趙志軍，單貴蓮，段新慧，姜 華，任 健，陳 功，初曉輝

(1.云南省草地動(dòng)物科學(xué)研究院，云南 昆明 650212； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)系，云南 昆明 650201)

干旱脅迫對(duì)3種冷季型草坪草光譜反射率及生理特征的影響

趙志軍1，單貴蓮2，段新慧2，姜 華2，任 健2，陳 功2，初曉輝2

(1.云南省草地動(dòng)物科學(xué)研究院，云南 昆明 650212； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)系，云南 昆明 650201)

為探討高光譜分析技術(shù)在草坪草水分監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用，以草地早熟禾、高羊茅、多年生黑麥草為試驗(yàn)材料，測(cè)定了干旱脅迫下3種冷季型草坪草生理指標(biāo)及光譜反射率。結(jié)果表明：隨著干旱脅迫程度的加深，供試草坪草葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量顯著下降(P<0.05)，丙二醛含量、脯氨酸含量及敏感波段的(550和760 nm)的光譜反射率顯著上升(P<0.05)，3種草坪草抗旱性能的強(qiáng)弱順序?yàn)椋焊哐蛎?多年生黑麥草>草地早熟禾。3種草坪草敏感波段光譜反射率(R550 nm，R760 nm)及高光譜參數(shù)(Rg，R0，GNDVI)與生理指標(biāo)間呈顯著或極顯著相關(guān)，以R550 nm與生理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大。同時(shí)R550 nm構(gòu)建了供試草坪草生理指標(biāo)的估測(cè)模型，經(jīng)檢驗(yàn)，模型估測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性達(dá)顯著或極顯著水平。

冷季型草坪草；干旱脅迫；生理特征；高光譜反射率；高光譜監(jiān)測(cè)模型

高光譜分析技術(shù)是當(dāng)今遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，具有分析速度快、精度高、結(jié)果穩(wěn)定、對(duì)目標(biāo)物無破壞等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。同時(shí)，因高光譜的波段范圍很寬，如美國ASD Field spec FR 2500光譜儀可達(dá)到350～2500 nm[3]，而肉眼的視覺僅為380～780 nm，因此，通過高光譜技術(shù)可以看到肉眼看不到的變化。居于高光譜遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，近年來，此技術(shù)在農(nóng)業(yè)許多領(lǐng)域(如作物營養(yǎng)狀況的定量分析、產(chǎn)量估測(cè)以及草坪色澤、外觀質(zhì)量及營養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)等領(lǐng)域)得到了廣泛的應(yīng)用。

在草坪質(zhì)量、色澤及營養(yǎng)狀況方面，前人以草地早熟禾(Poapretensis)、高羊茅(Festucaarundinacea)、多年生黑麥草(Loliumperennel)、馬蹄金(Dichondrarepens)等為材料，開展了利用高光譜技術(shù)評(píng)價(jià)草坪質(zhì)量、色澤及營養(yǎng)狀況方面的研究[4-9]，結(jié)果表明，應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)草坪的色澤、外觀質(zhì)量及營養(yǎng)狀況是確實(shí)可行的。但高光譜分析技術(shù)是否能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)草坪草的水分狀況及抗旱生理指標(biāo)，目前鮮見報(bào)道。因此，以草地早熟禾、高羊茅、多年生黑麥草為試驗(yàn)材料，開展干旱脅迫下3種冷季型草坪草生理生化指標(biāo)及光譜反射特征變化的研究，分析草坪草抗旱生理生化指標(biāo)與光譜反射率間的相關(guān)性，篩選出與草坪草抗旱指標(biāo)密切相關(guān)的波段，在此基礎(chǔ)上建立草坪草抗旱生理指標(biāo)定量評(píng)價(jià)的高光譜模型。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料為3種常用的冷季型草坪草種，分別為高羊茅品種美洲虎(Festucaarundinaceacv.Jaquar)、多年生黑麥草品種明星(Loliumperennelcv.Star)和草地早熟禾品種肯塔基(Poapretensiscv.Kentucky)。試驗(yàn)草種均由克勞沃集團(tuán)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于遮雨溫室進(jìn)行。2012年6月20日，將采集于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)草坪基地的土壤(0～5 cm表層土，田間持水量約65%)裝入直徑30.5 cm，高20 cm的塑料花盆，將供試材料均勻播種于花盆，覆土1 cm，正常管理。2012年8月10日進(jìn)行水分脅迫試驗(yàn)，供試材料分別隔5 d(T5)，10 d(T10)，15 d(T15)澆水1次，同時(shí)設(shè)澆水1次/d的供試材料為對(duì)照(T1)，澆水均勻噴灌至飽和(底部有水珠滲出)。每處理20次重復(fù)。9月10日處理結(jié)束，開展草坪草抗旱生理指標(biāo)及光譜反射率的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 抗旱生理指標(biāo)的測(cè)定 處理結(jié)束后，取新鮮葉片測(cè)定葉片相對(duì)含水量、總?cè)~綠素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量。其中葉片相對(duì)含水量采用稱重法測(cè)定，葉綠素含量采用浸泡-比色法測(cè)定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定[10]，3次重復(fù)。

