干旱胁迫下冬小麦(Triticum aestivum)高光谱特征和生理生态响应

2006年于冬小麦(Triticum aestivum)孕穗期、开花期和灌浆期,采用ASD Fieldspec HH光谱仪测定了不同水分胁迫下冬小麦高光谱反射率、红边参数和对应的冬小麦生理生态参数叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a b(Chla b),叶片水分含量(LWC),叶面积指数(LAI).结果表明,冬小麦生理生态参数随生长发育呈现先上升后下降趋势,Chla、Chlb和Chla b开花期达最大值;LWC和LAI孕穗期达最大值.随干旱胁迫程度增加,Chla、Chlb和Chla b、LWC和LAI减少.不同水分处理下冬小麦高光谱反射率具有绿色植物特征.用红边一阶微分光谱特征参数分析,冬小麦孕穗期和开花期红边(λred)位于728～730nm,灌浆期红边(λred)移到734nm.Chla、Chlb和Chla b与Dλ730:Dλ702、Dλ730:Dλ718,LWC与Dλred、Dλ718以及LAI与Dλ718、Dλred、Sred均呈正相关,相关系数大于0.5(p<0.05).经回归分析,Chl与Dλ730:Dλ702、LWC与Dλred呈线性关系(R2=0.87),LAI与Sred呈二次关系(R2=0.68).因此,用冬小麦高光谱特征及红边参数能判断冬小麦生育后期长势和农田水分胁迫程度.     

基于光谱指数的植物叶片叶绿素含量的估算模型

叶绿素是光合作用能力和植被发育阶段的指示器,是监测湿地植被生长健康状况的重要指标之一;高光谱遥感技术可以为植物叶绿素含量的定量化诊断提供简便有效、非破坏性的数据采集和处理方法。为保证被探测叶片面积相同,消除背景反射、叶片表面弯曲造成的光谱波动及叶片内部变异造成的影响,研究采用Field Spec 3光谱仪加载手持叶夹式叶片光谱探测器,测定野鸭湖湿地典型植物的叶片高光谱反射率数据,同时通过分光光度计室内测定相应叶片的叶绿素含量。采用相关性及单变量线性拟合分析技术,建立二者的关系模型,包括叶绿素含量与"三边"参数的相关模型以及比值光谱指数(SR)模型和归一化差值光谱指数(ND)模型,并采用交叉检验中的3K-CV方法对估算模型进行模型精度检验。结果表明:植物叶片叶绿素含量与"三边"参数大多都呈极显著相关,相关系数最大达到0.867;计算光谱反射率组成的比值(SR)和归一化(ND)光谱指数与叶绿素含量的决定系数,总体相关性比较高,较好的波段组合均为550—700nm与700—1400nm以及550—700nm与1600—1900nm,与叶绿素含量相关性最好的指数分别是SR(565nm,740nm)和ND(565nm,735nm)。并通过选取相关性最佳的光谱特征参数,分别基于"三边"参数和ND模型指数构建了植物叶片叶绿素含量的估算模型。其中,基于红边位置(WP_r)光谱特征参数和ND(565nm,735nm)光谱指数建立的叶绿素含量估算模型,取得了较好的测试效果,检验拟合方程的决定系数(R2)都达到0.8以上,估算模型分别为y=0.113x-78.74,y=5.5762x+4.4828。通过3K-CV方法进行测试和检验,植物叶绿素含量估算模型均取得了较为理想的预测精度,预测精度的分别为93.9%及90.7%。高光谱遥感技术对植被进行微弱光谱差异的定量分析,在植被遥感研究与应用中表现出强大优势,为植物叶绿素含量诊断中的实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。     

