全 文 ：第33卷第 4期　　　　　　　　　 西南 大学 学 报(自然科学版)　　　　　　　　　　　2011年4月
Vol.33　No.4 Journal of Southw est Unive rsity (N atural Science Edi tion) Apr.　2011
文章编号:1673-9868(2011)04-0093-06
水淹胁迫下枫杨(Pterocarya stenoptera C.DC.)
幼苗叶片高光谱特征的研究①
谢小红 , 　魏　虹 , 　李昌晓 , 　孙晓灿 , 　孟翔飞
1.西南大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室 , 重庆 400715;
2.西南大学 生命科学学院 , 重庆 400715
摘要:测量了 3 个水淹深度(对照 、 根部水淹 、全淹)条件下枫杨叶片的高光谱反射率 、 红边参数及对应的叶绿素总
含量 , 对归一化植被指数与叶绿素总含量进行了相关分析.结果表明:①在水淹胁迫下 , 枫杨叶片的高光谱反射率
呈现下降的趋势 , 且在蓝光波段(400～ 500 nm)和近红外波段(760 ～ 950 nm)表现为极显著差异;②随着水淹程度
的加深 , 枫杨叶片叶绿素含量显著下降(p<0.05);③红边特征的分析显示 , 随着水淹程度的加深 , 叶片光谱出现
了蓝移的现象 , 红边斜率呈现下降的趋势;④叶绿素总含量与归一化植被指数(R705/ R750)呈正相关 , 相关系数为
0.86(p<0.01).经回归分析 , 叶绿素总含量与归一化植被指数呈线性关系(R2 =0.80 , n=42).认为枫杨叶片高光
谱特征及归一化植被指数可较好地反映枫杨的叶绿素含量和水淹胁迫的程度.
关　键　词:枫杨;高光谱;红边;归一化植被指数;水淹胁迫
中图分类号:Q945;Q948 文献标志码:A
三峡库区消落带是水域与陆地环境的过度地带[ 1-3] , 季节性的裸露和淹没 、流水的反复冲刷 、人类的
频繁活动使三峡库区消落带成为生态脆弱区[ 4] .
消落带植被的好坏是水库能否健康运行的重要表征 , 在河流生态系统中发挥重要的作用[ 5] .遵循植物
群落演替规律 、根据消落带不同高程的生境特点选择适合的物种 , 对于恢复消落带植被 、建设好库岸防护
林 、保障三峡库区消落带生态功能的发挥具有重要意义[ 4] .
枫杨(P terocaryastenop tera C.DC.)属胡桃科枫杨属落叶速生乔木[ 6] , 是我国亚热带地区的乡土树种 ,
常见于河岸带和消落区[ 7] , 有研究表明 , 枫杨能够耐受较长时间的水淹胁迫 , 可以作为三峡库区库岸修复
的备选物种[ 8] .但目前对枫杨的研究主要集中于对其木材解剖学特征以及水淹对枫杨生理生态的影响等方
面 , 而对水淹胁迫下枫杨叶片的高光谱反射率变化的研究较少[ 9-12] .
高光谱遥感技术已被广泛用于研究各类环境胁迫对不同植物所造成的影响[ 13] .了解植物反射光谱在
重金属污染 、盐胁迫 、水分亏缺等胁迫下的变化特征 , 可以快速地获得环境胁迫对植物生理生态的影
响[ 14-16] .本试验采用高光谱分析方法 , 研究了枫杨叶片在不同水淹条件下叶片反射光谱的特征 、枫杨叶片
的红边特征 , 构建了归一化植被指数 , 拟为监测植被在水淹条件下的生长生理状况提供快速 、有效的方法.
1　材料与方法
1.1　试验材料和地点
试验地位于西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室实验基地(海拔 249 m).2009年 3月播种枫
① 收稿日期:2010-11-03
基金项目:重庆自然科学基金资助项目(CST C-2008BA7032).
作者简介:谢小红(1986-), 女 , 四川绵阳人 , 硕士研究生 , 主要从事植物生理生态学研究.
通信作者:魏　虹 , 教授.
DOI :10.13718/j.cnki.xdzk.2011.04.035
杨种子 , 2009年 6月选取 80株长势一致的幼苗 , 移栽入盆 , 每盆 1株 , 进行常规田间管理 , 2009年 8月 5
日 , 选取 50盆长势一致的枫杨进行水淹处理.
