胡杨与灰叶胡杨的叶片光谱特征对比分析

马思佳 王家强

（塔里木大学农学院，新疆阿拉尔 843300）

塔里木盆地是典型的干旱荒漠区之一。胡杨（Populus euphratica）与灰胡杨（Populus pruinosa）为该地区沙漠生态系统[1]中最主要的建群种之一，在抵御风沙、抑制沙化[1]、维持区域生态平衡、保护生物多样性及保护绿洲农业、畜牧业等方面发挥重要作用。实践中，水土资源过度利用等导致该地区河流断流和地下水位下降，加剧了荒漠植被的干旱胁迫，导致生态系统面临退化的威胁[2]。因此，相关学者开始深入研究建群植物对环境胁迫、地下水位变化和干旱胁迫等因素的生理生态响应机理[3]，以充分了解相关因素对胡杨生长和适应环境的影响。

遥感技术被广泛应用于植被监测研究中，利用光谱技术研究塔里木河流域胡杨及灰叶胡杨叶片光谱反射率随干旱胁迫程度的变化特征对研究植物生境的光谱响应有重要意义[4]。张芳等[5]以奇台绿洲平原地区4 种盐生植物为研究对象，采用光谱学特征参数，构建了4 种盐生植物的光谱学识别模型。牟新待等[6]分析了甘肃天祝县高山草甸植物的光谱反射特征，结果表明，草原植被对可见光和NIR 的反射率均有较大差异，利用高光谱技术可对草原植被进行分类。岳喜元等[7]对科尔沁沙地4 种重要的固沙植物——杨树、黄柳、锦鸡儿和樟子松进行了光谱学分析，发现这4 种固沙植物在620～670 nm 和841～876 nm 范围内的反射率有较大差别，从而对这4 种植物进行了鉴别。Fabre 等[8]以樱桃树叶为研究对象，采用分步烘干法，研究不同水分含量对3～15 mum光谱域的影响。Ghiyamat 等[9]探讨了原始和导数光谱数据与5 种不同光谱度量技术、SAM-SID 结合对不同树龄的树种的鉴别潜力。Harrison 等[10]通过对26 个热带雨林类型的随机森林分类试验，证明了采用小波方法对反射系数进行预处理，可以有效提高分类准确率。本研究对塔里木河流域胡杨与灰叶胡杨叶片进行光谱测试，获取光谱反射率，结合色素数据，探讨不同地下水埋深下胡杨光谱反射率的变化特征，为评价天然胡杨的健康状况和环境胁迫提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

选择新疆阿瓦提县丰收三场胡杨林保护区和塔里木河干流源头为研究区，将胡杨叶片按不同地下水埋深划分为0～2、2～4、4～6、6～8 和8～10 m 5 个梯度，研究胡杨和灰叶胡杨叶片生理参数的变化特征，并设置5个采用时期，从2022年6月至10月，在每月25日前后进行采样。

使用ASD FieldSpec Hand Held2 便携式地物光谱仪，对每棵胡杨和灰叶胡杨叶片的光谱反射率进行测定。在晴朗无风天气的时间段（12：00—16：00），选取具有代表性的胡杨与灰叶胡杨作为样本树，进行光谱测定。随即将采集的光谱反射率所对应的叶片装入信封，并放入0～4 ℃的保温箱或车载冰箱内，待所有处理的叶片样品采集完后运回实验室，并及时进行叶绿素测定。对胡杨与灰叶胡杨光谱反射率的有效数据进行预处理，并进行包络线去除和光谱变换，分析其原始光谱反射率变化的特征，以得出光谱位置参数的变化特征。最后，将胡杨与灰叶胡杨叶绿素数据与光谱位置参数、光谱吸收特征参数和光谱相似性结合，对比敏感波段。

1.2 研究方法

1.2.1 测定光谱反射率本试验使用ASD Hand Held2 便携式地物光谱仪进行测定。在各个采样点范围内，选择树龄、长势相近，并且没有受到病虫害影响的胡杨树与灰叶胡杨树，在晴天，云量低于20%的天气条件下，采摘每一株不同部位上完整的、具有代表性的胡杨树叶与灰叶胡杨树叶作为分析样品，利用高枝剪获取叶片样品，并测定其光谱反射率有效数据，同时，每隔10 min用一块白板进行参照。将收集到的样品用自密封的纸袋包装好，并做好标记，送回实验室进行测定。

