多枝柽柳年轮生长速率测量及TRGR指标优势分析

灌木对生境和气候变化具有高度敏感性,其年轮资料在认识区域环境演变过程、全球气候变化和环境保护中具有重要作用。灌木植株在生长过程中受遗传和极端环境的影响,年轮常出现偏心和不规则生长,这使得专业年轮分析软件测量的年轮宽度数据难以准确反映其整体径向生长信息。为探讨适合于寒旱区灌木年轮学研究的年轮测量指标和测量方法,研究以该区域荒漠常见植物多枝柽柳(Tamarix ramosissima Ledeb.)为研究对象,通过U-net深度学习方法,获得年轮提取训练模型,自动获取扫描轮盘各年早材区域。轮盘扫描及语义分割后的图像经GIS配准赋坐标、ENVI图像处理后,借助GIS编辑和测量工具,完成多枝柽柳各年年轮生长速率(Tree-ring growth rate, TRGR)、年轮宽度(Tree-ring width, TRW)和树木基部断面积生长增量(Basal area increment, BAI)的测量;研究基于Timesat Savitzky-Golay(S-G)滤波时间序列拟合,获取点样尺度归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, ND...     

应用照片测量技术提取和自动校正年轮宽度

年轮宽度是进行树轮气候学、树木生长规律及森林生产力测算研究的重要环节,其偏差大小直接影响上述测量结果的准确性和精度。为简单并准确测量年轮宽度,本文介绍了一种借助常用的图象处理软件量测年轮宽度的方法。首先对年轮样品进行扫描,在扫描图像的基础上,利用遥感图像处理软件对样芯的年轮宽度进行提取,并根据三角函数原理对倾斜年轮进行宽度校正,整个过程实现自动化。结果表明:未经校正的年轮宽度与经过校正的年轮宽度存在差异,但校正后精度提高幅度不能确定,主要取决于样芯年轮的倾斜角度,倾角大的年轮校正效果明显。进一步证明图像分析方法在自动提取年轮宽度的适用性。本方法简便、易行,便于普及,在不具备专业年轮测量仪器或软件时,该方法更具有实际意义。     

基于R软件的树木年轮宽度测量方法

年轮记载了树木生长的历史信息,能否准确提取年轮特征信息影响到相关研究的准确性。本文介绍了一种使用统计分析软件R测量年轮宽度的方法。该方法基于数字化图像与边缘检测算法,通过R自动识别或手动标记年轮线,使用直角坐标系两点间距离公式计算年轮宽度,并依据三角函数校正倾斜年轮造成的宽度误差;此外,该方法还提供了多图像对比标记、样品断裂处理、快速复测功能。结果表明:R软件测量精度与准确性高,对同一样品比较表明R测量结果与Win DENDRO无显著差异。本方法简单、可靠,图像数据可以长期保存;R是开源软件,相比Lin Tab与Win DENDRO等商业工具更易普及,成本低;同时R具有较强的数据统计分析与作图功能,可以直接对测量结果进行数据处理。     

基于U-Net卷积神经网络的年轮图像分割算法

树木年轮学的研究需要统计树龄和测量轮宽,由此推算环境变换和树木生长信息,因此准确提取年轮特征信息至关重要。精准识别出年轮图像中的早材、晚材和树皮是实现自动化测量年轮参数的首要工作。树木年轮的生长过程中存在年轮的早材和晚材间边界过渡模糊、节疤和伪年轮等现象,且年轮圆盘在砍伐和采集过程中表面会存在毛刺和噪声点,使用传统的图像分割算法难以得到理想的效果。本文结合深度神经网络的特点,针对年轮图像的分割问题,构建了基于U-Net卷积神经网络的年轮图像语义分割模型。首先,对采集的100张年轮圆盘图像进行标注,并通过旋转、透视和图像变形等方式做数据增强,生成20000张数据集,随机选择其中16000张作为训练数据集,4000张作为测试数据集。其次,根据图像数据集的特征,利用Tensorflow深度学习框架,设计构建基于U-Net卷积神经网络的年轮圆盘图像分割网络。然后,将训练样本输送进网络,设置优化训练参数,对年轮图像分割网络进行迭代训练,直至评价指标和损失函数不再变化。最后,用训练好的模型对测试集样本进行分割,并进行分割指标评估。结果表明:该算法可有效避免毛刺、锯痕和节疤等因素的影响,完整地分割出年轮的晚材和树皮区域,在4000张测试数据集上分割的平均准确率达到96.51%,平均区域重合度达到82.30%。与传统图像处理算法相比,本文所采用的基于U-Net卷积神经网络的年轮图像分割算法,能够达到更好的分割效果,同时具有更强的泛化能力和鲁棒性。     

