铜铅重金属胁迫下玉米光谱分形维数与污染监测研究

通过设定不同浓度梯度的重金属Cu、Pb胁迫下的玉米盆栽试验,利用美国高性能地物光谱仪SVC HR-1024I对不同浓度铜铅污染的玉米老、中、新叶片进行光谱测量,同时采用SPAD-502叶绿素含量测定仪测定各类叶片中叶绿素含量相对值,并通过化学方法测定不同胁迫程度下玉米叶片中的铜铅含量。在分析玉米叶片中Cu、Pb含量与光谱曲线的绿峰高度(GH)、红谷深度(RD)、蓝边(DB)、红边最大值(MR)、红边面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)之间相关性的基础上,利用分形理论对叶片410~780 nm之间的光谱曲线进行分形测量,提出运用光谱曲线分形维数(FRAC)对受不同浓度重金属铜铅污染的玉米叶片进行污染监测,同时对相同浓度铜铅胁迫下的老、中、新叶片也进行了光谱响应研究。结果表明,随着叶片中重金属含量增加光谱曲线分形维数也逐渐增大,同等浓度重金属铜铅胁迫程度下,分形维数从新叶到老叶逐渐减小,并且发现光谱曲线分形维数与绿峰高度、红谷深度、红边面积具有较好的相关性,说明光谱曲线分形维数不仅可以综合描述曲线的光谱特性,还能定量反映玉米叶片受重金属铜铅污染程度及其健康状况。因此,光谱曲线分形维数可以作为玉米叶片重金属污染监测的一种新方法。     

基于光谱参数和Cu2+吸收机理的玉米叶片铜污染预测研究

依据多个浓度梯度下Cu~(2+)胁迫的玉米盆栽实验,通过采用多种光谱特征参数、红边位置(REP)、红边一阶微分包围面积(FAR)和归一化植被指数(NDVI)等光谱参量;以及另五种植被指数(红边归一化植被指数NDVI_(705),改进红边比值植被指数mSR_(705),改进红边归一化植被指数mNDVI_(705),光化学植被指数PRI和结构不敏感色素指数SIPI);并结合Cu~(2+)的光谱吸收机理,同时基于玉米叶片的反射光谱和Cu~(2+)含量实验室实测数据,开展了玉米叶片光谱参数及植被指数与铜污染程度预测的相关性分析研究。实验结果表明:本文提到的大部分光谱参数及植被指数与叶片中Cu~(2+)含量具有一定的相关性;随着Cu~(2+)浓度增加,盆栽玉米在低于200μg/g浓度时仍可正常生长;而在高于浓度为200μg/g后生长受到抑制。玉米受Cu~(2+)污染时,在Cu~(2+)特征吸收峰810 nm处反射率有下降趋势,与无Cu~(2+)污染时反射率上升的趋势相反,说明Cu~(2+)光谱吸收机理可以用来区分和预测玉米是否受到Cu~(2+)污染。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法研究

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

光谱分数阶微分与玉米叶片重金属铜含量的相关性分析

常用的整数阶一阶和二阶微分光谱曲线差异较大,而分数阶微分可实现光谱信息细化,能将整数阶微分容易忽略的信息充分利用起来,更能深度挖掘光谱中的潜在信息。以重金属铜胁迫的盆栽玉米为研究对象,在玉米叶片受不同浓度CuSO_4胁迫下,光谱反射率和Cu~(2+)含量的实验室测量数据基础上,对光谱反射率进行0~1内0.1阶的11个阶次微分处理,将各阶次的微分值与测得的玉米叶片中Cu~(2+)含量进行相关性分析;并对各阶次的微分光谱值进行0.01和0.05显著性水平的检验。分析结果表明,与常用的一阶微分相比,分数阶微分可以突显某些波段的光谱反射率与叶片中Cu~(2+)含量的相关性,扩大特征波段的选择空间。     

重金属离子Pb~(2+)胁迫对早熟禾品种润草1号生理特性的影响

采用盆栽的方法,研究了不同浓度Pb~(2+)胁迫对早熟禾品种"润草一号"生理活性的影响。通过检测"润草一号"叶片的叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性以及根系活力的变化,我们发现,Pb~(2+)胁迫对"润草一号"叶片的生长影响不明显,较高浓度处理才会引起"润草一号"叶片叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性的降低。但是,较低浓度的Pb~(2+)处理就能够显著地降低"润草一号"根系活力。     

铅胁迫对白芨苗生理特性的影响

用白芨苗为材料,研究不同体积分数Pb~(2+)溶液(12.5、25、50、100 mg/L)对白芨苗生理活性的影响.结果:随Pb~(2+)体积分数的增加,白芨苗叶片中脯氨酸(Pro)含量呈上升趋势,叶绿素和类胡箩卜素含量总体下降,过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性先上升后下降,表明白芨苗对一定体积分数(0~50 mg/L)的铅胁迫有一定的抗逆性.     

