李 珊, 盧 霞, 鄭 薇, 何 爽, 林 輝, 羅文強(qiáng), 林雅麗*

(1.江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.蘇州科技大學(xué) 地理科學(xué)與測繪工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

引 言

濕地植被作為初級生產(chǎn)者，在整個濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，而土壤鹽度和地下水位是直接影響植物生長生理指標(biāo)的重要環(huán)境因素[1-2]。其中，植物形態(tài)學(xué)[3]、生物量[4]、葉綠素含量[5]及可溶性糖含量[6]等生長生理指標(biāo)對土壤水鹽條件響應(yīng)顯著。另一方面，植物受水鹽脅迫后生長生理指標(biāo)發(fā)生的變化對光譜反射率亦有所響應(yīng)[4,7]，即植物光譜也可能用于指示水鹽脅迫。鹽地堿蓬(Suaedasalsa)由于具有較高的耐鹽性，是重度鹽堿濕地的先鋒物種和主要修復(fù)植物[5]。關(guān)于淹水脅迫和鹽脅迫對鹽地堿蓬的影響，前人已做大量研究[8-9]，但大都基于單因素脅迫，關(guān)于水鹽雙重脅迫的研究較少[10]。然而在自然環(huán)境中，淹水脅迫和鹽脅迫往往同時作用于鹽地堿蓬，水鹽雙重脅迫下鹽地堿蓬生長及生理方面的響應(yīng)可能與單因素脅迫產(chǎn)生較大差異[11]。因此，開展鹽地堿蓬生長生理指標(biāo)與水鹽雙重脅迫的相關(guān)性研究對濱海濕地植物適應(yīng)性以及退化濕地生態(tài)修復(fù)具有重要意義。管博[5]研究了不同地下水位深度以及不同鹽濃度的交互作用對鹽地堿蓬幼苗生長和抗氧化酶活性的影響。但對不同水、鹽脅迫的交互作用影響下鹽地堿蓬的生理生態(tài)和反射光譜的響應(yīng)機(jī)理鮮見報道，而探討這一響應(yīng)機(jī)理可以為開展退化濱海濕地修復(fù)植物的生理生化參數(shù)高光譜定量遙感反演提供重要依據(jù)。

本研究通過水鹽正交試驗?zāi)M分析鹽地堿蓬生長生理指標(biāo)和冠層光譜對水鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)理，提出鹽地堿蓬對水鹽脅迫響應(yīng)敏感的生長生理指標(biāo)和高光譜植被指數(shù)，以期為濱海濕地退化堿蓬灘的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

2019年5月12日于江蘇臨洪河口濕地(34°39′～34°48′N,119°09′～119°16′E)采集無病蟲害的健壯鹽地堿蓬幼苗作為研究對象試驗培養(yǎng)基質(zhì)為20～40目烘干細(xì)砂，試驗盆栽高度分別為10，15，20，30，40 cm，底部直徑為20 cm，設(shè)有圓形排水孔，并鋪設(shè)尼龍網(wǎng)以防止細(xì)砂流失并保持水分流通。試驗水槽長為1.5 m，寬為1 m，高度為15 cm。試驗?zāi)M鹽濃度(0 %，0.5 %，1 %，1.5 %，2 %，2.5 %)的NaCl溶液，溶劑為改良霍格蘭氏(Hoagland)營養(yǎng)液。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)鹽地堿蓬的鹽分和地下水位耐受閾值設(shè)置6種鹽濃度(0 %、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %和2.5 %NaCl溶液)和5種地下水位(0，-5 ，-10 ，-20 ，-30 cm)共90盆30種處理，每種處理3個重復(fù)。試驗方案設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 鹽地堿蓬水鹽脅迫試驗方案設(shè)計示意圖

供試堿蓬幼苗用蒸餾水充分沖洗后，選取長勢好且株高較一致的幼苗，分別移栽10～15株至90盆花盆中，早晚用自來水復(fù)壯。2周后，每盆定株5～8株植株，平均株高13.19 cm。為避免鹽沖擊效應(yīng)，鹽溶液(NaCl)用遞增的方法，每天以0.5 %NaCl的增速對鹽地堿蓬幼苗透灌2次，6 d后達(dá)到不同鹽濃度要求后停止透灌，保持水槽內(nèi)10 cm水位。試驗期間，每5 d定期更換水槽內(nèi)鹽溶液，此外，每天向水槽內(nèi)補(bǔ)充蒸發(fā)的水分，保證鹽濃度的相對穩(wěn)定。

