检测硫酸和硝酸雨应力外文翻译资料

 2022-02-14 21:17:14

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检测硫酸和硝酸雨应力

王善谦 1，张秀英 1,*，马元丹 2，李新辉 1,3，闵成 1 ，张晓敏 1和刘磊 1

  1. 南京大学国际地球系统科学研究所江苏省地理信息科学与技术重点实验室，南京
  2. 浙江省农业科学院亚热带森林培育国家重点实验室培育基地

林业大学，杭州311300;mayuandan@gmail.com

  1. 江苏省地理信息资源开发与应用协同创新中心，南京210023

摘要：酸雨已成为全球最严重的环境问题之一，对植物生长不利。然而，目前缺乏监测植物对酸雨胁迫的响应的有效方法。高光谱技术为诊断酸雨胁迫提供了一种经济有效且无损的方法。以中国南方广泛分布的栎树为例，本研究旨在监测青蒿对模拟硫酸雨（SAR）和硝酸雨

（NAR）的高光谱响应。在实验期间获得了在四种pH水平的SAR和NAR下总共15个叶片高光谱数据周期。结果表明，高光谱信息可用于区分酸雨胁迫下的植物响应。基于500-660nm区域的显着变化，提出指 数（绿色峰面积指数，GPAI）以指示酸雨胁迫。轻酸雨（pH 4.5 SAR和NAR）相对于对照组（pH 5.6

SAR和NAR）促进青蒿的生长;中度酸雨（pH 3.0 SAR）首先促进，然后抑制植物生长，而pH 3.0 NAR 在实验过程中表现出温和的抑制作用;和重酸雨（pH 2.0）显着抑制植物生长。与NAR相比，SAR对造栎树成了更严重的破坏。这些结果有助于利用遥感技术在区域范围内监测植物的酸雨胁迫。

关键词：酸雨胁迫;绿色峰面积指数（GPAI）;损害赔偿;pH值;叶片高光谱数据

介绍

酸雨或酸沉降已成为全世界最严重的环境问题之一。与欧洲和北美一样，中国已成为受酸雨严重污染的第三个地区。主要从化石燃料燃烧和交通排放中排放的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）是酸雨的前兆[1,2].通过复杂的光化学反应，这两种污染物可以在沉淀中转化为硫酸盐（SO42minus;）和硝酸盐（NO3minus;）[3].在欧洲和北美，由于汽车的石油消耗量巨大，酸雨以硝酸为主，而由于以煤为主要能源，中国的硫酸雨占主导地位[4].然而，近年来，中国的酸雨逐渐由硫酸型转变为混合型硫酸和硝酸型，受酸雨影响的地区由于经济的快速增长和工业化而从南向北延伸[5,6].

由于硫酸盐和硝酸盐对植物有不同的影响，因此在研究植物对酸雨的反应时应充分考虑降水的实际酸组成。

森林受酸雨污染的影响很大。酸雨可直接对植物表型和生理特性产生有害影响，从而抑制植物的正常生长[7–9].此外，它可以通过酸化地表水和土壤间接影响植物生长[7,10].酸雨对植物的生物学影响是众多而复杂的，包括明显的伤害症状和无形的影响[11].通过改变抗氧化酶的活性和游离氨基酸的含量来影响植物种群结构和群落功能[12,13]，影响叶片养分平衡，影响幼苗出苗和生长[14,15].此外，酸雨可以改变叶面蜡的数量及其化学成分[16]，破坏膜通透性[5]，并影响叶绿素浓度和暗呼吸率[17,18].

与生化分析相比，高光谱技术快速，无损，重复且相对便宜，提供了一种测量植物光学特性的方法[19].随着高光谱技术的发展，高光谱传感器的光谱分辨率足以检测各种生物化学物质光谱行为的细微变化[20].植物的生理状态可以直接影响叶片结构和叶片色素，因此应激诱导的植物生理行为的变化将导致高光谱反射率的差异[21–23]，为利用高光谱信息监测植物健康状况提供理论依据[24,25].

光谱反射已被广泛用于检测植物胁迫，因为它具有识别不同植物条件的潜力[26,27].例如，

Ranjan等人。通过高光谱指数评价了植物氮胁迫对小麦的影响，发现不同氮含量的叶片的光谱反射率在400-700 nm范围内变化很大[28];张等人。研究了重金属（Cu）胁迫下的植株（小麦，卷心菜，蝗虫和灰）反应，并显示530-570 nm和800-900 nm区域的反射率发生了显着变化[29];发现生物胁迫使苹果树的光谱反射率在580-660 nm和685-715 nm区域显示出显着变化[30]和Di Vittorio和Biging发现被臭氧破坏的松针（O3）的反射率在可见光区域发生了显着变化，特别是在535-635 nm和670-685 nm范围内[31].