不同浓度锰胁迫对向日葵幼苗叶片生理生化特性的影响

为研究锰胁迫对向日葵幼苗的影响,以向日葵幼苗为实验材料,通过沙培盆栽法研究不同Mn~(2+)浓度胁迫下向日葵生长和生理生化特性的变化。结果显示:随着Mn~(2+)浓度的增加,向日葵幼苗叶片中丙二醛(MDA)、可溶性糖(SS)以及游离脯氨酸(Pro)的含量都呈现上升趋势;而幼苗叶片叶绿素、蛋白质(Pr)含量则呈现先升高再下降的趋势。Mn~(2+)浓度为100 mmol/L时,向日葵幼苗叶片的总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量达到峰值,而后随着Mn~(2+)浓度的继续增加而显著下降;Mn~(2+)浓度为200 mmol/L时,蛋白质含量最高,之后急剧下降。综上可见,低浓度Mn~(2+)对植株有显著的促进生长作用,细胞代谢加快;高浓度Mn~(2+)对植株有显著的抑制作用,可导致细胞代谢紊乱,甚至植株死亡。向日葵可以种植在被低浓度重金属污染的土壤中,一方面可以加快土壤净化,另一方面可以促进植株的生长发育。     

铅、镉、铜对4种入侵植物种子萌发及幼苗生长的影响

采用纸皿法以去离子水为对照,研究了不同质量浓度Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)胁迫对4种入侵植物假酸浆(Nicandra physaloides)、屋根草(Crepis tectorum)、繁穗苋(Amaranthus paniculatus)和长毛月见草(Oenothera villosa)种子萌发及幼苗生长的影响,以为入侵植物在重金属污染土壤治理与修复中的利用提供新思路.结果表明:随着Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)质量浓度的增大,4种入侵植物种子的发芽率、发芽指数、初生根长度、胚芽长度及幼苗的生物量呈下降趋势.其中,假酸浆种子的发芽率、发芽指数对Pb~(2+)、Cd~(2+)、Cu~(2+)胁迫不敏感(P0.05);不同重金属胁迫对4种入侵植物幼苗生长指标的抑制作用明显强于种子萌发特性.采用模糊数学隶属函数法对4种入侵植物进行了耐重金属胁迫评价,耐Pb~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋;耐Cd~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋;耐Cu~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋.综合分析假酸浆种子对重金属Pb~(2+),Cd~(2+)和Cu~(2+)的耐性较强,在土壤重金属污染治理中具有较大的应用潜力.     

铜胁迫下玉米叶绿素质量比与光谱反射率关系

通过对不同程度重金属铜污染土壤(16个样本)上玉米叶绿素浓度和相应的玉米冠层光谱反射率数据测试,进行铜胁迫下玉米叶绿素浓度与光谱数据相关分析研究,研究结果表明:铜胁迫下玉米叶绿素浓度与其光谱反射率之间具有相关性,在350~695nm光谱区内相关性最好,且在464nm处两者达到最高的相关性;铜胁迫下玉米的"红边"随着铜污染程度的加剧而发生有规律地"蓝移";铜胁迫下玉米的"红边"波长位置与其叶绿素浓度之间具有很强的相关性,复相关系数为0.884,由此可看出利用野外地物光谱数据定量估算和分析铜胁迫下玉米的叶绿素浓度是可行的.     