試驗周期為50 d，期間每周測量株高。試驗結(jié)束時，測量堿蓬分枝數(shù)、生物量、葉綠素含量、可溶性糖含量和冠層反射光譜。

1.3 堿蓬生長生理指標(biāo)測定

株高、分枝數(shù)測定：試驗期間，從試驗第15天開始(2019年5月14日)，用卷尺每周測量株高。試驗結(jié)束時，記錄分枝數(shù)。

生物量測定：試驗結(jié)束時取出堿蓬植株，用蒸餾水充分沖洗，分離為地上和地下兩部分，記錄根長、地上、地下部分鮮重，再將植株于105 ℃下殺青，后轉(zhuǎn)入80 ℃烘箱，烘干水分至恒重，稱量并記錄地上、地下部分干重。

葉綠素含量測定：試驗的第50天(2019年6月26日)，將堿蓬分上、中、下三部分，每部分取2片葉子，用葉綠素含量測量儀(CCM-300，US)進(jìn)行活體植物葉片測量，每盆設(shè)置至少6個處理重復(fù)，獲得總?cè)~綠素含量(mg/m2)。根據(jù)Gitelson[12]提出的公式計算葉綠素含量。

Chl=CFR×634+391

(1)

式中，Chl為總?cè)~綠素含量；CFR為F735/F700熒光比值。

可溶性糖含量測定：稱取并剪碎新鮮葉片0.5 g，用純水在沸水浴中加熱30 min，抽濾并定容到50 ml，按硫酸-苯酚法[13]進(jìn)行測定，所作標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：

Y=0.0062X-0.0363,R2=0.9933

(2)

1.4 堿蓬冠層反射光譜

1.4.1 光譜測定與處理

在試驗的第46天(2019年6月22日)，在天氣晴朗、風(fēng)較小的天氣情況下，于上午10:00到下午2:00期間，利用便攜式地物光譜儀(SVC HR-1024I,US)，選用25°視場角測量堿蓬冠層光譜。測量前，利用標(biāo)準(zhǔn)白板定標(biāo)校準(zhǔn)；測量時，探頭置于堿蓬冠層正上方約40 cm，掃描時間間隔為5 s，每盆重復(fù)測量5次，取均值作為該盆栽堿蓬植株的光譜數(shù)據(jù)。對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，并選用卷積平滑濾波法(Savitzky-Golay,SG)對重采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。最后，將每小組3個重復(fù)下3次冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，取均值作為每小組水鹽脅迫的冠層光譜反射率(圖2)。

圖2 鹽地堿蓬冠層光譜變化(a：相同鹽濃度不同地下水位；b：相同地下水位不同鹽濃度)

1.4.2 常規(guī)植被指數(shù)選取和計算

植被受到水鹽脅迫時，在可見光、近紅外和短波紅外波段均會發(fā)生變化[14,15]，已有學(xué)者分析了植被指數(shù)和生理指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系其公式和相關(guān)的生理指標(biāo)總結(jié)并列于表1中。

表1 指示敏感生理指標(biāo)和土壤水鹽的植被指數(shù)

續(xù)表1

均反射率分別用作RNIR和Rred。上述植被指數(shù)來源參考李賀麗[16]及劉良云[17]。

1.4.3 新型植被指數(shù)構(gòu)建

在自然環(huán)境中，濱海濕地植物通常面臨水鹽雙重脅迫的影響，而大多數(shù)現(xiàn)有指數(shù)僅與植物光譜特定區(qū)域或某種生理特征相關(guān)，但脅迫會對植物不同光譜區(qū)域和不同生理特征產(chǎn)生影響。因此，開發(fā)基于不同敏感光譜區(qū)域的新型植被指數(shù)有助于更好地解釋植物受水鹽脅迫影響時各類生理變化和光譜響應(yīng)機(jī)制。本文嘗試借鑒差值植被指數(shù)(DSI)、比值植被指數(shù)(RSI)、歸一化植被指數(shù)(NDSI)和含平方根植被指數(shù)(SWSI)的數(shù)學(xué)形式，對水鹽脅迫下光譜敏感的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)變化，探索水鹽雙重脅迫下植被指數(shù)的響應(yīng)機(jī)制。其中，DSI、RSI、NDSI和SWSI的計算公式如下：

DSI=Ra-Rb

(3)

RSI=Ra/Rb

(4)

(5)

(6)

