盐地碱蓬生长生理指标和冠层光谱对水盐胁迫的响应

李 珊, 卢 霞, 郑 薇, 何 爽, 林 辉, 罗文强, 林雅丽*

(1.江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005；2.苏州科技大学 地理科学与测绘工程学院，江苏 苏州 215009)

引 言

湿地植被作为初级生产者，在整个湿地生态系统中具有举足轻重的作用，而土壤盐度和地下水位是直接影响植物生长生理指标的重要环境因素[1-2]。其中，植物形态学[3]、生物量[4]、叶绿素含量[5]及可溶性糖含量[6]等生长生理指标对土壤水盐条件响应显著。另一方面，植物受水盐胁迫后生长生理指标发生的变化对光谱反射率亦有所响应[4,7]，即植物光谱也可能用于指示水盐胁迫。盐地碱蓬(Suaedasalsa)由于具有较高的耐盐性，是重度盐碱湿地的先锋物种和主要修复植物[5]。关于淹水胁迫和盐胁迫对盐地碱蓬的影响，前人已做大量研究[8-9]，但大都基于单因素胁迫，关于水盐双重胁迫的研究较少[10]。然而在自然环境中，淹水胁迫和盐胁迫往往同时作用于盐地碱蓬，水盐双重胁迫下盐地碱蓬生长及生理方面的响应可能与单因素胁迫产生较大差异[11]。因此，开展盐地碱蓬生长生理指标与水盐双重胁迫的相关性研究对滨海湿地植物适应性以及退化湿地生态修复具有重要意义。管博[5]研究了不同地下水位深度以及不同盐浓度的交互作用对盐地碱蓬幼苗生长和抗氧化酶活性的影响。但对不同水、盐胁迫的交互作用影响下盐地碱蓬的生理生态和反射光谱的响应机理鲜见报道，而探讨这一响应机理可以为开展退化滨海湿地修复植物的生理生化参数高光谱定量遥感反演提供重要依据。

本研究通过水盐正交试验模拟分析盐地碱蓬生长生理指标和冠层光谱对水盐胁迫的响应机理，提出盐地碱蓬对水盐胁迫响应敏感的生长生理指标和高光谱植被指数，以期为滨海湿地退化碱蓬滩的生态系统修复提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

2019年5月12日于江苏临洪河口湿地(34°39′～34°48′N,119°09′～119°16′E)采集无病虫害的健壮盐地碱蓬幼苗作为研究对象试验培养基质为20～40目烘干细砂，试验盆栽高度分别为10，15，20，30，40 cm，底部直径为20 cm，设有圆形排水孔，并铺设尼龙网以防止细砂流失并保持水分流通。试验水槽长为1.5 m，宽为1 m，高度为15 cm。试验模拟盐浓度(0 %，0.5 %，1 %，1.5 %，2 %，2.5 %)的NaCl溶液，溶剂为改良霍格兰氏(Hoagland)营养液。

1.2 试验设计

根据盐地碱蓬的盐分和地下水位耐受阈值设置6种盐浓度(0 %、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %和2.5 %NaCl溶液)和5种地下水位(0，-5 ，-10 ，-20 ，-30 cm)共90盆30种处理，每种处理3个重复。试验方案设计示意图如图1所示。

图1 盐地碱蓬水盐胁迫试验方案设计示意图

供试碱蓬幼苗用蒸馏水充分冲洗后，选取长势好且株高较一致的幼苗，分别移栽10～15株至90盆花盆中，早晚用自来水复壮。2周后，每盆定株5～8株植株，平均株高13.19 cm。为避免盐冲击效应，盐溶液(NaCl)用递增的方法，每天以0.5 %NaCl的增速对盐地碱蓬幼苗透灌2次，6 d后达到不同盐浓度要求后停止透灌，保持水槽内10 cm水位。试验期间，每5 d定期更换水槽内盐溶液，此外，每天向水槽内补充蒸发的水分，保证盐浓度的相对稳定。

试验周期为50 d，期间每周测量株高。试验结束时，测量碱蓬分枝数、生物量、叶绿素含量、可溶性糖含量和冠层反射光谱。

1.3 碱蓬生长生理指标测定

株高、分枝数测定：试验期间，从试验第15天开始(2019年5月14日)，用卷尺每周测量株高。试验结束时，记录分枝数。

生物量测定：试验结束时取出碱蓬植株，用蒸馏水充分冲洗，分离为地上和地下两部分，记录根长、地上、地下部分鲜重，再将植株于105 ℃下杀青，后转入80 ℃烘箱，烘干水分至恒重，称量并记录地上、地下部分干重。

