牛 婷，艾里西爾·庫(kù)爾班，阿布都米吉提·阿布利克木，Philipp Gartner，Birgit Kleinschmit，李海文，奧斯曼·艾力尼亞孜

(1.中國(guó)科學(xué)院疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2．新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830011； 4.德國(guó)柏林理工大學(xué)景觀建筑與環(huán)境規(guī)劃研究所，德國(guó)柏林 10623)

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胡楊葉片生理特性的適宜采樣量研究

牛 婷1，2，3，艾里西爾·庫(kù)爾班1*，阿布都米吉提·阿布利克木1，Philipp Gartner4，Birgit Kleinschmit4，李海文1，奧斯曼·艾力尼亞孜1

(1.中國(guó)科學(xué)院疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2．新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830011； 4.德國(guó)柏林理工大學(xué)景觀建筑與環(huán)境規(guī)劃研究所，德國(guó)柏林 10623)

[目的]探討野外試驗(yàn)的影響因素。[方法]在塔里木河下游典型斷面阿拉干選擇胡楊樹，分3層采集胡楊葉片，測(cè)量其相對(duì)含水量(FMC)、等效水厚度(EWT)和葉綠素含量，探討胡楊不同層次葉片含水量的差異以及代表胡楊葉片平均含水量和葉綠素含量狀況的適宜采樣量，并分析胡楊葉片一天中含水量和葉綠素含量的變化狀況。[結(jié)果]千分之一精度天平即能滿足測(cè)量一片葉片重量需求，冰袋保鮮的時(shí)長(zhǎng)能夠達(dá)到野外試驗(yàn)的要求；胡楊上、中、下不同層次的葉片含水量之間有顯著差異(P<0.01)，采集15片葉片與20片葉片時(shí)FMC、EWT變化率較小，所以采樣時(shí)需分3層采樣，每層采集15片葉片，葉片尺寸要求分布均勻；使用SPAD-502測(cè)量胡楊葉片葉綠素含量，每棵樹采集5、10、15片時(shí)，沒有顯著差異(P>0.05)，即測(cè)量5片即可；一天中葉片F(xiàn)MC、EWT變化較大，但葉綠素含量基本不變化(1.5SPAD單位內(nèi))。[結(jié)論]該研究結(jié)果可為胡楊的野外試驗(yàn)研究提供參考，同時(shí)也為大范圍反演胡楊生理狀況研究提供試驗(yàn)研究。

相對(duì)含水量；等效水厚度；葉綠素含量；胡楊

胡楊(Populuseuphratica)是塔里木河下游荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)的主要建群種之一，具有耐旱、耐鹽堿的特性和防風(fēng)固沙的功能[1]，它的存在與發(fā)展決定著整個(gè)塔里木河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境變遷。含水量和葉綠素含量是反映植物健康狀況的重要指標(biāo)。目前，一系列針對(duì)胡楊在干旱脅迫下的生態(tài)適應(yīng)性研究表明，在干旱脅迫下胡楊內(nèi)含物質(zhì)的變化能夠有效反映胡楊的生理健康狀況[2-7]。然而，關(guān)于檢測(cè)胡楊葉片含水量和葉綠素含量狀況的適宜采樣量研究報(bào)道較少。如何確定適宜的采樣量是在準(zhǔn)備野外試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。筆者探討胡楊葉片平均含水量和葉綠素含量研究中的適宜采樣量問題，旨在為野外胡楊葉片采樣量和保鮮技術(shù)規(guī)范方面提供參考，為胡楊葉片含水量和葉綠素研究采樣規(guī)范化提供切實(shí)可行的依據(jù)，為節(jié)約試驗(yàn)成本和提高試驗(yàn)的可靠性提供技術(shù)支持。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況選擇具有典型代表性的阿拉干斷面作為試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)樣樹分布如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠和庫(kù)魯克塔格沙漠之間，是2個(gè)沙漠交接的地帶，地處88°20′31″ E，40°09′33″N，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，多風(fēng)沙和浮塵天氣，年降水量?jī)H17～40 mm，年潛在蒸發(fā)量高達(dá)2 500～3 000 mm[8]，形成了典型的大陸性荒漠氣候，植被稀疏，主要建群種有胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixramosissima)和蘆葦(Phragmitesaustralis)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1葉片的采集。在野外試驗(yàn)前，在試驗(yàn)室附近從長(zhǎng)勢(shì)良好的成年榆樹上分別取20片葉子，其中10片葉子尺寸逐漸變大，另10片尺寸均一且處于葉片平均尺寸水平，用于天平精度及葉片保鮮方法的檢驗(yàn)。

