镉协迫下两种叶菜类蔬菜的叶片高光谱特征及生理参数模拟

摘要

高光谱遥感技术的快速发展,为快速、无破坏地监测重金属Cd污染提供了可行的方法。本文以空心菜、小白菜两种叶菜类蔬菜为研究对象,通过盆栽实验,应用植物叶片对不同镉污染的光谱特征响应监测叶菜类蔬菜镉污染。本实验设置了6个不同的镉浓度处理CK(0mg/kg)、T1(0.5mg/kg)、T2(1mg/kg)、T3(5mg/kg)、T4(10mg/kg)、T5(20mg/kg),对空心菜、小白菜的生长指标、叶片叶绿素含量、高光谱特征进行了研究,并对叶片叶绿素含量和叶片镉含量与叶片光谱数据进行分析,得到以下结论:
　　 (1)不同浓度镉胁迫条件对空心菜、小白菜的生长指标的影响
　　 镉污染环境下的植物,其生长会受到抑制。镉污染下的空心菜和小白菜的株高和生物量都有显著下降,且处理时间越长,植株生长受到的抑制作用越强。本研究中,从镉浓度为5mgg/kg时,空心菜、小白菜的株高、生物量显著低于对照,并随处理时间的延长,胁迫效应增强。同时低浓度镉对植物的生长有一定的促进作用,在0.5mg/kg浓度的镉处理下,空心菜、小白菜的株高和生物量高于CK。
　　 (2)不同浓度镉胁迫条件对空心菜、小白菜的叶绿素含量的影响
　　 研究表明,在15d时,空心菜较高浓度处理T4(10mg/kg)、T5(20mg/kg)组的叶绿素a、总叶绿素含量显著降低。随着处理时间的增长,在30d时,中浓度处理(T3)叶绿素a和总叶绿素含量也开始降低,T1、T2组与对照无显著差异。小白菜的15d、30d的叶绿素变化和空心菜的规律基本一致,在30d,虽然只有T5组叶绿素a、总叶绿素含量与CK显著差异,但其他处理组与CK组对比,均低于CK组。
　　 (3)不同浓度镉胁迫条件下空心菜、小白菜的叶片叶绿素含量敏感波段及光谱参数反演
　　 通过对400-899nm波段进行重采样,将获得的新波段与空心菜、小白菜总叶绿素含量进行相关分析,其中与空心菜相关性较高的特征波段为R710、R700、R540、R720、R550、R530,与小白菜相关性较高的特征波段为R550、R710。R710与空心菜、小白菜的总叶绿素含量均具有较高的相关性,相关系数分别为0.867和0.757,均为极显著水平。
　　 对光谱参数与叶片总叶绿素含量进行相关分析,相关系数前3的光谱指数为Dr、RVI(550)和GNDVI,与小白菜叶绿素含量相关系数前3的光谱指数为NDVI(864)、RVI(864)、红边斜率Dr。其中Dr与空心菜和小白菜的叶绿素含量的相关性均较高,都达到了0.7以上。
　　 R710和红边斜率Dr与空心菜和小白菜的叶绿素含量相关性较高,一元线性回归模型拟合效果较好。因此,研究中R710和Dr可作为镉污染下监测叶菜类蔬菜生长的待选光谱指标。
　　 (4)空心菜、小白菜的叶片镉含量的光谱反演
　　 对不同时间、不同浓度镉胁迫条件下的空心菜、小白菜的400-1300nm重采样光谱进行分析,以反映空心菜、小白菜的镉污染状况。空心菜15d时的叶片光谱特征与叶片镉含量相关性最好,并且本着发现污染越早越好的原则,对空心菜15d叶片光谱数据进行分析,提取出能反映较多信息的特征波段进行主成分分析,得到的因子F1能够较好的反映空心菜镉污染状况,一元回归模型的决定系数R2达到0.714。
　　 小白菜的叶片光谱数据与叶片镉含量进行相关分析。通过对10个特征波段进行主成分分析,10个主成分的前两个贡献率累积达到了94%,因此选取前两个主成分为F1和F2。其中F1与叶片镉含量的决定系数R2达到0.565,而F2与叶片镉含量并无显著相关。F1与叶片镉含量呈显著负相关,作为新指标,可以较好的反映小白菜镉污染状况。