式中，a，b，c，d分別代表指示不同生化成分或生理指標(biāo)的敏感波段。為提高新構(gòu)造植被指數(shù)的精度和有效性，使用平方根降低對響應(yīng)較弱波段的敏感性[18]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)對試驗數(shù)據(jù)差異性進(jìn)行顯著性分析，多重比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)分析變量間的差異顯著性；對不同光合生理指標(biāo)和反射光譜與水鹽脅迫及其相互作用在0.05置信水平進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿蓬生長指標(biāo)對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

鹽地堿蓬生長指標(biāo)與水鹽脅迫的雙因素方差分析結(jié)果如表2所示。

2.1.1 堿蓬株高和分枝數(shù)對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

由表2可知，株高對不同地下水位和鹽濃度具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(yīng)(P=0.255)。從試驗第14天起，每周定期測量鹽地堿蓬株高，其變化分析結(jié)果如圖3(a)所示。由圖3(a)可知：相同地下水位下，1 %鹽濃度株高變化量最大；相同鹽濃度下，-10 cm和-20 cm地下水位株高變化量較大；在-20 cm、1 %鹽濃度及-10 cm、1 %鹽濃度交互作用下株高變化量較大。不同試驗時期，鹽地堿蓬株高受水鹽脅迫響應(yīng)存在差異，試驗前期，株高變化速度較小，試驗后期變化速度加快，株高差異逐漸顯現(xiàn)。

表2 鹽地堿蓬生長、生理指標(biāo)和水鹽脅迫的雙因素方差分析結(jié)果

由表2可知：分枝數(shù)對不同地下水位具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)，對不同鹽濃度具有顯著響應(yīng)(P<0.01)，而對水鹽脅迫具有較顯著響應(yīng)(P<0.05)。由圖3(b)可知：相同地下水位下，1 %鹽濃度鹽地堿蓬分枝數(shù)較多；相同鹽濃度下，-10 cm和-20 cm地下水位分枝數(shù)較多；在-20 cm、1 %鹽濃度及-20 cm、1.5 %鹽濃度交互作用下分枝數(shù)較多。

圖3 鹽地堿蓬株高(a)和分枝數(shù)(b)變化

2.1.2 堿蓬生物量對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

由表2可知：地上鮮重、地下鮮重、地上干重和地下干重均對不同地下水位具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)；地上鮮重和地下干重對不同鹽濃度具有顯著響應(yīng)(P<0.01)，地下鮮重和地上干重對其具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)；地上鮮重和地上干重對水鹽脅迫具有較顯著響應(yīng)(P<0.05)，地上干重對其具有顯著響應(yīng)(P<0.01)，地下干重對其無顯著響應(yīng)(P=0.183)。由圖4可知，相同鹽濃度下，-10 cm和-20 cm地下水位地上鮮重和地上干重積累較多，-10 cm地下水位地下鮮重和地下干重積累較多。相同地下水位下，0 %和1 %鹽濃度鹽地上鮮重積累較多，0 %鹽濃度地下鮮重積累較多，0.5 %和1 %鹽濃度地上干重積累較多，1%鹽濃度地下干重積累較多。在-10 cm、0 %鹽濃度交互作用下地上鮮重、地下鮮重和地上干重積累較多，-10 cm、1 %鹽濃度交互作用下地下干重積累較多。

圖4 水鹽脅迫下鹽地堿蓬生物量變化

2.2 堿蓬葉綠素含量對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

由表2可知：葉綠素含量對不同地下水位和鹽濃度具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(yīng)(P=0.069)。由圖5可知：相同地下水位下，0 %和1 %鹽濃度鹽地堿蓬葉綠素含量較高；相同鹽濃度下，-10 cm和-20 cm地下水位葉綠素含量較高；在-20 cm、0 %鹽濃度和-5 cm、1 %鹽濃度交互作用下葉綠素含量較高。淹水(0 cm)及干旱(-30 cm)條件下葉綠素含量較低，說明其不利于鹽地堿蓬生長，其中，鹽濃度較小時，干旱更不利于葉綠素含量增長；鹽濃度較大時，淹水更不利于葉綠素含量增長。

圖5 水鹽脅迫下鹽地堿蓬葉綠素含量變化

2.3 堿蓬可溶性糖含量對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

由表2可知：可溶性糖含量對不同地下水位和鹽濃度具有極顯著響應(yīng)(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(yīng)(P=0.068)。由圖6可知：相同地下水位下，0 %和0.5 %鹽濃度鹽地堿蓬可溶性糖含量較高；相同鹽濃度下，0 cm和-5 cm地下水位可溶性糖含量較多；在0 cm、1 %鹽濃度交互作用下可溶性糖含量較高。

