全球變暖增加了當地大氣對水分的需求，導致許多地區降水減少，兩者都會導致干旱。水汽可以在輻射冷卻到露點溫度以下的表面凝結成露水。露水因其對地表水平衡的重要貢獻而被認為是一個重要水源，尤其是在半干旱和干旱地區。干旱地區，年露水量占降雨量的9%-23%。在熱帶島嶼旱季，露水可以作為一種替代水源。露水對干旱地區或干旱期植物的生存、生長和發育十分重要，例如帶來夜間水分以及通過植物氣孔或特殊的物理特征（如氣生植物）直接被葉片吸收利用。因此，露水可以增加葉片的凈光合產物積累，提高植物水分利用效率。露水還參與了大氣中的化學過程，例如亞硝酸鹽氧化物的晝夜（和夜間）循環。從1961-2010，中國露水頻率降低了5.2天/10年，這主要是因為近地表增溫和相對濕度（RH）下降。此外，中國干旱區露水頻率下降率（50%）高于半濕潤和濕潤地區（40%和28%）。因此，隨著全球氣候變化，不同地區露水具有不同的趨勢，需了解不同氣候區域的露水特征以更好地預測未來露水動態變化。δ2H和δ18O是天然和傳統的水文示蹤劑，在追蹤與不同類型水（例如降雨、降雪、露水、霧、地表水、植物水和冰芯）相關的不同水文氣象過程中發揮著重要作用。兩種質量分餾過程，平衡分餾和動力學分餾，是水相變過程中同位素差異的根本原因。它們分別由飽和水汽壓和不同同位素的擴散速率決定。17O-excess（17O-excess = ln（δ17O + 1）-...
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2022
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隨著人類社會工農業現代化、城市化的發展，人為因素造成土壤重金屬污染是當今世界越來越不容忽視的環境問題。盡管煤礦資源的開發對社會經濟至關重要，但其對自然環境產生的不利影響也是不可避免的。因此，我們有必要調查露天煤礦的土壤重金屬分布，以發現受污染的農田，提供和制定土地復墾策略以及進一步的公共健康策略。原位土壤采樣與實驗室化學分析方法（利用高精度的原子吸收光譜法（AAS）和電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS））相結合，已廣泛應用于土壤重金屬濃度的調查和制圖。然而，該方法難以獲得連續的土壤重金屬濃度制圖、耗時費力、成本高、效率低，適用范圍小，且可能會再次對環境產生不利影響。遙感技術的發展為快速、高效、大尺度監測重金屬含量提供了新的視角。而部分所使用的高光譜傳感器存在數據質量差、圖像連續性受限、光譜范圍窄、空間分辨率低、需要輔助環境變量、易受大氣干擾等問題。與現有高光譜衛星傳感器相比，GF-5 AHSI高光譜成像儀的空間分辨率、光譜分辨率、光譜范圍、時間分辨率等明顯增強。然而，關于使用GF-5 AHSI高光譜影像反演土壤重金屬含量的相關研究報道較少。基于此，在本研究中，來自西安科技大學的張波（第一作者）、郭斌（通訊作者）課題組聯合其它研究團隊針對高分5號高光譜衛星影像反演中國北部某露天煤礦區（圖1）土壤重金屬含量問題進行了研究。旨在（1）利用直接校正（DS）算法在實驗室測量的和GF-5 A...
