塔里木河流域上游天然胡楊葉片葉綠素與可見光－近紅外光譜反射率的相關性研究

許 丹 伍維模，2* 王家強 李志軍，2 武建林

(1 塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾843300)(2 新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護與利用重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

胡楊(Populus euphratica)是楊柳科(Salicaceae)楊屬落葉喬木，典型的潛水旱中生至中生植物，為我國首批確定的388 種珍稀瀕危植物中的漸危種，是新疆維吾爾自治區人民政府列為優先保護的瀕危物種之一［1－2］。胡楊對荒漠生境具有高度的適應性，是重要的荒漠河岸林樹種，是研究古植物學和植物對氣候變化響應的極有價值的材料，也是改良楊柳科其他樹種的優良抗逆基因資源。全世界60%的胡楊天然林集中分布在中國，而中國91.1%胡楊林集中分布在新疆塔里木河流域［1］。胡楊在維持荒漠區生態平衡和南疆區域經濟發展中起著舉足輕重的作用［3］，它具有重要的生物學與生態學保護利用價值。

葉綠素是廣泛存在于綠色植物中的最主要色素，是光合作用的捕光物質，在光合作用中發揮著重要的生理功能［4］。森林冠層葉綠素含量直接控制著森林能量和物質循環，直接反映著森林的健康和脅迫情況［5］。植物在受到病蟲害威脅或外界環境脅迫時，葉片葉綠素含量、光合作用等會發生變化。葉綠素含量的變化提供了植物與環境關系的重要信息［6］。利用植物的光譜反射率與葉綠素含量間的相關性可以進行葉綠素含量的估測［7，8］，這種非破壞性、可重復地在一定空間尺度上連續地監測葉綠素的技術與傳統的化學分析方法相比較，具有快速、動態和實時的優點，已經在植物葉綠素的動態監測上得到了廣泛地應用［9－11］。如黑麥草冠層葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 與紅邊位置之間均存在顯著相關性［11］。石韌等(2008)測定了健康落葉松與遭受病害落葉松的冠層光譜反射率，根據光譜反射率與落葉松冠層光合色素含量的相關性，建立了診斷落葉松健康狀況的遙感方法［12］。

當前，對塔里木河天然胡楊葉片葉綠素含量及其與光譜反射率關系的研究并不多。雖然，王海珍和韓路(2008)測定了阿瓦提縣天然胡楊葉片的葉綠素含量［13］，但其結果僅有7月份的，缺乏對胡楊整個生長季節葉綠素含量的變化的研究。袁月等(2009)也僅測定了艾比湖天然保護區胡楊5月份的葉綠素含量［14］。從2000年開始實施塔里木河下游應急輸水工程以后，較多的研究人員關注塔里木河下游胡楊葉綠素與土壤水分和應急輸水后的響應。在塔里木河下游輸水河道，距離河道越遠(從100 米至500 米)或者隨著地下水埋深的加深，水分脅迫程度逐漸加重，胡楊葉片葉綠素含量也越低［15－18］。

雖然遙感技術已經在植物葉綠素的動態監測上得到了廣泛的應用，但是，關于塔里木河流域上游胡楊葉片的光譜反射率與葉綠素含量之關系的基礎研究還十分地缺乏。因此，本研究的目的是通過實地測量塔里木河上游天然胡楊葉片的葉綠素含量和可見光－近紅外光譜反射率，分析葉綠素含量的季節變化和不同波長光譜反射率與葉綠素含量的相關性，從而為利用遙感技術來監測胡楊葉綠素的變化，評價天然胡楊的健康狀況和環境脅迫提供基礎理論依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于塔里木河流域上游源流區葉爾羌河下游，全年干旱少雨，蒸發強烈，日照充足，熱量豐富，降水稀少，溫差大，適應多種植物生長發育。年日照時數平均2 915.1 小時，年平均氣溫10.8℃，7月 份 平 均 氣 溫25.3℃，1月 份 平 均 氣 溫－8.3℃，年際溫差33.6℃。全年平均無霜期204 天，全年平均降水量42.7 毫米，年蒸發量2 110.5毫米，相差49.4 倍。土壤主要是河相沉積而成，以草甸為主，有較高的肥力。研究區樣地位于新疆阿瓦提縣胡楊林保護區艾買卻克墩鎮護林站天然胡楊林，北緯40°17'、東經80°21'，是塔里木河三大源游之一葉爾羌河的下游。胡楊林下地表主要有三種類型分別是鹽結殼、風沙土和自然溝。林下植被主要是甘草、檉柳等。先對艾買卻克墩鎮護林站天然胡楊林區進行二天的野外踏察，結合衛星遙感影像，建立了30 塊監測樣地(圖1)，用GPS 接收機測定了樣地的經度、緯度。樣地大小設為50 m ×50 m。在每個樣地中選擇一棵中心樹，用紅油漆進行標記。