1.2　试验设置
将试验用苗随机分为 3组 , 包括对照组 T1(不进行水淹 , 但保证正常供水)、根部水淹组 T2(植株根部
土壤全部淹没 , 淹水超过土壤表面 5 cm)和水淹组 T3(植株全部淹没 , 淹水超过植株顶部 5 cm).试验处理
时取 5株用于 0 d测量 , 其余 3个处理各取 15株.对照处理置于实验基地大棚下 , 给予正常水份供应;根
部水淹组苗盆放入直径 68 cm 、高 20 cm 的大塑料盆中 , 向盆内注入水并保持水面超过土壤表面 5 cm;水
淹组苗盆放入直径 60 cm 、高 1.2 m 的塑料桶内 , 向桶内注水并保持水面淹过植株顶部.取样间隔时间分
别为 0 , 10 ,20 ,30 d , 每组每次取 5株.
1.3　叶绿素含量分析
采用浸提法[ 17] , 用岛津 2550分光光度计在 645 nm 和 663 nm 处测定叶绿素浸提液的吸光值 , 再依据
公式将其转为含量(mg/g).
1.4　光谱反射率的测定
利用美国 ASD(A naly tical Spectral Devices)公司 FieldSpec HandHeld 便携式地物波谱仪测定枫杨叶
片光谱反射率 , 波长范围 350 ～ 1 050 nm , 采样间隔为1.5 nm .光谱测试过程中 , 叶片平铺于黑色背景工作
台上 , 光纤探头垂直向下 , 距样品 25 cm , 探测范围为29 cm2 , 保证样品充满仪器的视场角.每个样品同时
采集 10条光谱曲线 , 取平均作为该样品的最后光谱曲线.
1.5　光谱参数
归一化植被指数(NDV I)是使用最广泛的一种植被指数[ 18] , 其计算公式为:
ND VI =(R ref -R index)/(R ref +R index)
式中:R ref为参考波段的叶片反射率;R index为核心波段的叶片反射率.由于 R705/R7 50[ 19] 对高叶绿素浓度不
易出现饱和的现象[ 20] , 所以本试验选取 R 705/R750两个波段构建归一化植被指数.
红边是指在植物的光谱曲线在红到近红外(680 ～ 740 nm)范围内光谱反射率一阶微分所对应的最大
值[ 21] , 其计算公式为:
R′(λi)=R(λi +1)-R(λi -1)/2Δλ
式中:λi代表波长位置 , R(λi)和 R′(λi)分别表示该位置处的光谱反射率及其一阶微分值;Δλ表示两个相
邻波长的间距.
1.6　数据分析
利用 View specPro 后期处理软件和 Excel 2003对光谱数据进行处理;利用统计分析软件 Spss13.0进
行特征光谱分析.
2　结果与分析
2.1　不同水淹程度下枫杨叶片光谱反射率变化及其差异性分析
叶片是植物进行光合作用的主要器官 , 叶片的光谱反射曲线能形象地反映叶片的生长状况.从图
1可知 , 枫杨叶片反射率随水淹程度的增加而呈现逐渐降低的趋势.处理 10 d后 , 在 500 ～ 680 nm 波
段及 760 ～ 950 nm 波段 T2 , T3 组的反射率均明显低于 T1组的反射率;处理 20 d后 , T2 , T3组的反
射率变化趋势与 10 d的变化趋势基本一致;处理 30 d后 , T 1组的光谱曲线呈上升趋势 , T3 组的光
谱曲线则全面衰减.
为了进一步分析各处理组反射率的差异性 , 在350 ～ 950 nm 波段范围 , 每隔5 nm 取 1数据点 , 划分为
紫外波段(350 ～ 400 nm)、蓝光波段(400 ～ 500 nm)、绿光波段(500 ～ 600 nm)、红光波段(600 ～ 680 nm 、
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680 ～ 760 nm)、近红外波段(760 ～ 950 nm), 分别得到 11 , 21 , 17 , 17 , 39个数据点 , 对其进行方差分析 ,
结果发现(表 1), 处理 10 d后 , 紫外波段 、蓝光波段 、近红外波段的反射率显示为极显著(p <0.01);处理
20 d后 , 蓝光波段 、近红外波段的反射率显示为极显著(p<0.01);处理 30 d 后 , 各波段反射率均显示为
极显著.
