不同地下水埋深下胡杨叶片生理参数及光谱特征分析

张冬冬,温云梦,王家强,李福庆,蔡海辉,柳维扬

(塔里木大学 农学院,新疆 阿拉尔 843300)

胡杨(Populuseuphratica)是杨柳科杨属的植物,作为荒漠河岸林中具有优势且较古老的树种之一,主要分布在塔里木河流域和克里雅河下游的中段,与胡杨相比,灰胡杨对水分的需求更高,这大大限制了它的分布范围,但其喜水喜光,虽是浅根系植物但有发达的侧根形成水平根系网[1]。作为荒漠河岸生态系统中,唯一的建群乔木,由于其具有较强的耐干旱、耐盐碱、防风沙、固河道的能力,对荒漠绿洲过渡带脆弱生态系统的平衡起到关键的调节作用[2]。

近些年来,国内外有着许多的研究者研究地下水位对植被的影响,在植被的地下水位监测、生理学参数、高光谱遥感方面做了大量的工作,为后来者提供了大量的经验与依据。陈亚宁等[4]对塔里木下游因生态输水影响,地下水位动态变化对植被影响的研究,得出天然植被组成、分布与长势受地下水埋深影响有直接关系的结论；宋玉等[5]对荒漠胡杨的叶片含水率进行高光谱反演研究,得出偏最小二乘回归法建立的模型最优,反射率一阶微分光谱与叶片含水率相关性更好；赵新风等[6]以塔里木下游的8个绿洲防护林地为研究区,针对水盐分布和其与地下水的关系进行研究,结果表明，林地土壤含水量高盐分越高,1.5m土层含水量随地下水位上升而增大；朱成刚等[7]通过塔里木河下游地下水埋深变化，对胡杨叶绿素含量荧光特性和水势影响进行研究,得出相对叶绿素含量随地下水埋深增大而呈现普遍下降现象,且下降幅度随地下水埋深增大而增加的结论。本文对荒漠河岸林植物胡杨在不同地下水埋深下的生理参数和反射光谱进行分析,通过研究胡杨生理参数苯丙氨酸解氨酶(PAL)、丙二醛(MDA)、叶绿素与高光谱的关系来反映胡杨所处的地下水埋深范围,旨在为干旱区生态环境的建设和植被恢复提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取新疆阿瓦提县丰收三场胡杨林保护区和塔里木河干流源头为研究区,丰收三场胡杨林保护区地理位置介于40°15′53.72″～40°18′23.13″N和80°19′54.71″～80°24′13.10″E之间,位于塔里木河上游源流区叶尔羌河下游,降雨量少,蒸发强烈,属于干旱区典型的大陆性气候。叶尔羌河水的3个来源:冰山融雪、山岩缝隙中流出的泉水、雨水,为人们的生活、农田灌溉以及河岸两侧的其他动植物生长提供了良好的水资源条件。但是,由于全年水量的分布差别过大,造成了叶尔羌河的丰水期与枯水期两种水期,丰水期一般为7—9月。

塔里木河干流源头(简称为塔河源)位于新疆阿拉尔市境内,处于阿克苏河、和田河与叶尔羌河3条河的交汇处,坐标为40°27′N,80°56′E,该区属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候,干旱少雨,在每年7—9月受洪水漫溢影响为丰水期。

本研究针对不同地下水埋深,设置5个埋深梯度(0～2 m,2～4 m,4～6 m,6～8 m,8～10 m),在研究区内找到各个埋深梯度,每个梯度下随机选取10个点作为采样点,研究区概况如图1所示。

图1 研究区概况图

1.2 胡杨光谱数据采集

光谱数据采集用美国ASD公司的(FieldSpec Hand-hand2)便携式地物光谱仪测定胡杨叶片光谱反射率,该仪器波段范围为325～1 075 nm,波长精度为±1 nm,光谱分辨率为小于3.0nm@700nm(可以分辨波长在700 nm附近的光,如果在700 nm左右有两种光波长差大于3 nm,就可以分辨出来),拥有25°的宽视场角,且内置红外激光器能够选择视野范围。

野外光谱数据的采集选择晴朗无云或少云天气,且在太阳光线比较强的时间段,测定日期为2020年9月6日至2020年9月7日。在测定光谱时仪器探头需垂直向下,且与胡杨叶片保持10 cm距离,同时使红外激光定位样品中心。在测量时需要以黑色作为背景,测定样品前必须进行白板校正,白板要完全覆盖视场,为保证曲线的稳定性每隔10min需进行白板校正,若光强发生变化也需进行白板校正。在每个采样点范围内选择3株树作为3个样本,每一个样本从胡杨中部冠层处的枝条上随机的采集叶片10个,每一个叶片的光谱数据进行3次重复,将这10个叶片的光谱反射率求平均,作为一个样品的样品值。