水分胁迫对牛心朴子、甘草叶片色素、可溶性糖、淀粉含量及碳氮比的影响

在宁夏灵洲区牛心朴子、甘草自然生境条件下,采用土壤控水措施,研究了土壤水分胁迫对两种优势旱生植物牛心朴子(Cynanchumkomarovii)和甘草(Glycyrrhizauralensis)叶片中的叶绿素;根、茎、叶中的可溶性糖、淀粉含量和C/N比值的影响。结果表明:1土壤水分长期胁迫,导致了这两种旱生植物叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、类胡萝卜素(Car)含量及Chla/Chlb、Car/Chl比值等的显著变化(P<0.01);2甘草Chla的含量和Chla/Chlb的比值始终大于牛心朴子,相反牛心朴子Chlb、Car的含量和Car/Chl比值却又始终大于甘草;3土壤水分长期胁迫引起了两种植物根、茎、叶可溶性糖含量的升高和淀粉含量的降低;4土壤水分长期胁迫引起了两种植物根、茎、叶C/N比值的降低,但牛心朴子C/N比值在处理的各个时期均大于甘草;5土壤水分长期胁迫引起牛心朴子和甘草Chla、Chlb、Car含量及Chla/Chlb、Car/Chl的比值、可溶性糖、淀粉和C/N比值的增加或减少的程度不同。     

乌梁素海湿地芦苇最大羧化速率的高光谱遥感

湿地植被生产力和固碳潜力的研究是全球碳循环和全球变化的热点研究问题。湿地植被的光合能力能够指示其生长的健康状态。最大羧化速率是重要的植被光合参数之一,对精确模拟湿地植被光合作用和气体交换模型中的固碳过程具有重要的作用。以内蒙古乌梁素海湖泊湿地为研究区,进行了芦苇叶片光合参数和光谱的测量。芦苇叶片最大羧化速率(V_(cmax))数值是基于Farquhar光合作用模型,从光合测量获取的A-C_i曲线计算并校正到25℃得到的。分别基于bootstrap PLSR模型、单波段和高光谱植被指数(包括简单比值指数SR和归一化差值指数ND),构建湿地芦苇叶片最大羧化速率(V_(cmax))估算模型。基于高光谱遥感图像HJ-1A HSI,采用ND高光谱指数中具有较高V_(cmax)估算精度的入选波段702和756 nm,获取研究区湿地芦苇最大羧化速率空间分布图。研究结果表明,湿地植被光谱特征和高光谱植被指数,可用于估算湿地芦苇V_(cmax),其中最高精度产生于基于bootstrap PLSR模型的建模方法(R~2=0.87,RMSECV=3.90,RPD=2.72),ND高光谱指数的V_(cmax)估算精度高于SR高光谱指数的估算精度;从获取的V_(cmax)空间分布图上提取估算值,其与测量值对比,存在较好的相关性(R~2=0.80,RMSE=4.74)。     

基于光谱指数的喀斯特植物叶片叶绿素含量定量估算

为了探讨适合于喀斯特植物叶片叶绿素含量估算的光谱指数,在总结以往基于光谱指数的植物生化参数估算研究基础上发现,常用光谱指数通常采用差值、比值、归一化以及倒数差值方式来构建。因此,我们通过上述4种光谱指数构建方式对所采集的4种典型喀斯特植物——黄荆(Vitex negundo)、盐麸木(Rhus chinensis)、朴树(Celtis sinensis)和红背山麻杆(Alchornea trewioides)叶片原始光谱反射率及其一阶导数值与同步测定的叶片叶绿素含量进行遍历分析,以期获得最优光谱指数并将其应用于喀斯特植物叶片叶绿素含量定量估算研究。结果表明:(1)常用光谱指数中,改良红边归一化指数(modified red-edge normalized difference vegetation index, mND705)对喀斯特植物叶片叶绿素含量估算效果较好(决定系数为0.45,均方根误差为0.26 mg·g^-1)。(2)虽然荧光比值(fluorescence ratio index, FRI1)和叶绿素吸收面积光谱指数(chlorophyll absorption area index, CAAI)在估算喀斯特与非喀斯特植物叶片叶绿素含量能力相当,但是其估算精度相对较低(决定系数小于0.45)。(3)通过差值、比值、归一化以及倒数差值方式构建的光谱指数无论是基于植物叶片原始光谱反射率,还是其一阶导数值,相比常用光谱指数都能更好地估算喀斯特植物叶片叶绿素含量(决定系数大于0.60)。其中,基于植物叶片原始光谱反射率一阶导数值的差值光谱指数 [dD(760, 769)]对喀斯特植物叶片叶绿素含量的估算精度最好,其决定系数为0.71,均方根误差为0.19 mg·g^-1。综上可知,结合高光谱遥感技术的光谱指数模型可快速定量估算喀斯特植物叶片叶绿素含量,为典型喀斯特地区植物生长诊断及其对环境胁迫适应性评价提供重要科学依据和技术支持。     

