相關(guān)性達(dá)到顯著(r為-0.313),與黃邊幅值相關(guān)性達(dá)到極顯著(r為-0.449)。PAL與綠峰幅值、紅谷幅值相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平,其中相關(guān)系數(shù)最大的為紅谷幅值,與PAL成正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r為0.503)。含水率與藍(lán)邊幅值相關(guān)性達(dá)到顯著水平,與藍(lán)邊面積、黃邊幅值、綠峰幅值、紅谷幅值和紅谷位置相關(guān)性均達(dá)到極顯著,其中相關(guān)系數(shù)最大的為紅谷幅值,與含水率成負(fù)相關(guān)(r為-0.577)。由上述可知,葉綠素密度與藍(lán)邊面積的相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.547,與紅邊位置(r為0.544)的相關(guān)系數(shù)大小較接近,MDA含量與黃邊幅值達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān),但與三邊參數(shù)最大相關(guān)系數(shù)r僅達(dá)到-0.449,PAL活性、葉片含水率與三邊參數(shù)的最大相關(guān)系數(shù)均在紅谷幅值處,分別為0.503,-0.577,而紅谷幅值與葉片含水率的相關(guān)系數(shù)整體上最大。

表5 胡楊生理參數(shù)與光譜變量的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

胡楊葉片的可見(jiàn)光—近紅外反射光譜符合綠色植物的光譜曲線特征,本文根據(jù)干旱區(qū)植物胡楊在不同地下水埋深下的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)和生理指標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)其生理指標(biāo)含量及光譜特征進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1)隨著地下水埋深增大,葉片含水率與MDA含量的變化呈先下降后上升趨勢(shì),而葉綠素密度與PAL活性的變化則呈先上升后下降趨勢(shì)；而在地下水埋深較低時(shí),植物可能受鹽分脅迫,且其對(duì)于植物的影響大于干旱脅迫影響,導(dǎo)致葉綠素密度與MDA含量在埋深0～2m處影響要超過(guò)8～10m處；MDA含量與PAL活性大小均對(duì)地下水埋深較敏感,而葉綠素密度與葉片含水率高低受地下水埋深影響較?。蝗~片含水率在5個(gè)埋深梯度下的差異較小。

2)在350～900nm波段,胡楊具有“一峰兩谷”的特征,在“藍(lán)谷”處,不同埋深下胡楊反射率大小順序:4～6m>0～2m>6～8m>8～10m>2～4m；“綠峰”處,不同埋深下胡楊反射率大小順序?yàn)?4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,與“紅谷”處的差異一致。

3)原始光譜、對(duì)數(shù)光譜和對(duì)數(shù)倒數(shù)光譜對(duì)生理指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)論一致,波長(zhǎng)429nm之后,原始光譜與葉片含水率均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān),在波長(zhǎng)645nm處達(dá)到負(fù)相關(guān)的最大值(r為-0.605 30),總體變化幅度較??；但葉綠素密度與光譜在紅邊710nm處有相關(guān)系數(shù)最大值(r為-0.636 55)。

4)分析胡楊光譜的“三邊”特征,不同地下水埋深下的黃邊位置差異較大,能夠粗略的估計(jì)胡楊的埋水深度,與葉片含水率、PAL活性、MDA含量、葉綠素密度進(jìn)行相關(guān)分析,得到含水率與紅谷幅值達(dá)到極顯著水平,相關(guān)系數(shù)(r為-0.577)最大。