野外采集光谱数据时，由于受外界因素影响,光谱曲线在波段325～350nm处和900～1 075nm处的波动性大,不利于研究,故将该波段剔除。数据采集过程会产生误差,因此，在数据分析之前，运用The Unscrambler X 10.5.1软件对胡杨光谱曲线采用卷积平滑法(Savitrky-Golay)进行平滑去噪,平滑能够减小随机因素引起的误差,有利于体现出植物叶片的光谱特征。

1.3 生理指标测定

生理指标苯丙氨酸解氨酶与丙二醛的测定,使用试剂盒进行测定。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)测定:粗酶液提取,按照一定比例,经过冰浴匀浆研磨、离心、静置得到待测液。使用分光光度计在290nm波长下进行吸光度测定,根据下列公式计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表示样品的吸光度值,A2表示对照的吸光度值,ΔA表示样品和对照在290nm处的吸光度差值,W表示样本质量,单位为g。

丙二醛(MDA)测定:MDA的提取,按照一定比例,经过冰浴匀浆研磨、离心得到待测液。使用分光光度计测定波长532nm和600nm下的吸光度值,根据下列公式计算出丙二醛含量。

ΔA=A532-A600

(3)

MDA含量(nmol/gFW)=25.8×ΔA÷W

(4)

式中:A532，A600分别表示1mL比色皿测定样品在波长532，600nm处的吸光度值,ΔA表示波长532nm和600nm的吸光度差值,W表示样本质量,单位为g。

1.3.1叶绿素密度测定

样品带回室内后用乙醇法测定色素含量,将剪碎的样品95%的乙醇处理,浸提色素48h以上,使用可见分光光度计在波长537,647,663nm处进行吸光度测定。根据下列公式计算叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)的浓度。

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

0.003046A647

(5)

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

(6)

式中:A537，A663，A647分别表示使用1cm比色皿测定样品浸提液在波长537，663，647nm处的吸光度值。而叶绿素a和叶绿素b的分子量分别为893.5,907.5g/mol,再通过叶绿素分子质量、叶片的含水率和比叶重计算出叶片单位叶面积的叶绿素含量(mg/cm2)。

1.3.2叶片含水率测定

叶片含水率的测定用烘干法,先将样品称量,经过杀青烘干,待样品至恒重,再次称重,根据下列公式计算:

φ(%)=(W1-W2)/W1×100

(7)

式中:W1表示植物鲜重,W2表示植物干重。

1.4 数据处理

使用Excel,The Unscrambler X 10.5.1和Origin 2018进行数据处理与分析研究。本研究对光谱反射率数据进行一阶导数、二阶导数、对数和对数倒数4种数学变换,其根据下列公式计算。

(8)

(9)

Α=lg(R)

(10)

Β=1/A

(11)

式中:Ri为i波段原始反射率,Δλ为波长λi+1与λi的距离,A为Ri的对数值,B为A的倒数值。

通过一阶导数光谱得到植物的三边参数,与原始光谱相比,三边参数能够更准确的反映植被的光谱特性。“三边”参数的定义[8]如表1所示。

表1 “三边”参数定义

2 结果与分析

2.1 不同地下水埋深下胡杨叶片生理指标的变化特征

在干旱荒漠区降水稀少,由于地表径流缺乏,植物的生命活动对于地下水的需求更为突出,地下水位越深,植株生长状况越差,会直接影响植物的生理生态过程,因此植物的生理指标叶绿素密度、MDA、PAL和叶片含水率会随着地下水埋深的不同产生差异。

表2所示,随着地下水埋深增大,叶片含水率与MDA含量的变化呈先下降后上升趋势,而叶绿素密度与PAL活性的变化则呈先上升后下降趋势。胡杨叶片平均含水率在5个埋深下的差异较小,在4～6m处最低,为51.27%,在0～2m处含水率最高,达到65.03%；MDA含量的最高与最低处与含水率的一致,但是埋深4～6 m的MDA含量比埋深0～2 m处的低45.36%,而在埋深8～10m处MDA含量为1.412 90nmol/cm2FW,比埋深4～6m处增幅66.56%；叶绿素在埋深2～4m处的密度最大,为0.056 59mg/cm2,反而在埋深0～2m处密度最低,为0.035 22mg/cm2,从埋深0～2 m至2～4 m,叶绿素密度增幅了60.68%,随埋深继续增大,叶绿素密度逐渐下降,降幅大约为22.36%；通过表2可知,埋深0～2m处胡杨叶片的PAL活性最低,为1.169 25U/cm2FW,在埋深6～8m处活性达到做高4.183 01U/cm2FW,且其增幅与降幅均较大,从埋深0～2m至埋深6～8m,PAL活性增幅了257.75%,埋深8～10m处,活性突然下降了67.24%。由表3可知,叶绿素密度与其它指标的相关性均较低(远小于0.5),则相关性较小；MDA含量与PAL活性达到显著水平,但相关系数仅为-0.284 81,与含水率达到极显著水平,相关系数达到0.605 59,相关性较强；PAL活性与含水率呈极显著负相关关系,相关系数为-0.500 73,相关性也较强。