小麦冠层反射光谱与植株水分状况的关系

研究了不同土壤水、氮条件下小麦冠层光谱反射特征与叶片和植株水分状况的相关性．结果表明,在小麦主要生育期,冠层叶片含水率与460～510、610～680和1480～1500nm波段范围内的光谱反射率有较高的相关性,植株含水率与810～870nm波段范围内的光谱反射率密切相关．在整个生长期内,小麦冠层叶片含水率与460～1500nm波段范围内的光谱反射率均有良好相关性,植株含水率与560～1480nm波段范围内光谱反射率的相关性均达到极显著水平．冠层叶片(CL)、上层叶(UL)和下层叶片(LL)含水率与光谱指数的相关程度为CL>LL>UL．冠层叶片和植株含水率与比值指(R(610,560))和光谱指数(R(610,560)／ND(810,610))呈极显著线性负相关,与归一化指数((R810-R610)／(R810+R610))呈极显著线性正相关．其中,用光谱指数(R(610,560)／ND(810,610))监测不同生育期小麦冠层叶片和植株含水率的效果最好。     

外源甜菜碱对盐胁迫下枸杞光合功能的改善

研究了外源甜菜碱对盐胁迫下枸杞扦插苗叶片光合功能的影响。结果表明,外源甜菜碱能使盐胁迫下的枸杞叶片叶绿素荧光动力学参数Fo、Fm、Fv、Fv／Fm、Fm／Fo和Fv／Fo增高,使光合色素叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和类胡萝卜素(Car)含量明显增加,叶绿素a与b的比值(Chla／Chlb)升高,类胡萝卜素与叶绿素的比值(Car／Chl)降低,说明外源甜菜碱有利于植物对光能的捕获、吸收、传递和转换,提高叶片的光合活性,降低盐胁迫对植物的抑制作用。     

基于因子分析的苜蓿叶片叶绿素高光谱反演研究

因子分析是一种能够将具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的多变量统计分析方法,在降低数据维数的同时又可以保存足够的信息,这为处理信息量丰富但冗余较大的高光谱数据提供了一种有效方法。本文利用2010年9月23日采集的16个样点的苜蓿叶片反射率及叶绿素含量数据,采用因子分析方法,分别提取苜蓿叶片反射率光谱400～900nm,以及可见光400nm～760nm和近红外760～900nm光谱区的公共因子,分析因子载荷分布、载荷总量对公共因子与叶绿素含量相关性的影响。利用逐步回归法建立基于公共因子的叶片叶绿素反演模型,并将反演模型与光谱指数建立的模型进行对比。研究表明,1）公共因子与叶片叶绿素的相关性,在更大程度上是与该因子在各个波段上载荷分布有关,而不是总载荷量;2）对波谱进行分区建立的反演模型略优于全区因子分析建立的反演模型;3）与常用于叶片叶绿素含量反演的光谱指数CARI、MCARI、mND680、mND705、mSR705、TVI、DmSR、BGI、BRI相比,因子分析建立的叶绿素反演模型精度更高。     

毛竹出笋后快速生长期茎秆色素含量与反射光谱的相关性

为了探讨毛竹出笋后快速生长期茎秆色素含量与反射光谱特性间的相互关系,测定了毛竹茎秆在快速生长期内的色素含量与反射光谱参数,并对两者进行了相关性分析.结果表明:(1)在毛竹出笋后快速生长期内,随着茎秆不断生长,叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量也随之增加,在60 d时含量最高.(2)反射光谱参数GNDVI、PSDNa、PSSDa、PSSDb、PSDNb、mND705、mSR705、CRI1、ARI1和PRI等均随着茎秆生长而增加,NPCI、SIPI和RGI则随生长而降低;Sred随着茎秆生长基本呈现出不断增大的趋势.各参数在20 d到30 d时的变化均达到极显著水平(P＜0.01).(3)GNDVI、PSSRa、PSSRb、PSSRc、PSNDa、PSNDb、PSNDc、NPCI、mSR705、mND705、CRI2、PRI、Dλred和λred等反射光谱参数与叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量之间的相关性均达到极显著水平(P＜0.01),其中PSSRb、mSR705、CRI2、PRI、ARI1和ARI2与叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量之间的相关性高于或接近0.9,说明毛竹出笋后快速生长期反射光谱特征及其参数可用来估算叶绿素和类胡萝卜素含量,并为利用反射光谱监测其生长趋势提供了可能.     