锶胁迫条件下生菜光谱效应特征

锶（Sr）胁迫条件下生菜的反射光谱特征会发生明显改变。通过室内生菜水培试验，获取了36个不同生长期、6个不同锶浓度胁迫的生菜叶片400～950 nm波段区间的生化参数信息（叶绿素含量、细胞结构、叶片金属含量）和反射光谱信息，利用光谱技术并结合数学统计方法研究了生菜叶片7个光谱特征参数与实测叶片锶元素含量之间的相关性，优选了较敏感光谱特征参数，建立了其与生菜叶片锶含量的线性回归模型。结果表明，锶胁迫生菜叶片叶绿素含量呈先上升后下降的规律，细胞结构差异不明显。锶胁迫生菜叶片反射光谱直观上无规律，通过采用光谱技术方法分析得出锶胁迫生菜叶片的红边波段位置先“红移”再“蓝移”，红谷波段位置则“红移”，植被指数B4/B3比值先升高后降低，红边归一化植被指数（NDVI）值随着锶浓度的升高而降低。相关性及线性回归模型分析表明红边波段位置与叶片锶含量显著相关。本文为下一步基于光谱特征的叶片重金属含量反演模型的构建提供了较好的数据源和基础理论。     

谐波分析重金属铜铅胁迫玉米的污染效应

提出了谐波分析法监测玉米的重金属污染效应。通过设置不同浓度Cu和Pb胁迫下的玉米盆栽实验,测得了玉米冠层叶片光谱、叶绿素以及Cu含量。利用谐波分析技术将玉米叶片光谱特征信息转化为以振幅和相位的能量谱特征信息,提取低次谐波振幅和初始相位,分析了振幅和相位与玉米的健康状况以及重金属污染效应之间的关系。实验结果和分析表明,振幅反映着光谱的能量信息,与叶片中的Cu离子含量有很强的相关性;初始相位携带着光谱辐射峰值的位置信息,与玉米叶片中重金属含量以及叶片光谱的红边位置具有一定的线性比例关系。因此,可以通过光谱谐波分解的振幅和相位间接的判断Cu和Pb胁迫玉米的污染程度。     

Study on the biomass change derived from the hyperspectral data of cotton leaves in canopy under moisture stress

In this study, an ASD spectrometer made in USA is used to derive the hyperspectral data of cotton leaves in canopy in north Xinjiang. The integral area variables of red edge are used to estimate the total nitrogen (TN) content in cotton leaves in canopy. The first order differential of reflective spectra is carried out. The analysis methods based on the spectral position variables are derived from the first order differential spectral data. The analysis on the correlation between the integral area of red edge (SDr, regarded as the independent variable) and the TN content (regarded as the function) is carried out, and the correlation mathematical model between the integral area of red edge and the TN content in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No.6 is developed. The analysis on the correlation between the chlorophyll content and the TN content in single cotton leaves in canopy growing under the irrigation with different water volumes is carried out. The results show that there is a significant positive correlation between the chlorophyll content and the TN content (R = 0.8723, n = 39), and the data of chlorophyll content can be used to estimate the TN content in single cotton leaves; the correlation between the integral area variable of red edge and the TN content in cotton leaves in canopy is significant, their correlation coefficient is 0.7394 (n = 40), the TN contents in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No. 6 and No. 8 can be accurately estimated by using the developed model, and their RMSE values are 0.3859 and 0.4272 respectively. After researching, it is considered that there is an applying potential to use the integral area variables of red edge for estimating the TN content in cotton leaves in canopy, and the mathematical model developed with the third-side area variables has a high applying value in deriving the TN content in crop canopy. It is also considered that it is feasible to recognize the moisture stress suffered by cotton plants by researching the shift and change extent of red edge, and the key is to develop the corresponding rational recognition index system.

     

云南箭竹叶片对长期高温环境的适应性生理变化

通过对温室环境下培育6 a的云南箭竹与野外生长的云南箭竹的生理指标进行对比试验。结果表明:温室内高温环境条件下云南箭竹嫩叶、成熟叶、衰老叶的叶绿素a(Chl a)与叶绿素b(Chl b)含量均比野外条件下的高,但Chl a/b的比值却低于野外环境; 温室内云南箭竹竹叶中嫩叶、成熟叶的类胡萝卜素含量均高于野外云南箭竹竹叶中嫩叶、成熟叶的,但衰老叶中的类胡萝卜素含量情况却相反; 温室内成熟叶片及衰老叶片的可溶性糖含量比野外条件的高,除幼嫩叶片外,温室内成熟及衰老叶片超氧化物歧化酶的活性均比野外条件的低,而温室条件下成熟叶片过氧化氢酶活性比野外叶片的高; 除衰老叶片之外,温室内嫩叶与成熟叶中的丙二醛含量均比野外叶片的高。可见云南箭竹作为高山竹种尽管在温室中生长较长的时间,但依旧不能完全适应高温环境。     