表2 不同埋深下胡杨的生理指标数据统计

表3 不同地下水埋深下胡杨生理指标间的相关系数

由上述内容可知,MDA含量与PAL活性大小均对地下水埋深较敏感,而叶绿素密度与叶片含水率高低受地下水埋深影响较小。水是植被进行光合作用的主要原料之一,也是各种生理生化反应的介质或者溶剂,在植物的生长发育过程中起着不可或缺的作用。通过张丽等[9]对胡杨的研究可知,在干旱区适宜植物正常生长的地下水埋深为2～4m,胡杨的最适埋深为2～3m,因此,埋深2～4m处即为胡杨生长条件最好处。但随埋深增大,含水率下降,由陈亚鹏等[10]和朱成刚等[7]的研究可知,地下水埋深越大,胡杨根部能够吸收到的水分越少,会造成植物水分胁迫加剧[11],最终导致胡杨叶片含水率随埋深增大而降低,但叶片含水率出现先降后升,且埋深8～10m处急剧上升的现象,原因是埋深8～10m处胡杨离河较近(图1(b)),但由于附近农田对地下水的利用过度,导致埋深平常处于较低水平,然而采样期(9月)受到补给造成地下水位抬升,使得长时间处于干旱胁迫下的胡杨得到缓解,叶片中的水分开始迅速增加。埋深4～6m处地下水位变化幅度较小,因此,在干旱胁迫下叶片含水率保持在较低水平。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)在植物生长发育、抗病虫害、构成植物支撑系统等方面[12]与植物形成次生物质过程中均起着重要作用,还能够衡量植物的抗逆能力。植物在干旱[13-14]、低温[13]、高温[15]等逆境下,不仅会造成PAL活性上升,还会导致酚酸、类黄酮和木质素等代谢产物大量积累。同时,由表3可知,含水率与PAL活性呈极显著负相关,相关系数达到-0.500 73,具有较强的相关性。表现出随含水率的增大,PAL活性下降,且随着干旱胁迫的加剧,PAL活性越高。

叶绿素作为植物光合作用的主要色素之一,不仅对植物光合起核心作用,还能够作为重要的生理指标衡量植物耐盐性。由刘国华等[16]与郭枫等[17]的研究可知,干旱区地下水埋深较浅时,土壤易产生剧烈的盐碱化,导致植物体内高浓度的盐破坏了叶绿素的合成,造成叶绿素含量的下降。因此,在埋深0～2 m处叶绿素密度最低,原因可能是因为水位太高,蒸发强烈等因素导致该埋深下的盐浓度过高,进而对胡杨造成了盐害。在埋深大于4m后,随埋深增大叶绿素密度下降,逐渐趋近于平坦。

丙二醛(MDA)作为最终分解产物之一,是植物器官在衰老或逆境下发生的生理伤害,导致植物细胞发生膜脂过氧化,其含量高低能够反映植物在逆境环境中受到伤害的程度。随地下水埋深增大,植物体内MDA含量也增大,是因为植物受到的干旱胁迫加剧,造成体内MDA含量的积累,这与庄丽等[18]的研究结果一致,严重的干旱胁迫又会造成MDA含量呈跳跃式增长[19-22],所以在埋深大于4 m时,随着地下水埋深增大,胡杨MDA含量先缓慢上升后急剧上升。但在地下水埋深0～2m处,植物体内MDA 含量却达到最高,要稍高于干旱胁迫最重的8～10m处的胡杨MDA含量,通过前人的研究可知[23-25,17],这可能是因为在地下水埋深较低时,植物受到盐分胁迫的影响,造成体内MDA含量的增加。