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【溫室氣體】人類活動造成溫室氣體排放急劇增加，全球地表溫度持續上升，顯著改變了自然生態系統碳水循環格局。極端氣候事件，尤其是極端干旱事件發生的頻率和強度不斷升高，對土壤含水量、土壤微生物群落結構和功能、土壤異養呼吸（Rh）以及土壤甲烷（CH4）通量具有重要影響。高寒泥炭地擁有巨大的碳儲量，對氣候變化高度敏感。雖然目前圍繞高寒泥炭地碳排放開展了一些研究，但對高寒泥炭地生態系統碳排放對極端干旱響應的微生物機制仍不清楚。基于此，中國林業科學研究院濕地研究所的研究團隊以青藏高原東部若爾蓋國家級自然保護區高寒泥炭地（33°47′56.62′′ N，102°57′28.44′′ E，3430 m.a.s.l.）為研究對象，依托模擬極端干旱的野外控制實驗平臺，通過原位觀測和室內試驗相結合，旨在解決以下問題：（1）不同植物生長期，極端干旱如何影響Rh和CH4通量?（2）極端干旱如何影響土壤微生物群落結構和功能群?以及（3）驅動Rh和CH4通量變化的主要因素是什么？作者于2019年6月18日至9月25日測量了Rh（PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統（北京理加聯合科技有限公司））和CH4通量（一個閉路靜態室（0.5×0.5×0.5 m）+ABB LGR便攜式溫室氣體分析儀（UGGA，GLA132-GGA））。試驗三個生長期結束時，作者測量了樣地0-20 ...
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CO2和CH4排放增加是全球變暖的主要原因（IPCC，2013），人類活動導致大約44%和60%的CO2和CH4排放到大氣中。人類活動如攔河筑壩干擾濕地的結構和功能，引發大量土壤CO2和CH4排放。然而，目前對濕地水庫CO2和CH4排放及其碳同位素特征的影響機制知之甚少。基于此，為了填補研究空白，在本研究中，來自云南大學和中科院武漢植物園的研究團隊在三峽消落區原位條件下調查了4個海拔梯度（即不同淹水狀態）（175 m，160–175 m，145–160 m和＜147 m）飽和和排干狀態下CO2和CH4排放模式及其碳同位素特征，以及相關的控制因子。他們作出了如下假設：1）由于淹水下優勢植物種的轉變，土壤條件（例如土壤基質質量，土壤水分和溫度）的變化將會改變CO2排放以及CO2的δ13C值；2）CH4排放模式及其同位素特征對淹水更敏感，反映了土壤厭氧環境的增加；3）不同淹水狀態下（例如飽和和排干狀態下）將會導致酶表達和微生物屬性的改變，進而極大影響CO2和CH4排放。圖1 重慶忠縣研究區位置（a）；三峽消落區采樣地衛星圖像及沿海拔梯度詳細的靜態通量室放置圖（b）。作者于2017年6-8月測量了土壤/水大氣界面CO2和CH4的交換率。利用ABB LGR CO2同位素分析儀分析CO2的濃度及δ13C，并利用ABB LGR甲烷碳同位素分析儀分析CH4的濃度及δ13C。【結果】高海拔地區CO2...
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追蹤生長季和地理區域中葉片性狀的變化是理解陸地生態系統功能的關鍵。野外光譜法是原位監測葉片功能性狀的有力工具，在農業、林業和生態學中都有許多應用，例如，葉片光譜已用于表征許多葉片理化特性，預測倍體水平，估計葉齡，甚至可以預測入侵植物對凋落物分解的影響。但目前尚不清楚是否可以開發通用統計模型來根據光譜信息預測性狀，或是否需要根據條件變化進行重新校準。特別是，生長季多個葉片性狀同時變化，是否可以從高光譜數據成功預測這些時間變化是一個懸而未決的問題。基于此，為了填補研究空白，在本研究中，一組國際研究團隊利用標準實驗室方法（包括光捕獲和生長：N（%），δ15N（‰），δ13C（‰），葉綠素，可溶性C（%）和葉片含水量（LWC）；防御和結構：每單位面積的葉片質量（LMA g m-2）、總C（%）、半纖維素（%）、纖維素（%）、木質素（%）、總酚類（mg g-1）和單寧（mg g-1）；巖石衍生營養素：P（%）、K（%）、Ca（%）、Mg（%）、Fe（μg g-1）、Mn（μg g-1）、Zn（μg g-1）和B（μg g-1））和葉片光譜（利用光譜范圍為350-2500 nm的ASD FieldSpec 3進行測量，在350-1000 nm，采樣間隔為1.4 nm，在1000-2500 nm，采樣間隔為2 nm）追蹤了整個生長季的變化，研究了溫帶落葉樹木多種葉片性狀和光譜特性之間的聯系。旨在...