数字照片在树干解析上的应用

介绍了一种利用摄影测量技术开展树干解析的新方法.通过求算横截面积,换算成理论直径及年轮宽度.此法可以提高测量精度,特别是在树干横截面不规则的情况下,可以提高准确度.选择一个基本圆满的圆盘,直接测量直径和由面积换算比较年轮宽度,二者差异平均为10%,最大达32%.由于图像上直接测量的是面积,树皮的横截面可以更加准确获得,而传统的方法无法克服这个缺点.数字照片还是储存年轮信息的理想形式,便于保存和复查.本法使用的是普通的数码照片,方便适用,是开展森林精密测量简单易行手段.     

利用GIS工具测定树木圆盘年轮的方法

树木圆盘年轮宽度测定是研究树木生长过程、森林生产力的重要基础,也是测树学中至关重要的一项技能。为简洁高效地测定圆盘年轮宽度,本文介绍了3种借助图像处理软件测定年轮宽度的方法。该方法基于扫描或拍照后的圆盘图像,利用地理信息系统软件对年轮坐标信息进行提取,根据两点之间距离公式计算各年轮宽度。此法不仅可以提高测量精度,而且成本低廉,在不具备专业年轮测定仪器或软件时,更有利于发挥其作用。     

树木年轮分析在全球变化研究中的应用

树木年轮的宽度、密度、图像分析、同位素含量等都与气候因子温度、湿度以及大气成分的变化成复杂的相关关系。本文总结了树木年轮分析的几种主要研究方法以及在全球气候变化、大气污染以及重建大气CO2浓度中的应用,同时利用树木年轮分析对全球变化研究中存在的问题、争议等作了简要的探讨,并对未来全球变化中的年轮年代学研究的方向作了展望。     

脱水胁迫和光合日变化对梭梭和白梭梭叶绿素荧光参数的影响

采用IMAGING-PAM叶绿素荧光法,测定了宁夏地区种植的梭梭和白梭梭在离体脱水胁迫和光合日变化下的叶绿素荧光参数变化,以研究肉苁蓉寄主梭梭和白梭梭对地理环境的生态适应机制.结果表明： 梭梭具有较高的光合作用性能,其光合电子传递活性(F_v/F_m)、光能转化效率(q_P)和表观电子传递效率(ETR)等指标均高于白梭梭.离体脱水胁迫48 h,梭梭同化枝含水率及叶绿素荧光参数各指标均显著高于白梭梭.梭梭和白梭梭叶绿素荧光参数日变化差异较大,且呈现“V”型变化趋势.推测梭梭对水分及光照等环境因子变化的适应能力较白梭梭强,地理分布较广;白梭梭因受水分及光照等因子限制,地理分布较窄.     