叶绿素含量测定：试验的第50天(2019年6月26日)，将碱蓬分上、中、下三部分，每部分取2片叶子，用叶绿素含量测量仪(CCM-300，US)进行活体植物叶片测量，每盆设置至少6个处理重复，获得总叶绿素含量(mg/m2)。根据Gitelson[12]提出的公式计算叶绿素含量。

Chl=CFR×634+391

(1)

式中，Chl为总叶绿素含量；CFR为F735/F700荧光比值。

可溶性糖含量测定：称取并剪碎新鲜叶片0.5 g，用纯水在沸水浴中加热30 min，抽滤并定容到50 ml，按硫酸-苯酚法[13]进行测定，所作标准曲线方程为：

Y=0.0062X-0.0363,R2=0.9933

(2)

1.4 碱蓬冠层反射光谱

1.4.1 光谱测定与处理

在试验的第46天(2019年6月22日)，在天气晴朗、风较小的天气情况下，于上午10:00到下午2:00期间，利用便携式地物光谱仪(SVC HR-1024I,US)，选用25°视场角测量碱蓬冠层光谱。测量前，利用标准白板定标校准；测量时，探头置于碱蓬冠层正上方约40 cm，扫描时间间隔为5 s，每盆重复测量5次，取均值作为该盆栽碱蓬植株的光谱数据。对光谱数据进行重采样，并选用卷积平滑滤波法(Savitzky-Golay,SG)对重采样数据进行平滑处理。最后，将每小组3个重复下3次冠层光谱数据进行平均，取均值作为每小组水盐胁迫的冠层光谱反射率(图2)。

图2 盐地碱蓬冠层光谱变化(a：相同盐浓度不同地下水位；b：相同地下水位不同盐浓度)

1.4.2 常规植被指数选取和计算

植被受到水盐胁迫时，在可见光、近红外和短波红外波段均会发生变化[14,15]，已有学者分析了植被指数和生理指标间的相关关系其公式和相关的生理指标总结并列于表1中。

表1 指示敏感生理指标和土壤水盐的植被指数

续表1

均反射率分别用作RNIR和Rred。上述植被指数来源参考李贺丽[16]及刘良云[17]。

1.4.3 新型植被指数构建

在自然环境中，滨海湿地植物通常面临水盐双重胁迫的影响，而大多数现有指数仅与植物光谱特定区域或某种生理特征相关，但胁迫会对植物不同光谱区域和不同生理特征产生影响。因此，开发基于不同敏感光谱区域的新型植被指数有助于更好地解释植物受水盐胁迫影响时各类生理变化和光谱响应机制。本文尝试借鉴差值植被指数(DSI)、比值植被指数(RSI)、归一化植被指数(NDSI)和含平方根植被指数(SWSI)的数学形式，对水盐胁迫下光谱敏感的指标进行数学变化，探索水盐双重胁迫下植被指数的响应机制。其中，DSI、RSI、NDSI和SWSI的计算公式如下：

DSI=Ra-Rb

(3)

RSI=Ra/Rb

(4)

(5)

(6)

式中，a，b，c，d分别代表指示不同生化成分或生理指标的敏感波段。为提高新构造植被指数的精度和有效性，使用平方根降低对响应较弱波段的敏感性[18]。

1.5 数据分析

采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)对试验数据差异性进行显著性分析，多重比较采用最小显著差数法(LSD)分析变量间的差异显著性；对不同光合生理指标和反射光谱与水盐胁迫及其相互作用在0.05置信水平进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 碱蓬生长指标对水盐胁迫的响应分析

盐地碱蓬生长指标与水盐胁迫的双因素方差分析结果如表2所示。

2.1.1 碱蓬株高和分枝数对水盐胁迫的响应分析

由表2可知，株高对不同地下水位和盐浓度具有极显著响应(P<0.001)，而对水盐胁迫无显著响应(P=0.255)。从试验第14天起，每周定期测量盐地碱蓬株高，其变化分析结果如图3(a)所示。由图3(a)可知：相同地下水位下，1 %盐浓度株高变化量最大；相同盐浓度下，-10 cm和-20 cm地下水位株高变化量较大；在-20 cm、1 %盐浓度及-10 cm、1 %盐浓度交互作用下株高变化量较大。不同试验时期，盐地碱蓬株高受水盐胁迫响应存在差异，试验前期，株高变化速度较小，试验后期变化速度加快，株高差异逐渐显现。

表2 盐地碱蓬生长、生理指标和水盐胁迫的双因素方差分析结果

由表2可知：分枝数对不同地下水位具有极显著响应(P<0.001)，对不同盐浓度具有显著响应(P<0.01)，而对水盐胁迫具有较显著响应(P<0.05)。由图3(b)可知：相同地下水位下，1 %盐浓度盐地碱蓬分枝数较多；相同盐浓度下，-10 cm和-20 cm地下水位分枝数较多；在-20 cm、1 %盐浓度及-20 cm、1.5 %盐浓度交互作用下分枝数较多。

