鹽地堿蓬生長生理指標和冠層光譜對水鹽脅迫的響應

李 珊, 盧 霞, 鄭 薇, 何 爽, 林 輝, 羅文強, 林雅麗*

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

引 言

濕地植被作為初級生產者，在整個濕地生態系統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的重要環境因素[1-2]。其中，植物形態學[3]、生物量[4]、葉綠素含量[5]及可溶性糖含量[6]等生長生理指標對土壤水鹽條件響應顯著。另一方面，植物受水鹽脅迫后生長生理指標發生的變化對光譜反射率亦有所響應[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植物[5]。關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，關于水鹽雙重脅迫的研究較少[10]。然而在自然環境中，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可能與單因素脅迫產生較大差異[11]。因此，開展鹽地堿蓬生長生理指標與水鹽雙重脅迫的相關性研究對濱海濕地植物適應性以及退化濕地生態修復具有重要意義。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和反射光譜的響應機理鮮見報道，而探討這一響應機理可以為開展退化濱海濕地修復植物的生理生化參數高光譜定量遙感反演提供重要依據。

本研究通過水鹽正交試驗模擬分析鹽地堿蓬生長生理指標和冠層光譜對水鹽脅迫的響應機理，提出鹽地堿蓬對水鹽脅迫響應敏感的生長生理指標和高光譜植被指數，以期為濱海濕地退化堿蓬灘的生態系統修復提供科學依據。

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基質為20～40目烘干細砂，試驗盆栽高度分別為10，15，20，30，40 cm，底部直徑為20 cm，設有圓形排水孔，并鋪設尼龍網以防止細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。試驗模擬鹽濃度(0 %，0.5 %，1 %，1.5 %，2 %，2.5 %)的NaCl溶液，溶劑為改良霍格蘭氏(Hoagland)營養液。

1.2 試驗設計

根據鹽地堿蓬的鹽分和地下水位耐受閾值設置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。試驗方案設計示意圖如圖1所示。

圖1 鹽地堿蓬水鹽脅迫試驗方案設計示意圖

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，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后達到不同鹽濃度要求后停止透灌，保持水槽內10 cm水位。試驗期間，每5 d定期更換水槽內鹽溶液，此外，每天向水槽內補充蒸發的水分，保證鹽濃度的相對穩定。

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

1.3 堿蓬生長生理指標測定

株高、分枝數測定：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。試驗結束時，記錄分枝數。

生物量測定：試驗結束時取出堿蓬植株，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)進行活體植物葉片測量，每盆設置至少6個處理重復，獲得總葉綠素含量(mg/m2)。根據Gitelson[12]提出的公式計算葉綠素含量。

Chl=CFR×634+391

(1)

式中，Chl為總葉綠素含量；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]進行測定，所作標準曲線方程為：

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，利用標準白板定標校準；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，每盆重復測量5次，取均值作為該盆栽堿蓬植株的光譜數據。對光譜數據進行重采樣，并選用卷積平滑濾波法(Savitzky-Golay,SG)對重采樣數據進行平滑處理。最后，將每小組3個重復下3次冠層光譜數據進行平均，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 常規植被指數選取和計算

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生變化[14,15]，已有學者分析了植被指數和生理指標間的相關關系其公式和相關的生理指標總結并列于表1中。

表1 指示敏感生理指標和土壤水鹽的植被指數

續表1

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

1.4.3 新型植被指數構建

在自然環境中，濱海濕地植物通常面臨水鹽雙重脅迫的影響，而大多數現有指數僅與植物光譜特定區域或某種生理特征相關，但脅迫會對植物不同光譜區域和不同生理特征產生影響。因此，開發基于不同敏感光譜區域的新型植被指數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機制。本文嘗試借鑒差值植被指數(DSI)、比值植被指數(RSI)、歸一化植被指數(NDSI)和含平方根植被指數(SWSI)的數學形式，對水鹽脅迫下光譜敏感的指標進行數學變化，探索水鹽雙重脅迫下植被指數的響應機制。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的敏感波段。為提高新構造植被指數的精度和有效性，使用平方根降低對響應較弱波段的敏感性[18]。

1.5 數據分析

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

2 結果與分析

2.1 堿蓬生長指標對水鹽脅迫的響應分析

鹽地堿蓬生長指標與水鹽脅迫的雙因素方差分析結果如表2所示。

2.1.1 堿蓬株高和分枝數對水鹽脅迫的響應分析

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(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(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。

