初级和次级水分含量对叶片光谱反射率的影响外文翻译资料

初级和次级水分含量对叶片光谱反射率的影响

格雷戈里·a·卡特

摘要：收集所选择的6种类型的物种的叶片，用对这6种物种叶片的内部结构中的初级和次级含水量的测定值，来代表这一广泛领域中的叶片的内部结构中的初级和次级水分含量。这篇文章通过在实验室的研究，确定叶片中水分的含量对叶片的光谱反射率的影响。初级效应仅仅影响了水的辐射特性，而次级效应则不能仅仅通过这种方式解释。减少的叶片含水量通常会增加在整个400 - 2500 nm波长范围内的反射率。对于水生的睡眼莲和黄花萍蓬草，阔叶乔木北美枫香和荷花玉兰，草本类的盖顶北美箭竹族，和针叶型裸子植物火炬松，来说水含量反射率的敏感性在水的吸收谱带接近1,450, 1,940, 和 2,500纳米处达到最大值。而灵敏度最大值却发生在400到720纳米之间，这表明次级效应通过色素的变化减少吸收率。次级水含量对反射率的影响,大部分是波长依赖型,连同任何波长依赖型的叶片内部结构的影响,都远远不如水分和色素分别在初级效应中所造成的吸收率的重大减少。

吸收主要是由于物质对辐射的吸收,辐射时反射的光谱和一叶片内部的不同部位所入射电子束是不同的。辐射的反射,通常被称为“扩散”反射(辛克莱、施赖伯 1973;盖茨,1980;格兰特,1987;格兰特,道奇乐团,范德比尔特,1987)，因此表明叶内的存在一定数量的吸收器。一片叶子的光谱反射率,即,叶片所辐射的反射率，表示为一个入射辐射波长范围的百分比,表明了光谱能量分布的变化，反映了相对于入射的辐射。

叶片中含有的水分对于反射的吸收会使得叶片的反射率降低。因为这吸收完全取决于辐射特性的水,它可能被认为是一个主要的含水量对反射率的影响。水吸收强度较高的波长大约是从1300到2500纳米(库尔西奥和琐碎,1951),因此导致反射率的降低（如图表1所示）。注：横轴为波长（nm），纵轴为反射率（%）

大概在700至1300纳米之间,水的吸收率是相对较弱(库尔西奥和琐碎,1951),而树叶中通常不包含其他物质,所以在这个区间内的吸收强烈(盖茨等人,1965;盖茨,1980)。

因此,在700 到 1300 纳米处的光谱反射率是相对较高。在整个可见光谱中,水的吸收率比在红外光谱中的弱得多,所用水的高透射率来表示(伍利,1971;唐宁、卡特和库尔西奥,未公开的数据)。然而,叶绿素和辅助色素吸收在400至700纳米处较为强烈,在这个区间内的漫反射率通常较低。所以，因此,水的吸收率和色素的吸收率在很大程度上决定叶片的反射光谱(盖茨等人,1965;艾伦等人,1969;吉普林,1970;伍利,1971;塔克和 盖瑞克,1977;盖茨,1980)。

当叶片失水后,减少了吸收率,反射率会增加在1300 到2500纳米范围内。然而, 在400 –到1300 纳米范围内的反射率也增加了 (帕克,1952;伍利,1952;鲍曼,1989;亨特和岩石,1989)。因此,次级含水量对反射率的影响发生,无法完全由水的辐射特性来解释。叶片中的其他物质包括含水量在内都会对吸收造成一定的影响,例如：色素。同时也包括二级含水量对波长依赖型的影响过程,尤其是叶内多次反射。这些过程部分取决于水的辐射特性和叶片所含的固体材料以及叶片的内部结构还包括细胞大小、形状、数量、分布和超微结构(高斯曼,艾伦和卡德纳斯,1969;高斯曼等人。,1969;辛克莱,霍费尔等人,1971;高斯曼和艾伦,1973;高斯曼,艾斯科巴,吉普林,1977;盖茨,1980)。波长依赖型对反射率的影响可能在吸收最小处最明显,也就是在700到1300纳米的范围内(1969年高斯曼,艾伦,卡德纳斯)。

虽然水的吸收特性对叶片的反射率影响最强烈的波段已确定(盖茨等人,1965;艾伦等人,1969;吉普林,1970;伍利,1971;塔克和盖瑞特,1977;盖茨,1980),却很少有人意识到水量对反射率的影响强烈的波长处水的吸收率是微弱的。因此,进一步研究初级含水量对叶反射率的影响需要提高对叶片光谱反射率的影响因子的基本原理的理解。

本研究的目的是确定叶片内部主次含水量对光谱反射率的影响,在实验中选择六种叶片代表广泛的范围。研究目标是：

1. 识别叶片反射光谱最受初级含水量相对重要性的影响的波段；
2. 确定初级和次级的相对重要性含水量对反射率的影响;
3. 推断出波长依赖型的相对重要性和吸收对反射率的影响。

