CN104819983B - 一种植物响应复合污染的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种植物响应复合污染的无损检测方法，包括获取植物的热红外图像，处理分析所述热红外图像得到叶温值和参考叶片温度值，计算植物的蒸腾扩散系数，基于所述叶温值和蒸腾扩散系数对植物的复合污染情况进行初步分析；用光合仪测定植物的气孔导度、蒸腾强度和光合速率，对植物的复合污染情况进行对比验证分析。本发明公开的方法能快速、无损、准确的检测植物对复合污染的响应信息。

Description

一种植物响应复合污染的无损检测方法

技术领域

本发明涉及植物检测领域，特别涉及一种基于红外热成像技术的无损检测植物对复合污染响应的方法。

背景技术

温度在绝对零度以上的任何物体都会发生自身的分子和原子无规则运动，并不停地辐射热红外能量，红外热成像技术正是基于这一原理，通过红外探测器将物体红外热辐射的功率信号转换成电信号后，经成像装置的放大处理，模拟出被扫描物体表面温度的空间分布，形成视频信号传至显示屏或监视器上，得到与物体表面热分布相对应的热像图。从开始主要应用于军事，到后来在工业、农业、消防、森林管理等民用事业上的应用，红外热成像技术的应用领域越发广泛。

已有研究表明植被表面温度对水分状况和环境质量的反应很敏感。在正常情况下，植物主要通过蒸腾作用来维持叶片温度的相对稳定性，且叶片温度与蒸腾作用强度呈负相关。气孔蒸腾是叶片蒸腾作用的主要形式，占全部蒸腾的90％以上。植物体天生的固定性决定了植物往往会通过调节自身体内的信号网络去适应不断变化的环境刺激，这会通过植物叶片表面的气孔行为表现出来。植物体叶片上下表皮分布着很多的气孔，它的张开和闭合会调节叶片表面水分的蒸发；而水分的丧失会带走叶片表面的热量进而在温度上表现出来。此外，植被蒸腾扩散系数(h_at)能很好地反映蒸腾过程和确定蒸腾量，h_at的表示式为h_at＝(T_c-T_a)/(T_p-T_a)，式中T_c、T_p和T_a分别为冠层温度、没有蒸腾(蒸腾量为零)的冠层温度和气温。植被蒸腾扩散系数的取值为h_at≤1，h_at越小，蒸腾量越大。

红树林是生长在热带、亚热带海岸潮间带的木本植物群落，具有固岸护堤、净化环境、维持生物多样性等多种生态功能，对红树林的保护具有重要意义。但因其地处海陆交界带，同时受到陆源和海洋污染物的威胁，且污染问题日益突出并有复杂化趋势。其中，深圳湾因香港米埔红树林国际湿地和位于大都市腹地的内伶仃-福田红树林鸟类国家级自然保护区而备受关注。伴随着海湾周边经济的快速发展，源源不断的生活、工业污水排放和大规模填海工程的实施使得海湾纳潮量降低，海水交换能力差，海湾内营养盐、重金属、有毒有害有机污染物在海水和沉积物中迅速蓄积，海湾生态环境受到威胁，这严重影响了沿岸生态系统的稳定和安全。富营养化和重金属污染是深圳湾红树林当前面临的两个重要环境污染问题：深圳湾水域的N、P等营养盐的含量较高，且有逐年增加趋势；与国内其他主要红树林分布区相比，深圳湾的重金属污染最为严重。红树林可进入性差，加大了常规检测的难度；同时，常规检测方法也无法做到无损检测。

发明内容

针对以上问题，本发明专利目的在于设计了一种植物响应复合污染的无损检测方法，能快速、无损、准确的检测植物对复合污染的响应。本发明技术方案如下：

一种植物响应复合污染的无损检测方法，包括如下步骤：

获取植物的热红外图像；

处理分析所述热红外图像得到植物叶面温度平均值作为叶温值T_c，得到植物叶面温度最大值作为参考叶片温度值T_p；

计算植物的蒸腾扩散系数h_at，基于所述叶温值T_c和蒸腾扩散系数h_at对植物的复合污染情况进行初步分析；

用光合仪测定植物的气孔导度、蒸腾强度和光合速率，对植物的复合污染情况进行对比验证分析。

进一步，本发明所述方法进一步包括获取拍摄所在地对应时间点的气温数据T_a。

进一步，本发明所述蒸腾扩散系数h_at的计算公式为h_at＝(T_c-T_a)/(T_p-T_a)，所述T_c、T_p和T_a分别为叶温值、参考叶片温度值和拍摄时间点的气温数据。

