楊可明，劉 聰，張文文，夏 天，程 龍

[中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083]

銅(Cu)是人類生活中一種常見的重金屬，在工礦等行業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)用中排放含有大量銅離子的廢棄物，從而對周邊土壤和植物等環(huán)境造成重金屬污染，甚至引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)退化。對農(nóng)作物而言，由于土壤無法對Cu2+進(jìn)行生物分解，當(dāng)土中Cu2+積累到一定量時(shí)就會抑制作物生長，造成作物質(zhì)量下降、減產(chǎn)甚至絕收，更嚴(yán)重是農(nóng)作物的重金屬污染能直接或間接通過食物鏈毒害人類健康[1-4]，因此重金屬污染及其監(jiān)測技術(shù)日益成為當(dāng)下學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)問題?，F(xiàn)有研究證明，植物吸收過量的Cu2+不僅會抑制根系的生長及吸收，而且Cu2+會進(jìn)入植物葉片并代替葉片中含量最多的鎂離子，從而影響葉綠素酶活性，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量，阻礙植物的光合作用，并使植物的光譜特性發(fā)生改變。通常，健康綠色植物均具有特定的光譜特性，雖然不同植物光譜響應(yīng)有所差異，但在可見光和近紅外波譜區(qū)間總的“峰-谷”曲線形態(tài)卻比較相似[5-6]，這是因?yàn)橛绊懫涔庾V特性的主導(dǎo)控制因素基本一致?？墒?，植物受Cu2+污染并改變?nèi)~片組分和結(jié)構(gòu)后其主控因素就不同于健康葉片，可利用高光譜遙感技術(shù)感測這種不同及其所導(dǎo)致的光譜響應(yīng)區(qū)間光譜特性的變化，且近紅外波段比可見光波段更易于感測。

植物特征波譜中由液態(tài)水控制的光譜區(qū)域是擬合水分指數(shù)的常用波段[7](圖1)，但利用這些波段進(jìn)行重金屬脅迫方面的研究并不豐富。關(guān)麗等研究發(fā)現(xiàn)，鎘(Cd)脅迫會導(dǎo)致水稻對水的吸收減少，光合作用和脂肪代謝減弱；當(dāng)水稻受到嚴(yán)重的Cd脅迫時(shí)，水分吸收谷會變淺[8]；Yu等認(rèn)為，水分脅迫導(dǎo)致的葉肉結(jié)構(gòu)變化會影響近紅外波段的反射率[9]。在近紅外波段，植物葉內(nèi)細(xì)胞間空隙導(dǎo)致光的散射和折射，使反射率增高，形成紅外反射峰，它的主控因素是葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面粗糙度、樹冠結(jié)構(gòu)、生物地球化學(xué)循環(huán)中的生物元素的電子躍遷及水含量和葉溫，其中最主要的控制因素是細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面和樹冠結(jié)構(gòu)。植物受到重金屬脅迫后，葉細(xì)胞發(fā)生畸變或遭到破壞，細(xì)胞間隙增多，散射增強(qiáng)，葉片水含量降低，反射率增高，特別是如圖1所示的玉米試驗(yàn)對照組[CK(0)]的近紅外水分強(qiáng)吸收帶1 450、1 940 nm 處比較突出?？傮w來說，將高光譜遙感直接應(yīng)用到植物重金屬脅迫與水分變化的研究還比較欠缺。本試驗(yàn)以受CuSO4脅迫的盆栽玉米為研究對象，擬利用高光譜遙感技術(shù)研究玉米受Cu2+污染后近紅外水吸收帶波譜特征的變化，通過提取玉米葉片中水含量的光譜指數(shù)來反映水分吸收帶光譜響應(yīng)特征與Cu2+污染之間的相互關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)選用中糯1號玉米盆栽作為研究對象，用CuSO4·5H2O的分析純?nèi)芤好{迫玉米發(fā)育生長。玉米葉片反射光譜測量采用350～2 500 nm波譜范圍的SVCHR-1024I高性能光譜儀，Cu2+含量的實(shí)驗(yàn)室測量采用原子吸收分光光度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)采集