為探討合適的采樣量、采樣位置及葉片尺寸的影響，在試驗(yàn)區(qū)阿拉干選擇1棵長(zhǎng)勢(shì)中等的胡楊樹，將樹分為上、中、下3層，每層分10片、20片、30片3個(gè)數(shù)量級(jí)采樣，每個(gè)數(shù)量級(jí)按相同尺寸和不同尺寸采樣。

為了確定一天中最合適的采樣時(shí)間，在試驗(yàn)區(qū)阿拉干選擇1棵長(zhǎng)勢(shì)中等的胡楊樹，從8：00點(diǎn)開始按照、上、中、下3層采樣，每層進(jìn)行采集15片葉片，每隔1 h采樣1次，直至下午17：00。于8月8日和8月10日進(jìn)行采樣。

注：新疆政區(qū)圖來(lái)源于新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪局，審圖編號(hào)為新S(2007)268號(hào)。Note：Xinjiang administrative map was from the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Surveying and Mapping，drawings check No.was Xin S(2007)268.圖1　阿拉干樣樹的分布示意Fig.1　Distribution map of sample trees in Arghan

1.2.2葉片的保鮮。采用冰袋法進(jìn)行胡楊葉片的保鮮。將采摘的胡楊葉片用封口袋封裝后放入冰袋內(nèi)，將冰袋置于泡沫箱中，放在沒有陽(yáng)光直射的窗臺(tái)上，分別于8、10、12、24 h后使用千分之一天平稱重。

1.2.3含水量的測(cè)定。FMC和EWT是表征含水量時(shí)常用的兩種方法，尤其是FMC的鮮重百分比的表現(xiàn)形式。選擇FMC和EWT來(lái)表示含水量：相對(duì)含水量(Fuel moisture content，F(xiàn)MC)和等效水厚度(Equivalent water thickness，EWT)。

FMC是葉片中水分含量占鮮葉重的百分比，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，F(xiàn)W為葉片鮮重，DW為葉片干重。

EWT表示單位葉面積的含水量，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中，F(xiàn)W為葉片鮮重，DW為葉片干重，A為葉面積。

葉片的鮮重和干重使用精密天平進(jìn)行稱量。含水量的測(cè)定采用烘干法。首先，105 ℃殺青1 h，然后在75 ℃烘干至恒重。葉片面積的確定方法如下：在試驗(yàn)室中測(cè)量鮮重后，將葉片展平無(wú)重疊整齊擺放在平板掃描儀Epson Perfection 2450上，以分辨率300 dpi、黑白照片的圖像類型進(jìn)行掃描，以tif格式保存圖像；然后，將tif圖像導(dǎo)入ENVI 4.7軟件中，采用閾值法提取圖像中葉片信息，然后利用quick statistics功能統(tǒng)計(jì)葉片信息的像素?cái)?shù)，再將得到的像素?cái)?shù)導(dǎo)入至Excel，除以分辨率的平方90 000，即得到所掃描的葉子的葉面積值。

1.2.4葉綠素含量的測(cè)定。使用SPAD-502活體測(cè)定儀進(jìn)行葉綠素含量的測(cè)定，每片葉子從樣片不同部位重復(fù)測(cè)量5次，取其平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1天平精度的選擇分別用千分之一和萬(wàn)分之一的天平測(cè)量胡楊葉片鮮重和干重。采用SPSS配對(duì)樣本t檢驗(yàn)對(duì)2種精度的天平測(cè)得的干重和鮮重進(jìn)行分析，在置信區(qū)間為95%的情況下，P>0.05說(shuō)明2種精度天平稱量的結(jié)果差異不顯著。因?yàn)樵囼?yàn)室中千分之一天平的秤盤不適合稱量體積較大的樣品，所以選用精度萬(wàn)分之一的天平。