进一步，本发明采用软件SmartView处理分析所述热红外图像，提取叶温值T_c和参考叶片温度值T_p。

进一步，本发明所述光合仪采用美国LI-6400XT便携式光合仪。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明植物响应复合污染的无损检测方法的流程图；

图2是本发明实施例一不同处理组的叶温值图；

图3是本发明实施例一不同处理组的植被蒸腾扩散系数图；

图4是本发明实施例一不同处理组的气孔导度图；

图5是本发明实施例一不同处理组的蒸腾速率图；

图6是本发明实施例一不同处理组的光合速率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种植物响应复合污染的无损检测方法，请参阅图1是本发明植物响应复合污染的无损检测方法的流程图，包括如下步骤：

获取植物的热红外图像；

处理分析所述热红外图像得到植物叶面温度平均值作为叶温值T_c，得到植物叶面温度最大值作为参考叶片温度值T_p；

计算植物的蒸腾扩散系数h_at，基于所述叶温值T_c和蒸腾扩散系数h_at对植物的复合污染情况进行初步分析；

用光合仪测定植物的气孔导度、蒸腾强度和光合速率，对植物的复合污染情况进行对比验证分析。

实施例一：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明通过复合胁迫控制实验模拟复合污染环境，并通过本发明的检测方法检测植物对复合污染的响应。

(1)复合胁迫控制实验：野外采集或培育长势一致的红树植物幼苗，培养、缓苗；通过模拟多梯度的复合胁迫环境，进行胁迫实验；培养过程保持水淹/非水淹的模拟潮汐环境。

具体的，本实施例的实验材料是在野外采集的长势一致的红树植物幼苗。本发明实验材料的培育在下述条件下完成：底部完全封闭的塑料盆，每盆装3kg用稀盐酸浸泡清洗的砂子作为培养基，并种植3株幼苗；每两周添加50mL Hoagland营养液，并定期补水，使其每日保持水淹/非水淹的模拟潮汐环境；培养、缓苗时限为2个月。本实施例通过人工模拟创造多梯度的复合胁迫环境，胁迫实验主要涉及两种胁迫因子，即重金属镉和氮营养供应。胁迫实验设计如下：重金属Cd胁迫浓度为10mg/L(相应的CdCl₂浓度为20.31mg/L)，NH₄ ⁺-N供应浓度分别为0、10、50、100mg/L(相应的NH₄Cl浓度为38.21、76.43、191.07、382.14mg/L)；模拟四个梯度的复合胁迫环境，分别是Cd-N0、Cd-N1、Cd-N2和Cd-N3；所有胁迫溶液分四次(隔天，持续一周)加入相应的处理组中；每两周添加50mL Hoagland营养液，并定期补水，使其保持水淹/非水淹的模拟潮汐环境，与缓苗期的培养类似，并持续培苗3个月。

(2)获取热红外图像：利用红外热像仪无损、快速获取各处理组红树植物幼苗的红外热像图。

具体的，本实施例在持续进行3个月的胁迫实验后，使用红外热像仪无损获取各处理组红树植物幼苗的红外热像图。拍摄时，热像仪镜头距地面距离以植株高度为准、以能获取幼苗完整图像为佳，朝向朝南，镜面平行于地面，选晴天拍摄。

(3)获取叶温值T_c和植被蒸腾扩散系数h_at：利用红外热像仪配套软件SmartView，在热红外图像中提取叶温值；基于三温模型计算植被蒸腾扩散系数h_at，并以红树植物幼苗叶片像元中最高温度值作为参考叶片温度值T_p。

具体的，本实施例利用红外热像仪配套软件SmartView，提取不同处理组红树植物幼苗的叶温值T_c，请参阅图2是本发明实施例一不同处理组的叶温值图。以红树植物幼苗叶片像元中最高温度值作为参考叶片温度值T_p，在热像图信息提取过程中始终选择阳光可充分照射的成熟叶片，叶温提取位置为完全展开的上数顶层第3片叶。本实施例中，以每盆中三株幼苗的平均值作为不同复合胁迫处理下植物对环境胁迫响应的叶温值。利用上述植物的热红外图像拍摄时间信息，结合拍摄所在地对应时间点的气温数据T_a，以及参考叶片温度值T_p，通过三温模型计算植物蒸腾扩散系数h_at，计算公式为h_at＝(T_c-T_a)/(T_p-T_a)。请参阅图3是本发明实施例一不同处理组的植被蒸腾扩散系数图。

