胡楊葉片生理特性的適宜采樣量研究

牛 婷，艾里西爾·庫爾班，阿布都米吉提·阿布利克木，Philipp Gartner，Birgit Kleinschmit，李海文，奧斯曼·艾力尼亞孜

(1.中國科學院疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環境保護科學研究院，新疆烏魯木齊 830011；2．新疆環境污染監控與風險預警重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011； 4.德國柏林理工大學景觀建筑與環境規劃研究所，德國柏林 10623)

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胡楊葉片生理特性的適宜采樣量研究

牛 婷1，2，3，艾里西爾·庫爾班1*，阿布都米吉提·阿布利克木1，Philipp Gartner4，Birgit Kleinschmit4，李海文1，奧斯曼·艾力尼亞孜1

(1.中國科學院疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環境保護科學研究院，新疆烏魯木齊 830011；2．新疆環境污染監控與風險預警重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011； 4.德國柏林理工大學景觀建筑與環境規劃研究所，德國柏林 10623)

[目的]探討野外試驗的影響因素。[方法]在塔里木河下游典型斷面阿拉干選擇胡楊樹，分3層采集胡楊葉片，測量其相對含水量(FMC)、等效水厚度(EWT)和葉綠素含量，探討胡楊不同層次葉片含水量的差異以及代表胡楊葉片平均含水量和葉綠素含量狀況的適宜采樣量，并分析胡楊葉片一天中含水量和葉綠素含量的變化狀況。[結果]千分之一精度天平即能滿足測量一片葉片重量需求，冰袋保鮮的時長能夠達到野外試驗的要求；胡楊上、中、下不同層次的葉片含水量之間有顯著差異(P<0.01)，采集15片葉片與20片葉片時FMC、EWT變化率較小，所以采樣時需分3層采樣，每層采集15片葉片，葉片尺寸要求分布均勻；使用SPAD-502測量胡楊葉片葉綠素含量，每棵樹采集5、10、15片時，沒有顯著差異(P>0.05)，即測量5片即可；一天中葉片FMC、EWT變化較大，但葉綠素含量基本不變化(1.5SPAD單位內)。[結論]該研究結果可為胡楊的野外試驗研究提供參考，同時也為大范圍反演胡楊生理狀況研究提供試驗研究。

相對含水量；等效水厚度；葉綠素含量；胡楊

胡楊(Populuseuphratica)是塔里木河下游荒漠河岸林生態系統的主要建群種之一，具有耐旱、耐鹽堿的特性和防風固沙的功能[1]，它的存在與發展決定著整個塔里木河流域荒漠生態系統的結構、功能與環境變遷。含水量和葉綠素含量是反映植物健康狀況的重要指標。目前，一系列針對胡楊在干旱脅迫下的生態適應性研究表明，在干旱脅迫下胡楊內含物質的變化能夠有效反映胡楊的生理健康狀況[2-7]。然而，關于檢測胡楊葉片含水量和葉綠素含量狀況的適宜采樣量研究報道較少。如何確定適宜的采樣量是在準備野外試驗的關鍵步驟，是試驗成功與否的關鍵。筆者探討胡楊葉片平均含水量和葉綠素含量研究中的適宜采樣量問題，旨在為野外胡楊葉片采樣量和保鮮技術規范方面提供參考，為胡楊葉片含水量和葉綠素研究采樣規范化提供切實可行的依據，為節約試驗成本和提高試驗的可靠性提供技術支持。

1　材料與方法

1.1試驗區概況選擇具有典型代表性的阿拉干斷面作為試驗區，試驗區內樣樹分布如圖1所示。試驗區位于塔克拉瑪干沙漠和庫魯克塔格沙漠之間，是2個沙漠交接的地帶，地處88°20′31″ E，40°09′33″N，干旱少雨，蒸發強烈，晝夜溫差大，日照時間長，多風沙和浮塵天氣，年降水量僅17～40 mm，年潛在蒸發量高達2 500～3 000 mm[8]，形成了典型的大陸性荒漠氣候，植被稀疏，主要建群種有胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixramosissima)和蘆葦(Phragmitesaustralis)。

