高光譜技術(shù)帶你揭秘楓葉變色過程

雙利合譜  吳亞藍(lán)

一、引言

研究表明，植物激素和一種叫做乙烯的化學(xué)物質(zhì)在樹葉的生長和死亡過程中起著重要的作用。在春季和初夏，有三種不同的激素分布于樹的各個部分，它們加速新的綠葉的生長，在初秋時節(jié)，乙烯和一種叫做脫落酸的激素便聚積在樹葉中，并開始進(jìn)行一系列的化學(xué)變化。這些變化持續(xù)幾個星期，直至樹葉脫落。在樹葉死亡之前，它便將其中的水分和生長化合物質(zhì)包括氮、磷等輸送回樹干（枝）中，它們以汁液狀態(tài)安全地貯藏在樹干和樹根中，直到來年的春天新葉萌發(fā)時再釋放出來。新老樹葉也向回輸送葉綠素，而其它顏色的物質(zhì)，仍留在樹葉里，其中有鮮紅色、枯色和黃色，它們一直都在樹葉中。但由于春夏時葉綠素較多，有些顏色就被掩蓋起來，只有在秋冬季節(jié)才會顯現(xiàn)出來。與此同時，樹葉中的細(xì)胞開始死亡，在樹葉基部的一組特殊細(xì)胞開始衰弱，因此在風(fēng)雨中便容易掉落下來。這就是為什么秋冬季節(jié)有些樹的葉子會變成鮮紅色、桔色或黃色而且還會脫落。

而不同植物葉片呈現(xiàn)出不同的顏色，這是和葉片細(xì)胞內(nèi)色素的種類、相對含量密切相關(guān)。一般植物葉片表現(xiàn)為綠色，這是由于葉片中葉綠素（Chl）的相對含量多于類胡蘿卜素，葉綠素是植物重要的光合色素，植物通過葉綠素捕獲光子，并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，因此葉綠素在植物體內(nèi)扮演著重要的角色。葉片顏色從綠色變?yōu)槠渌伾?，原因之一就是葉綠素相對含量減少，而類胡蘿卜素相對含量增加。T A. Shemer等對果實進(jìn)行研究，認(rèn)為顏色轉(zhuǎn)變常常會有大量類胡蘿卜素的合成和大量葉綠素的分解。而催化葉綠素分解的第一步酶就是葉綠素酶嗎，有學(xué)者認(rèn)為：在葉片衰老的期初階段，葉綠素酶發(fā)揮作用可能是在Chlb轉(zhuǎn)化為Chla的過程中。葉綠素酶對葉綠素進(jìn)行分解，導(dǎo)致其相對含量下降，葉片逐漸褪綠?；ㄉ剀帐乔锛救~色轉(zhuǎn)變的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，由花色素與糖組成，主要在植物表皮細(xì)胞的液泡中，也是彩葉植物葉色多彩的主要物質(zhì)。

本文采用高光譜圖像技術(shù)檢測植物葉片內(nèi)部及外部特征，對楓葉內(nèi)部含量變化進(jìn)行可視化分析，以實現(xiàn)探索楓葉葉片隨季節(jié)變化而內(nèi)部質(zhì)量改變的目的。

二、試驗材料與方法

2.1  實驗材料

本研究以同一時間采集的同一種楓樹采集的葉片為研究對象，初步分析楓樹葉片隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的內(nèi)部品質(zhì)變化的過程。

2.2  實驗設(shè)備

高光譜成像數(shù)據(jù)采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀(GaiaField Pro-V10)、CCD 相機(jī)、光源、暗箱、計算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)圖與實景圖如圖1。高光譜成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1。

表1   GaiaField-V10便攜式光譜成像系統(tǒng)