金叶银杏半同胞子代无性系的叶色和色素含量变化及呈色机制分析

对4月份至11月份金叶银杏‘万年金'( Ginkgo biloba ‘Wannianjin')32个半同胞子代无性系与亲本的叶色差异进行比较;比较了不同色系叶片的色素含量和比值及叶色参数(L*、a*和b*)的变化,分析了叶色参数与叶片色素含量的相关性;并观察了不同色系的叶绿体超微结构。结果表明：32个半同胞子代无性系可被分为金黄、浅黄、草绿和蓝绿4个色系。随时间推移,草绿和蓝绿色系叶片的总叶绿素( Chl)、叶绿素a( Chla)、叶绿素b( Chlb)和类胡萝卜素( Car)含量均呈“双峰型”变化趋势,Car/Chl和Car/Chla比值的变幅均较小;而金黄和浅黄色系叶片的上述色素含量呈“升高—降低—升高”变化趋势,Car/Chl和Car/Chla比值总体呈“迅速下降—相对稳定—缓慢升高”的变化趋势。各色系叶片的上述色素含量在夏季均不同程度下降,Car/Chlb比值变化差异较大,且金黄和浅黄色系的各色素含量均低于草绿和蓝绿色系。随时间推移,金黄和浅黄色系叶片的L*、a*和b*值以及草绿和蓝绿色系叶片的L*和b*值均先降低后升高,后2个色系的a*值则先升高后下降;并且,前2个色系的L*和b*值总体上显著高于后2个色系,而a*值则总体上低于后2个色系。金黄色系的Chla和Chl含量与L*和a*值显著负相关,而其Car/Chl和Car/Chla比值则与L*、a*和b*值显著或极显著正相关;浅黄色系的Chlb含量与a*值显著负相关,其Car/Chla比值与L*和b*值以及Car/Chlb比值与a*值均显著正相关;草绿色系的Chla含量与L*值显著负相关,其Car/Chla比值与L*和b*值以及Car/Chlb比值与a*值均显著正相关;这3个色系叶片的其余指标间以及蓝绿色系叶片的各指标间均无显著相关性。观察结果显示：金黄和浅黄色系的叶绿体基粒片层发育不健全,基粒片层可见但排列较疏松,且无明显垛叠,分布范围小而稀疏;蓝绿和草绿色系叶绿体的基粒类囊体垛叠层数均较多,基粒片层发达且排列紧致、整齐,分布范围大而稠密。综合分析结果表明：‘万年金'4个色系半同胞子代无性系叶片的呈色差异和叶色变化由多种因素控制,其中,Car/Chl和Car/Chla比值高且叶绿体基粒片层发育不健全是叶片呈黄色的主要原因。     

Best hyperspectral indices for assessing leaf chlorophyll content in a degraded temperate vegetation

Extensive studies have focused on assessing leaf chlorophyll content through spectral indices; however, the accuracy is weakened by limited wavebands and coarse resolution. With hundreds of wavebands, hyperspectral data can substantially capture the essential absorption features of leaf chlorophyll; however, few such studies have been conducted on same species in various degraded vegetations. In this investigation, complete combinations of either original reflectance or first‐order derivative spectra we conducted a complete combination on either original reflectance or its first‐order derivative value from 350 to 1000 nm to quantify leaf total chlorophyll (Chll), chlorophyll‐a (Chla), and chlorophyll‐b (Chlb) contents. This was performed using three hyperspectral datasets collected in situ from lightly, moderately, and severely degraded vegetations in temperate Helin County, China. Suitable combinations were selected by comparing the numbers of significant correlation coefficients with leaf Chll, Chla, and Chlb contents. The combinations of reflectance difference (D_ij), normalized differences (ND), first‐order derivative (FD), and first‐order derivative difference (FD(D)) were found to be the most effective. These sensitive band‐based combinations were further optimized by means of a stepwise linear regression analysis and were compared with 43 empirical spectral indices, frequently used in the literature. These sensitive band‐based combinations on hyperspectral data proved to be the most effective indices for quantifying leaf chlorophyll content (R² > 0.7, p < 0.01), demonstrating great potential for the use of hyperspectral data in monitoring degraded vegetation at a fine scale.     