材料与方法

六个物种的叶片从阳光可以照射到的斯坦尼斯航天中心附近的密西西比州墨西哥湾沿岸收集(从东经三十度二十分到西经八十九度四十分)。选择研究两个水生物种的叶片,两个阔叶乔木树种的叶片,草本植物的叶片和松柏科的物种的叶片。水生植物凤眼莲 (水葫芦)和黄睡莲(黄色的睡莲)的叶片被选来代表(2毫米)厚的叶子包含较高的含水量和相对较少的干物质(大约占新鲜物质质量的5% 到10%)。叶片常绿的洋玉兰(木兰)的叶片大约0.5毫米厚,大约含有30%的干物质组成。北美枫香 (枫香)拥有叶子,大约0.3毫米厚,含有将近28%的干物质。草本植物的叶片的代表盖顶北美箭竹族它的叶片0.25毫米厚所含有的干物质接近于50%。松柏类代表了针叶型裸子植物的松果体(削减松树)它的叶片有0.8毫米厚干物质有40%。所有的树叶都基本上是叶片表面没有软毛的,除了大叶山楝的轴外的表面有软毛，但是它叶片表面的软毛后来被擦除了。

物种的成熟的叶片的收集是在清晨进行的,以确保收集最初的高含水量。所收集的叶子立即被放置在塑料袋以减少水损失和恢复回到实验室进行反射率的测量。叶表面用水进行清洁,而被棕色的毛状体的致密覆盖的大叶山楝轴外的表面被轻微磨皮用潮湿的树叶。叶柄在水下被剪下而且树叶被允许浸泡约1小时,以确保完全的吸水。然后叶片曝光在阳光下晒干，称量叶片的质量用来确定叶片的相对含水量。早些时候,收集来自同一植物的叶片，称量其被烘干的质量来确定该典型的每一个物种的干物质含量。这些被用来确定相对水含量的质量分析的预测一下都对应着反射率的测量。光谱反射率在400 - 2500 nm波长范围被测量，以100%的相对含水量下代表常绿阔叶林物种的叶片的光谱反射率或者代表一束松针(卡特等人,1989)。叶子被允许在室温下晾干,(25到30摄氏度 )。测量同一叶片分别在相对含水量为百分之二十五、百分之五十、百分之七十五以及百分之三到百分之十四（空气风干）时的光谱反射率。叶子被放置在黑色平台，附近一个白色的聚四氟乙烯(PTFE)的参考物，由粉末压制而成密度三厘米每克(怀德和夏朝,1981)。黑平台只有3%的反射率在400 - 2500纳米范围。因此,微不足道的能量通过叶子传播,从黑平台反射出来,并通过叶传回来一次来衡量反射率。反射率测量使用扫描辐射计(“虹膜、地球物理环境研究、米尔布鲁克、美国国家仪器”),要求每6-7分钟扫描一次。在测量过程中,叶和白色的引用被200 w钨丝灯辐照。反射的光芒从叶和参考测量同时在给定波长的氪气的发射光谱校准。叶片的辐射通过白色参考物所反射的辐射来消除。反射率百分比数字存储在磁盘上。光谱分辨率为2 纳米在 400 到1100纳米范围内,在1600 – 2500纳米范围内的分辨率为5纳米。精密度和准确度反射辐射计的约0.5%和0.5%,分别基于聚四氟乙烯的反射率。

当叶达到干度且反射率被测量之后,在这之前叶片被浸泡在自来水中，直到叶质量达到一个常数最大。叶片再水化后扫描与原来的浮肿的叶片的光谱反射率和生活条件下的叶片反射光谱进行测量。

结论

因为叶含水量减少,近轴和轴外的叶表面的反射率在全部光谱中或者是在大多数的400 - 2500 纳米处的光谱中倾向于增加。远轴的叶片表面相对于红光的反射率往往大于近轴的表面的反射率,特别是在400 - 700 nm和1300 - 2500 nm的地区。当数据以反射率与波长的形式展现时,含水量评估对反射率的影响往往很难定量。这是真的很特别,曲线的斜率比较大,像红外线的过渡区。因此,代表更多的反射响应含水量的变化,反射的区别减去一片叶子的反射率计算的是在原来的浮肿的状态下的叶片的反射率较低的相对含水量相同的叶子。相对含水量引起的最大的反射响应的差异减少发生在整个红外,较小的差异发生在可见光谱。对所有物种的所有叶片表面,最大反射率差异发生在1410 - 1420和1410 - 1890 nm的波段。一般来说,最大的差异发生超出1350纳米,虽然增加往往是明显的从750纳米到1350纳米。

外文文献出处：American Journal of Botany

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