图3 盐地碱蓬株高(a)和分枝数(b)变化

2.1.2 碱蓬生物量对水盐胁迫的响应分析

由表2可知：地上鲜重、地下鲜重、地上干重和地下干重均对不同地下水位具有极显著响应(P<0.001)；地上鲜重和地下干重对不同盐浓度具有显著响应(P<0.01)，地下鲜重和地上干重对其具有极显著响应(P<0.001)；地上鲜重和地上干重对水盐胁迫具有较显著响应(P<0.05)，地上干重对其具有显著响应(P<0.01)，地下干重对其无显著响应(P=0.183)。由图4可知，相同盐浓度下，-10 cm和-20 cm地下水位地上鲜重和地上干重积累较多，-10 cm地下水位地下鲜重和地下干重积累较多。相同地下水位下，0 %和1 %盐浓度盐地上鲜重积累较多，0 %盐浓度地下鲜重积累较多，0.5 %和1 %盐浓度地上干重积累较多，1%盐浓度地下干重积累较多。在-10 cm、0 %盐浓度交互作用下地上鲜重、地下鲜重和地上干重积累较多，-10 cm、1 %盐浓度交互作用下地下干重积累较多。

图4 水盐胁迫下盐地碱蓬生物量变化

2.2 碱蓬叶绿素含量对水盐胁迫的响应分析

由表2可知：叶绿素含量对不同地下水位和盐浓度具有极显著响应(P<0.001)，而对水盐胁迫无显著响应(P=0.069)。由图5可知：相同地下水位下，0 %和1 %盐浓度盐地碱蓬叶绿素含量较高；相同盐浓度下，-10 cm和-20 cm地下水位叶绿素含量较高；在-20 cm、0 %盐浓度和-5 cm、1 %盐浓度交互作用下叶绿素含量较高。淹水(0 cm)及干旱(-30 cm)条件下叶绿素含量较低，说明其不利于盐地碱蓬生长，其中，盐浓度较小时，干旱更不利于叶绿素含量增长；盐浓度较大时，淹水更不利于叶绿素含量增长。

图5 水盐胁迫下盐地碱蓬叶绿素含量变化

2.3 碱蓬可溶性糖含量对水盐胁迫的响应分析

由表2可知：可溶性糖含量对不同地下水位和盐浓度具有极显著响应(P<0.001)，而对水盐胁迫无显著响应(P=0.068)。由图6可知：相同地下水位下，0 %和0.5 %盐浓度盐地碱蓬可溶性糖含量较高；相同盐浓度下，0 cm和-5 cm地下水位可溶性糖含量较多；在0 cm、1 %盐浓度交互作用下可溶性糖含量较高。

图6 水盐胁迫下盐地碱蓬可溶性糖含量变化

2.4 碱蓬冠层光谱特性对水盐胁迫的响应分析

2.4.1 冠层光谱分析

由图2可知：不同地下水位与盐浓度条件下碱蓬冠层光谱反射曲线形状相似。总体而言，在680 nm、1 200 nm、1 500 nm、1 800 nm和1 950 nm附近有明显反射谷，在550 nm附近有较小绿色峰，在970 nm、1 350 nm和1 870 nm附近有较小反射谷。

2.4.2 植被指数分析

比较图2中不同水盐胁迫盐地碱蓬冠层光谱曲线，选择差异最小的2 %NaCl不同地下水位共5条光谱曲线取均值，对每个光谱区域选择光谱差异大的波段作为敏感波段(图7)。对提取的光谱曲线，计算常规植被指数双因素方差分析结果(表3)。

图7 盐地碱蓬冠层光谱反射曲线

表3 指示敏感生理指标和土壤水盐的植被指数及其与水盐胁迫的双因素方差分析结果

基于表2得出的对水盐胁迫敏感生理指标：分枝数和生物量，结合常规植被指数的相关生理特征，选择本研究中响应水盐胁迫的指标。例如，选择555 nm作为指示植被色素含量和光化学特征的指标，选择674 nm和816 nn作为指示叶绿素含量和LAI差异的指标，选择1 458 nm和1 674 nm作为指示生物量的指标以及其它指示水分含量等的指标。根据DSI、RSI、NDSI、SWSI计算公式，对指标进行组合，构建新型植被指数并进行双因素方差分析(表4)。