1.2試驗方法

1.2.1葉片的采集。在野外試驗前，在試驗室附近從長勢良好的成年榆樹上分別取20片葉子，其中10片葉子尺寸逐漸變大，另10片尺寸均一且處于葉片平均尺寸水平，用于天平精度及葉片保鮮方法的檢驗。

為探討合適的采樣量、采樣位置及葉片尺寸的影響，在試驗區阿拉干選擇1棵長勢中等的胡楊樹，將樹分為上、中、下3層，每層分10片、20片、30片3個數量級采樣，每個數量級按相同尺寸和不同尺寸采樣。

為了確定一天中最合適的采樣時間，在試驗區阿拉干選擇1棵長勢中等的胡楊樹，從8：00點開始按照、上、中、下3層采樣，每層進行采集15片葉片，每隔1 h采樣1次，直至下午17：00。于8月8日和8月10日進行采樣。

注：新疆政區圖來源于新疆維吾爾自治區測繪局，審圖編號為新S(2007)268號。Note：Xinjiang administrative map was from the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Surveying and Mapping，drawings check No.was Xin S(2007)268.圖1　阿拉干樣樹的分布示意Fig.1　Distribution map of sample trees in Arghan

1.2.2葉片的保鮮。采用冰袋法進行胡楊葉片的保鮮。將采摘的胡楊葉片用封口袋封裝后放入冰袋內，將冰袋置于泡沫箱中，放在沒有陽光直射的窗臺上，分別于8、10、12、24 h后使用千分之一天平稱重。

1.2.3含水量的測定。FMC和EWT是表征含水量時常用的兩種方法，尤其是FMC的鮮重百分比的表現形式。選擇FMC和EWT來表示含水量：相對含水量(Fuel moisture content，FMC)和等效水厚度(Equivalent water thickness，EWT)。

FMC是葉片中水分含量占鮮葉重的百分比，其計算公式如下：

(1)

式中，FW為葉片鮮重，DW為葉片干重。

EWT表示單位葉面積的含水量，其計算公式如下：

(2)

式中，FW為葉片鮮重，DW為葉片干重，A為葉面積。

葉片的鮮重和干重使用精密天平進行稱量。含水量的測定采用烘干法。首先，105 ℃殺青1 h，然后在75 ℃烘干至恒重。葉片面積的確定方法如下：在試驗室中測量鮮重后，將葉片展平無重疊整齊擺放在平板掃描儀Epson Perfection 2450上，以分辨率300 dpi、黑白照片的圖像類型進行掃描，以tif格式保存圖像；然后，將tif圖像導入ENVI 4.7軟件中，采用閾值法提取圖像中葉片信息，然后利用quick statistics功能統計葉片信息的像素數，再將得到的像素數導入至Excel，除以分辨率的平方90 000，即得到所掃描的葉子的葉面積值。

1.2.4葉綠素含量的測定。使用SPAD-502活體測定儀進行葉綠素含量的測定，每片葉子從樣片不同部位重復測量5次，取其平均值。

2　結果與分析

2.1天平精度的選擇分別用千分之一和萬分之一的天平測量胡楊葉片鮮重和干重。采用SPSS配對樣本t檢驗對2種精度的天平測得的干重和鮮重進行分析，在置信區間為95%的情況下，P>0.05說明2種精度天平稱量的結果差異不顯著。因為試驗室中千分之一天平的秤盤不適合稱量體積較大的樣品，所以選用精度萬分之一的天平。

2.2冰袋保鮮的時長將胡楊葉片保存在冰袋內，8、10、12和24 h后分別稱重，發現重量在±0.001 g范圍內浮動。因此，確定冰袋能夠保鮮的時長能夠滿足野外采樣的要求。