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姜黃素是一種天然化合物，具有良好的抗炎、降血脂、抗氧化和抗癌等特性。姜黃素是從姜科、天南星科中一些植物的根莖中提取的一種二酮類化合物。其中，姜黃中約含姜黃素3%～6%，是植物界很稀少的具有二酮結構的色素。了解栽培根莖中姜黃素的水平并確定高產品種非常重要。傳統上測量姜黃素是通過從新鮮根莖或干粉中將其提取出來，并使用高效液相色譜（HPLC）或紫外-可見分光光度法進行分析。從植物材料中分離姜黃素費事、費力、成本高，且需要專門的實驗室設備和有經驗的操作人員。而高光譜成像（HSI）是一種快速且無損的技術，已成功用于土壤和農產品（堅果、水果和蔬菜）各種化學成分和質量指標的評估。然而，目前尚未探索使用新鮮姜黃根莖的HIS圖像來預測姜黃素。基于此，為了填補研究空白，在本文中，來自澳大利亞的一組研究團隊進行了相關研究，旨在(1) 比較澳大利亞東部不同采樣點3個姜黃品種（黃色、橙色和紅色）的總姜黃素濃度和不同類姜黃素的分布；（2）評估利用可見-近紅外（Vis/NIR）光譜（400-1000 nm）建立的PLSR模型預測新鮮姜黃根莖中總姜黃素濃度的潛力。作者在2018年11月至2019年11月，從五個研究地點共收集了190個樣本，以捕捉生長周期的變化。利用光譜范圍為400-1000 nm，光譜采樣間隔為1.3 nm，光譜分辨率為2.3 nm的Resonon Pika XC2高光譜相機獲取樣品的高光譜圖像...
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土壤水分是直接影響蒸發、入滲和徑流等多種環境過程的重要因素。而且，土壤水分在農業蒸散與糧食安全、濕地退化、干旱、陸氣界面的能量交換等相關研究領域發揮著重要的作用。地面測量能夠提供易于校準和長時間連續獲取的數據，但該種方法僅針對單個小區域，難以支持空間變化研究或實地研究。基于水和土壤介電特性的巨大差異，微波遙感被廣泛應用于大空間尺度的土壤水分監測，但不適用于精準農業等多種研究。熱遙感可以根據地表溫度來估算土壤水分，但熱遙感信號不單受到土壤含水量（SMC）的影響，濕度、風速、大氣條件等其他參數也會影響估計結果。而光學遙感由于其精細的空間分辨率和利用諸如MODIS、Landsat系列和Sentinel任務等衛星數據進行大尺度監測潛力之間的平衡而引起了諸多關注。目前已經提出了許多指標和模型來闡明反射率特征隨SMC的變化，并利用實驗室、實地、機載和衛星數據從窄帶和寬帶的反射率來估計SMC。這些方法/指標主要針對從飽和到風干的各級SMC；然而，作者發現飽和到風干的單一關系映射會導致準確估計的錯誤印象。在整個干燥過程中，光譜反射率特征和SMCs之間的回歸關系不一致導致對相對較低的SMCs估計的精度較低。基于此，在本研究中， 來自南京大學、康奈爾大學和河南農業大學的研究團隊提出了一種分割方法以更準確的估計SWC。作者監測了代表不同土壤特性的三種土壤樣品的整個干燥過程，并通過蒸發速率變化確定其過渡點...