1.2 胡楊光譜數據的采集

采用合肥儀思特光電技術有限公司生產的ISI921VF－512 野外地物光譜輻射計測量胡楊葉片的可見光－近紅外反射光譜。測量的波譜范圍是393～1 095 nm，共512 個波段，光譜采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為3.5 nm，視場角為2.50。為減小太陽高度角變化對光譜測量結果的影響，測量時間選擇在12:00～16:00。儀器探頭垂直向下，先測量標準板，然后測定胡楊葉片。葉片放在有陽光直接照射的林間空地的黑布上。測量日期分別是2011年5月22日、6月17日、7月12日、8月3日、9月25日、和10月15。測量當天是晴朗無云無風的天氣。每個月份均測量了90 個樣本。每個樣地測量3 個樣本。每個樣本是從一棵胡楊中部冠層的枝條上隨機選擇的10 個葉片，以10 個葉片的光譜反射率的平均值作為樣本值。

圖1 天然胡楊林研究區樣地分布圖

1.3 葉綠素含量測定

按照Sims and Gamon(2002)的方法［9］，用丙酮:Tris 緩沖液(體積比為80:20)浸提胡楊葉片中的葉綠素。將新鮮葉片剪成長寬約2 mm的碎片。準確稱取0.200 0 克，放入具塞刻度試管中，然后加入20 ml 丙酮:Tris 緩沖液，再放入冰柜中于4℃下避光、密封浸提48 小時以上。待葉片全部變成白色后進行比色測定537 nm，647 nm 和663 nm 波長下浸提液的吸光度。按下列公式計算葉綠素a、葉綠素b的濃度。

葉綠素a(chla)=0.01373A663－0.000897A537－0.003046A647

葉綠素b(chlb)=0.02405A647－0.004305A537－0.005507A663

公式中的A663表示在波長663 nm 時用1 cm的比色杯測量的浸提液的吸光度值。chla，chlb 分別表示浸提液中葉綠素a 和葉綠素b的摩爾濃度，單位是ū molml－1。根據葉綠素a、b的分子量(chla=893.5gmol－1，chlb=907.5gmol－1)和胡楊葉片的含水率、比葉重計算單位葉片鮮重的葉綠素含量(mg/g F w)、單位葉片干重的葉綠素含量(mg/g DW)，和單位葉片葉面積的葉綠素含量(mg/m2)。

1.4 葉片比葉重(cm2/gFw)和含水量的測定

將葉片用萬分之一天平準確稱取重量(0.0001 g)后，在白紙上用鉛筆把葉片的形狀描繪下來。然后用哈爾濱光學儀器廠生產的QCJ—2A型數學式求積儀測量葉片圖形的面積。葉面積除以該葉片的鮮重即為比葉重。

先用萬分之一天平準確稱取10 個胡楊新鮮葉片的鮮重，計為W0;然后放入鋁盒中，于80℃下烘干24 小時后稱葉片的干重，計為W1;葉片含水率φ以干基為準，用下列公式計算。

1.5 數據分析

用方差分析來檢驗月份間胡楊葉片的葉綠素a、b 和葉綠素a +b 是否存在顯著差異。按照完全隨機設計試驗方案，以6 個月份(5月、6月、7月、8月、9月、10月)為處理，30 個樣地作為重復。分別以葉綠素a、b 和葉綠素a+b 含量為自變量，各波長反射率為因變量，對葉綠素與反射率進行相關分析。方差分析與相關分析使用的是DPS 11.5 軟件［21］。