基于树木年轮径切特征的卷积神经网络树种识别

卷积神经网络可以通过树木年轮样本构造特征图像实现物种识别的自动化。本研究通过建立树木年轮样本构造特征图像集,选用LeNet、AlexNet、GoogLeNet和VGGNet 4个卷积神经网络模型,实现基于树木年轮横切面的计算机自动化树种精准识别,进而确定各模型的树种识别准确率,明晰不同树种在自动识别中的混淆情况,探测不同模型识别结果的差异。结果表明: 本研究训练的用于树种识别的卷积神经网络模型具有较好的可信度;4个模型中GoogLeNet模型树种识别准确率最高,为96.7%,LeNet模型识别准确率最低(66.4%);不同模型对于所选树种的识别结果具有一致性,表现为对蒙古栎识别准确率最高(AlexNet模型识别率达到100%),对臭冷杉的识别准确率最低。本研究中也存在类似结构树种的识别混淆情况。模型在科和属水平的识别准确率高于种水平;阔叶树种因其显著的结构差异容易区分,阔叶树树种的识别准确率高于针叶树。总体上,通过卷积神经网络,探测了树木年轮特征的深层信息,达到树种的精准识别,提供了一种快速便捷的自动树种初筛鉴定方法。     

准噶尔盆地梭梭植物群落的聚类分析

梭梭(Haloxylon ammodendron)是准噶尔盆地沙漠植被中最重要的优势植物。根据对准噶尔盆地典型梭梭植物群落样地的物种及群落状况的调查,采用数量分类的方法对该地区梭梭植物群落的相似性进行了聚类分析。聚类分析的结果表明, 37个梭梭群落被划分为11个群丛,根据聚类过程阶梯图的结果, 11个群丛进一步划归为5个群系。研究结果与传统的植物群落分类结果基本相一致,对于更好地保护和恢复梭梭植被具有一定的实践指导意义。     

梭梭和多枝柽柳的枝干光合及其主要影响因子

荒漠植物长期演化过程中保留了枝干光合(Pg)的特性,枝干光合有效减少局部碳损失,且在维持植物正常生理代谢方面发挥重要作用.本研究以古尔班通古特沙漠南缘荒漠植物梭梭和多枝柽柳为对象,利用Li-Cor 6400便携式光合仪与特制叶室相结合监测枝干与叶片光合速率,同时辅以枝干/叶片功能性状(叶绿素含量、含水量、叶/枝面积、碳...     

古尔班通古特沙漠南缘不同林龄人工梭梭林主林层和更新层特征

对古尔班通古特沙漠南缘6个不同林龄人工梭梭种群的结构特征、天然更新及影响因子进行研究.结果表明: 7年生人工梭梭林能天然更新,17年生时幼苗(高度H＜30 cm)、幼树(30≤H＜50 cm)和小树(H≥50 cm)的密度均达到“优”级,小树的平均高度和基径为1.10 m和1.91 cm.20年生人工梭梭林内母树长势最好,35%的个体树高在2.50～3.00 m,23.1%个体的基径达8.00～10.00 cm; 33年生人工梭梭林内母树高和径生长明显衰退,但自然落种更新能力依然较强; 梭梭自然落种更新密度与0～100 cm土层土壤有效氮含量的关联度最大(0.87),其次是土壤速效磷(0.84)及土壤水分含量(0.79),pH 8.1～8.6的土壤未限制更新层的营养生长.在主林层,与整个更新层个体密度关联性最高的是人工梭梭林母树生物量(0.77),而与更新层小树密度关联性最高的是种植密度(0.71)和母树年龄(0.70).     

地下水埋深对幼龄梭梭功能性状的影响

地下水是干旱荒漠区潜水灌丛植物的重要水分来源,为认识地下水埋深对潜水植物功能性状的影响,利用蒸渗仪群配备的全自动补水仪设置两组地下水埋深(2和3.5 m),测定幼龄梭梭生长季同化枝水力性状、气体交换特征和根系形态参数.结果表明:与地下水埋深2 m相比,地下水埋深3.5 m处理幼龄梭梭黎明前同化枝水势、饱和膨压渗透势和根...     

