تحلیل حساسیت رفتار طیفی برگ گیاه در برابر متغیرهای بیوفیزیکی – بیوشیمیایی برگ با استفاده از مدل انتقال تابش PROSPECT

سابقه و هدف: تعیین نحوه اثرگذاری محتوای بیوشیمیایی برگ در بازتاب و رفتار طیفی آن، ازطریق سنجش از دور، می تواند به درک فرایند اکوسیستم و پارامترهای آن، همچون تنش آبی گیاه، کمک شایان توجهی کند. ویژگی های نوری تاج پوشش بسیار تحت تاثیر ویژگی های نوری برگ ها و خاک زمینه است. همچنین به دلیل دردسترس نبودن اطلاعات دقیق درباره ویژگی های نوری برگ ها، تفسیر اطلاعات طیفی را که ازطریق سنجش از دور گرد می آیند، با محدودیت هایی روبه رو کرده است. ساختار داخلی برگ میزان انعکاس و عبور را در کل طیف الکترومغناطیس، کنترل می کند اما، برای کسب اطلاعات دقیق و توصیف جامع درباره ویژگی های نوری برگ، مدل های فیزیکی توسعه یافته اند. مدل های برگشت پذیر همانند PROSPECT علاوه بر محاسبه پاسخ طیفی برگ، امکان محاسبه مقدار کمی ویژگی های درونی برگ، مانند میزان کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ را فراهم می کنند. با استفاده از ویژگی برگشت پذیری، می توان براساس طیف جمع آوری شده ازطریق سنجنده ها، کمیت آب برگ ها و زیست توده آنها را مشخص کرد. بنابراین استفاده از این مدل ها و تلفیق آن با داده های دورسنجی که برای گیاه غیرتخریبی است، امکان پایش در بعد زمان و مکان را فراهم می آورد و می تواند راه گشای مطالعات و مدل سازی های مرتبط با ویژگی های درونی برگ گیاهان باشد.مواد و روش ها: در این پژوهش، اثر کمی متغیرهای بیوفیزیکی – بیوشیمیایی برگ شامل محتوای کلروفیل برگ، ساختار برگ و محتوای آب آن در میزان بازتاب تحلیل شده است. برای این منظور، مدل انتقال تابش PROSPECT که برای شبیه سازی رفتار طیفی برگ گیاهان توسعه داده شده، به کار رفته است. در نتیجه، تاثیر کمیت پارامترهای برگ شامل کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ در شکل منحنی طیفی برگ بررسی شده است. روش کار بدین ترتیب است که به منظور مطالعه تاثیرات ناشی از هریک از پارامترها، دو پارامتر دیگر ثابت در نظر گرفته می شوند و با تغییر مقدار پارامتر مورد نظر، منحنی های طیفی متناظر با مقادیر انتخاب شده، با به کارگیری مدل PROSPECT استخراج می شود. با مقایسه منحنی های حاصل و تحلیل آنها، تاثیر پارامتر مورد نظر در بازتاب طیفی برگ مطالعه و بررسی می شود.نتایج و بحث: نتایج تحقیق حاکی از آن است که افزایش کلروفیل، با اثر در کاهش انعکاس، به افزایش میزان شاخص های گیاهی مثلثی منجر می شود. براساس ساختار برگ و لایه های داخلی، در محدوده فروسرخ نزدیک، امکان تشخیص گیاهان تک لپه ای، دولپه ای و نیز گیاهان پیر وجود دارد. همچنین در محدوده فروسرخ نزدیک، میزان انعکاس در گیاهان پیر، گیاهان دولپه ای و تک لپه ای به ترتیب کاهش می یابد. در محدوده فروسرخ نزدیک، در گیاهان دولپه ای که دارای پارانشیم اسفنجی اند، بیشتر از گیاهان تک لپه ای انتظار بازتاب می رود. گیاهان تک لپه ای، به دلیل بازتاب کمترشان در محدوده ۱۴۰۰ تا ۱۹۰۰ نانومتر، از سایر گیاهان تفکیک پذیرند. اثرگذاری محتوای آب در بازتاب طیفی برگ از طول موج ۱۰۰۰ نانومتر آغاز می شود و تا پایان محدوده انعکاسی، ۲۵۰۰ نانومتر، ادامه دارد و با افزایش محتوای آب، کاهش بازتاب رخ می دهد. خشک شدن گیاه، تا مراحلی، تاثیر چندانی در بازتاب ندارد ولی خشکیدن آب برگ، بیشتر از مقداری معین (۰۳/۰ تا ۰۴/۰ گرم بر سانتی متر مربع) باعث افزایش چشمگیر بازتاب، به ویژه خارج از باندهای جذبی آب می شود. بنابراین با پیداکردن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب می توان به تشخیص تنش های شدید آبی در گیاهان کمک کرد. با بررسی نمودارها می توان پی برد که نقطه بحرانی در حوالی محتوای آب ۰۳/۰ تا ۰۴/۰ گرم بر سانتی متر مربع اتفاق می افتد.نتیجه گیری: با یافتن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب، می توان تنش های شدید آبی در گیاهان را تشخیص داد. در مدل PROSPECT، اثر خاک زمینه در بازتاب طیفی گیاهان در نظر گرفته نمی شود؛ بنابراین استفاده از مدل هایی مانند SAIL و SLC پیشنهاد می شود که برای این منظور ارتقا یافته اند. همچنین با توجه به اینکه خروجی مدل PROSPECT منحنی طیفی برگ گیاه است، می توان استفاده از مد ل های انتقال تابش تاج پوشش گیاه، مانند مدل SAIL و SLC را نیز بررسی کرد.

کلیدواژه ها:

مدل انتقال تابش ، محتوای کلروفیل برگ ، ساختار برگ ، محتوای آب برگ ، PROSPECT