2 結果與分析

2.1 胡楊葉片的葉綠素含量

圖2 2011年5～10月胡楊葉片葉綠素含量的比較

2.2 葉綠素色素含量與反射率的相關性

從圖2 及方差分析可知，在胡楊葉片的生長季節(5月～10月)內，10月葉綠素a、葉綠素b，和葉綠素a+b的含量極顯著地低于其他月份。10月葉綠素a、葉綠素b，和葉綠素a+b 分別為47、18 和65 mg/m2，而8月的葉綠素a、葉綠素b，和葉綠素a +b 分別為277、86 和365 mg/m2。5月與8月相比，胡楊葉片的葉綠素a、葉綠素b，和葉綠素a+b的含量無顯著差異，8月略高，但未達到顯著水平。6月、7月和9月胡楊葉片的葉綠素a、葉綠素b，和葉綠素a+b的含量處于中間水平。從5月～10月，胡楊葉片的葉綠素a 明顯地高于葉綠素b的含量。用三種單位表示的葉綠素含量(mg/m2，mg/g F w，和mg/g DW)在不同月份之間的變化規律是相同的，均表現出10月份最低，8月份最高。5月份胡楊葉片的葉綠素含量要高于6月份，從而出現了隨月份變化，葉綠素呈現出“兩峰兩谷”型的現象，即:5月份葉綠素含量是一個“峰”，8月份是另外一個“峰”，6月出現了第一個“谷”，10月出現另外一個“谷”。塔里木河上游胡楊葉片葉綠素含量隨季節變化出現的“兩峰兩谷”現象還未見報道。在塔里木河上游阿瓦提縣境內，據氣象資料的統計，10月下旬開始出現“初霜”，胡楊葉片普遍開始褪綠，變為淡黃色，至金黃色，出現塔里木特有的金色胡楊的美麗景色。從10月開始，氣溫下降，日照時間縮短，胡楊葉片內葉綠素降解，含量迅速下降，最后葉片也脫落，表明10月份葉綠素含量最低是符合胡楊的生長規律的。

圖3 2011年5月至10月胡楊葉片可見光－近紅外波段反射光譜

圖3 所示，胡楊葉片5月～10月的可見光－近紅外反射光譜符合綠色植物反射光譜曲線的特征。綠色植物在450～500 nm 為中心的藍波段及以650～680 nm 為中心的紅波段，由于光合色素強烈吸收太陽輻射能而形成兩個通常被稱為“藍谷”和“紅谷”的低反射區。在這兩個低反射區(“谷”)之間約550 nm 附近，植物葉片對輻射能吸收很少，因而形成了綠色反射峰即通常所說的“綠峰”。典型綠色植被光譜曲線還有一明顯的“紅邊”特征。植物光譜曲線在紅波段的葉綠素吸收谷與近紅外波段的高反射肩之間的陡升部分，約在700～750 nm 處，被稱為植物的“紅邊”區。胡楊葉片的可見光－近紅外反射光譜也具有“藍谷”，“紅谷”，“綠峰”和“紅邊”特征，其最高反射率在近紅外波段，約35～50%，最低反射率在藍波段，約為5～12%。在420 nm 和660 nm 附近各有一個反射率極小值(“藍谷”和“紅谷”);在550 nm 附近處有一個反射峰(“綠峰”);在650 nm～800 nm 之間反射率急劇增大(“紅邊”)，800 nm～950 nm 有高的反射率。10月份在吸收谷670 nm 左右的反射率高于其它5 個月，在750 nm 后明顯低于其它5 個月;6月、7月的光譜反射率在950 nm 波長后低于5月、8月和9月。不同月份間的光譜反射率在近紅外波段差異最大，藍、綠波段差異最小。6月至9月的反射光譜曲線具有較大的相似性，但是，10月份有反射光譜曲線與其它5 個月份的有比較明顯的差異，表現在近紅外波段和"紅邊"反射率顯著下降，低于43%，“紅谷”反射率上升，“綠峰”反射率下降。