图 1　不同时间各处理组叶片反射光谱曲线
表 1　不同水淹程度对枫杨高光谱特征的差异性研究
波　　　段
处　理　时　间
10 d
F p
20 d
F p
30 d
F p
紫外波段(350 ～ 400 nm) 13.15 7.912×10 -5 0.74 0.485 112.37 1.162×10-14
蓝光波段(400 ～ 500 nm) 19.60 2.818×10 -7 58.23 8.816×10 -15 787.43 8.711×10-44
绿光波段(500 ～ 600 nm) 3.155 0.050 4.33 0.018 29.31 1.316×10-9
V 红光波段(600 ～ 680 nm) 1.77 0.182 4.33 0.011 27.36 1.175×10-8
红光波段(680 ～ 760 nm) 0.42 0.661 2.78 0.071 8.35 7.751×10-4
近红外波段(760 ～ 950 nm) 2 107.15 9.408×10 -91 8 640.31 1.502×10 -22 59 148.83 1.148×10-172
2.2　不同水淹程度下枫杨叶绿素含量变化
不同水淹程度对枫杨叶片的总叶绿素含量的影响程度由大到小依次为 T1 , T2 , T3;随着处理时间的延
长 , T1组的叶绿素总含量呈现增加的趋势 , T2 , T3组表现为显著降低趋势(p<0.05);处理 30 d后 , T2 ,
T3组枫杨幼苗总叶绿素含量分别为 T1组植株的 73.98%和 65.43%(表 2).
表 2　不同水淹程度下枫杨叶片叶绿素总浓度的动态变化(平均值±标准误)
处理时间/ d T1 T2 T3
0 2.56±0.065 a 2.56±0.065 a 2.56±0.065 a
10 2.57±0.042 a 2.36±0.054 ab 2.22±0.111 b
20 2.66±0.010 a 2.26±0.074 b 1.93±0.058 c
30 2.69±0.091 a 1.99±0.041 b 1.76±0.129 b
　　注:不同字母代表在 p<0.05 水平上的差异显著.
2.3　不同水淹条件下枫杨叶片红边特征分析
红边是由于植被在红光波段处吸收叶绿素与近红外波段处光在叶片内部的多次散射形成的强反射而形
成的 , 是植物光谱的最显著标志[ 22] .由图 2可知 , 随着水淹时间的延长 , T1组的红边位置由 0 d的 700 nm
增长到 30 d的 701 nm , 向长波方向偏移了1 nm ;处理30 d后 , T2组的红边位置向短波方向偏移了 2 nm ,
T3组的红边位置向短波方向偏移了 3 nm.随着处理时间的增加 , T1组的红边斜率呈现上升的趋势 , 而 T2
组和 T3组均呈下降的趋势 , 且 T3组下降的幅度大于 T2组.
95第 4期　　　 　谢小红 , 等:水淹胁迫下枫杨(Pterocarya stenoptera C.DC.)幼苗叶片高光谱特征的研究
图 2　不同水淹程度下枫杨叶片红边参数特征
图 3　归一化植被指数与叶绿素总含量的回归关系模型
2.4　归一化植被指数与叶绿素总浓度的相关性
环境胁迫对于植物叶绿素含量具有直接的影响 , 植
物的叶绿素含量与其光合能力 、发育阶段和氮素状况有
较好的相关性 , 是评价植物生理状况的常用指标[ 23] .利
用光谱指数提取叶绿素含量是高光谱数据评估植物叶绿
素浓度的主要方法之一 , 它既考虑了部分植物叶片内部
的物理结构 , 同时算法比较简单[ 24] .通过相关分析 , 叶
绿素总含量与归一化植被指数呈正相关 , 相关系数为
0.86(p<0.01).用 0 ,10 ,20 ,30 d测量的叶绿素总含量
与归一化植被指数进行线性回归分析(图 3), 得到模型
方程:
y =7.04x +0.2
式中:y 为叶绿素总浓度 , x 为归一化植被指数 , 得出的确定系数(R2 =0.80 , n=42)具有较高的拟合度.
应用均方根误差对模型精度进行检验 , 得出均方根误差为 0.159 3.将枫杨叶片的叶绿素总浓度实测值与
模型估测值的相关性进行检验 , 其复相关系数 R2 =0.81 , n=42(p<0.01).
3　讨　　论
叶片是植物进行光合作用的重要器官 , 而叶绿素含量的多少直接影响植物的生长.当植物受到水淹胁
迫后 , 各种生理过程受到干扰 , 造成膜系统结构破坏 、有害代谢产物积累 、蛋白质合成下降等后果 , 直接或
间接地影响了叶绿素的含量[ 25] .有研究表明 , 水淹会造成枫杨叶片叶绿素含量的减少[ 12] .本试验中 , 除对
照组的叶绿素总含量呈上升趋势外 , 其余两组的叶绿素含量均呈下降的趋势 , 且水淹组叶绿素含量明显低
于根部水淹组 , 这与吕茜等[ 11] 的研究一致.