2.2冰袋保鮮的時(shí)長(zhǎng)將胡楊葉片保存在冰袋內(nèi)，8、10、12和24 h后分別稱重，發(fā)現(xiàn)重量在±0.001 g范圍內(nèi)浮動(dòng)。因此，確定冰袋能夠保鮮的時(shí)長(zhǎng)能夠滿足野外采樣的要求。

2.3采樣量、采樣位置及葉片的選取試驗(yàn)結(jié)果表明，上、中、下3個(gè)層次FMC之間的P值均為0，說(shuō)明不同層次之間相對(duì)含水量差異極顯著，3個(gè)層次EWT之間只有下層和中層之間差異極顯著。這說(shuō)明不同層次葉片含水量的差異較大，必須分層采樣。10片、20片或30片不同采樣量之間FMC和EWT的P值均大于0.05，說(shuō)明不同采樣量之間差異不顯著。這說(shuō)明當(dāng)采樣量為10時(shí)已經(jīng)能夠代表這層葉片的含水量的平均水平。從圖2可以看出，10～20片時(shí)的變化率遠(yuǎn)大于20～30片時(shí)的變化率。因此，筆者又分析了15～20片時(shí)FMC的變化率，結(jié)果表明15～20片F(xiàn)MC的變化率較小，與20～30片F(xiàn)MC的變化率差異不大，因此選取每層15片葉片為采樣量。

相同尺寸和不同尺寸之間的t檢驗(yàn)的P值大于0.05，即選擇葉片時(shí)，不一定追求葉片尺寸的均一性，也可以有大的葉片和小的葉片混合，但尺寸不同的葉片所占總?cè)~片的比例要基本一致。基于以上分析，每棵樹分上、中、下3層采樣，每層從4個(gè)方位選取大小分布均勻的15片葉片。

圖2　不同采樣量FMC的變化率Fig.2　Change rate of FMC with different sampling quantity

2.4葉綠素測(cè)定的采樣方法及采樣量的確定葉片在樹上不剪下時(shí)測(cè)量其葉綠素含量，此外從樹上采摘葉片后測(cè)量其葉綠素含量，對(duì)比2種采樣方法測(cè)得的葉綠素含量。然后，用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)的方法，對(duì)2種采樣方法測(cè)得的葉片葉綠素含量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明差異并不顯著。

在研究區(qū)阿拉干，距河道不同距離選擇4棵長(zhǎng)勢(shì)中等的胡楊樹，從不同方位取15片葉片，分別隨機(jī)選取5片、10片、15片，對(duì)5片、10片、15片葉片的葉綠素含量進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果表明差異不顯著，所以認(rèn)為采摘5片葉子測(cè)得的葉綠素含量能夠代表整棵樹的葉綠素含量。

2.5FMC、EWT和葉綠素的日變化為了確定一天中最合適的采樣時(shí)間，選擇1棵長(zhǎng)勢(shì)中等的胡楊樹，從8：00開始對(duì)其按照上、中、下3層，每層15片葉片進(jìn)行采樣，每隔1 h采樣1次，直至17：00。于8月8日和8月10日共采集2 d，8月8日天氣稍晴，10日是微揚(yáng)沙天氣。從圖3可以看出，8月8日測(cè)得的FMC和EWT均有較大波動(dòng)，而8月10日波動(dòng)較小，這可能與8月8日晴朗天氣有關(guān)。含水量表現(xiàn)出較大日變化，可能有以下原因：①重復(fù)少(只有2 d的采樣數(shù)據(jù))；②不同方向葉片含水量差異大，建議分析含水量日變化時(shí)要盡量摘取同一部位的葉片。

圖3　FMC和EWT的日變化曲線Fig.3　Curve of daily variation of FMC and EWT

從一棵樹上選取5片葉片并標(biāo)記，從7：30開始每隔30 min對(duì)標(biāo)記葉片，測(cè)量葉綠素含量，其變化曲線如圖4所示。葉綠素?cái)?shù)據(jù)在1 d內(nèi)的波動(dòng)較小，即在1.5 SPAD單位內(nèi)，而SPAD-502的重復(fù)性誤差為±3SPAD，因此葉綠素的波動(dòng)可忽略不計(jì)。