Dynamics of water usage in Haloxylon ammodendron in the southern edge of the Gurbantünggüt Desert

植物的水分来源是荒漠地区植物水分关系研究的重要方面, 有助于理解荒漠植物对干旱环境的适应。为了研究古尔班通古特沙漠主要建群种梭梭(Haloxylon ammodendron)生长季的水分利用动态, 以及其对发生在不同时期相似量级降水脉冲的响应, 利用稳定性同位素技术测量了梭梭小枝木质部水、降水、0-300 cm不同土层的土壤水和地下水的δ ¹⁸O值。水源依据深度划分为4个: 浅层土壤水(0-40 cm), 中层土壤水(40-100 cm), 深层土壤水(100-300 cm)和地下水。然后, 应用IsoSource模型计算了梭梭对潜在水源的利用比例。结果表明: 4月份, 梭梭主要利用浅层土壤水, 利用比例为62%-95%; 5-9月份梭梭主要利用地下水, 利用比例为68%-100%。梭梭对不同时期发生的两场相似量级的降水具有不同程度的响应。5月22日, 6.7 mm降水后第1天, 梭梭对土壤水的吸收达到最大值, 由降水前的9.8%增长为降水后的40.4%, 同时降低了对地下水的吸收, 由降水前的83%-98%下降为42%-81%。8月31日7 mm降水后, 梭梭对土壤水的吸收没有增加, 仍然保持对地下水的高比例利用, 达71%-98%。低的土壤含水量可能抑制了表层根系的活性, 导致梭梭对降水不敏感。由冬季融雪和春季降水补给的浅层土壤水和地下水是梭梭种群可利用的两个重要水源。梭梭的水分利用动态反映了其对干旱环境的适应。     

鄂尔多斯高原3个水土保持树种的水分利用策略

为了解植物对环境的适应对策,通过测定鄂尔多斯高原东部丘陵区3个水土保持树种沙棘、油松和山杏的枝条木质部水和各潜在水源的δ¹⁸O值及叶片的δ¹³C值,应用多元线性混合模型分析各潜在水源的贡献比例,分析3个树种水分来源和水分利用效率的季节动态和种间差异。结果表明: 沙棘、油松和山杏在5月主要利用10 cm深度土壤水,分别占其总水源比例的88.5%、94.0%和91.6%。7月,沙棘主要利用10～25 cm土层土壤水和雨水,比例为44.6%和35.4%;油松主要利用雨水,比例为93.7%;山杏主要利用25～100 cm土层土壤水和雨水,比例分别为55.9%和36.8%。9月,沙棘主要利用25 cm深度和75～100 cm土层土壤水,比例为88.9%;油松主要利用10 cm和50～75 cm土层土壤水,比例为84.5%;山杏利用10～100 cm土层土壤水。5月沙棘的水分利用效率显著高于7月和9月。7月油松的水分利用效率显著高于9月。5月和7月沙棘的水分利用效率显著高于油松和山杏。3个树种在不同季节根据不同水源的可利用性,选择利用不同深度的土壤水或雨水。沙棘和油松干旱时能够提高水分利用效率适应环境变化,可能比山杏更适应当地的半干旱环境。     

黄土丘陵区混交林中油松和沙棘树干液流对降雨脉冲的响应

以黄土丘陵区油松-沙棘混交林为研究对象,运用热扩散式探针(TDP)于2015年6—10月对油松和沙棘的树干液流密度(F_d)进行连续观测,同步测定了光合有效辐射(PAR)、水汽压亏缺(VPD)和土壤水分(SWC)等环境因子,分析两树种对降雨利用的差异.采用Threshold-delay 模型、多元回归分析和偏相关分析方法,研究两树种F_d对降雨的响应过程,并确定环境因子对F_d的影响.结果表明: 随着降雨量递增,两树种F_d的最大变化量都先上升后降低;其中0～1 mm降雨范围内,油松F_d(-16.3%)和沙棘F_d(-6.3%)都明显降低;1～5 mm降雨范围内,油松F_d(-0.4%)降低而沙棘F_d(9.0%)明显升高.油松和沙棘F_d对降雨响应的最小降雨阈值(R^L)分别为6.4和1.9 mm,滞后时间(τ)为1.96和1.67 d.降雨前油松F_d峰值集中在12:00—12:30(70%),沙棘F_d峰值分别集中在10:30—12:00(48%)和16:00—16:30(30%);降雨后油松F_d峰值集中在11:00—13:00(40%),沙棘F_d峰值分别集中在12:00—13:00(52%)和16:30—17:00(24%).降雨前影响油松和沙棘F_d的环境因子大小顺序为PAR＞VPD;降雨后影响油松F_d的环境因子大小顺序为PAR＞VPD＞0～20 cm SWC(SWC_0～20),影响沙棘F_d的环境因子大小顺序为SWC_0～20＞PAR＞VPD.油松-沙棘混交林对水分利用的稳定性较高.     