高光谱技术已被证明是监测植物酸雨胁迫的有效方法。表明在酸雨条件下，杜鹃花叶片的光谱差异可用窄带光谱鉴定[32]发现酸雨处理下木荷的一阶导数谱显示出“蓝移”（红色边缘向较短波长移动，红色边缘是光谱中出现最大光谱反射率斜率的点）[33]。发现马尾松显示出“红移”（红色边缘向更长波长移动），绿色峰值（550 nm）和红色边缘区域（690-750 nm）的光谱反射率随着酸雨强度的增加而降低[34]。

这些结果表明，遭受酸雨的不同植物表现出不同的光谱响应，但缺乏对不同酸雨酸度胁迫下植物长期响应的详细研究。此外，上述研究的重点是对植物的硫酸雨（SAR）胁迫，目前关于植物对硝酸雨（NAR）胁迫的反应的研究很少。此外，尽管已经提出了许多植被指数来监测应力，但很少有指标用于监测植被的酸雨胁迫。例如，生理反射指数（PRI）首先用于表征类胡萝卜素和光利用效率[35]. 此外，归一化差异植被指数（NDVI）不是一个很好的应力指标，因为它只对叶面积指数（LAI），生物量和叶绿素测定在较低水平上是准确的，而在这些因子的较高水平上则表现出饱和效应 [36,37].因此，迫切需要提出一种新的光谱指数来指示植物的酸胁迫。

以中国南方典型的亚热带树种栎（Quercus glauca）作为对照试验的主题，本研究旨在：

  1. 寻找对酸雨敏感的高光谱带，并提出酸雨胁迫的指标，
  2. 检测和比较的长期反应对硫酸和硝酸雨的叶片施加压力

（iii）为区域范围内酸雨污染下植物响应的监测提供理论依据和科学依据。

材料和方法

    1. 实验设计

该实验在位于中国浙江省临安区的温室中进行并且被安排为完全随机化的设计。从当地一家树苗公司购买了一年生青蒿幼苗，并于2013年5月初选择了80株青蒿幼苗并移植到塑料花盆中。花盆的高度和上下径均为分别为30厘米，30厘米和27厘米。花盆土壤是浙江省临安区的典型红壤。将这些幼苗随机分成两组，分别喷洒两种酸雨：硫酸雨（SAR，SO42minus;：NO3minus;= 8：1）和硝酸雨（NAR，SO42minus;：NO3minus;= 1：8）。每种类型的酸雨都有四种pH值处理：pH 5.6（对照组），pH 4.5，pH3.0和pH 2.0。每次处理都有10盆幼苗作为重复。为避免邻近酸雨的污染，每次处理的间距为0.5米。没有封闭温室以保持与外界相同的温度（表1).在温室中没有使用人工灯，所有的幼苗都被自然光照射。临安区1951年至2008年的月平均降雨量用于确定喷洒的酸雨量（表1).从2013年6月1日起，每周一次喷洒酸雨，直至2014年7月22日。

表1.临安区1951年至2008年的降雨量和温度（T）的平均值（mm， ◦C）。

冬季

弹簧

夏季

秋季

月

12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

雨量

51

72

85

125

127

157

211

147

148

150

78

61

马克斯T.

11

8

10

14

21

25

29

33

33

28

23

17

薄荷

3

1

3

6

12

17

21

25

25

21

15

9

光谱测量

使用FR手持式光谱辐射量叶片高光谱反射率数据（350-2500nm），其配备有用于植物叶子的特殊光纤探针（叶片探头有一个内置钨石英卤素灯，提供稳定的光源）。该器件的采样间隔为1.4nm，对于350-1000nm 的区域具有3nm 的分辨率， 对于1000-2500nm 的区域具有10nm 的光谱分辨率的2nm 。然后通过ASD软件对光谱数据进行插值以进行后处理以产生每纳米间隔的值，然后以txt格式输出插值数据。

大约每20天测量高光谱数据，并且在实验中总共获得15个数据周期。我们在每个测量期间测量每种pH水平处理的10个幼苗中的5个，并且剩余的5个幼苗用作备用。每个幼苗的七片叶子被均匀地选择用于在具有黑色背景的工作台上进行快速光谱测量。每10分钟使用99.9％反射率白色标准板来获得参考信号，以确定每片叶子的相对反射率。在光谱测量期间，光纤探头应垂直向下并略微接触叶片。每片叶子测量10次，每片叶子样品的光谱反射率确定为10次光谱测量的平均值。

敏感波段检测

消除偏离平均值超过标准偏差三倍的异常数据。对于每个测量周期，分别计算SAR和NAR的每个pH 水平（每个pH水平350个光谱）的平均光谱反射率。为了比较pH 5.6处理和其他三种pH水平处理之间光谱反射率的差异，使用单因素方差分析（ANOVA）来检测对酸雨敏感的高光谱带。对于每种类型的酸雨，使用SPSS软件，通过ANOVA测试四种pH水平的60个高光谱光谱（在每个测量期间有15个测量周期和1个平均光谱）。

酸雨处理，在pH 4.5和pH 2.0酸雨下的反

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