1.2.1 植株的培養(yǎng) 本試驗(yàn)選取中糯1號玉米種子和不透水有底漏的花盆進(jìn)行培植。2014年5月6日對玉米種子進(jìn)行催芽，5月8日在盆栽土壤中種植。5月9日出苗后澆灌營養(yǎng)液NH4NO3、KH2PO4和KNO3。種植玉米的盆栽土壤分別設(shè)置濃度為0、250、500 μg/g的3種CuSO4脅迫梯度，分別記為CK、T1和T2，每個(gè)濃度均設(shè)置3組平行試驗(yàn)，共9盆盆栽玉米。在培植期定期澆水并在每天通風(fēng)換氣。

1.2.2 光譜數(shù)據(jù)采集 于2014年7月17日進(jìn)行室內(nèi)玉米葉片光譜采集，使用光譜儀配套功率為50 W的鹵素?zé)艄庠春?°視場角的探頭，探頭垂直于葉片表面40 cm；為防止土壤對玉米葉片測量光譜的影響，用黑色塑料袋將花盆蓋??；光譜反射系數(shù)經(jīng)專用平面白板標(biāo)準(zhǔn)化。在測量時(shí)，首先將標(biāo)準(zhǔn)白板水平放置，保證白板表面清潔，測定白板的反射率，觀察白板波譜曲線，當(dāng)其曲線在100%反射率處近似1條直線時(shí)，白板校正完畢。然后測量玉米葉片的反射光譜，最終輸出的每種Cu2+脅迫深度的玉米葉片光譜線由3條原始掃描光譜自動(dòng)平均所得。采集后的光譜數(shù)據(jù)如圖2所示。

1.2.3 Cu2+含量測定 將采集光譜后的玉米葉片樣品進(jìn)行沖洗、烘干、稱質(zhì)量等一系列預(yù)處理后，貼上標(biāo)簽，注明樣品銅脅迫梯度并裝入樣品袋。然后將樣品袋帶入實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析，用燃燒原子吸收光譜法測定各梯度樣品的Cu2+含量，所得玉米葉片的Cu2+含量與原土壤的Cu2+脅迫濃度如表1所示。

表1 土壤中銅脅迫濃度與玉米葉片中Cu2+含量對照

2 預(yù)測模型與應(yīng)用分析

2.1 基于水吸收光譜參數(shù)的預(yù)測模型

植被光譜曲線在1 450、1 940 nm處會形成2個(gè)比較明顯的水吸收谷。當(dāng)玉米受到重金屬Cu2+脅迫后，玉米葉片水吸收帶在1 233～1 500、1 858～2 050 nm光譜區(qū)間上波谷會變淺，隨著Cu2+濃度的增大，水分吸收帶有變平趨勢。本研究分析在不同Cu2+濃度脅迫下，玉米葉片水分吸收光譜區(qū)間的吸收深度(h)和吸收面積(S)的變化值及變化趨勢，并討論其與不同濃度Cu2+含量間的相關(guān)性。其水分吸收譜帶吸收深度的計(jì)算采用連續(xù)統(tǒng)歸一化算法。各Cu2+濃度脅迫下的h和S等計(jì)算方法如下：選擇水分吸收谷所在的波段區(qū)間；以圖3所示的CK下玉米葉片光譜為例，確定水分吸收谷兩側(cè)反射率最大值點(diǎn)A、B，并以較低一側(cè)極值點(diǎn)為起點(diǎn)搜尋AB間谷內(nèi)的包絡(luò)點(diǎn)；插值計(jì)算A、B2點(diǎn)連線在波段區(qū)間內(nèi)的所有波長點(diǎn)(λi)的值fi，波段區(qū)間內(nèi)所有波長λi對應(yīng)的光譜反射率ρi，由ρi/fi值即可得到連續(xù)統(tǒng)歸一化曲線值ti。通過波長差及反射率可求2個(gè)極值點(diǎn)連線下的梯形ABB′A′面積S1，其中A′、B′為點(diǎn)A、B到x軸的垂線與x軸的交點(diǎn)(圖4)，S1的計(jì)算方法如式(1)所示。而通過式(2)可求得2個(gè)極值點(diǎn)A、B間原反射光譜曲線下的面積S2。則A、B2個(gè)極值點(diǎn)間的水分吸收谷面積(S)可通過S=S1-S2計(jì)算求得，求得的結(jié)果如表2所示。