圖6 水鹽脅迫下鹽地堿蓬可溶性糖含量變化

2.4 堿蓬冠層光譜特性對水鹽脅迫的響應(yīng)分析

2.4.1 冠層光譜分析

由圖2可知：不同地下水位與鹽濃度條件下堿蓬冠層光譜反射曲線形狀相似?？傮w而言，在680 nm、1 200 nm、1 500 nm、1 800 nm和1 950 nm附近有明顯反射谷，在550 nm附近有較小綠色峰，在970 nm、1 350 nm和1 870 nm附近有較小反射谷。

2.4.2 植被指數(shù)分析

比較圖2中不同水鹽脅迫鹽地堿蓬冠層光譜曲線，選擇差異最小的2 %NaCl不同地下水位共5條光譜曲線取均值，對每個光譜區(qū)域選擇光譜差異大的波段作為敏感波段(圖7)。對提取的光譜曲線，計算常規(guī)植被指數(shù)雙因素方差分析結(jié)果(表3)。

圖7 鹽地堿蓬冠層光譜反射曲線

表3 指示敏感生理指標(biāo)和土壤水鹽的植被指數(shù)及其與水鹽脅迫的雙因素方差分析結(jié)果

基于表2得出的對水鹽脅迫敏感生理指標(biāo)：分枝數(shù)和生物量，結(jié)合常規(guī)植被指數(shù)的相關(guān)生理特征，選擇本研究中響應(yīng)水鹽脅迫的指標(biāo)。例如，選擇555 nm作為指示植被色素含量和光化學(xué)特征的指標(biāo)，選擇674 nm和816 nn作為指示葉綠素含量和LAI差異的指標(biāo)，選擇1 458 nm和1 674 nm作為指示生物量的指標(biāo)以及其它指示水分含量等的指標(biāo)。根據(jù)DSI、RSI、NDSI、SWSI計算公式，對指標(biāo)進(jìn)行組合，構(gòu)建新型植被指數(shù)并進(jìn)行雙因素方差分析(表4)。

表4 指示敏感生理指標(biāo)和水鹽脅迫的新植被指數(shù)及其與水鹽脅迫的雙因素方差分析結(jié)果

3 討論

3.1 生長生理指標(biāo)對水鹽脅迫的響應(yīng)

生長生理指標(biāo)是反映植物響應(yīng)水鹽脅迫的重要方面[11]，鹽地堿蓬作為濱海鹽堿濕地優(yōu)勢物種之一，面對水鹽脅迫時絕大多數(shù)在形態(tài)和生理特性上表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和響應(yīng)策略。本研究通過對株高、分枝數(shù)、生物量、葉綠素含量和可溶性糖含量等生長生理指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，地下鮮重對水鹽脅迫響應(yīng)最顯著，這與許耀照等[19]的研究結(jié)論相似。這可能是由于生物量累積及其分配對水鹽脅迫的響應(yīng)更敏感，是堿蓬幼苗生長受水鹽脅迫在外部特征上的反映[20]。分枝數(shù)、地上鮮重和地上干重對水鹽脅迫響應(yīng)較顯著，與管博等[5]在水鹽脅迫下鹽地堿蓬幼苗生長的研究結(jié)果一致。其中，株高和分枝數(shù)對-10 cm、-20 cm地下水位和1 %、1.5 %鹽濃度的響應(yīng)最顯著，說明水位深度較淺且鹽度適當(dāng)能夠促進(jìn)鹽地堿蓬幼苗高度增加并產(chǎn)生分枝。可溶性糖含量對0 cm、-5 cm地下水位和0 %、0.5 %鹽濃度的響應(yīng)最顯著，說明水位深度較深且鹽度較低能促進(jìn)可溶性糖的積累，這可能是因為植物在適應(yīng)水鹽脅迫過程中通過滲透調(diào)節(jié)的方法積累有機(jī)溶質(zhì)(可溶性糖等)，以維持水分平衡[21]。