上述情况说明，在地下水埋深较浅时可能会产生盐害,进而影响胡杨MDA含量和叶绿素密度,且其影响要超过干旱胁迫对植物的影响,而PAL活性随叶片含水率的增大而减小。

2.2 不同地下水埋深下胡杨叶片的光谱特征分析

图2为不同地下水埋深下的胡杨叶片反射光谱曲线及经一阶导数、二阶导数、对数和对数倒数变换的光谱曲线,图中的胡杨光谱曲线在形态上相似,趋势与“峰谷”分布符合绿色植物的典型光谱特征。

植物的光谱反射率在可见光波段由叶片色素决定,在近红外波段受叶片细胞结构决定,而短波红外波段则受水分决定。运用数学变换的方法处理植物光谱数据,能在一定程度上放大植物光谱的细节信息,突出不同埋深下的胡杨光谱特征差异。绿色植被拥有的“峰谷”反射特征,图2(a)中显示在可见光波段(380～780nm)只有“一峰两谷”,分别为550nm处的“绿峰”、480nm处的“蓝谷”和680nm处的“红谷”。由图2(d)可看出,在不同埋深下,胡杨的“一峰两谷”位置上的差异较小,但在反射率上存在显著差异。由图2(d)可知,在“蓝谷”处,不同埋深下胡杨反射率大小顺序为:4～6m>0～2m>6～8m>8～10m>2～4m；“绿峰”处,不同埋深下胡杨反射率大小顺序为:4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,与“红谷”处的差异一致。由图2(a)可知,埋深4～6m的“红谷”反射率为0.150 16,其它埋深的“红谷”反射率都在15%以下,且都低于各自波段“蓝谷”的反射率。在760～900nm是一个反射率高、相对平坦的区域,反射率在42%～57%之间,其中以埋深4～6m的反射率最高,在56%左右,其余几个埋深都低于50%。不同埋深下的胡杨叶片光谱在红边与高反射平台之间均有一个反射率较大的小峰,这可能是由于叶片内部结构的影响所引起的。通过“一峰两谷”所表现出来的反射率差异,可以作为识别不同埋深的特征波段。因为植被所表现出来的特征受到环境的影响,为适应各种不同的生境,其会产生一些变异,所以会导致其光谱反射率与典型绿色植物产生差异。

图2 不同地下水埋深下胡杨原始光谱与数学变换后光谱

植被光谱特征主要体现在可见光-近红外波段,由于光谱反射率数据的一阶导数变换可以消除植被的背景干扰,放大细小的特征便于研究[26],因此,选取350～900nm对胡杨光谱反射率一阶导数值进行分析。利用一阶求导后得到的三边参数能定量对光谱进行分析,比原始光谱更能准确反映植被光谱特性。

不同地下水埋深的胡杨光谱位置参数如表4所示。红边能够反映植被的生长状况,在植被长势较好时红边向长波方向移动,称为“红移”,当植物受到胁迫或衰老时,红边向短波方向移动,称为“蓝移”。通过表4可知,不同埋深下胡杨的蓝边面积(SDb)与红边面积(SDr)大小均为:4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,但不同埋深下胡杨的蓝边面积(SDb)差异不明显。不同埋深下胡杨的黄边面积(SDy)大小为:2～4m>8～10m>6～8m>0～2m>4～6m,差异较小。胡杨蓝边位置WP-b波长最大值为埋深6～8m处(527nm),剩下4个梯度下蓝边位置波长差异较小,胡杨黄边位置WP-y在不同埋深下差异较大,大小为4～6m>6～8m>8～10m>2～4m>0～2m,4～6m处的波长为631nm,黄边位置的最小波长为596nm。0～2m埋深处的胡杨红边位置与其他埋深的胡杨红边位置差异较大,剩下4个梯度之间的红边位置差异不明显,埋深0～2m时水位过高,导致胡杨可能受到盐分胁迫,造成红边“蓝移”。其他参数值对于不同埋深的胡杨较为稳定。结果表明,不同埋深下的胡杨黄边位置差异较大,能粗浅地区分胡杨处于不同埋深,要对不同埋深下的胡杨进行比较准确的区分,需要采取其他特征提取手段或光谱变换形式。