利用高光谱参数反演水稻叶片类胡萝卜素含量

为了探讨快速、准确预测水稻(Oryza sativa)叶片类胡萝卜素(Car)含量的敏感光谱波段和光谱指数, 通过实施涉及不同年份、不同生态点、不同施氮水平和不同品种类型的4个田间试验, 于主要生育期同步测定了水稻顶部4张叶片的光谱反射率及Car含量, 系统分析了350-2 500 nm范围内任意两波段组合而成的比值(SR (λ1, λ2))、归一化(ND (λ1, λ2))及已报道的对Car敏感的光谱指数与水稻叶片Car含量间的定量关系。结果表明, 不同Car含量水平下水稻叶片光谱反射率存在着明显变化, 以绿光及红边波段对水稻叶片Car含量变化最为敏感。723 nm附近的波段与近红外波段的比值组合以及713 nm附近的波段与近红外波段的归一化组合可以较好地预测水稻叶片Car含量, 以SR (723, 770)和ND (770, 713)表现最好, 线性拟合R²分别达到0.897和0.898。基于独立的试验资料的检验表明, 预测值和实测值的拟合R²分别为0.856和0.858, 均方根差RMSE均为0.072, 平均相对误差RE分别为11.9%和12.0%, 表明SR (723,770)和ND (770, 713)可有效地估算水稻上部叶片的Car含量。     

基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测

作物叶片色素状况是评价植株光合效率和营养胁迫的重要指标,冠层叶片色素密度（单位土地面积叶片色素总量）的实时无损监测对作物生长诊断、产量估算及氮素管理具有重要意义。以包括不同品质类型（高蛋白、中蛋白和低蛋白）的多个小麦品种在不同施氮水平下的连续2a大田试验为基础,研究了小麦叶片色素密度与冠层高光谱参数的定量关系。结果表明,叶片色素（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素）密度随施氮水平增加而提高,不施氮处理的叶片色素密度随生育进程而下降,施氮处理的叶片色素密度呈单峰曲线,品种间存在明显差异。群体叶片色素密度的敏感波段主要分布在可见光区,而红边区域导数光谱表现更显著。光谱参数VOG2、VOG3、RVI（810,560）、SRE／SBE和SDr／SDb等与叶绿素密度关系较为密切,线性方程决定系数R^2均在0．858以上,而与类胡萝卜素密度关系减弱,决定系数R^2低于0．780,且参数间差异较小。经独立试验资料的检验表明,VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb对不同色素的估测结果较好,预测相对误差RE低于17．6％,虽然对叶绿素b的准确性稍低。总体上,光谱参数VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb与小麦群体叶片色素密度关系密切,特别是对叶片叶绿素a和叶绿素a＋b的密度可以进行准确可靠的实时监测。     

Evaluation of reflectance spectroscopy indices for estimation of chlorophyll content in leaves of a tropical tree species