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高光譜成像結合機器學習檢測火炬松幼苗梭形銹病發病率火炬松是美國南部最重要的森林樹種，它生長迅速、適應性強，可用于建筑木材、膠合板和紙漿等。松梭形銹病是由真菌Cronartium quercuum f.sp. fusiforme（Cqf）引起的一種影響該物種的常見且具有破壞性的病害。這種真菌通常會感染幼樹的莖，導致被稱為“銹癭”的腫瘤樣生長物產生，可能會造成樹木死亡或產生“銹叢”，從而妨礙樹木生長，降低木材使用價值。種植抗病苗是限制該病害的最有效的措施。溫室中抗病性測試在人工接種幼苗后的目視估計病害發病率和嚴重程度具有高度主觀性，容易出現人為錯誤，且勞動密集。此外，目視評估只有在病害感染一段時間后，癥狀充分發展時才能進行。而高光譜成像可同時獲取空間和光譜信息，提供了在不同空間尺度上分析光譜信息的機會，已成功應用于多種植物物種的病害和脅迫檢測。基于此，在本文中，來自北卡羅來納州立大學和密西西比州立大學的研究團隊提出了一種利用高光譜成像技術篩選火炬松幼苗梭形銹病發病率的創新方法，具體目標為（1）開發高光譜圖像處理管道，用于從火炬松幼苗圖像中的特定感興趣區域（ROI）中提取光譜數據；（2）基于來自(1)的特定ROI的光譜數據，評估用于區分患病和未患病幼苗的SVM分類模型。圖1 火炬松幼苗高光譜圖像采集的成像裝置。【高光譜圖像獲取】線性掃描高光譜成像儀（Pika XC2，Resonon In...
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基于根系水穩定同位素探究旱柳枝條水與土壤水之間的同位素失配現象 【摘要】越來越多的野外研究發現了植物莖干水與其潛在水源之間的同位素失配現象。然而，同位素偏移的形成原因尚不清楚，并且不確定它們是發生在根系吸水過程還是在從根部到枝干的水分傳輸過程。因此，該研究以旱柳（Salix matsudana Koidz）為研究對象，通過約每三天一次的采樣頻率測定了土壤?根系?樹木枝條連續體中各組分（如總體土壤水、移動水、地下水、根系水和樹木枝條水）的穩定同位素值（δ2H和δ18O），結果表明：（1）移動水和總體土壤水的同位素值有明顯的分離，但隨著土層深度的增加，兩者之間同位素值的差異逐漸減小；（2）根系水接近于束縛水的同位素值，但不同于總體土壤水的同位素值。總體土壤水與根系水之間的δ2H和δ18O 的最大差值分別為?8.6‰ 和?1.8‰；（3）樹木枝條水僅與 100-160 cm深度的根系水同位素值相似，并且在試驗期間保持穩定，表明旱柳始終利用穩定的深層水源。總體上，旱柳枝條水與其潛在水源之間的同位素失配反映了根系水和總體土壤水之間的同位素偏移，這與土壤水的異質性密切相關。該研究揭示了不同移動性的土壤水、根系水和樹木枝條水同位素值之間的關系，有助于加深對根系水分吸收和運輸過程的理解。【研究區域】該試驗是在中國黃土高原北部六道溝小流域 (38°46′-38°51′N...
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改進積雪密度的估計是目前雪研究的一個關鍵問題。表征密度時空變異性對于水當量的估算、水力發電和自然災害（雪崩洪水等）的評估至關重要。高光譜成像是一種監測和估計其物理特性的有前途且可靠的工具。事實上，雪的光譜反射率在一定程度上受其物理特性變化的控制，尤其是在光譜的近紅外（NIR）部分。為此，已經設計了幾種模型根據光譜信息估算積雪密度。然而，還沒有一個實現滿意的結果。主要困難之一是積雪密度和光譜反射率之間的關系是非雙射的（滿射的）。事實上，幾個反射振幅與相同的密度相關，反之亦然，所以密度和光譜反射率之間的相關性可能非常弱。基于此，為了解決該問題，本研究中提出了基于光譜數據的積雪密度估計混合模型。主要研究目標是利用高光譜NIR成像（PIKA NIR，RESONON Company）（900-1700 nm）以5.5 nm的光譜分辨率測試混合模型（HM）估計季節性積雪密度的性能。混合模型結合了一個分類器和3個與密度類別相關聯的特定估算量（弱到中度變質雪（WMM），中度到高度變質雪（MHM）和高度到極高度變質雪（HVM））。利用2018（1.19-3.27）、2019（1.10-4.3）和2020（1.29-3.10）年冬季在加拿大魁北克國立科學研究院（INRS）的科技園內（46°47′43.22″北緯，-71°18′10″西經）收集的數據集校準和驗證了HM。混合模型在兩個...
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