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地下水埋深对胡杨生理学指标的影响及其光谱特征响应

王家强  
【摘要】:胡杨林在新疆塔里木盆地河流沿岸构成了天然绿色走廊,维持着荒漠绿洲过渡带荒漠河岸生态系统的稳定性,地下水是胡杨获取水分的唯一来源,对胡杨的生存及生长起到及其关键的作用。地下水位下降,导致胡杨生存环境逐渐恶化,对区域胡杨林进行客观准确地健康监测,成为了迫切需要解决的问题。本研究在叶尔羌河下游天然胡杨林保护区不同地下水埋深区域设定研究样地,获取胡杨叶片的光谱反射率及生理学指标密度,分析胡杨叶片光谱特征及生理学指标密度变化特征,进而利用PROSPECT-SAIL模型,模拟胡杨冠层光谱,筛选敏感波段,通过机器学习算法,建立胡杨冠层生理学指标估测模型,完成基于高光谱遥感的胡杨生理学指标密度制图,以期揭示塔里木河胡杨林植物生理学指标的空间变化信息,为天然胡杨林精准管理及荒漠河岸生态系统的保育提供科学依据。本研究地下水埋深范围的设定,与干旱胁迫相对应,地下水位越深,干旱胁迫越严重,主要研究结果如下:(1)地下水埋深为8-10 m区域内胡杨叶绿素密度、类胡萝卜素密度、叶绿素与类胡萝卜素的比值比正常条件下有显著降低,叶绿素a与叶绿素b的比值显著升高,说明受干旱胁迫,胡杨的光合强度与抗逆能力在下降;SOD、POD、MDA、SSC、Pro随地下水埋深的增加,有升高趋势,以抵御过多的活性氧自由基的伤害,并对胞内渗透势进行调节或产生次级代谢产物等,来提高胡杨的抗旱性。ABA、Z、ZR随地下水埋深增加呈现持续增加的趋势。ABA作为一种植物激素,在胡杨受干旱胁迫时,对其有生长抑制作用,ABA也能阻止POD、SOD活性降低,有效调节活性氧的代谢平衡,ABA与许多生化组分有复杂的联系,干旱胁迫时会呈持续升高的态势。Z和ZR浓度持续较高,能促进冠层叶片发育,增强冠层叶片光合适应性;一方面可能是在干旱胁迫下各激素需要达到平衡,另一方面可能是使胡杨在其形态和生理上与干旱胁迫相适应,来提高抗旱能力。由于干旱胁迫,叶片比叶重增加,需要大量元素来进行叶片结构的改变。Fe~(2+)、Mn~(2+)、Cu~(2+)的增加说明胡杨趋于保持正常的养分代谢功能,增强自身的抗性;Zn~(2+)随地下水埋深的增加,密度显著降低,一方面说明其他离子如Fe~(2+)、Mn~(2+)、Cu~(2+)等吸收增加抑制了胡杨对Zn~(2+)的吸收,另一方面Zn~(2+)吸收的降低说明如果胁迫进一步加剧胡杨的部分生理代谢功能将会受到影响。K~+、Ca~(2+)吸收量增加,Na~+吸收量下降,说明细胞趋于保持高的K~+/Na~+,降低细胞内的渗透压。(2)地下水埋深为6-8m和8-10m的胡杨叶片红谷位置及近红外区域的光谱反射率与其他地下水埋深梯度的胡杨叶片有显著差异,利用5nm和10nm重采样的一阶/二阶导数光谱及光谱相似性参数SID、SAM能够区分不同地下水埋深的胡杨叶片光谱曲线。包络线去除光谱显示出两个明显的吸收谷,在500nm附近的吸收谷,ρ_(500)(反射率)、W_(500)(吸收宽度)随地下水埋深增加,呈上升趋势,而λ_(500)(吸收位置)、Tan_(500)(斜率)、S_(500)(对称度)、SAI_(500)(吸收指数)呈下降趋势;在675nm附近的吸收谷,ρ_(675)、SAI_(675)随地下水埋深增加,呈上升趋势,而H_(675)(吸收深度)、Tan_(675)、AL_(675)(左面积)、AR_(675)(右面积)、A_(675)(总面积)、W_(675)呈下降趋势;Tan_(500)和W_(675)与叶绿素密度的相关性最高。随地下水埋深增加,蓝边、黄边、红边、绿峰,红谷的吸收强度均在减弱,黄边、红边幅值均在减小。红谷参数与大部分生理学指标都有极显著的相关性,吸收特征参数Tan_(500)、W_(675)和红谷参数是胡杨叶片生理学指标特征变化的敏感因素。(3)通过PROSPECT-SAIL模型模拟了胡杨冠层光谱,构建了NDVI、RVI、DVI光谱指数,对反演胡杨冠层生化组分的最优光谱指数进行了筛选。利用筛选的光谱指数作为建模因子,构建了SVM、RF和ANN胡杨冠层生理学指标估算模型。其中SVM估算模型有Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Ant、N、SLA、Ca、ABA、2ipr、Z、ZR和2ip这14个指标模型通过了精度验证;故而推荐SVM算法作为本研究的最佳建模算法,可为基于影像的估算建模里模型方法的选择提供了依据。(4)基于AHSI高光谱影像,采用SVM模型对胡杨生理学指标进行估算建模,结果表明Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Ant、Chl/Car、N、SLW、SLA、Fe、Mn、Zn、Ca、ABA、GA3、Z、ZR这17个指标的估算模型的验证精度达到建模要求,综合这些指标,完成了区域胡杨林健康评估,并用制图表达了结果。


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