1.3.2 反射光譜數(shù)據(jù)的測(cè)定 采用美國Ocean公司的HR2000光譜儀。在無風(fēng)、晴朗光線充足天氣(2012年9月10日)，于上午10∶00～14∶00進(jìn)行光譜反射率的測(cè)定[11]。測(cè)定時(shí)，利用一個(gè)鐵架固定探頭，移動(dòng)各處理的花盆，探頭垂直向下距離草坪5 cm采集光譜數(shù)據(jù)。測(cè)量期間及時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行校正。每處理40次重復(fù)(模型的建立和檢驗(yàn)各用20組數(shù)據(jù))。

1.4 數(shù)據(jù)分析

選取與草坪草抗旱生理指標(biāo)密切相關(guān)的高光譜參數(shù)(表1)和敏感波段反射率，分析供試草坪草抗旱生理指標(biāo)與高光譜參數(shù)和敏感波段反射率的相關(guān)性，并通過回歸分析建立模型，以確定抗旱生理指標(biāo)與高光譜參數(shù)和敏感波段反射率之間的定量關(guān)系。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)和回歸分析。采用Excel2003作圖。

表1 幾種高光譜參數(shù)

Table 1 Several hyperspectral parameters

高光譜參數(shù)縮寫描述(計(jì)算公式)綠峰反射率Rg波長510～560nm最大的波段反射率紅谷反射率Ro波長640～680nm最小的波段反射率綠一歸一化差GNDVI(R750?R550)/(R750+R550)

注：R750 nm、R550 nm分別表示750 nm、550 nm處反射率

2 結(jié)果與分析

2.1 3種草坪草反射光譜特征比較研究

正常管理水平下3種草坪草反射光譜特征為，在可見光藍(lán)光區(qū)(400～520 nm)，3種草坪植物的光譜反射率較低，該波段的反射曲線具有平滑的形狀和較低的數(shù)值，且3種草坪植物間的反射率差異不大(圖1)。在可見光綠光區(qū)(520～600 nm)，3種草坪植物的反射光譜曲線具有波峰的形態(tài)和中等的反射率數(shù)值，約在550 nm處出現(xiàn)綠光波段葉綠素反射峰(“綠峰”)，原因是可見光綠光區(qū)(520～600 nm)是一個(gè)低光合效應(yīng)的光譜帶，該波段植物對(duì)光的吸收較少，因此光譜反射率相對(duì)較高，且該波段光譜反射率的高低主要受植物體內(nèi)葉綠素含量高低的影響[12]。顏色較深的高羊茅草坪在綠光區(qū)反射率相對(duì)較低，而顏色較淺的草地早熟禾草坪在綠光區(qū)的反射率相對(duì)較高，在“綠峰”處反射率差異尤其明顯，高羊茅為6.89%，黑麥草為7.74%，早熟禾為9.68%。在可見光紅光區(qū)(630～690 nm)，3種草坪植物的反射光譜曲線具有波谷的形態(tài)和較低的反射率數(shù)值，在680 nm處出現(xiàn)紅光波段葉綠素吸收谷(“紅谷”)，原因是可見光紅光區(qū)(630～690 nm)是葉綠素最強(qiáng)吸收的光譜帶，是紅光區(qū)域中具有最強(qiáng)光合活性的光譜帶，該波段光譜反射率主要受植物葉綠素含量、植物的種類和覆蓋度的影響[11]。3種草坪植物的形態(tài)、覆蓋度等較為一致，因此，可推斷該波段3種草坪植物光譜反射率的差異主要是由于顏色的差異引起，顏色較深的高羊茅和黑麥草在該波段的反射率相對(duì)較低，而顏色較淺的草地早熟禾在該波段的反射率相對(duì)較高，在“紅谷”處高羊茅的反射率為2.58%，黑麥草為2.87%，早熟禾為4.27%。在近紅外光區(qū)(760～900 nm)，3種草坪植物的反射光譜曲線形成一個(gè)高反射的平臺(tái)，此波段反射率隨著波長的增加而急劇升高，以760 nm處基本增加至最大值。多年生黑麥草、高羊茅和草地早熟禾的反射率在760 nm處差異也較為顯著，760 nm處高羊茅的反射率為46.46%，黑麥草的為51.28%，早熟禾的為69.54%。