(4)分析无损检测结果：基于复合胁迫实验，分析红树植物幼苗在不同复合胁迫浓度下的叶温特征和植被蒸腾扩散系数h_at，以及二者随胁迫梯度的变化趋势；同时，利用方差分析法对无损检测结果进行差异显著性分析。

具体的，请参阅图2和图3，说明随复合胁迫的加剧，同种植物叶温存在显著升高趋势；植被蒸腾扩散系数h_at随复合胁迫的加剧，呈显著增加趋势，即蒸腾减弱。不同处理组叶温值和植被蒸腾扩散系数h_at存在差异显著性，说明无损检测结果通过统计学检验，可以反映红树植物对复合污染环境的生理响应。

(5)验证无损检测结果：利用光合仪直接测定红树植物幼苗气孔导度、蒸腾强度和光合速率，分析红树植物幼苗在不同复合胁迫浓度下的有损检测指标及其变化趋势，并进一步基于方差分析法确定不同处理组间各项检测指标的差异显著性。通过利用光合仪有损检测指标特征及变化趋势与无损检测的叶温值与植被蒸腾扩散系数h_at及其变化趋势的同步性，验证本发明所述无损检测方法的有效性。

具体的，本实施例利用美国LI-6400XT便携式光合仪直接测定植物幼苗气孔导度、蒸腾强度和光合速率三项生理指标，通过分析红树植物幼苗在不同复合胁迫浓度下的有损检测指标及其变化趋势，以及利用方差分析法确定不同处理组间各项有损检测指标的差异显著性。为避免植物受损从而影响热像图信息提取，光合仪接触式测定选在获取热红外图像后，选择与叶温提取相对应的植株成熟叶片进行测定，3次重复。最后，通过利用光合仪有损检测指标特征及变化趋势与无损检测的叶温值与植被蒸腾扩散系数及其变化趋势的同步性，验证本发明所述无损检测方法的有效性。

在验证实验中，请参阅图4是本发明实施例一不同处理组的气孔导度图，图5是本发明实施例一不同处理组的蒸腾速率图，图6是本发明实施例一不同处理组的光合速率图。光合仪接触式测定结果表明：植物幼苗气孔导度、蒸腾强度和光合速率三项生理指标均表现出与本发明分析结果较好的一致性。基于方差分析法的统计分析结果也表明：不同胁迫处理组间相应气孔导度、蒸腾强度和光合速率的存在差异显著性。说明复合胁迫实验梯度设计达到预期效果，同时，本发明所述无损检测方法能够正确反映红树植物对复合污染的响应信息。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种植物响应复合污染的无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取植物的热红外图像；

处理分析所述热红外图像得到植物叶面温度平均值作为叶温值T_c，得到植物叶面温度最大值作为参考叶片温度值T_p，采用软件SmartView处理分析所述热红外图像，提取所述叶温值T_c和参考叶片温度值T_p；以红树植物幼苗叶片像元中最高温度值作为参考叶片温度值T_p，在热像图信息提取过程中始终选择阳光可充分照射的成熟叶片，叶温提取位置为完全展开的上数顶层第3片叶；提取不同处理组红树植物幼苗得到植物叶面温度平均值作为叶温值T_c；获取拍摄所在地对应时间点的气温数据T_a；

计算植物的蒸腾扩散系数h_at，基于所述叶温值T_c和蒸腾扩散系数h_at对植物的复合污染情况进行初步分析，所述蒸腾扩散系数h_at的计算公式为h_at＝(T_c-T_a)/(T_p-T_a)，所述T_c、T_p和T_a分别为叶温值、参考叶片温度值和拍摄时间点的气温数据；

用光合仪测定植物的气孔导度、蒸腾强度和光合速率，基于复合胁迫实验，分析红树植物幼苗在不同复合胁迫浓度下的叶温特征和植被蒸腾扩散系数hat，以及二者随胁迫梯度的变化趋势；同时，基于方差分析法对植物的复合污染情况进行对比验证分析；所述光合仪采用美国LI-6400XT便携式光合仪。