环境因子对民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林蒸散的影响

利用涡度相关系统、土壤水分TDR传感器,于2014年7月—2015年6月连续测定了民勤绿洲荒漠过渡带退化梭梭人工林蒸散量,研究不同天气条件下梭梭人工林的蒸散对外界环境因子的响应.结果表明: 梭梭人工林晴天蒸散量日变化具有明显的季节变化规律.梭梭人工林蒸散量日变化幅度在生长季初期逐渐增大,在生长旺盛期达到最大峰值(0.07 mm·h^-1), 而后逐渐减小,至12月达到最低峰值(0.01 mm·h^-1).不同天气条件下梭梭人工林蒸散日变化波动幅度差异较大,阴天蒸散日变化波动幅度最小,降水后蒸散波动明显增高,强降水(>9 mm·d^-1)后日蒸散量显著增加至雨前的28倍,然后逐渐减少,并持续4个晴朗日后恢复至雨前蒸散量.在整个观测年,梭梭人工林蒸散总量为108 mm,占降水总量的98%,土壤水是梭梭人工林蒸散的水源,为主导因子.净辐射、光合有效辐射、空气温度、水汽压饱和差是决定植被用水和大气边界层水传输的气象动力,为显著影响梭梭人工林蒸散的主要因子.利用日蒸散量与环境因子数据建立了蒸散与土壤含水量和小气候因子的多元回归方程,拟合度(R²)高达0.80.     

Suppressed apoptosis in the inflamed gastric mucosa of Helicobacter pylori-colonized iNOS-knockout mice

Deregulated cell turnover in Helicobacter pylori (H. pylori)-colonized gastric mucosa has been suggested to be linked to the gastric carcinogenesis pathway. We previously reported attenuation of apoptosis and enhancement of cellular proliferation in the H. pylori-colonized gastric mucosa of Mongolian gerbils as compared to that in mice, which might reflect a specific link between H. pylori colonization and carcinogenesis in the Mongolian gerbils; the difference between the two strains could be attributable to differences in the host genetic background. Inducible-type nitric oxide synthase (iNOS) is thought to participate in not only the inflammatory response, but also in the regulation of gastric mucosal cell turnover in H. pylori-colonized gastric mucosa. Thus, the present study was designed to examine gastric leukocyte activation and epithelial cell apoptosis in the gastric mucosa following H. pylori inoculation in iNOS-knockout mice. Methods: iNOS-knockout mice (iNOS^−/−) and their iNOS^+/+ littermates were orally inoculated with the Sydney strain of H. pylori (SS1, 10⁸ colony-forming units [CFU]). H. pylori infection was confirmed by microaerobic bacterial culture. The stomach of each mouse was evaluated 14 weeks and 30 weeks after the inoculation. Gastric mucosal accumulation of polymorphonuclear leukocytes (PMN) was assessed by determining the myeloperoxidase (MPO) activity and histological score based on the updated Sydney system. The level of apoptosis was determined by estimation of the cytoplasmic levels of mono- and oligonucleosomes and by the terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated deoxyuridine triphosphate nick-end labeling method. Results: The SS1-inoculated mice showed persistent H. pylori colonization for 12 weeks. While gastric mucosal PMN infiltration increased following SS1 inoculation in both iNOS^+/+ and iNOS^−/−strains, enhanced DNA fragmentation was observed in only SS1-colonized iNOS^+/+ mice, and not in the iNOS^−/− mice. In conclusion, although the recruitment of PMN in response to H. pylori was evoked even in the gastric mucosa of iNOS^−/− mice, epithelial cell apoptosis induced by H. pylori was attenuated in this strain. These data suggest that iNOS may play an important role in promoting apoptosis in the H. pylori-infected inflamed gastric mucosa, and that persistent inflammation without apoptosis in iNOS^−/− mice with H. pylori infection may be linked to preneoplastic transformation.     