在自然環(huán)境中，淹水脅迫和鹽脅迫往往同時作用于鹽地堿蓬，水鹽雙重脅迫下植物幼苗生長及生理方面的響應(yīng)可能與單因素脅迫差異較大[11]。綜合研究發(fā)現(xiàn)：該試驗中水鹽脅迫對鹽地堿蓬生長影響顯著，但不同生長、生理指標(biāo)對淹水水位和鹽度的適應(yīng)性存在差異，無法確定適宜鹽地堿蓬生長的最佳水鹽環(huán)境條件，這可能是由盆栽試驗設(shè)計條件與野外鹽地堿蓬分布區(qū)土壤及地下水環(huán)境條件差異所致。

3.2 冠層光譜對水鹽脅迫的響應(yīng)

相較于傳統(tǒng)的基于植物形態(tài)生理狀況對水鹽脅迫的響應(yīng)，基于反射光譜特征的光譜分析技術(shù)具有快速、無損、準(zhǔn)確等優(yōu)勢。植物在水鹽脅迫下體內(nèi)色素含量、營養(yǎng)狀態(tài)及生理生化狀況會發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致植物反射光譜特性發(fā)生變化[7,22]。通過對鹽地堿蓬冠層光譜的分析，可以間接指示其對水鹽脅迫的響應(yīng)。從本試驗所得冠層光譜反射曲線來看，水鹽脅迫對其形態(tài)變化影響不大，但數(shù)值差異較大，這與盧霞等[23]在單因素鹽脅迫鹽地堿蓬的研究結(jié)果一致，也符合植物的一般光譜特性。

水鹽脅迫對植物的影響是多方面的。研究表明，植物生長過程中土壤水分不足會導(dǎo)致作物生長異常，進(jìn)而影響植被指數(shù)的變化[24]。本試驗利用鹽地堿蓬冠層光譜特征，根據(jù)任意波段組合能有效減少單波段散射效應(yīng)[25]，結(jié)合鹽地堿蓬幼苗受水鹽脅迫響應(yīng)的冠層光譜曲線構(gòu)建新植被指數(shù)。新植被指數(shù)涵蓋光譜全波段區(qū)域，克服單波段植被指數(shù)的局限性，是本研究的一個新的嘗試。同時，對比已有的基于植物生理特征構(gòu)建的植被指數(shù)，評估二者對水鹽脅迫的響應(yīng)狀況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新植被指數(shù)能更好地指示光譜對水鹽脅迫的敏感性，其中，差值植被指數(shù)的響應(yīng)結(jié)果最佳，其次是帶平方根的新植被指數(shù)，與Hamzeh等[26]的研究結(jié)果相似。已有植被指數(shù)中，DVI、TGI對鹽脅迫響應(yīng)顯著，SIR780/R740、RVI對淹水脅迫響應(yīng)顯著，而新構(gòu)建植被指數(shù)對鹽脅迫或淹水脅迫的響應(yīng)略低于已有植被指數(shù)，可能是由于已有植被指數(shù)多是基于對單因素的響應(yīng)分析，在應(yīng)對較復(fù)雜環(huán)境條件時，尋求基于多因素的植被指數(shù)或可提高對環(huán)境條件的反演精度。

4 結(jié)論

以鹽地堿蓬為研究對象，設(shè)置水鹽脅迫正交試驗，測定植物生長生理指標(biāo)和冠層反射光譜，利用雙因素方差分析和最小顯著差數(shù)法(LSD)提取對水鹽脅迫響應(yīng)顯著的堿蓬生長生理指標(biāo)和高光譜植被指數(shù)，分析鹽地堿蓬對水鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)理。通過以上研究，得出以下結(jié)論：

(1)對水鹽脅迫響應(yīng)顯著的鹽地堿蓬生長生理指標(biāo)是分枝數(shù)、地上鮮重、地下鮮重和地上干重。

(2)對水鹽脅迫響應(yīng)顯著的鹽地堿蓬高光譜植被指數(shù)是DSI3、DSI4、DSI1、DSI2、SWSI1、SWSI4、DSI5、SWSI3、SWSI6、NDSI4，共10個指數(shù)。響應(yīng)顯著程度依次為DSI3>DSI4>DSI1>DSI2>SWSI1>SWSI4>DSI5>SWSI3>SWSI6>NDSI4。

本研究受限于90個盆栽堿蓬小樣本，未采集土壤水鹽的實測數(shù)據(jù)，利用新植被指數(shù)構(gòu)建土壤水鹽脅迫反演模型難以實現(xiàn)，在未來試驗設(shè)計和研究中將針對這一問題加以改進(jìn)，以期為構(gòu)建土壤水鹽脅迫的高光譜反演模型提供數(shù)據(jù)支撐。