1.2.2 测定叶绿素含量用95%乙醇浸提叶片中的叶绿素，将新鲜叶片剪成长宽约2 mm的碎片，精确称量0.200 0 g，并将其置入具塞刻度试管内，加入20 mL 95%乙醇，放在4 ℃的冰箱内并避光，密封浸泡48 h以上。待叶片全部变成白色，将浸提液摇匀后，用分光光度计在波长537、647 和663 nm 处进行比色，测定其吸光值。用波长537、647 和663 nm 处的吸光值计算叶绿素a、叶绿素b 的浓度值，再用叶绿素a、叶绿素b的浓度值计算叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量。计算公式（1—5）如下。

式（1—5）中，A663、A537和A647分别表示在波长663、537 和647 nm 处用1 cm 的比色杯测量的浸提液的吸光度值；Ca、Cb为叶绿素a 和叶绿素b 的物质的量浓度；Chla、Chlb和Chla+b分别表示浸提液中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量。

1.2.3 测定光谱位置参数本研究使用的光谱位置参数包括Db、λb和Dy等，其名称、定义及算法如表1所示。

表1 光谱位置参数

2 结果与分析

2.1 叶片反射光谱特征与光谱相似性

对胡杨与灰叶胡杨光谱反射率有效数据用The UnscrambleX 软件进行SG 平滑，有效减弱光谱噪声。本研究采用4种光谱变换方式，即一阶导数变换、二阶导数变换、对数变换和对数倒数变换，并对胡杨与灰叶胡杨的叶片反射光谱特征进行对比。通过计算欧氏距离、光谱信息散度、光谱相关性测度、光谱角匹配和光谱相关性拟合，进行光谱相似性分析如图1所示。

图1 胡杨与灰叶胡杨叶片的光谱反射曲线

由图2 可知，经一阶、二阶导数变换后的光谱值与原始光谱值相比变化很大，胡杨与灰叶胡杨光谱反射率的变化基本一致。但在325～400 nm 范围内，胡杨与灰叶胡杨变化幅度一阶、二阶导数变换值均相差较大，在400～700 nm 范围内，由于吸收和反射特性很强，二者均整体呈现典型的“峰谷”特征，在900～1 000 nm 范围内，两条曲线波动差异较显著，胡杨的二阶光谱变换达到了近0.003 的极大值。

图2 胡杨与灰叶胡杨叶片一阶、二阶导数光谱

由图3 可知，经对数和对数倒数变换后，整个曲线均呈负值，与原始光谱走势基本一致。对数变换后，胡杨与灰叶胡杨走势基本一致，均呈“两峰一谷”，胡杨与灰叶胡杨的对数变换的差异不显著。但对数倒数变换中胡杨与灰叶胡杨相差较大，具体表现在734 nm 波长后，胡杨对数倒数出现了较灰叶胡杨更明显的谷，达到了近-8 的极小值。

由表2 可知，胡杨与灰叶胡杨的一阶与二阶导数变换最大值均为0，最小值均为0，且二阶导数最大值和最小值为一处。对数变换与对数倒数变换最大值与最小值均为负值。对数变换中，胡杨与灰叶胡杨相差不大，但对数倒数变换胡杨与灰叶胡杨极值相差较大。

2.2 胡杨与灰叶胡杨叶片光谱的吸收特征

对胡杨和灰叶胡杨叶片光谱反射率数据，用envi 构建波谱库，并进行包络线去除（图4），其吸收谷的趋势更加明显。根据包络线去除后的图像（图4），进行胡杨与灰叶胡杨的吸收特征分析，并进行对比。通过显著性差异检验，分析光谱吸收特征参数的差异。

图4 包络线去除处理

由表3可知，胡杨与灰叶胡杨均有2个比较明显的吸收谷，灰叶胡杨比胡杨的吸收斜率较低，证明胡杨的吸收谷比灰叶胡杨波动幅度较大，因此吸收深度也比灰叶胡杨要低。胡杨比灰叶胡杨的吸收宽度高，胡杨与灰叶胡杨在500 nm波长附近包络线去除曲线开始出现第一个吸收谷，波长670 nm附近包络线去除曲线开始出现第二个吸收谷。