圖4　葉綠素含量的日變化曲線Fig.4　Diurnal variation of chlorophyll content

3　結(jié)論

正確的保鮮方式、合適的采樣時(shí)間和適度的采樣量是野外試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，是應(yīng)當(dāng)首先考慮的問題。筆者探討了野外測(cè)量胡楊葉片含水量和葉綠素含量時(shí)合適的采樣方法，可為野外試驗(yàn)研究提供參考，同時(shí)也為大范圍反演胡楊生理狀況研究提供試驗(yàn)依據(jù)。因此，在野外采集胡楊葉片樣品時(shí)，應(yīng)注意以下方面：①當(dāng)測(cè)量1片胡楊葉片的重量時(shí)，可選擇精度千分之一的天平，此時(shí)對(duì)同一片葉片的測(cè)量精度與萬(wàn)分之一精度的天平?jīng)]有顯著差異；②野外試驗(yàn)時(shí)，冰袋保鮮法具有靈活、攜帶方便、價(jià)格低廉、保鮮時(shí)間較長(zhǎng)(至少可達(dá)到24 h)等優(yōu)點(diǎn)，可作為野外樣品保鮮的首選；③因位于胡楊上、中、下不同層次的葉片含水量之間有顯著差異(P<0.01)，所以采樣時(shí)需分3層采樣，每層采集15片葉片，葉片尺寸要求分布均勻；④使用SPAD-502 等野外快速測(cè)量?jī)x器測(cè)量葉綠素含量時(shí)，在樹冠頂部選擇5片葉子即可滿足研究要求；葉綠素含量在1 d內(nèi)較為穩(wěn)定，采樣時(shí)間可以在1 d內(nèi)任何時(shí)間。

[1] 梁匡一，劉培君.塔里木河兩岸資源與環(huán)境遙感研究[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1990.

[2] 張青青，徐海量，葉茂，等.不同地下水埋深下胡楊葉片生理指標(biāo)變化特點(diǎn)[J].植物研究，2009，29(4)：453-459.

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Appropriate Sampling Quantity for Detecting Physiological Characteristic ofPopuluseuphraticaOliv. Leaves

NIU Ting1,2,3, Alishir Kurban1*, Abdimijit Ablekim1et al

(1. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi, Xinjiang 830011; 2. Xinjiang Academy of Environmental Protection Science, Urumqi, Xinjiang 830011; 3. Xinjiang Key Laboratory for Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning, Urumqi, Xinjiang 830011)

[Objective] The aim was to discuss influencing factors of field experiment. [Method] SelectingPopuluseuphraticafrom typical section Arakan in the lower reaches of the Tarim River, collecting leaves from 3 layer, theFMC,EWTand chlorophyll content were measured, differences of leaf moisture content at various levels were discussed, as well as the optimal sampling quantity which can represent average leaf moisture content and chlorophyll content, the change of leaf moisture content and chlorophyll content within a day was analyzed. [Result] Libra over one thousand scale precision could satisfy the demand of measuring a piece of leaf weight, ice bag preservation duration could meet the demands of field experiments; there was significant difference in leaf moisture content (P<0.01). FMC and EWT had low rate of changes between 15 and 20 leave samples: we should sample leaves from 3 leaf layers and 15 leaves per layer. There were insignificant(P>0.05) correlation between 5, 10 and 15 leaves, we just need to measure 5 leaves as chlorophyll content. FMC and EWT fluctuated within a day, while the chlorophyll content remained stable(within 1.5 SPAD). [Conclusion] The study can provide reference for field experiment ofPopuluseuphratica, also provide research on large-scale inversion of physiological state ofPopuluseuphratica.

Fuel moisture content(FMC); Equivalent water thickness(EWT); Chlorophyll content;Populuseuphratica

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570536)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010211A57)；德國(guó)大眾基金會(huì)(VolkswagenStiftung)資助項(xiàng)目(Az：88 497)；德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部資助項(xiàng)目(01LL0918G)。

牛婷(1986- )，女，河南商丘人，工程師，碩士，從事遙感信息提取與GIS在資源環(huán)境中的應(yīng)用研究。*通訊作者，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事遙感與GIS在資源環(huán)境中的應(yīng)用研究。

2016-05-02

S 718.43

A

0517-6611(2016)17-009-03