表2 鹽地堿蓬生長、生理指標和水鹽脅迫的雙因素方差分析結果

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

圖3 鹽地堿蓬株高(a)和分枝數(b)變化

2.1.2 堿蓬生物量對水鹽脅迫的響應分析

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(P<0.001)；地上鮮重和地下干重對不同鹽濃度具有顯著響應(P<0.01)，地下鮮重和地上干重對其具有極顯著響應(P<0.001)；地上鮮重和地上干重對水鹽脅迫具有較顯著響應(P<0.05)，地上干重對其具有顯著響應(P<0.01)，地下干重對其無顯著響應(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(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(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(P<0.001)，而對水鹽脅迫無顯著響應(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，計算常規植被指數雙因素方差分析結果(表3)。

圖7 鹽地堿蓬冠層光譜反射曲線

表3 指示敏感生理指標和土壤水鹽的植被指數及其與水鹽脅迫的雙因素方差分析結果

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

表4 指示敏感生理指標和水鹽脅迫的新植被指數及其與水鹽脅迫的雙因素方差分析結果

3 討論

3.1 生長生理指標對水鹽脅迫的響應

生長生理指標是反映植物響應水鹽脅迫的重要方面[11]，鹽地堿蓬作為濱海鹽堿濕地優勢物種之一，面對水鹽脅迫時絕大多數在形態和生理特性上表現出較強的適應性和響應策略。本研究通過對株高、分枝數、生物量、葉綠素含量和可溶性糖含量等生長生理指標的分析發現，地下鮮重對水鹽脅迫響應最顯著，這與許耀照等[19]的研究結論相似。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、地上鮮重和地上干重對水鹽脅迫響應較顯著，與管博等[5]在水鹽脅迫下鹽地堿蓬幼苗生長的研究結果一致。其中，株高和分枝數對-10 cm、-20 cm地下水位和1 %、1.5 %鹽濃度的響應最顯著，說明水位深度較淺且鹽度適當能夠促進鹽地堿蓬幼苗高度增加并產生分枝?？扇苄蕴呛繉? cm、-5 cm地下水位和0 %、0.5 %鹽濃度的響應最顯著，說明水位深度較深且鹽度較低能促進可溶性糖的積累，這可能是因為植物在適應水鹽脅迫過程中通過滲透調節的方法積累有機溶質(可溶性糖等)，以維持水分平衡[21]。

在自然環境中，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可能與單因素脅迫差異較大[11]。綜合研究發現：該試驗中水鹽脅迫對鹽地堿蓬生長影響顯著，但不同生長、生理指標對淹水水位和鹽度的適應性存在差異，無法確定適宜鹽地堿蓬生長的最佳水鹽環境條件，這可能是由盆栽試驗設計條件與野外鹽地堿蓬分布區土壤及地下水環境條件差異所致。

3.2 冠層光譜對水鹽脅迫的響應

相較于傳統的基于植物形態生理狀況對水鹽脅迫的響應，基于反射光譜特征的光譜分析技術具有快速、無損、準確等優勢。植物在水鹽脅迫下體內色素含量、營養狀態及生理生化狀況會發生相應變化，導致植物反射光譜特性發生變化[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。從本試驗所得冠層光譜反射曲線來看，水鹽脅迫對其形態變化影響不大，但數值差異較大，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致作物生長異常，進而影響植被指數的變化[24]。本試驗利用鹽地堿蓬冠層光譜特征，根據任意波段組合能有效減少單波段散射效應[25]，結合鹽地堿蓬幼苗受水鹽脅迫響應的冠層光譜曲線構建新植被指數。新植被指數涵蓋光譜全波段區域，克服單波段植被指數的局限性，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建的植被指數，評估二者對水鹽脅迫的響應狀況。結果發現，新植被指數能更好地指示光譜對水鹽脅迫的敏感性，其中，差值植被指數的響應結果最佳，其次是帶平方根的新植被指數，與Hamzeh等[26]的研究結果相似。已有植被指數中，DVI、TGI對鹽脅迫響應顯著，SIR780/R740、RVI對淹水脅迫響應顯著，而新構建植被指數對鹽脅迫或淹水脅迫的響應略低于已有植被指數，可能是由于已有植被指數多是基于對單因素的響應分析，在應對較復雜環境條件時，尋求基于多因素的植被指數或可提高對環境條件的反演精度。

4 結論

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

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

(2)對水鹽脅迫響應顯著的鹽地堿蓬高光譜植被指數是DSI3、DSI4、DSI1、DSI2、SWSI1、SWSI4、DSI5、SWSI3、SWSI6、NDSI4，共10個指數。響應顯著程度依次為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據，利用新植被指數構建土壤水鹽脅迫反演模型難以實現，在未來試驗設計和研究中將針對這一問題加以改進，以期為構建土壤水鹽脅迫的高光譜反演模型提供數據支撐。