许 丹 伍维模，2* 王家强 李志军，2 武建林

(1 塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔843300)(2 新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

胡杨(Populus euphratica)是杨柳科(Salicaceae)杨属落叶乔木，典型的潜水旱中生至中生植物，为我国首批确定的388 种珍稀濒危植物中的渐危种，是新疆维吾尔自治区人民政府列为优先保护的濒危物种之一［1－2］。胡杨对荒漠生境具有高度的适应性，是重要的荒漠河岸林树种，是研究古植物学和植物对气候变化响应的极有价值的材料，也是改良杨柳科其他树种的优良抗逆基因资源。全世界60%的胡杨天然林集中分布在中国，而中国91.1%胡杨林集中分布在新疆塔里木河流域［1］。胡杨在维持荒漠区生态平衡和南疆区域经济发展中起着举足轻重的作用［3］，它具有重要的生物学与生态学保护利用价值。

叶绿素是广泛存在于绿色植物中的最主要色素，是光合作用的捕光物质，在光合作用中发挥着重要的生理功能［4］。森林冠层叶绿素含量直接控制着森林能量和物质循环，直接反映着森林的健康和胁迫情况［5］。植物在受到病虫害威胁或外界环境胁迫时，叶片叶绿素含量、光合作用等会发生变化。叶绿素含量的变化提供了植物与环境关系的重要信息［6］。利用植物的光谱反射率与叶绿素含量间的相关性可以进行叶绿素含量的估测［7，8］，这种非破坏性、可重复地在一定空间尺度上连续地监测叶绿素的技术与传统的化学分析方法相比较，具有快速、动态和实时的优点，已经在植物叶绿素的动态监测上得到了广泛地应用［9－11］。如黑麦草冠层叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b 与红边位置之间均存在显著相关性［11］。石韧等(2008)测定了健康落叶松与遭受病害落叶松的冠层光谱反射率，根据光谱反射率与落叶松冠层光合色素含量的相关性，建立了诊断落叶松健康状况的遥感方法［12］。

当前，对塔里木河天然胡杨叶片叶绿素含量及其与光谱反射率关系的研究并不多。虽然，王海珍和韩路(2008)测定了阿瓦提县天然胡杨叶片的叶绿素含量［13］，但其结果仅有7月份的，缺乏对胡杨整个生长季节叶绿素含量的变化的研究。袁月等(2009)也仅测定了艾比湖天然保护区胡杨5月份的叶绿素含量［14］。从2000年开始实施塔里木河下游应急输水工程以后，较多的研究人员关注塔里木河下游胡杨叶绿素与土壤水分和应急输水后的响应。在塔里木河下游输水河道，距离河道越远(从100 米至500 米)或者随着地下水埋深的加深，水分胁迫程度逐渐加重，胡杨叶片叶绿素含量也越低［15－18］。

虽然遥感技术已经在植物叶绿素的动态监测上得到了广泛的应用，但是，关于塔里木河流域上游胡杨叶片的光谱反射率与叶绿素含量之关系的基础研究还十分地缺乏。因此，本研究的目的是通过实地测量塔里木河上游天然胡杨叶片的叶绿素含量和可见光－近红外光谱反射率，分析叶绿素含量的季节变化和不同波长光谱反射率与叶绿素含量的相关性，从而为利用遥感技术来监测胡杨叶绿素的变化，评价天然胡杨的健康状况和环境胁迫提供基础理论依据。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于塔里木河流域上游源流区叶尔羌河下游，全年干旱少雨，蒸发强烈，日照充足，热量丰富，降水稀少，温差大，适应多种植物生长发育。年日照时数平均2 915.1 小时，年平均气温10.8℃，7月 份 平 均 气 温25.3℃，1月 份 平 均 气 温－8.3℃，年际温差33.6℃。全年平均无霜期204 天，全年平均降水量42.7 毫米，年蒸发量2 110.5毫米，相差49.4 倍。土壤主要是河相沉积而成，以草甸为主，有较高的肥力。研究区样地位于新疆阿瓦提县胡杨林保护区艾买却克墩镇护林站天然胡杨林，北纬40°17'、东经80°21'，是塔里木河三大源游之一叶尔羌河的下游。胡杨林下地表主要有三种类型分别是盐结壳、风沙土和自然沟。林下植被主要是甘草、柽柳等。先对艾买却克墩镇护林站天然胡杨林区进行二天的野外踏察，结合卫星遥感影像，建立了30 块监测样地(图1)，用GPS 接收机测定了样地的经度、纬度。样地大小设为50 m ×50 m。在每个样地中选择一棵中心树，用红油漆进行标记。