吉林省长白山区胡桃楸天然次生混交林立地指数模型

依据吉林省长白山胡桃楸天然次生混交林12个典型区域的坡向、坡位分布,结合胡桃楸龄级,布设样地109块,以年龄-树高数据为材料,编制了吉林省东部山区胡桃楸天然次生混交林立地指数表.结果表明: 应用3倍树高标准差法剔除异常数据,最终得到80块379对胡桃楸不同龄级的年龄与树高数据,运用7个数学模型进行比较,确定了单形立地指数导向曲线方程式: H=28.0181(1-e^-0.0341A)^1.0503,决定系数R²为0.85,残差平方和为0.89,基准年龄为50年,指数级距为2 m,得到了16～28 m的7条立地指数曲线.根据不同立地类型,建立了多形立地指数模型,幂函数拟合效果较好,即H=B₀t^B1,其中B₀=10^-9e^0.9213SI,B₁=-0.2139SI+5.6183,最终得到了多形立地指数模型方程式H=10^-9e^0.9213SIt^{-0.2139SI+5.6183}.指数级差法和落点检验法对2种立地指数模型的精度检验表明,多形立地指数的精确度较高,能够准确地反映胡桃楸不同立地类型间树高生长的差异,可用于吉林省长白山区胡桃楸天然次生混交林立地质量评价.     

寄主植物根浸提液对肉苁蓉种子萌发及吸器形成的影响

利用滤纸培养皿法研究藜科植物梭梭和甜菜根水浸提和乙醇浸提两种浸提液对肉苁蓉种子萌发和吸器形成的影响。结果表明: 水和乙醇浸提的根浸提液对肉苁蓉种子萌发和吸器形成无明显作用;两种根醇浸提液添加10 mg·kg^-1赤霉素(GA₃)处理的肉苁蓉种子萌发率均提高了10倍以上,但与只加赤霉素处理组(GA₃对照)无显著差异。在根浸提液中添加1 mg·kg^-1氟啶酮(FL)处理的肉苁蓉种子萌发率与FL对照组无显著差异,其中甜菜根水浸提液处理组肉苁蓉种子萌发率最高,达39.4%。与根浸提液中添加赤霉素处理仅能使萌发率提高不同,寄主根浸提液中添加FL后,萌发肉苁蓉种子芽管上均有吸器形成,梭梭根醇浸提处理的吸器形成率最高,达16.2%。梭梭根醇浸提液中同时添加GA₃和FL,肉苁蓉种子萌发率可提高到52.3%,但吸器形成率与浸提液中添加FL处理无差异;FL对照仅有6.7%的萌发肉苁蓉种子形成吸器,显著低于梭梭根醇浸提液添加FL处理组。不同处理的肉苁蓉种子吸器形成位置和形态有差异,添加寄主根浸提液处理的吸器大多出现在芽管顶端,多个乳头状凸起成爪状;未添加寄主根浸提液的FL对照组吸器出现位置大多在芽管底部或顶端出现分叉。研究证明,乙醇浸提和水浸提两种方式都能从寄主根中提取出促进肉苁蓉种子吸器形成的物质但对促进种子萌发作用不明显;GA₃和FL可显著提高肉苁蓉种子的萌发率,但萌发肉苁蓉种子吸器的形成受寄主根浸提液中某些物质的影响。