S1=|λa-λb|(ρa(bǔ)+ρb)；

(1)

(2)

式中：λa、λb和ρa(bǔ)、ρb分別為點(diǎn)A、B的波長和反射率；λi-1、λi、λi+1為A、B間相鄰波長；ρi為波長λi對應(yīng)的反射率。

通過擬合求得光譜連續(xù)統(tǒng)歸一化曲線值ti的最小值點(diǎn)，則h=1-min(ti)即為水分吸收谷的深度，求得的結(jié)果如表2所示。分別分析吸收深度h和吸收面積S與不同脅迫梯度下葉片Cu2+含量的相關(guān)性，分析結(jié)果如表3所示，其中R1、R2分別為玉米葉片光譜在1 233～1 500、1 858～2 050 nm波段區(qū)間處的吸收深度h和吸收面積S分別與玉米葉片中Cu2+含量之間的相關(guān)系數(shù)。

由表2可以看出，波段區(qū)間在1 858～2 050 nm處，玉米水吸收谷位置有偏移，但變化很小，基本可以忽略，但在2個(gè)水吸收帶中吸收深度隨Cu2+濃度的升高而減小，吸收面積則有明顯的增大趨勢。由表3可以看出，玉米水吸收帶在 1 233～1 500、1 858～2 050 nm波段區(qū)間受不同濃度Cu2+脅迫后，吸收深度、吸收面積與葉片中的Cu2+含量具有顯著相關(guān)性，其中葉片Cu2+含量與吸收深度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與吸收面積則呈顯著正相關(guān)，且吸收深度、吸收面積與葉片中的Cu2+含量相關(guān)系數(shù)很高，均在±0.9左右，其中波段區(qū)間在 1 858～2 050 nm處的吸收深度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.97，而在 1 233～1 500 nm處吸收深度的相關(guān)系數(shù)只有-0.89。比較表3中2個(gè)水吸收波段吸收深度、吸收面積與葉片中Cu2+含量的平均相關(guān)系數(shù)可知，吸收面積的相關(guān)性更為顯著且波動(dòng)性較小。

表2 玉米葉片光譜水分吸收谷的特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 葉片光譜水吸收深度h和吸收面積S與不同脅迫濃度下葉片Cu2+含量的相關(guān)性分析結(jié)果

由此可得出，當(dāng)玉米受到重金屬嚴(yán)重脅迫時(shí)，吸水能力減弱，植物葉片含水量減少，2個(gè)水分吸收谷變淺。隨著Cu2+脅迫濃度的升高，水分吸收帶有變平趨勢。由于吸收面積具有與玉米葉片中Cu2+含量的平均相關(guān)系數(shù)更高且波動(dòng)性較小的優(yōu)點(diǎn)，可以選擇水吸收波段的吸收面積作為衡量或預(yù)測玉米受重金屬Cu2+污染程度的指標(biāo)。

2.2 基于含水量指數(shù)的預(yù)測模型

指數(shù)特征是定量表征植物葉冠生理效應(yīng)的光譜波形和反射率特征，即用一定的數(shù)學(xué)模型來描述葉冠波譜的波形和反射率特征。本試驗(yàn)利用玉米葉片在近紅外波段中水分敏感波段反射率、含水量指數(shù)及其組合來研究不同重金屬銅濃度脅迫下玉米葉片中水分吸收波譜變化及趨勢。目前使用較多的是變?nèi)~水植被指數(shù)(variational leaf water vegetation index，簡稱VLWVI)、疾病水植被指數(shù)(disease water vegetation index，簡稱DWVI)和歸一化水指數(shù)(normalized difference water index，簡稱NDWI)[10-12]。在此基礎(chǔ)上又增加了水波段指數(shù)(water band index，簡稱WBI)、水分脅迫指數(shù)(moisture stress index，簡稱MSI)和歸一化紅外指數(shù)(normalized difference infrared index，簡稱NDII)，各類葉片含水量指數(shù)計(jì)算公式如表4所示，其計(jì)算結(jié)果與玉米葉片中Cu2+含量相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示。以上含水量指數(shù)常用在農(nóng)作物管理、生產(chǎn)力預(yù)測與建模、著火威脅條件分析以及生態(tài)系統(tǒng)生理機(jī)能研究方面[13-16]，但很少用于植被的重金屬污染分析。