1.2 胡杨光谱数据的采集

采用合肥仪思特光电技术有限公司生产的ISI921VF－512 野外地物光谱辐射计测量胡杨叶片的可见光－近红外反射光谱。测量的波谱范围是393～1 095 nm，共512 个波段，光谱采样间隔为1.4 nm，光谱分辨率为3.5 nm，视场角为2.50。为减小太阳高度角变化对光谱测量结果的影响，测量时间选择在12:00～16:00。仪器探头垂直向下，先测量标准板，然后测定胡杨叶片。叶片放在有阳光直接照射的林间空地的黑布上。测量日期分别是2011年5月22日、6月17日、7月12日、8月3日、9月25日、和10月15。测量当天是晴朗无云无风的天气。每个月份均测量了90 个样本。每个样地测量3 个样本。每个样本是从一棵胡杨中部冠层的枝条上随机选择的10 个叶片，以10 个叶片的光谱反射率的平均值作为样本值。

图1 天然胡杨林研究区样地分布图

1.3 叶绿素含量测定

按照Sims and Gamon(2002)的方法［9］，用丙酮:Tris 缓冲液(体积比为80:20)浸提胡杨叶片中的叶绿素。将新鲜叶片剪成长宽约2 mm的碎片。准确称取0.200 0 克，放入具塞刻度试管中，然后加入20 ml 丙酮:Tris 缓冲液，再放入冰柜中于4℃下避光、密封浸提48 小时以上。待叶片全部变成白色后进行比色测定537 nm，647 nm 和663 nm 波长下浸提液的吸光度。按下列公式计算叶绿素a、叶绿素b的浓度。

叶绿素a(chla)=0.01373A663－0.000897A537－0.003046A647

叶绿素b(chlb)=0.02405A647－0.004305A537－0.005507A663

公式中的A663表示在波长663 nm 时用1 cm的比色杯测量的浸提液的吸光度值。chla，chlb 分别表示浸提液中叶绿素a 和叶绿素b的摩尔浓度，单位是ū molml－1。根据叶绿素a、b的分子量(chla=893.5gmol－1，chlb=907.5gmol－1)和胡杨叶片的含水率、比叶重计算单位叶片鲜重的叶绿素含量(mg/g F w)、单位叶片干重的叶绿素含量(mg/g DW)，和单位叶片叶面积的叶绿素含量(mg/m2)。

1.4 叶片比叶重(cm2/gFw)和含水量的测定

将叶片用万分之一天平准确称取重量(0.0001 g)后，在白纸上用铅笔把叶片的形状描绘下来。然后用哈尔滨光学仪器厂生产的QCJ—2A型数学式求积仪测量叶片图形的面积。叶面积除以该叶片的鲜重即为比叶重。

先用万分之一天平准确称取10 个胡杨新鲜叶片的鲜重，计为W0;然后放入铝盒中，于80℃下烘干24 小时后称叶片的干重，计为W1;叶片含水率φ以干基为准，用下列公式计算。

1.5 数据分析

用方差分析来检验月份间胡杨叶片的叶绿素a、b 和叶绿素a +b 是否存在显著差异。按照完全随机设计试验方案，以6 个月份(5月、6月、7月、8月、9月、10月)为处理，30 个样地作为重复。分别以叶绿素a、b 和叶绿素a+b 含量为自变量，各波长反射率为因变量，对叶绿素与反射率进行相关分析。方差分析与相关分析使用的是DPS 11.5 软件［21］。