表4 指示敏感生理指标和水盐胁迫的新植被指数及其与水盐胁迫的双因素方差分析结果

3 讨论

3.1 生长生理指标对水盐胁迫的响应

生长生理指标是反映植物响应水盐胁迫的重要方面[11]，盐地碱蓬作为滨海盐碱湿地优势物种之一，面对水盐胁迫时绝大多数在形态和生理特性上表现出较强的适应性和响应策略。本研究通过对株高、分枝数、生物量、叶绿素含量和可溶性糖含量等生长生理指标的分析发现，地下鲜重对水盐胁迫响应最显著，这与许耀照等[19]的研究结论相似。这可能是由于生物量累积及其分配对水盐胁迫的响应更敏感，是碱蓬幼苗生长受水盐胁迫在外部特征上的反映[20]。分枝数、地上鲜重和地上干重对水盐胁迫响应较显著，与管博等[5]在水盐胁迫下盐地碱蓬幼苗生长的研究结果一致。其中，株高和分枝数对-10 cm、-20 cm地下水位和1 %、1.5 %盐浓度的响应最显著，说明水位深度较浅且盐度适当能够促进盐地碱蓬幼苗高度增加并产生分枝。可溶性糖含量对0 cm、-5 cm地下水位和0 %、0.5 %盐浓度的响应最显著，说明水位深度较深且盐度较低能促进可溶性糖的积累，这可能是因为植物在适应水盐胁迫过程中通过渗透调节的方法积累有机溶质(可溶性糖等)，以维持水分平衡[21]。

在自然环境中，淹水胁迫和盐胁迫往往同时作用于盐地碱蓬，水盐双重胁迫下植物幼苗生长及生理方面的响应可能与单因素胁迫差异较大[11]。综合研究发现：该试验中水盐胁迫对盐地碱蓬生长影响显著，但不同生长、生理指标对淹水水位和盐度的适应性存在差异，无法确定适宜盐地碱蓬生长的最佳水盐环境条件，这可能是由盆栽试验设计条件与野外盐地碱蓬分布区土壤及地下水环境条件差异所致。

3.2 冠层光谱对水盐胁迫的响应

相较于传统的基于植物形态生理状况对水盐胁迫的响应，基于反射光谱特征的光谱分析技术具有快速、无损、准确等优势。植物在水盐胁迫下体内色素含量、营养状态及生理生化状况会发生相应变化，导致植物反射光谱特性发生变化[7,22]。通过对盐地碱蓬冠层光谱的分析，可以间接指示其对水盐胁迫的响应。从本试验所得冠层光谱反射曲线来看，水盐胁迫对其形态变化影响不大，但数值差异较大，这与卢霞等[23]在单因素盐胁迫盐地碱蓬的研究结果一致，也符合植物的一般光谱特性。

水盐胁迫对植物的影响是多方面的。研究表明，植物生长过程中土壤水分不足会导致作物生长异常，进而影响植被指数的变化[24]。本试验利用盐地碱蓬冠层光谱特征，根据任意波段组合能有效减少单波段散射效应[25]，结合盐地碱蓬幼苗受水盐胁迫响应的冠层光谱曲线构建新植被指数。新植被指数涵盖光谱全波段区域，克服单波段植被指数的局限性，是本研究的一个新的尝试。同时，对比已有的基于植物生理特征构建的植被指数，评估二者对水盐胁迫的响应状况。结果发现，新植被指数能更好地指示光谱对水盐胁迫的敏感性，其中，差值植被指数的响应结果最佳，其次是带平方根的新植被指数，与Hamzeh等[26]的研究结果相似。已有植被指数中，DVI、TGI对盐胁迫响应显著，SIR780/R740、RVI对淹水胁迫响应显著，而新构建植被指数对盐胁迫或淹水胁迫的响应略低于已有植被指数，可能是由于已有植被指数多是基于对单因素的响应分析，在应对较复杂环境条件时，寻求基于多因素的植被指数或可提高对环境条件的反演精度。

4 结论

以盐地碱蓬为研究对象，设置水盐胁迫正交试验，测定植物生长生理指标和冠层反射光谱，利用双因素方差分析和最小显著差数法(LSD)提取对水盐胁迫响应显著的碱蓬生长生理指标和高光谱植被指数，分析盐地碱蓬对水盐胁迫的响应机理。通过以上研究，得出以下结论：

(1)对水盐胁迫响应显著的盐地碱蓬生长生理指标是分枝数、地上鲜重、地下鲜重和地上干重。

(2)对水盐胁迫响应显著的盐地碱蓬高光谱植被指数是DSI3、DSI4、DSI1、DSI2、SWSI1、SWSI4、DSI5、SWSI3、SWSI6、NDSI4，共10个指数。响应显著程度依次为DSI3>DSI4>DSI1>DSI2>SWSI1>SWSI4>DSI5>SWSI3>SWSI6>NDSI4。

本研究受限于90个盆栽碱蓬小样本，未采集土壤水盐的实测数据，利用新植被指数构建土壤水盐胁迫反演模型难以实现，在未来试验设计和研究中将针对这一问题加以改进，以期为构建土壤水盐胁迫的高光谱反演模型提供数据支撑。