SO_2胁迫下园林植物叶片含硫量及光谱特征研究

【摘要】工业化、城镇化进程的加快和经济的高速发展导致大气二氧化硫(SO2)污染日益加剧,并已严重危害到人类的健康和生态环境的可持续发展。利用植物光谱特征反演叶片含硫量,从而反映植物受SO2的污染情况,对区域大气SO2污染状况的监测及较强SO2吸收能力植物的筛选等具有重要意义。本研究通过对武汉市14种常见园林绿化植物的SO2人工熏气试验,应用美国ASD光谱测定仪了不同熏气时间处理后的植物叶片光谱,并测定了相应叶片的含硫量,探讨了SO2胁迫下园林植物叶片的光谱特征及含硫量变化,建立和筛选出叶片含硫量反演的最优模型。主要研究结果如下：(1)14种园林植物无SO2胁迫下叶片含硫量较高的植物(大于3.0mg/gDW)有加拿大杨(Populus×canadensisMoench)、红瑞木(Cornusalba)、夹竹桃(NeriumindicumMill)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、构树(Broussonetiapapyrifera);叶片含硫量中等(2.0mg/gDW和3.Omg/gDW之间)的植物有桑树(Morusalba)、吉祥草(Reineckiacornea)、女贞(Ligustrumlucidum);叶片含硫量较低(小于2.0mg/gDW)的植物有香樟(Cinnamomumcamphora)、红枫(Acerpalmatum’Atropurpureum’)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、红叶石楠(Photiniaserrulata)、法国冬青(Viburnumodoratissimum)和杜鹃(Rhododendronsimsii)。(2)6个不同熏气时间(2h、4h、6h、8h、10h和12h)处理下,除了构树和红瑞木的叶片含硫量随熏气时间的增长总体呈下降趋势外,其余12种园林植物的叶片含硫量均随熏气时间的增长总体呈上升趋势。(3)14种园林植物中具有较强吸硫能力(叶片吸硫量>1.5mg/gDW)的种类有栾树、刺槐、加拿大杨、桑树和女贞；中等吸硫能力(1.0mg/gDW<叶片吸硫量<1.5mg/gDW)的种类有法国冬青、夹竹桃、吉祥草、香樟和构树；较弱吸硫能力(叶片吸硫量<1.0mg/gDW)的种类有红枫、红瑞木、红叶石楠和杜鹃。不同生活型园林植物叶片的吸硫能力强弱顺序为：落叶乔木>草本>常绿乔木>常绿灌木>落叶灌木。(4)SO2胁迫条件下,同种园林植物在受害前的光谱曲线形态基本相似,在绿峰、红谷及红边等处变化明显,光谱曲线呈现明显的位移现象,且一阶导数光谱和二阶导数光谱所呈现出的植物光谱变化特征更为显著。(5)单种植物及灌草的一阶和二阶导数光谱与对应叶片含硫量的相关性明显高于原始、对数及倒数光谱。不同植物叶片含硫量与不同波段具有最显著的相关性,除构树(0.684)和吉祥草(0.717)外,其余植物叶片光谱与其含硫量的最大相关系数均达到0.8以上,且相关性均达到极显著水平,表明可以用这些敏感波段的光谱反射率来反演单种植物的叶片含硫量；乔木、灌草和全部植物的叶片光谱与对应含硫量的相关系数低于单种植物的相关系数,但也均达到极显著水平,可以用来进行叶片含硫量的反演。(6)通过光谱特征单变量及多变量回归模拟,筛选得到单种植物、乔木、灌草及全部14种园林植物的叶片含硫量最优反演模型：单种植物：香樟：Y=1.969+3143.291*P’442+951.196*P’790-229.526″P’412(拟合R2=0.969,预测R2=0.411,RMSE=1.148)；红叶石楠：Y=1.097+629.417″P’685(拟合R2=0.708,预测R2=0.829,RMSE=0.223)；女贞：Y=2.051-1260.216*P’610-111.201*P’924(拟合R2=0.890,预测R2=0.858,RMSE=0.772)；桑树：Y=5.592-4127.727*P’479-149.328″P’729+2664.895*P’626(拟合R2=0.856,预测R2=0.832,RMSE=0.840)：栾树：Y=2.842-1931.630*P”711-415.720*P”917+2161.402*P”445(拟合R2=0.987,预测R2=0.784,RMSE=1.579)；构树：Y=4.246-5235.803*P”576-3003.252*P”853-1637.116*P”861(拟合R2=0.918,预测R2=0.622,RMSE=0.913)；刺槐：Y=4.953-3740.436″P”703+792.862*P”882-1594.373*P”642(拟合R2=0.947,预测R2=0.713,RMSE=1.492)：加拿大杨：Y=16.450*EXP(1130.225*P”530)(拟合R2=0.755,预测R2=0.301,RMSE=1.859)；杜鹃：Y=1.428+1377.330*P”653+2316814.973″(P”653)2(拟合R2=0.644,预测R2=0.591,RMSE=0.303)；夹竹桃：Y=4.953-3740.436″P”703+792.862″P”882-1594.373*P”642(拟合R2=0.854,预测R2=0.620,RMSE=0.850)；法国冬青：Y=2.527-5530.877*P’480-784.599*P’882(拟合R2=0.795,预测R2=0.501,RMSE=1.180)：红瑞木：Y=5.238*EXP(552.986″P”404)(拟合R2=0.848,预测R2=0.282,RMSE=2.161)：红枫：Y=5.238*EXP(552.986*P’807)(拟合R2=0.762,预测R2=0.730,RMSE=0.975)；吉祥草：Y=1.810+4538.694*P”789-6070.890″P”706+653.013*P”810(拟合R2=0.896,预测R2=0.363,RMSE=1.724)。乔木：Y=16.669-102.869*M445+15.366*M597+97.954*M421(拟合R2=0.398,预测R2=0.381,RMSE=21.656)灌草：Y=1.838+445.807″P’737+1404.398″P’616+1875.272*P’594+2014.428*P’488+1329.161*P’467(拟合R2=0.650,预测R2=0.456,RMSE=6.747)。全部植物：Y=2.752-4249.457*P’425-5193.385″P’566+2231.085″P’657-4861.522*P’634-4652.395*P’516-3700.673*P’642-1343.419″P’403(拟合R2=0.381,预测R2=0.238,RMSE3=26.358)。注：P(λx)指植物在λxum处的原始光谱反射率值,P’(λx)指植物λxnm处的一阶导数光谱反射率值,P”(λx)指植物λxnm处的二阶导数光谱光谱反射率值,M(λx)指植物在λxnm波长处的对数光谱反射率值
【作者】刘子琪；
【导师】周志翔；
【作者基本信息】华中农业大学，园林植物与观赏园艺，2014，硕士
【关键词】SO2污染；园林植物；叶片含硫量；吸硫能力；高光谱；反演模型；

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