2 结果与分析

2.1 胡杨叶片的叶绿素含量

图2 2011年5～10月胡杨叶片叶绿素含量的比较

2.2 叶绿素色素含量与反射率的相关性

从图2 及方差分析可知，在胡杨叶片的生长季节(5月～10月)内，10月叶绿素a、叶绿素b，和叶绿素a+b的含量极显著地低于其他月份。10月叶绿素a、叶绿素b，和叶绿素a+b 分别为47、18 和65 mg/m2，而8月的叶绿素a、叶绿素b，和叶绿素a +b 分别为277、86 和365 mg/m2。5月与8月相比，胡杨叶片的叶绿素a、叶绿素b，和叶绿素a+b的含量无显著差异，8月略高，但未达到显著水平。6月、7月和9月胡杨叶片的叶绿素a、叶绿素b，和叶绿素a+b的含量处于中间水平。从5月～10月，胡杨叶片的叶绿素a 明显地高于叶绿素b的含量。用三种单位表示的叶绿素含量(mg/m2，mg/g F w，和mg/g DW)在不同月份之间的变化规律是相同的，均表现出10月份最低，8月份最高。5月份胡杨叶片的叶绿素含量要高于6月份，从而出现了随月份变化，叶绿素呈现出“两峰两谷”型的现象，即:5月份叶绿素含量是一个“峰”，8月份是另外一个“峰”，6月出现了第一个“谷”，10月出现另外一个“谷”。塔里木河上游胡杨叶片叶绿素含量随季节变化出现的“两峰两谷”现象还未见报道。在塔里木河上游阿瓦提县境内，据气象资料的统计，10月下旬开始出现“初霜”，胡杨叶片普遍开始褪绿，变为淡黄色，至金黄色，出现塔里木特有的金色胡杨的美丽景色。从10月开始，气温下降，日照时间缩短，胡杨叶片内叶绿素降解，含量迅速下降，最后叶片也脱落，表明10月份叶绿素含量最低是符合胡杨的生长规律的。

图3 2011年5月至10月胡杨叶片可见光－近红外波段反射光谱

图3 所示，胡杨叶片5月～10月的可见光－近红外反射光谱符合绿色植物反射光谱曲线的特征。绿色植物在450～500 nm 为中心的蓝波段及以650～680 nm 为中心的红波段，由于光合色素强烈吸收太阳辐射能而形成两个通常被称为“蓝谷”和“红谷”的低反射区。在这两个低反射区(“谷”)之间约550 nm 附近，植物叶片对辐射能吸收很少，因而形成了绿色反射峰即通常所说的“绿峰”。典型绿色植被光谱曲线还有一明显的“红边”特征。植物光谱曲线在红波段的叶绿素吸收谷与近红外波段的高反射肩之间的陡升部分，约在700～750 nm 处，被称为植物的“红边”区。胡杨叶片的可见光－近红外反射光谱也具有“蓝谷”，“红谷”，“绿峰”和“红边”特征，其最高反射率在近红外波段，约35～50%，最低反射率在蓝波段，约为5～12%。在420 nm 和660 nm 附近各有一个反射率极小值(“蓝谷”和“红谷”);在550 nm 附近处有一个反射峰(“绿峰”);在650 nm～800 nm 之间反射率急剧增大(“红边”)，800 nm～950 nm 有高的反射率。10月份在吸收谷670 nm 左右的反射率高于其它5 个月，在750 nm 后明显低于其它5 个月;6月、7月的光谱反射率在950 nm 波长后低于5月、8月和9月。不同月份间的光谱反射率在近红外波段差异最大，蓝、绿波段差异最小。6月至9月的反射光谱曲线具有较大的相似性，但是，10月份有反射光谱曲线与其它5 个月份的有比较明显的差异，表现在近红外波段和"红边"反射率显著下降，低于43%，“红谷”反射率上升，“绿峰”反射率下降。

