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大气SO₂污染下园林植物光谱特征及光合特性研究

作　者: 另青艳
导　师: 周志翔
学　校: 华中农业大学
专　业: 园林植物与观赏园艺
关键词: SO2污染高光谱光合特征值吸污性抗污性
分类号: Q945.78
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

工业化和城市化的高速发展,导致了大气S02浓度不断升高,严重影响了人类健康和经济发展。利用植物叶片含硫量的光谱分辨率来反映植物受大气S02的污染状况,对监测与消减大气S02污染具有重要的现实意义。本文以重污染区武钢焦化厂区(简称武钢)、一般污染区青山和平公园(简称青山)和对照区华中农业大学校园(简称华农)31种园林植物为研究对象,采样分析了不同区域植物叶片的含硫量、含水量及叶绿素含量,并应用HR-1024地物光谱仪和LI6400光合仪分别测定了植物叶片高光谱反射率和光合特征值,探讨了大气S02污染下园林植物光谱特征及光合特性,以便为筛选对S02污染吸收强、抗性强的园林植物提供理论依据。主要的研究结果如下：(1)三个区域大气中S02含量的高低顺序为武钢>青山>华农。其中,武钢S02污染气体含量是华农的4.5倍、青山的4.2倍。(2)不同污染区域相同的22种植物叶片平均含硫量为武钢(9.292mg/gDW)>青山(8.126mg/gDW)>华农(6.279mg/gDW),可见污染越严重则叶片含硫量均值越大。相同区域不同植物种类的叶片含硫量也存在极显著差异(p=0.002<0.01),叶片含硫量高的植物有夹竹桃Nerium indicum Mill、青桐Firmiana platanifolia、悬铃木Platanus×acerifolia、云南黄馨Jasminum mesnyi、银杏Ginkgo biloba、法国冬青Viburnum odoratissimum var. Awabuki、山杜英Elaeocarpus sylvestris;含硫量中等的植物有枇杷Eriobotrya japonica、竹子Phyllostachys pubescens、桂花Osmanthus fragrans、紫叶李Prunus ceraifera、樟树Cinnamomum camphora、海桐Pittosporum tobira、构树Broussonetia papyrifera、红继木Lorpetalum chinense var. rubrum、女贞Ligustrum lucidum;含硫量较低的植物有广玉兰Magnolia grandiflora、桑树Morus alba、杜鹃Rhododendron simsii、石楠Photinia serrulata、吉祥草Reineckia carnea、紫薇Lagerstroemia indica。(3)以华农植物叶片含硫量为基准,不同污染区域相同植物吸硫量一般为武钢大于青山；相同地区不同植物种类吸硫量存在极显著差异(p=0.001<0.01),且植物叶片吸硫量的分级与植物叶片含硫量分级基本一致。武钢和青山吸硫量高的植物有紫叶李Prunus ceraifera、银杏Ginkgo biloba、青桐Firmiana platanifolia,、法国冬青Viburnum odoratissimum. var. Awabuki、红继木Lorpetalum chinense var. rubrum、吉祥草Reineckia carnea、夹竹桃Nerium indicum Mill、枇杷Eriobotrya japonica、构树Broussonetia papyrifera、女贞Ligustrum lucidum、广玉兰Magnolia grandiflora、山杜英Elaeocarpus sylvestris、紫薇Lagerstroemia indica、桂花Osmanthus fragrans等14种,可以用于S02污染严重区域的绿化。樟树Cinnamomum camphora、桑树Morus alba、云南黄馨Jasminum mesnyi、石楠Photinia serrulata、竹子Phyllostachys pubescens在青山具有一定的吸收能力,但在武钢,超过其阈值吸硫量较低,适用于污染较轻的地区的修复。(4)研究发现武钢土壤含硫量(0.677mg/gDW)>青山(0.282mg/gDW)>华农(0.215mg/gDW),表明大气中硫的含量越高,土壤沉积的硫也越多；且叶片含硫量与生长地段土壤的全硫含量相关性显著(p=0.003<0.01),但污染区植物中的含硫量为土壤中的含硫量7-30倍,表明植物富集的硫元素可能主要来自于大气中硫,部分从土壤中吸收。(5)不同植物光谱曲线在形态上基本相似,反射率差异位于绿峰、红谷及近红外水分敏感波段,其他波段反射率差异不明显；相同植物随着污染的加重出现红边蓝移、绿峰红移以及红、蓝边振幅变小的趋势。(6)在叶片含硫量分别与原始光谱、倒数光谱、导数光谱的相关性分析中,导数光谱的相关性明显优于原始光谱、倒数光谱,能增大叶片中硫含量信息。高光谱特征位置、面积参量以及植被指数对数据密集、海量性的高光谱遥感不是很敏感,反演方程精度不高。对比22种园林植物与14种乔木、8种灌草高光谱反演方程发现,乔、灌分开反演的精度比统一反演要高。(7)根据光谱变换、光谱特征参数敏感波段筛选叶片含硫量反演最佳模型。其中,以蓝边内最大的一阶微分值(Db)为自变量所构建的指数模型Y=14.717*e-4.927x为22种典型园林植物反演最优模型,预测R2=0.255。以绿峰反射率与红谷反射率的比值(Rg/Ro)为自变量所构建的指数模型Y=34.54*e-0.809x为乔木反演最优模型,预测R2=0.434。以导数光谱856nm构建的指数模型Y=9.743*e-14.39x为灌草反演最优模型,预测R2=0.546。(8)在大气SO2污染下园林植物没有出现特别明显的伤害症状,但光合指标已发生变化,净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、水分利用率(WUE)均比未污染区有所降低,而叶面水汽压亏缺(VpdL)与未污染区相比呈上升趋势；以6个光合指标、叶片含水量、叶绿素相对含量SPAD和叶片含硫量变化率为基础数据,对18种园林植物对S02的抗性进行综合评价表明,抗大气SO2强的植物有夹竹桃Nerium indicum Mill、枇杷Eriobotrya japonica、银杏Ginkgo biloba、悬铃木Platanus acerifolia、海桐Pittosporum tobira、广玉兰Magnolia grandiflora;抗性中等的植物有山杜英Elaeocarpus sylvestris、女贞Ligustrum lucidum、法国冬青Viburnum odoratissimum var. awabuki、樟树Cinnamomum camphora、栾树Koelreuteria paniculata、桂花Osmanthus fragrans;抗性较弱的植物有吉祥草Reineckia carnea、紫薇Lagerstroemia indica、红继木Lorpetalum chinense var.rubrum、紫叶李Prunus ceraifera、杜鹃Rhododendron simsi、石楠Photinia serrulata。