表3 胡杨与灰叶胡杨叶片光谱的吸收特征参数

由表4 可知，胡杨与灰叶胡杨光谱吸收特征参数在中心波长550 nm 处，斜率P=0.02＜0.05，差异显著；吸收深度P=0＜0.01，差异极显著，其他均不显著。在中心波长670 nm 处，斜率P=0，差异极显著，其他均不显著。由此可得，斜率可作为辨别胡杨与灰叶胡杨的标志吸收特征参数。

表4 胡杨与灰叶胡杨叶片光谱的吸收特征参数差异分析

2.3 胡杨与灰叶胡杨叶片光谱的位置特征

选择325～1 075 nm 波段胡杨光谱反射率做一阶导数转换，通过一阶导数转换可去除植被背景干扰，并将其精细特性放大，从而实现对植被光谱特性的定量化，与原始波段相比更为精确。此外，根据光谱位置特征，判断不同胡杨品种，并反映品种之间的差别。通过显著性差异检验，分析光谱吸收特征参数的差异。

从表5 可知，Db、λb、λg、Rg和Dy胡杨比灰叶胡杨低，λg胡杨与灰叶胡杨差异不显著，黄色边缘位置、红色波谷反射率、红色波谷位置和红色边缘振幅胡杨比灰叶胡杨高，λo胡杨比灰叶胡杨高。

表5 胡杨与灰叶胡杨叶片光谱的位置特征

由表6 可知，蓝边幅值和黄边位置P=0＜0.01，差异极显著，绿峰幅值P=0.02，黄边幅值P=0.03＜0.05，差异显著。这说明胡杨与灰叶胡杨蓝边幅值和黄边位置处理间存在极显著差异，绿峰幅值和黄边幅值处理间存在显著差异，其余无显著差异。由此可知，蓝边幅值和黄边位置、绿峰幅值和黄边幅值可作为区分胡杨与灰叶胡杨的光谱位置特征参数。

表6 胡杨与灰叶胡杨叶片三边参数差异分析

3 结论与讨论

本研究以塔里木河源流区和新疆阿瓦提县的胡杨与灰叶胡杨为研究对象，采集了不同月份、不同埋深的胡杨与灰胡杨叶片光谱反射率及对应的叶绿素含量，对原始光谱通过Unscramble 软件进行SG 平滑，有效减弱光谱噪声，再进行一阶、二阶导数光谱变换处理分析，得出光谱变化特征，并计算光谱相似性指标；运用envi进行包络线去除，进行胡杨与灰叶胡杨的吸收特征分析并进行对比；将一阶导数变换后的值进行光谱位置特征数值的计算并进行对比；分别算出胡杨与灰叶胡杨总叶绿素含量与光谱反射率相关系数。选取相关系数较高的波段用SPSS 进行方差膨胀因子，检验共线性，进而筛选敏感波段进行对比。得到的结论如下。

（1）胡杨与灰叶胡杨的叶片光谱反射率经平滑处理，再进行一阶、二阶导数变换后，图像走向基本一致，但在峰值时胡杨要高于灰叶胡杨。通过胡杨与灰叶胡杨的两条反射光谱曲线在325～1 075 nm波段的光谱相似性相关数值的计算，证明胡杨与灰叶胡杨的光谱相似性不高。

（2）胡杨与灰叶胡杨的包络线去除光谱的两个吸收谷位置走向一致，但两个吸收谷的峰值和谷底值略有不同，同时，吸收斜率（K）值、吸收深度（BD）值、吸收宽度（W）值和吸收面积（A）值都有不同程度的变化。但差异显著性检验证明，吸收斜率差异极显著。

综上，通过胡杨与灰叶胡杨的光谱位置特征的对比筛选，判断不同胡杨品种的吸收特征参数，并通过筛选敏感波段反映光谱与色素的相关性，体现色素吸收光谱变化的强弱程度，更能体现色素含量变化的差异。