不同水淹胁迫影响下枫杨叶片的高光谱特征不同.水淹处理后 , 根部水淹组与水淹组的反射光谱
仍具有一般绿色植物的特征;但是在水淹胁迫 10 d 时 , 枫杨叶片反射率在可见光范围内的紫外波段
(350 ～ 400 nm)、蓝光波段(400 ～ 500 nm)已表现为显著性降低 , 且水淹组下降的趋势大于根部水淹
组;随着处理时间的推移 , 水淹处理的枫杨叶片在可见光波段的反射率均显著降低.有研究表明 , 在
可见光波段(350 ～ 760 nm), 叶片反射率主要是由叶绿素含量决定[ 26] , 植物受到胁迫的初期 , 便能从
植物的可见光波段反射率反映出植物是否受到胁迫[ 27] .本试验发现 , 随着水淹程度的加深 , 在可见
光波段枫杨叶片光谱呈下降的趋势 , 这可能是由于水淹导致叶绿素含量下降从而引起叶绿素对红 、蓝
光波段的吸收降低以及对绿光波段的反射降低.
红边参数与叶绿素含量之间有密切关系[ 28] , 植物在生长期 , 随着叶绿素含量的增加 , 植物对于红光
的吸收也在增加 , 红边位置向长波方向偏移(红移);当植物受到环境胁迫 , 叶绿素含量降低 , 造成植物
对红光的吸收降低 , 红边位置向短波方向偏移(蓝移).红边参数已广泛应用于评价环境胁迫对植物的影
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响及评估植物的叶绿素含量[ 28-29] , Pock[ 30]等观察到云杉在环境污染胁迫下 , 由于针叶叶绿素下降使红
边位置蓝移 5 nm , 谷艳芳[ 30] 等研究认为干旱胁迫导致冬小麦红边位置蓝移 , 红边斜率下降.本试验发
现 , T1组红边位置随着处理时间的延长发生红移 , 这是因为生长期 , 叶绿素含量由 0 d的 2.56 mg/g 上
升到 30 d的 2.69 mg/g , T2 、 T3组红边位置均向短波方向偏移(蓝移), 这是由水淹胁迫使枫杨叶绿素
含量下降而引起的.
归一化植被指数与水淹条件下枫杨叶片叶绿素总浓度关系密切.基于 R705/R750波段构建的归一化植被
指数估算模型 , 其均方根误差达到了 0.159 3 , 相关系数达到了显著水平(R2 =0.80), 因此该模型能够较好
地估测水淹胁迫下枫杨叶绿素含量.
综上所述 , 水淹胁迫使枫杨叶绿素含量下降 , 引起可见光波段的反射率下降以及红边位置蓝移.在水
淹胁迫的初期 , 通过对枫杨叶片的光谱反射率及红边特征的分析 , 可以得知枫杨是否受到水淹胁迫的影
响;同时通过归一化植被指数构建的简单模型可以较好地估算枫杨叶绿素含量 , 对枫杨受到胁迫进行进一
步的评价.本试验结果显示 , 可以利用叶片光谱对水淹胁迫下枫杨进行快速 、有效的检测.
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Hyperspectral Characteristics of Chinese Wingnut
(Pterocarya stenoptera C.DC.)Leaves under Flooding Stress
XIE Xiao-hong , 　WEI　Hong , 　LI Chang-xiao ,
SUN Xiao-can , 　MENG Xiang-fei
1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education),
　 Southwest University , Chongqing 400715 , China;
2.School of Life Science , Southwest University , Chongqing 400715 , China
Abstract:In the expe riment , three flo oding-depth levels w ere set , i.e.control(T1), below-g round sub-
mergence(T2)and complete submergence in wa ter (T3).The ref lectance spect ra of Chinese w ingnut
(P terocarya stenoptera C.DC.)leaves , the red edge paramete rs and the co rresponding chlo rophyl l content
were measured , and the relationship between the no rmalized dif ferential vegetation index (NDVI)and total
chlo rophyll concentration w as analyzed.The results showed that the ref lectance spect rum decreased under
flo oding st ress , especially at the w avebands of 400-500 nm and 760-950 nm , w ith highly significant
dif ferences(p <0.01).With increasing depth of f looding , total chlorophyll content of P. stenoptera
C.DC.leaves decreased signif icantly (p<0.05).The fi rst derivat ive spect ra w ere used to determine the
w avelength of the red-edge , and the results showed that w ith the increase in depths of f looding the red
edge posi tion moved to sho rt band and red amplitude tended to decrease.Construction o f the NDVI index
and the Chinese w ingnut leaf chlorophy ll content had a high deg ree of fi tt ing (R2 =0.80 , n=42), and w as
po sitively correlated(r =0.86 , p<0.01).
Key words:P terocarya stenoptera C.DC.;hyperspect rum;red edge;NDVI;f looding st ress
责任编辑　胡　杨　　　　
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