Pb2 胁迫对蛋白核小球藻叶绿素荧光强度及亚显微结构的影响

实验研究了蛋白核小球藻叶绿素荧光强度及亚显微结构受不同浓度Pb2+的影响。实验结果表明:随暴露时间的进行0、1 mg/L Pb(NO3)2处理组蛋白核小球藻的叶绿素荧光强度是逐渐升高的;而5、10、50、80 mg/L处理组的藻叶绿素荧光强度逐渐降低;且Pb2+浓度越大其荧光强度的下降趋势越明显。经Pb2+处理的蛋白核小球藻细胞易破裂且多变形,细胞壁和原生质体结合疏松,细胞超微结构中的细胞器如叶绿体、线粒体、蛋白核、淀粉与液泡等受到了Pb2+毒性影响,导致其细胞内的各个系统受到明显影响,进而影响到藻细胞的荧光特性。     

PbxNayYzF2x+y+3z+3m∶Erm3+上转换发光粉的低温燃烧合成及表征

采用低温燃烧合成（LCS）法一步合成了Pb_xNa_yY_zF_2x+y+3z+3m:Er_m3+氟化物体系1 550 nm响应的红外上转换发光材料. 通过正交实验研究了4种阳离子影响发光性能的主次关系及最佳配比,研究了燃料用量对晶相形成及上转换发光性能的影响. 采用X射线粉末衍射仪、透射电镜、荧光分光光度计（耦合1 550 nm激光器）等手段对样品的物相、形貌及发光性能进行了测试与表征. 结果表明:阳离子含量对红光发射强度影响的主次关系为Y3+,Pb2+,Na+,Er3+,最佳配比为Pb_0.004Na_0.003 Y_0.003 F_0.032:Er3+_0.004. 燃料取2.5倍理论用量时样品的结晶度和发光强度最高.      

杨晓智 郭建华* 于凯川 王树谦

为了探究重金属胁迫下生物炭对玉米幼苗生长的影响,采用盆栽水培玉米幼苗,在无Pb2+和含Pb2+对照下观察不同裂解温度制备的生物炭对玉米幼苗生长的影响。研究结果表明：生物炭滤出液对玉米种子的萌发影响不显著, WS300(300℃生物炭)促进玉米幼苗的干物质量增加了27%, WS500(500℃生物炭)促进玉米幼苗的干物质量增加了35%。在Pb2+胁迫下,不同裂解温度生物炭对培养液中的Pb2+去除率达到了25%-30%,其中PWS300(含Pb2+的300℃生物炭)促进玉米幼苗茎长增加了25%、干物质量增加了30%。由此可见,生物炭在Pb2+胁迫下对玉米幼苗生长的促进作用有虽所减弱,但依然能明显促进玉米幼苗的早期生长。     

红边光谱谐波分析的神经网络法叶绿素含量反演研究

叶绿素含量测定对于了解作物生长状况具有重要意义。为实时、快速、准确获取叶绿素含量,研究了玉米叶片叶绿素含量的BP神经网络(BPNN)法高光谱反演模型;而BPNN输入因子的选择是建立反演模型的关键。已有研究证明作物红边光谱与叶绿素含量有较强的相关性,为避免红边参数提取的不确定性,提高建模精度与效率,运用红边光谱的频率域谐波分析(HA)技术获得谐波余项、振幅和相位等能量谱特征分量(ESCC);并选择具有强相关性的10个ESCC进行主成分分析后,取前4位主分量作为BPNN的输入因子,进而进一步强化其相关性来构建叶绿素含量反演模型。同时,分别用遗传算法(GA)和小波基(wavelet-based)函数优化BPNN结构,建立GA-BPNN、WNN反演模型。实验通过比较BPNN、GA-BPNN、WNN模型和常规的多元线性回归(MLR)模型的玉米叶片叶绿素含量反演结果,得出非线性的BPNN模型要明显优于线性的MLR模型;而在神经网络模型中,GA-BPNN优化模型的反演精度最高。