圖1 正常管理水平下3種草坪草的光譜反射率Fig.1 Spectrl reflectance of three turfgrass under normal management

2.2 干旱脅迫下3種草坪草反射光譜及生理指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化

“過去五年，臺(tái)州港抓改革、重創(chuàng)新，促轉(zhuǎn)型、惠民生，其中港口吞吐量節(jié)節(jié)攀升，港口投資創(chuàng)歷史最好紀(jì)錄，核心港區(qū)初步形成，積極融入全省港口一體化的成效逐漸顯現(xiàn)?！迸_(tái)州市港航管理局局長周建業(yè)表示，下階段，臺(tái)州將進(jìn)一步整合各個(gè)港區(qū)資源，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，更加積極地融入長江經(jīng)濟(jì)帶，并通過海鐵聯(lián)運(yùn)向浙西腹地輻射，為浙江西部打通大宗商品物流通道。

2.2.1 干旱脅迫下3種草坪草反射光譜特征動(dòng)態(tài)變化 干旱脅迫下3種草坪草在550和760 nm處的光譜反射率差異相對(duì)較大，即3種草坪草對(duì)干旱脅迫的敏感波段為550 nm和760 nm(圖2～4)。

圖2 干旱脅迫下高羊茅的光譜反射率Fig.2 Reflectance of Tall fascue under drought stress

圖3 干旱脅迫下黑麥草的光譜反射率Fig.3 Reflectance of Perennial ryegrass under drought stress

圖4 干旱脅迫下草地早熟禾的光譜反射率Fig.4 Reflectance of Bluegrassunder drought stress

試驗(yàn)進(jìn)一步以不同脅迫程度3種草坪草在550和760 nm處的光譜反射率進(jìn)行方差分析并作圖(圖5，6)，與T1，T5相比，T10和T15處理下3種草坪草在550和760 nm處的反射率顯著增加(P<0.05)。

圖5 干旱脅迫下3種草坪草在550nm處的光譜反射率Fig.5 R550 of three turfgrass under drought stress

圖6 干旱脅迫下3種草坪草在760nm處的光譜反射率Fig.6 R760 of three turfgrass under drought stress

2.2.2 干旱脅迫下3種草坪草生理指標(biāo)的變化 在干旱或高溫等逆境脅迫下，各種植物葉片相對(duì)含水量均下降，脅迫程度越深，植物葉片相對(duì)含水量越低。對(duì)于不同品種來說，處理?xiàng)l件一致時(shí)葉片相對(duì)含水量減少速度小者抗旱性應(yīng)較強(qiáng)[13-14]。干旱脅迫下3種冷季型草坪草的葉片相對(duì)含水量均下降。與正常灌溉(T1)相比，輕度水分脅迫下(T5)，3種冷季型草坪草的葉片相對(duì)含水量下降不明顯，中度(T10)與重度(T15)脅迫下，3種冷季型草坪草的葉片相對(duì)含水量顯著下降，以草地早熟禾葉片相對(duì)含水量下降較為顯著(圖7)。

圖7 干旱脅迫對(duì)3種冷季型草坪草葉片相對(duì)含水量Fig.7 Effect of drought stress on leaf ralative water content of three cool-season turfgrass

干旱脅迫下3種冷季型草坪草的葉綠素含量均顯著下降(P<0.05)，同一脅迫程度下，3種草坪草葉綠素含量的高低順序?yàn)椋焊哐蛎?多年生黑麥草>草地早熟禾(圖8)。