不同波长位置处的不同月份叶绿素与反射率之间的相关系数表现出显著的差异(图4)。在红光区，胡杨叶片叶绿素与反射率呈负相关关系，这可能是由于叶绿素吸收红色光所致。而在红边区及近红外区和部分蓝光区，叶绿素含量与反射率呈正相关关系。经统计检验，最大相关系数和最小相关系数(负值)均达到了极显著的水平(p＜0.01)。由图4可知，在769 nm 处叶绿素a(mg/m2)、叶绿素b(mg/m2)、叶绿素a+b(mg/m2)含量与反射率呈极显著正相关关系，相关系数最大(r 在0.34～0.41之间)。在645 nm 处叶绿素a (mg/g Dw)、叶绿素b (mg/g Dw)、叶绿素a+b (mg/g Dw)含量与反射率呈极显著的负相关关系，相关系数最小(r 在－0.45～－0.35 之间)。

图4 不同波长位置处胡杨光谱反射率与叶绿素的相关系数注:样本容量为507，显著水平为0.01 时的r 临界值为0.12。

3 讨论与结论

3.1 塔里木河上游胡杨叶片的叶绿素含量在生长季节内不同月份之间存在显著的差异，呈现出“两峰两谷”的现象，其中8月份叶绿素含量最高，10月份最低。

本研究测定了塔里木河上游天然胡杨叶片生长季节内(5月至10月)的叶绿素含量，发现了叶绿素含量随月份变化呈现出"两峰两谷"的现象。据王海珍和韩路测定胡杨叶片7月叶绿素含量为叶绿素a，叶绿素b 及叶绿素a +b 分别为1.39，0.34，和1.74 mg/g Fw。而本研究测得的叶绿素a，叶绿素b 及叶绿素a+b 分别为1.03，0.34 和1.37 mg/g Fw，比王海珍和韩路(2008)的叶绿素a 测定结果略低，而叶绿素b的结果相同。袁月等(2009)对新疆艾比湖自然保护区5月份胡杨叶片的叶绿素测定结果为叶绿素a 0.6～1.4 mg/g Dw，叶绿素b 0.2～0.4 mg/g Dw;而本研究结果为叶绿素a 2.26 mg/g Dw，叶绿素b 0.71 mg/g Dw，明显地要高于袁月等(2009)的研究结果。

3.2 胡杨叶片的可见光－近红外反射光谱符合绿色植物的反射光谱曲线特征。塔里木河上游胡杨叶片的反射光谱表现出绿色植物特有的反射光谱曲线特征，如“红边”，“红谷”，“绿峰”等，且本研究的结果与其它研究人员测定的塔里河中下游的胡杨叶片反射光谱曲线结果是一致的［19，20］。进入10月份之后，由于气温下降，胡杨叶片开始衰老，叶绿素含量明显下降，反射光谱中的“红边”与近红外波段反射率显著下降，“红谷”反射率抬升。

3.3 胡杨叶片叶绿素含量与可见光－近红外光谱反射率之间的相关性因波长不同而不同。随着波长的变化，不同波长位置处的相关系数呈现出“V”型变化。769 nm 和645 nm 是两个具有特殊意义的波长位置。

植物叶片叶绿素含量的估测可以利用高光谱遥感数据与叶绿素的相关性来实现。如杨曦光将Hyperion 数据的像元反射率转化为叶片反射率，从影像上反演出叶片水平的叶绿素含量［5］。通过本研究，作者认为基于单个波长位置的反射率与叶绿素相关性来估测胡杨叶片叶绿素含量将会存在一定的局限性.因为，单个波长处反射率与叶绿素的相关系数绝对值最大不超过0.5，同时，本研究也发现胡杨叶片在769 nm 处的叶绿素含量与反射率呈极显著正相关关系，而在645 nm 处呈极显著的负相关关系。因此，结合多个波长位置的反射率数据或者用高光谱指数(基于两个或多个波长位置的反射率的组合指标)将会比用单一波长位置的反射率来估测叶绿素含量会更有效，这有待于下一步深入地分析研究。

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