The effectiveness of eight spectral reflectance indices for estimating chlorophyll (Chl) content in leaves of Eugenia uniflora L., a tropical tree species widely distributed throughout the world and a key species for ecosystem restoration projects, was evaluated. Spectral reflectance indices were tested using sun and shade leaves with a broad variation in leaf mass per area (LMA). Shortly after plants were exposed to chilling temperatures, there was a dramatic visible change in some sun leaves from green to red. Prior to testing Chl-related reflectance indices, the green and red leaves were separated according to the anthocyanin reflectance index (ARI). Slightly green to dark green leaves corresponded to an ARI value less than 0.11 (n = 107), whereas slightly red to red leaves corresponded to an ARI value greater than 0.11 (n = 35). To estimate leaf Chl, two simple reflectance indices (SR₆₈₀ and SR₇₀₅), two normalized difference indices (ND₆₈₀ and ND₇₀₅), two modified reflectance indices (mSR₇₀₅ and mND705), a modified Chl absorption ratio index (mCARI₇₀₅) and an index insensitive to the presence of anthocyanins (CI_re) were evaluated. Good estimates of leaf Chl content were obtained using the reflectance indices tested regardless of the presence of anthocyanins and changes in LMA. Based on the coefficients of determination (r ²) and the root mean square errors (RMS?_c) the best results were obtained with reflectance indices measured at wavelengths of 750 and 705 nm. Considering the performance of the models the best reflectance indices to estimate Chl contents in E. uniflora leaves with a broad variation in LMA and anthocyanin contents was SR₇₀₅ and mCARI₇₀₅.     

小麦叶片氮素状况与光谱特性的相关性研究

 系统分析了不同时相下两个小麦(Triticum aestivium)品种叶片含氮量及叶片氮积累量与冠层光谱反射特征的关系。结果表明,随施氮水平的增加,小麦冠层在可见光区的反射率逐渐降低,而近红外波段的反射率逐渐升高。小麦叶片氮素状况与比值指数或归一化指数显著相关,两个品种表现极为一致,可以用一个指数方程来拟合。分阶段建模并没有提高模型的精度,因此可以建立一个适用于整个生育时期的通用氮素诊断方程。叶片含氮量同光谱指数在整个生育期内的关系要优于叶片氮积累量的,其中,与叶片含氮量关系最佳的指数为红波段(660 nm)和蓝波段(460 nm)的组合(R2>0.80);与叶片氮积累量关系最佳的光谱指数为中红外波段(1 220 nm)与红波段(660 nm)的组合(R2>0.62)。     

强光胁迫对濒危植物金花茶幼苗生长和叶绿素荧光参数的影响

以当年生盆栽金花茶实生苗为材料,研究不同程度的强光胁迫（25％、50％和100％自然光强,以8%自然光强为对照）对其生长、生物量、叶片光合色素含量、叶绿素荧光参数的影响。结果表明：在不同程度的强光胁迫下,金花茶幼苗的生长均受到抑制,随着胁迫程度的增强,金花茶叶片颜色由深绿变为浅绿、黄绿色,叶片灼伤愈来愈严重;植株抽稍时间推迟,抽稍后长出的新叶长势较差;幼苗死亡率越来越高。幼苗根生物量、茎生物量、叶生物量和总生物量均随胁迫程度的升高而显著降低,强光胁迫对叶生物量的影响最大,根生物量次之,对茎生物量的影响最小。随着胁迫程度的增强,叶片叶绿素总量（Chl）、叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）含量均显著降低,Chla/Chlb和Car/Chl显著升高。叶绿素荧光参数F_o、F_m、F_v、F_v/F_m、F_v/F_o均随胁迫程度的升高降低,强光胁迫使PSⅡ受到了伤害,光合作用原初反应过程受抑制,光合电子传递受到影响,从而抑制植株的正常生长。     

光照强度对广西地不容光合特性和生长的影响

以盆栽当年生广西地不容为材料,研究不同光照强度(100%、50%、30%和15%自然光强)对其光合特性和生长的影响。结果表明:随着光照强度的降低,广西地不容最大净光合速率(P_(max))、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)先减小,而后稍有增大;表观量子效率(AQY)在30%和50%光强下显著高于100%和15%光强处理;叶片叶绿素总量(Chl)、叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、类胡萝卜素(Car)含量随光强的减弱而增大,Car/Chl随光强的减弱而减小,Chla/Chlb比值在各处理间无显著差异;单叶面积随生长光强的减弱而增大,比叶重(LMA)则随着生长光强的减弱而减小;30%光强下广西地不容块根生物量最高,光照过强和过弱都不利于其生物量的积累。广西地不容对光强的适应范围较广,但光照过强或过荫均对生长造成不良影响,光合速率降低,生长减缓,块根生物量积累下降,30%光强是其当年生苗生长的最佳光强。