圖8 干旱脅迫對(duì)3種冷季型草坪草葉片葉綠素的含量Fig.8 Effect of drought stress on chlorophyll content of three cool-season turfgrass

植物器官在逆境條件下，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛(MDA)是其產(chǎn)物之一，通常將其作為脂質(zhì)過氧化指標(biāo)，用于表示細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對(duì)逆境條件反映的強(qiáng)弱[15-16]。干旱脅迫下3種冷季型草坪草MDA含量均呈上升的變化趨勢(shì)，且隨脅迫程度的加深，MDA含量增加幅度變大，若以中度和重度脅迫下各草種MDA含量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，則3種冷季型草坪草抗旱性高低順序?yàn)椋焊哐蛎?多年生黑麥草>草地早熟禾(圖9)。

圖9 干旱脅迫下3種冷季型草坪草丙二醛的含量Fig.9 Effect of drought stress on MDA content of three cool-season turfgrass

圖10 干旱脅迫下3種冷季型草坪草葉片脯氨酸的含量Fig.10 Effect of drought stress on pro content of three cool-season turfgrass

2.3 敏感波段光譜反射率及高光譜參數(shù)與生理指標(biāo)相關(guān)性分析

將篩選出敏感波段光譜反射率(R550 nm，R760 nm)及高光譜參數(shù)(Rg，R0，GNDVI)與生理生化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)，結(jié)果表明：3種草坪草敏感波段的光譜反射率(R550 nm，R760 nm)、綠峰反射率(Rg)和紅谷反射率(Ro)與葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與MDA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與Pro含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。以R550 nm與抗旱生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大。3種草坪植物的GNDVI與葉片相對(duì)含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.689，P<0.05)，與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.795，P<0.01)，與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=-0.724，P<0.01)，與Pro含量相關(guān)性不顯著。

2.4 生理指標(biāo)高光譜監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建與檢驗(yàn)

相關(guān)分析結(jié)果顯示，3種草坪草在550 nm處的光譜反射率與抗旱生理指標(biāo)的相關(guān)性最為顯著，因此，以550 nm處的光譜反射率(R550 nm)與葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量、MDA含量、Pro含量進(jìn)行回歸分析，得出供試草坪草抗旱生理指標(biāo)的高光譜監(jiān)測(cè)模型(表3)。

表2 敏感波段光譜反射率及高光譜參數(shù)與生理指標(biāo)的相關(guān)分析

Table 2 Correlation analysis between reflectance/high spectral parameters and physiological index

綠峰反射率Rg紅谷反射率R0GNDVIR550nmR760nm葉片含水量-0．908??-0．828??0．698?-0．908??-0．761??葉綠素含量-0．942??-0．929??0．795??-0．943??-0．901??丙二醛含量0．936??0．864??-0．724??0．938??0．811??脯氨酸含量0．748??0．667?-0．5270．747??0．586?

注：*和**分別表示顯著相關(guān)(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)

表3 草坪草生理指標(biāo)的高光譜監(jiān)測(cè)模型

Table 3 Estimation model of physiological index based on R550

抗旱指標(biāo)模型方程擬合系數(shù)R2葉片含水量y=-4．1132x+126．110．825???葉綠素含量y=8．0359x-0．52510．917???丙二醛含量y=0．2569x2-0．323x+0．69410．890???脯氨酸含量y=0．0149x2．23510．640??

為了檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將校驗(yàn)樣本550 nm的光譜反射率分別代入上述回歸模型，得到供試草坪草生理指標(biāo)的估測(cè)值，再將模型估測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：供試草坪草葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量的估測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)(圖11～14)，表明以R550 nm建立的供試草坪草抗旱生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型是準(zhǔn)確可靠的。

圖11 葉片相對(duì)含水量的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性(n=12)Fig.11 Correlation between estimated and measured value of RWC

圖12 葉綠素含量的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性(n=12)Fig.12 Correlation between estimated and measured value of Chlorophyll contene

圖13 MDA含量的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性(n=12)Fig.13 Correlation between estimated and measured value of MDA

圖14 Pro含量的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性(n=12)Fig.14 Correlation between estimated and measured value of Pro