表4 玉米葉片含水量指數(shù)計(jì)算公式

注：ρ900表示波長為900 nm的光譜反射率，其他類似表示依此類推。

由表5可知，除DWVI外，其他含水量指數(shù)與玉米葉片中Cu2+含量具有顯著相關(guān)性，其中WBI、NDWI、NDII、VLWVI為顯著負(fù)相關(guān)，且WBI、NDWI、VLWVI的相關(guān)系數(shù)絕對值均在0.9以上。當(dāng)玉米受到重金屬銅脅迫嚴(yán)重時(shí)，葉片含水量減少，在1 599 nm處的吸收強(qiáng)度明顯減弱。當(dāng)MSI值越大，表明葉片含水量越小，玉米受到的銅污染也越嚴(yán)重。與MSI相反，NDII、NDWI、WBI、VLWVI值越大，表明葉片含水量越高，玉米受到的銅脅迫也就越小。

表5 玉米葉片的含水量指數(shù)與不同Cu2+含量間的相關(guān)性分析結(jié)果

通過葉片含水量指數(shù)與葉片中Cu2+含量的相關(guān)系數(shù)比較可以得出，含水量指數(shù)的相關(guān)性順序從高到低依次為NDWI>WBI>VLWVI>MSI>NDII>DWVI。由表5可以看出，DWVI的相關(guān)系數(shù)只有0.09，相關(guān)性最差，不能作為銅脅迫后玉米水分含量變化的診斷光譜指數(shù)，而其余的光譜含水量指數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對值均在0.9左右，都可以用來作為判斷玉米銅污染程度的衡量或預(yù)測指標(biāo)。由于NDWI與葉片含水量的相關(guān)性系數(shù)絕對值達(dá)到0.99，具有極高的相關(guān)性，所以用NDWI作為銅脅迫玉米條件下水分含量變化的診斷光譜指數(shù)更為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

通過提取玉米光譜水分吸收特征參數(shù)和含水量指數(shù)，分析其與不同銅濃度脅迫下玉米葉片中Cu2+含量間的相關(guān)性，可以得出當(dāng)玉米受到0～500 μg/g重金屬銅污染時(shí)，玉米葉片含水量會降低，水吸收帶在1 233～1 500、1 858～2 050 nm波段區(qū)間吸收谷隨銅濃度的升高而變淺，吸收深度減小，吸收面積增大，吸收谷會逐漸變緩并呈水平趨勢。由于水分吸收面積具有與玉米葉片中Cu2+含量的平均相關(guān)系數(shù)更高且波動(dòng)性較小的優(yōu)點(diǎn)，可以選擇水吸收波段的吸收面積作為衡量玉米受重金屬銅脅迫的程度的衡量或預(yù)測指標(biāo)。同時(shí)玉米葉片光譜的各項(xiàng)含水量指數(shù)也會發(fā)生顯著變化(除DWVI外)，NDII、NDWI、WBI、VLWVI會隨銅脅迫濃度的升高而逐漸變小，而MSI則逐漸增大，因此可以利用含水量指數(shù)來衡量玉米受銅脅迫的程度；通過對比不同含水量指數(shù)的相關(guān)系數(shù)大小可知，NDWI與玉米葉片中Cu2+含量的相關(guān)系數(shù)最高。所以認(rèn)為，可綜合利用水吸收帶的吸收面積和NDWI作為植物重金屬污染衡量或預(yù)測的最優(yōu)指標(biāo)，可以更為準(zhǔn)確地判斷玉米受重金屬銅的污染程度。