荒漠河岸林胡杨叶片对地下水埋深的光谱响应研究

The restoration and reconstruction of the ecological environment in the Tarim River basin has become a trans-century strategic task in China. However, there is a close relationship between the changes of groundwater level and vegetation in the Desert riparian forest ecosystem of the Tarim River basin. Understanding deep the relationship between forest vegetation and groundwater depth and mastering the spatial distribution of underground water, that is of great significance to explore the restoration and reconstruction of the damaged ecosystem. As an important habitat index, many physiological parameters of Populus euphratica are directly affected by groundwater depth. Therefore, this study intends to collect the leaf of Populus euphratica in different groundwater depth areas in the study area to obtain spectral reflectance, determine the water content, pigment content, photosynthetic parameters and physiological and biochemical parameters, analyze the physiological parameters and spectral characteristics of Populus euphratica leaves under different groundwater depth. To establish spectral response model of physiological parameters of Populus euphratica leaves under different groundwater depth and reveal the spectral synthesis response mechanism of poplar leaves under water stress. At the same time, using the physiological parameters of the leaves construct the groundwater depth index model to achieve the purpose of using the reflection spectral characteristics of the Populus euphratica leaves to estimate indirect the groundwater depth range. The study provides a theoretical basis for ecological conservation and restoration of damaged ecosystem in Tarim River basin.

塔里木河流域生态环境的恢复重建已经成为我国一项跨世纪的战略任务，而塔里木河流域荒漠河岸生态系统的地下水位变化与植被之间存在着密切关系，深入认识荒漠河岸林植被与地下水埋深的关系，掌握地下水埋深空间分布状况，对探讨恢复和重建受损的生态系统具有极其重要的意义。地下水埋深作为胡杨的一种重要的生境指标，直接影响了其很多生理学参数，因此，本研究拟采集研究区不同地下水埋深区域的胡杨叶片，获取光谱反射率，并测定其含水量、光合参数及生理生化参数，分析不同地下水埋深条件下胡杨叶片的生理学变化规律及光谱特征，建立不同地下水埋深条件下，胡杨叶片生理学参数的光谱响应模型；揭示水分胁迫下胡杨叶片的光谱综合响应机理，同时利用胡杨叶片的生理学参数构建地下水埋深指数模型，达到通过胡杨叶片反射光谱特征，间接估测地下水埋深范围的目的；为塔里木河流域生态保育及受损生态系统的恢复提供理论基础。

胡杨在新疆塔里木盆地河流沿岸构成了天然绿色走廊，维持着荒漠绿洲过渡带荒漠河岸生态系统的稳定性 ，地下水是胡杨获取水分的唯一来源，对胡杨的生存及生长起到及其关键的作用。 本研究在叶尔羌河下游天然胡杨林保护区设定监测研究样地， 获取不同地下水埋深下 胡杨叶片 的光谱反射率 及 生理学指标密度 分析 不同地下水埋深下胡杨叶片光谱特征及生理学指标密度的变化规律， 同时 利用PROSPECT-SAIL模型，模拟胡杨冠层光谱，并进行敏感波段的筛选，通过机器学习算法，建立胡杨冠层生理学指标估测模型， 完成基于高光谱遥感的胡杨生理学指标密度的制图 ，揭示了塔里木河胡杨林植物生理学指标的空间变化信息 ，并进行了地下水埋深的估算建模及制图 ，为天然胡杨林 精准管理及荒漠河岸生态系统的保育 提供科学依据。主要研究结果如下：（1）胡杨生理学指标由于地下水埋深的差异，表现出不同的变化特征。地下水埋深为8 -10 m区域内胡杨叶绿素密度、类胡萝卜素密度、叶绿素与类胡萝卜素的比值比正常条件下有显著降低， SOD、POD、MDA、WSS、Pro、Lignin随地下水埋深的增加，也有缓慢上升的趋势，受干旱胁迫的作用，胡杨叶片里的叶绿素与类胡萝卜素密度随地下水位的下降而减少，ABA、Z、ZR随地下水下降呈现持续增加，比叶面积SLA逐渐变小且叶片变厚，随地下水埋深的增加，Ca离子增加，Na离子减少，Na+/K+值下降。（2）通过PROSPECT-SAIL模型模拟了胡杨冠层光谱，构建了NDVI、RVI、DVI光谱指数，利用筛选的光谱指数作为建模因子，构建了SVM、RF和ANN胡杨冠层生理学指标估算模型。其中SVM估算模型有Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Ant、N、SLA、Ca、ABA、2ipr、Z、ZR和2ip14个指标模型通过了精度验证；故推荐SVM算法作为本研究的最佳建模算法，可为基于影像的估算建模里模型方法的选择提供了依据。（3）基于AHSI高光谱影像，采用SVM模型对胡杨生理学指标进行估算建模，结果表明Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Ant、Chl/Car、N、SLW、SLA、Fe、Mn、Zn、Ca、ABA、GA3、Z、ZR这 17个指标的估算模型的验证精度达到建模要求，综合这些指标，完成了区域胡杨林地下水埋深的建模及制图。

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