全文目录

摘要  7-10
Abstract  10-14
縮写词表  14-15
1. 绪论  15-28
  1.1 研究背景及意义  15-17
  1.2 文献综述  17-28
    1.2.1 大气SO_2污染对植物的影响研究进展  17-18
    1.2.2 植物光谱效应的研究进展  18-22
    1.2.3 植物光合特征的研究进展  22-24
    1.2.4 植物吸收SO_2能力研究进展  24-25
    1.2.5 抗SO_2植物筛选的研究进展  25-28
2 研究地点与研究方法  28-39
  2.1 研究区概况  28-29
  2.2 研究方法  29-38
    2.2.1 研究地点与材料  29-31
    2.2.2 植物生长指标的测定  31
    2.2.3 植物光谱特征值的测定  31
    2.2.4 植物光响应曲线及光合特征值的测定  31-32
    2.2.5 植物叶片的采集及其含硫量的测定  32
    2.2.6 土样的采集及其含硫量的测定  32
    2.2.7 大气SO_2的采集及测定  32
    2.2.8 含硫量数据处理方法  32-33
    2.2.9 光谱数据处理方法  33-36
    2.2.10 光合数据处理方法  36-37
    2.2.11 抗SO_2污染植物的综合评价方法  37-38
  2.3 研究的技术路线  38-39
3 结果与分析  39-78
  3.1 大气中SO_2、叶片含S量和土壤含S量及其相关性分析  39-48
    3.1.1 大气质量状况  39
    3.1.2 园林植物叶片含硫量分析  39-42
    3.1.3 园林植物叶片吸硫量的分析  42-46
    3.1.4 土壤含硫量分析  46-48
  3.2 大气SO_2污染下植物叶片光谱变化规律  48-64
    3.2.1 不同植物同一地点高光谱特征分析  48-49
    3.2.2 相同植物不同地点高光谱特征分析  49
    3.2.3 高光谱反演22种园林植物叶片含硫量  49-55
    3.2.4 高光谱反演14种乔木植物叶片含硫量  55-60
    3.2.5 高光谱反演8种灌木植物叶片含硫量  60-64
  3.3 大气SO_2污染下植物叶片光合特性变化规律  64-70
    3.3.1 SO_2污染对光合速率的影响  64-65
    3.3.2 SO_2污染对气孔导度的影响  65-66
    3.3.3 SO_2污染对胞间CO_2浓度的影响  66-67
    3.3.4 SO_2污染对蒸腾速率的影响  67-68
    3.3.5 SO_2污染对叶面水汽压亏缺的影响  68-69
    3.3.6 SO_2污染对水分利用率的影响  69-70
  3.4 园林植物对SO_2抗性的综合评价  70-78
    3.4.1 SO_2抗性指标值  73-74
    3.4.2 SO_2抗性指标值主成分分析  74-76
    3.4.3 园林植物对SO_2抗性的综合评价  76-78
4 结论与讨论  78-83
  4.1 结论  78-80
  4.2 讨论  80-83
参考文献  83-95
致谢  95-97
附录主要园林植物Pn-PPFD曲线图谱  97-99

大气SO2污染下园林植物光谱特征及光合特性研究

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