不同波長位置處的不同月份葉綠素與反射率之間的相關系數表現出顯著的差異(圖4)。在紅光區，胡楊葉片葉綠素與反射率呈負相關關系，這可能是由于葉綠素吸收紅色光所致。而在紅邊區及近紅外區和部分藍光區，葉綠素含量與反射率呈正相關關系。經統計檢驗，最大相關系數和最小相關系數(負值)均達到了極顯著的水平(p＜0.01)。由圖4可知，在769 nm 處葉綠素a(mg/m2)、葉綠素b(mg/m2)、葉綠素a+b(mg/m2)含量與反射率呈極顯著正相關關系，相關系數最大(r 在0.34～0.41之間)。在645 nm 處葉綠素a (mg/g Dw)、葉綠素b (mg/g Dw)、葉綠素a+b (mg/g Dw)含量與反射率呈極顯著的負相關關系，相關系數最小(r 在－0.45～－0.35 之間)。

圖4 不同波長位置處胡楊光譜反射率與葉綠素的相關系數注:樣本容量為507，顯著水平為0.01 時的r 臨界值為0.12。

3 討論與結論

3.1 塔里木河上游胡楊葉片的葉綠素含量在生長季節內不同月份之間存在顯著的差異，呈現出“兩峰兩谷”的現象，其中8月份葉綠素含量最高，10月份最低。

本研究測定了塔里木河上游天然胡楊葉片生長季節內(5月至10月)的葉綠素含量，發現了葉綠素含量隨月份變化呈現出"兩峰兩谷"的現象。據王海珍和韓路測定胡楊葉片7月葉綠素含量為葉綠素a，葉綠素b 及葉綠素a +b 分別為1.39，0.34，和1.74 mg/g Fw。而本研究測得的葉綠素a，葉綠素b 及葉綠素a+b 分別為1.03，0.34 和1.37 mg/g Fw，比王海珍和韓路(2008)的葉綠素a 測定結果略低，而葉綠素b的結果相同。袁月等(2009)對新疆艾比湖自然保護區5月份胡楊葉片的葉綠素測定結果為葉綠素a 0.6～1.4 mg/g Dw，葉綠素b 0.2～0.4 mg/g Dw;而本研究結果為葉綠素a 2.26 mg/g Dw，葉綠素b 0.71 mg/g Dw，明顯地要高于袁月等(2009)的研究結果。

3.2 胡楊葉片的可見光－近紅外反射光譜符合綠色植物的反射光譜曲線特征。塔里木河上游胡楊葉片的反射光譜表現出綠色植物特有的反射光譜曲線特征，如“紅邊”，“紅谷”，“綠峰”等，且本研究的結果與其它研究人員測定的塔里河中下游的胡楊葉片反射光譜曲線結果是一致的［19，20］。進入10月份之后，由于氣溫下降，胡楊葉片開始衰老，葉綠素含量明顯下降，反射光譜中的“紅邊”與近紅外波段反射率顯著下降，“紅谷”反射率抬升。

3.3 胡楊葉片葉綠素含量與可見光－近紅外光譜反射率之間的相關性因波長不同而不同。隨著波長的變化，不同波長位置處的相關系數呈現出“V”型變化。769 nm 和645 nm 是兩個具有特殊意義的波長位置。

植物葉片葉綠素含量的估測可以利用高光譜遙感數據與葉綠素的相關性來實現。如楊曦光將Hyperion 數據的像元反射率轉化為葉片反射率，從影像上反演出葉片水平的葉綠素含量［5］。通過本研究，作者認為基于單個波長位置的反射率與葉綠素相關性來估測胡楊葉片葉綠素含量將會存在一定的局限性.因為，單個波長處反射率與葉綠素的相關系數絕對值最大不超過0.5，同時，本研究也發現胡楊葉片在769 nm 處的葉綠素含量與反射率呈極顯著正相關關系，而在645 nm 處呈極顯著的負相關關系。因此，結合多個波長位置的反射率數據或者用高光譜指數(基于兩個或多個波長位置的反射率的組合指標)將會比用單一波長位置的反射率來估測葉綠素含量會更有效，這有待于下一步深入地分析研究。

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