2.3采樣量、采樣位置及葉片的選取試驗結果表明，上、中、下3個層次FMC之間的P值均為0，說明不同層次之間相對含水量差異極顯著，3個層次EWT之間只有下層和中層之間差異極顯著。這說明不同層次葉片含水量的差異較大，必須分層采樣。10片、20片或30片不同采樣量之間FMC和EWT的P值均大于0.05，說明不同采樣量之間差異不顯著。這說明當采樣量為10時已經能夠代表這層葉片的含水量的平均水平。從圖2可以看出，10～20片時的變化率遠大于20～30片時的變化率。因此，筆者又分析了15～20片時FMC的變化率，結果表明15～20片FMC的變化率較小，與20～30片FMC的變化率差異不大，因此選取每層15片葉片為采樣量。

相同尺寸和不同尺寸之間的t檢驗的P值大于0.05，即選擇葉片時，不一定追求葉片尺寸的均一性，也可以有大的葉片和小的葉片混合，但尺寸不同的葉片所占總葉片的比例要基本一致?；谝陨戏治?，每棵樹分上、中、下3層采樣，每層從4個方位選取大小分布均勻的15片葉片。

圖2　不同采樣量FMC的變化率Fig.2　Change rate of FMC with different sampling quantity

2.4葉綠素測定的采樣方法及采樣量的確定葉片在樹上不剪下時測量其葉綠素含量，此外從樹上采摘葉片后測量其葉綠素含量，對比2種采樣方法測得的葉綠素含量。然后，用配對樣本T檢驗的方法，對2種采樣方法測得的葉片葉綠素含量進行顯著性檢驗，檢驗結果表明差異并不顯著。

在研究區阿拉干，距河道不同距離選擇4棵長勢中等的胡楊樹，從不同方位取15片葉片，分別隨機選取5片、10片、15片，對5片、10片、15片葉片的葉綠素含量進行配對樣本T檢驗，結果表明差異不顯著，所以認為采摘5片葉子測得的葉綠素含量能夠代表整棵樹的葉綠素含量。

2.5FMC、EWT和葉綠素的日變化為了確定一天中最合適的采樣時間，選擇1棵長勢中等的胡楊樹，從8：00開始對其按照上、中、下3層，每層15片葉片進行采樣，每隔1 h采樣1次，直至17：00。于8月8日和8月10日共采集2 d，8月8日天氣稍晴，10日是微揚沙天氣。從圖3可以看出，8月8日測得的FMC和EWT均有較大波動，而8月10日波動較小，這可能與8月8日晴朗天氣有關。含水量表現出較大日變化，可能有以下原因：①重復少(只有2 d的采樣數據)；②不同方向葉片含水量差異大，建議分析含水量日變化時要盡量摘取同一部位的葉片。

圖3　FMC和EWT的日變化曲線Fig.3　Curve of daily variation of FMC and EWT

從一棵樹上選取5片葉片并標記，從7：30開始每隔30 min對標記葉片，測量葉綠素含量，其變化曲線如圖4所示。葉綠素數據在1 d內的波動較小，即在1.5 SPAD單位內，而SPAD-502的重復性誤差為±3SPAD，因此葉綠素的波動可忽略不計。

圖4　葉綠素含量的日變化曲線Fig.4　Diurnal variation of chlorophyll content

3　結論

正確的保鮮方式、合適的采樣時間和適度的采樣量是野外試驗研究的基礎，是應當首先考慮的問題。筆者探討了野外測量胡楊葉片含水量和葉綠素含量時合適的采樣方法，可為野外試驗研究提供參考，同時也為大范圍反演胡楊生理狀況研究提供試驗依據。因此，在野外采集胡楊葉片樣品時，應注意以下方面：①當測量1片胡楊葉片的重量時，可選擇精度千分之一的天平，此時對同一片葉片的測量精度與萬分之一精度的天平沒有顯著差異；②野外試驗時，冰袋保鮮法具有靈活、攜帶方便、價格低廉、保鮮時間較長(至少可達到24 h)等優點，可作為野外樣品保鮮的首選；③因位于胡楊上、中、下不同層次的葉片含水量之間有顯著差異(P<0.01)，所以采樣時需分3層采樣，每層采集15片葉片，葉片尺寸要求分布均勻；④使用SPAD-502 等野外快速測量儀器測量葉綠素含量時，在樹冠頂部選擇5片葉子即可滿足研究要求；葉綠素含量在1 d內較為穩定，采樣時間可以在1 d內任何時間。