3 討論

草坪草的抗旱性是草坪草通過一定的抗旱方式在干旱脅迫下的生存能力，而草坪草的抗旱能力與草坪草葉片相對(duì)含水量，葉綠素含量，丙二醛和脯氨酸含量等指標(biāo)有著緊密的聯(lián)系。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的加深，供試草坪草葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量顯著下降，丙二醛和脯氨酸含量顯著上升(P<0.05)，在較低的細(xì)胞水勢(shì)下維持一定程度的代謝水平，其表現(xiàn)的是耐旱機(jī)制[19]。表明在干旱脅迫下3種冷季型草坪草通過Pro等滲透調(diào)節(jié)物含量的增加來加強(qiáng)其對(duì)干旱的適應(yīng)和抵抗能力，這與其他草坪草在干旱脅迫下的生理變化是一致的[20]。

有研究指出，草坪是覆蓋度較高，低矮、致密、整齊、均一的人工植被，土壤背景、枯葉等因素對(duì)其影響較小，研究高光譜遙感技術(shù)在草坪上的應(yīng)用比天然植被、農(nóng)作物具有更高的精確度[5]。并且，高光譜技術(shù)操作簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，與傳統(tǒng)測(cè)定植物生理指標(biāo)的方法相比，可節(jié)省人力、物力，避免人為因素的影響，并且可以用在大面積草坪水分狀況監(jiān)測(cè)及定量灌溉上[9]。研究建立了草坪草抗旱生理指標(biāo)的高光譜監(jiān)測(cè)模型，經(jīng)檢驗(yàn)，模型具有較高的準(zhǔn)確性，證明利用高光譜分析技術(shù)監(jiān)測(cè)草坪草的水分狀況確實(shí)可行，與前人研究結(jié)論一致[5,9]。

4 結(jié)論

隨著干旱脅迫程度的增加，3種冷季型草坪草葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量顯著下降，丙二醛、脯氨酸含量和敏感波段光譜反射率(R550 nm，R760 nm)顯著上升(P<0.05)。3種草坪草抗旱性能由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋焊哐蛎?多年生黑麥草>草地早熟禾。3種草坪草敏感波段光譜反射率(R550 nm，R760 nm)及高光譜參數(shù)(Rg，R0，GNDVI)與抗旱生理指標(biāo)間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，以R550 nm與抗旱生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大。用以R550 nm構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型來估測(cè)供試草坪的葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量，其估測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有較好相關(guān)性。

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Study on spectral reflectance and physiological characteristics of three cool-season turfgrass under drought stress

ZHAO Zhi-jun1,SHAN Gui-lian2,DUAN Xin-hui2,JIANG Hua2,REN Jian2,CHEN Gong2,CHU Xiao-hui2

(1.AcademeofGrasslandandAnimalScience,Kunming650212,China； 2.DepartmentofGrasslandscience,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

To test the application of spectral analysis technology for water monitoring of turfgrass,the spectral reflectance and physiological indices of three turf grass under drought stress were measured,and the correlationship between spectral reflectance and physiological indices was analyzed.The results showed the leaf relative water and chlorophyll content decreased,and the MDA,proline content,spectral reflectance at the wave of 550 nm and 760 nm of three cool-season turfgrass increased significantly with the deepening of drought stress (P<0.05),and the sequence of drought tolerance of three cool-season turfgrass was tall fescue>perennial ryegrass>bluegrass.The correlationship between spectral reflectance (R550,R760)，hyperspectral parameters (Rg,R0,GNDVI) and physiological indices was significant (P<0.05 or 0.01),and the coefficients were highest between spectral reflectance R550and physiological indices.The monitoring estimation models of physiological indices were constructed based on spectral reflectance (R550).Upon testing,the correlationship between estimated and measured value was significant.

cool season turfgrass;reflectance;spectral monitoring model

2016-05-23；

2016-06-12

國家自然科學(xué)基金(31501999)；云南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016FB047,2010CD061)；云南省教育廳科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2011Z033、2015Z1050)；云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2011Y0477、2015Y204)資助

趙志軍(1979-)，男，云南大理人，助理研究員，主要從事草坪草抗旱機(jī)理方面的研究。 E-mail：523241490@qq.com 初曉輝為通訊作者。

S 688.4

A

1009-5500(2016)06-0023-07