表4 不同地下水埋深的胡杨三边参数特征

2.3 胡杨叶片光谱参数与生理指标含量的相关分析

为确定胡杨叶片生理指标含量随地下水埋深的不同与光谱参数的相关性强弱,对原始光谱数据及光谱位置参数数据与胡杨的生理指标进行相关性分析。

图3显示,原始光谱(a)与对数光谱(d)的相关系数曲线趋势是一致的,而对数倒数光谱(e)是对数光谱数据经倒数变换得到的,造成两者的相关系数曲线是呈对称的,因此,最后得出的结论是一致的。原始光谱与叶绿素密度的相关系数曲线在波长350～400nm处变化幅度较大,不利于进一步分析,在波段517～855nm内,相关系数曲线趋势呈“W”型,在517～644nm和 687～855nm波段均有显著性,而在531～593nm和692～754nm波段均达到极显著水平,随波长增大,负相关系数均是先增大再减小,在556nm处,相关系数达到-0.433 88,至710nm,相关系数高达-0.636 55,为相关系数的最大值。原始光谱与PAL活性在416～900nm具有显著性正相关,在726～768nm之外的波段达到极显著水平,在653nm处有相关系数最大值0.516 88；从429nm至900nm,原始光谱与叶片含水率均达到极显著负相关,在波长645nm处达到负相关的最大值,相关系数为-0.605 30,总体变化幅度较小；在350～900nm波段,一阶导数和二阶导数光谱与生理指标含量之间的相关系数均呈现强烈正负交替变换,且有大量光谱数据与生理指标含量的相关性没有达到显著水平。4个生理指标中相关系数最大值为-0.636 55,是叶绿素密度与光谱红边710nm处的相关性程度,说明叶绿素密度与红边处的相关关系更强。

图3 光谱数据与胡杨生理指标的相关系数曲线

将胡杨叶片的叶绿素密度、MDA含量、PAL活性、叶片含水率与光谱特征进行相关性分析,得到表5生理参数与光谱变量的相关系数。由表5能够看出:叶绿素密度与黄边幅值、红边面积相关性达到显著水平,而与蓝边幅值、蓝边面积、黄边面积、红遍位置、绿峰幅值与绿峰位置的相关性均达到极显水平,其中相关系数最大的是蓝边面积,与叶绿素密度成负相关(r为-0.547)。MDA与红谷位置相关性达到显著(r为-0.313),与黄边幅值相关性达到极显著(r为-0.449)。PAL与绿峰幅值、红谷幅值相关性均达到极显著水平,其中相关系数最大的为红谷幅值,与PAL成正相关(相关系数r为0.503)。含水率与蓝边幅值相关性达到显著水平,与蓝边面积、黄边幅值、绿峰幅值、红谷幅值和红谷位置相关性均达到极显著,其中相关系数最大的为红谷幅值,与含水率成负相关(r为-0.577)。由上述可知,叶绿素密度与蓝边面积的相关性最强,相关系数达到-0.547,与红边位置(r为0.544)的相关系数大小较接近,MDA含量与黄边幅值达到极显著负相关,但与三边参数最大相关系数r仅达到-0.449,PAL活性、叶片含水率与三边参数的最大相关系数均在红谷幅值处,分别为0.503,-0.577,而红谷幅值与叶片含水率的相关系数整体上最大。

表5 胡杨生理参数与光谱变量的相关系数

3 结论

胡杨叶片的可见光—近红外反射光谱符合绿色植物的光谱曲线特征,本文根据干旱区植物胡杨在不同地下水埋深下的实测光谱数据和生理指标数据,对其生理指标含量及光谱特征进行分析,得到以下结论:

1)随着地下水埋深增大,叶片含水率与MDA含量的变化呈先下降后上升趋势,而叶绿素密度与PAL活性的变化则呈先上升后下降趋势；而在地下水埋深较低时,植物可能受盐分胁迫,且其对于植物的影响大于干旱胁迫影响,导致叶绿素密度与MDA含量在埋深0～2m处影响要超过8～10m处；MDA含量与PAL活性大小均对地下水埋深较敏感,而叶绿素密度与叶片含水率高低受地下水埋深影响较小；叶片含水率在5个埋深梯度下的差异较小。

2)在350～900nm波段,胡杨具有“一峰两谷”的特征,在“蓝谷”处,不同埋深下胡杨反射率大小顺序:4～6m>0～2m>6～8m>8～10m>2～4m；“绿峰”处,不同埋深下胡杨反射率大小顺序为:4～6m>6～8m>0～2m>8～10m>2～4m,与“红谷”处的差异一致。

3)原始光谱、对数光谱和对数倒数光谱对生理指标的相关分析结论一致,波长429nm之后,原始光谱与叶片含水率均达到极显著负相关,在波长645nm处达到负相关的最大值(r为-0.605 30),总体变化幅度较小；但叶绿素密度与光谱在红边710nm处有相关系数最大值(r为-0.636 55)。

4)分析胡杨光谱的“三边”特征,不同地下水埋深下的黄边位置差异较大,能够粗略的估计胡杨的埋水深度,与叶片含水率、PAL活性、MDA含量、叶绿素密度进行相关分析,得到含水率与红谷幅值达到极显著水平,相关系数(r为-0.577)最大。