[1] 梁匡一，劉培君.塔里木河兩岸資源與環境遙感研究[M].北京：科學技術文獻出版社，1990.

[2] 張青青，徐海量，葉茂，等.不同地下水埋深下胡楊葉片生理指標變化特點[J].植物研究，2009，29(4)：453-459.

[3] 陳亞鵬，陳亞寧，李衛紅，等.塔里木河下游干旱脅迫下的胡楊生理特點分析[J].西北植物學報，2004，24(10)：1943-1948.

[4] 付愛紅，陳亞寧，李衛紅.新疆塔里木河下游胡楊不同葉形水勢變化研究[J].中國沙漠，2008，28(1)：83-88.

[5] 朱成剛，李衛紅，馬曉東，等.塔里木河下游干旱脅迫下的胡楊葉綠素熒光特性研究[J].中國沙漠，2011，31(4)：927-936.

[6] 曾凡江，張希明，ANDREA FOETZK，等.新疆策勒綠洲胡楊水分生理特性研究[J].干旱區研究，2002，19(2)：26-30.

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Appropriate Sampling Quantity for Detecting Physiological Characteristic ofPopuluseuphraticaOliv. Leaves

NIU Ting1,2,3, Alishir Kurban1*, Abdimijit Ablekim1et al

(1. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi, Xinjiang 830011; 2. Xinjiang Academy of Environmental Protection Science, Urumqi, Xinjiang 830011; 3. Xinjiang Key Laboratory for Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning, Urumqi, Xinjiang 830011)

[Objective] The aim was to discuss influencing factors of field experiment. [Method] SelectingPopuluseuphraticafrom typical section Arakan in the lower reaches of the Tarim River, collecting leaves from 3 layer, theFMC,EWTand chlorophyll content were measured, differences of leaf moisture content at various levels were discussed, as well as the optimal sampling quantity which can represent average leaf moisture content and chlorophyll content, the change of leaf moisture content and chlorophyll content within a day was analyzed. [Result] Libra over one thousand scale precision could satisfy the demand of measuring a piece of leaf weight, ice bag preservation duration could meet the demands of field experiments; there was significant difference in leaf moisture content (P<0.01). FMC and EWT had low rate of changes between 15 and 20 leave samples: we should sample leaves from 3 leaf layers and 15 leaves per layer. There were insignificant(P>0.05) correlation between 5, 10 and 15 leaves, we just need to measure 5 leaves as chlorophyll content. FMC and EWT fluctuated within a day, while the chlorophyll content remained stable(within 1.5 SPAD). [Conclusion] The study can provide reference for field experiment ofPopuluseuphratica, also provide research on large-scale inversion of physiological state ofPopuluseuphratica.

Fuel moisture content(FMC); Equivalent water thickness(EWT); Chlorophyll content;Populuseuphratica

國家自然科學基金項目(31570536)；新疆維吾爾自治區自然科學基金項目(2010211A57)；德國大眾基金會(VolkswagenStiftung)資助項目(Az：88 497)；德國聯邦教育與研究部資助項目(01LL0918G)。

牛婷(1986- )，女，河南商丘人，工程師，碩士，從事遙感信息提取與GIS在資源環境中的應用研究。*通訊作者，副研究員，博士，碩士生導師，從事遙感與GIS在資源環境中的應用研究。

2016-05-02

S 718.43

A

0517-6611(2016)17-009-03