《Frontiers in Plant Science》：Study on physiological indicators and spectral response characteristics of alfalfa under simulated spontaneous combustion of coal gangue dumps
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本文通过室内模拟煤矸石自燃热胁迫环境，系统分析了紫花苜蓿在分枝期、现蕾期和开花期的叶绿素相对含量（SPAD）、光合参数（如光合速率A、气孔导度gsw、PSII光化学效率Fv'/Fm'）及冠层光谱（350–1350 nm）的响应规律。研究发现现蕾期为敏感监测窗口，基于一阶导数光谱植被指数（FDNDVI）的支持向量回归（SVR）模型对SPAD预测精度最高（R2=0.77），为煤矸石山生态修复区自燃早期预警提供了理论依据与技术支撑。
引言
煤矸石堆积体自燃即使经过生态修复后仍存在复燃风险，威胁区域生态环境。植被对自燃热胁迫的响应具有生长阶段依赖性，因此明确不同生育期生理指标的光谱响应特征对及时精准监测煤矸石山自燃至关重要。本研究以典型修复草本植物紫花苜蓿（Medicago sativa L.）为对象，通过室内恒温模拟煤矸石自燃热胁迫，分析其分枝期、现蕾期和开花期的SPAD值、光合参数与冠层光谱的关联性，旨在揭示热胁迫下植被生理-光谱耦合机制。
材料与方法
实验设计与数据采集
实验于2022年4–7月进行盆栽培养，设置对照组（CK）与120°C土壤加热处理组（T）。在分枝期（5月22日–6月10日）、现蕾期（6月14日–6月30日）和开花期（7月5日–7月18日）每3–5天测量SPAD值、光合参数（A、gsw、Ci、Fv'/Fm'、qP、qN）及SVC HR-1024i光谱仪采集的冠层光谱（350–1350 nm）。数据经Savitzky-Golay平滑预处理后，采用相关性分析结合连续投影算法（SPA）筛选敏感光谱波段与特征参数（如原始光谱OS、一阶导数光谱FDS、三角参数TP、植被指数VI）。以3:1比例划分训练集与测试集（n=60:20），建立支持向量回归（SVR）、随机森林回归（RFR）和偏最小二乘回归（PLSR）模型，以确定系数（R2）和均方根误差（RMSE）评估预测精度。
分析方法
敏感波段通过Pearson相关系数计算，SPA用于减少光谱冗余。植被指数包括归一化差异植被指数（NDVI）、一阶导数归一化差异植被指数（FDNDVI）等。三角参数涵盖红边振幅（Dr）、红边位置（λr）、蓝边面积（SDb）等20个指标。模型参数设置：SVR核函数为径向基函数（RBF），RFR采用200棵决策树，PLSR提取主成分。
结果
冠层光谱与生理参数变化
热胁迫下T组冠层光谱在近红外平台反射率显著高于CK，可见光区差异在现蕾期最明显。一阶导数光谱红边区域（680–780 nm）波动加剧，T组红边面积大于CK，开花期红边位置发生蓝移（721 nm→728 nm）。SPAD值在T组各阶段均低于CK，增幅受限；光合参数中gsw和qP在分枝期与开花期响应最敏感，A和qN在现蕾期变化最显著。T组Fv'/Fm'与qP下降，qN上升，表明热胁迫引发光系统II光化学效率抑制与热耗散增强。
敏感光谱特征识别
分枝期SPAD与FDNDVI（1083, 922 nm）相关性最高（r=0.87），现蕾期SPAD与红边面积（SDr）极显著相关（r=0.97），开花期gsw与三角参数Dr、SDr-SDb相关性达-0.92以上。一阶导数光谱植被指数（如FDNDVI）普遍优于原始光谱指标。SPA优化后的特征波段（OS2、FDS2）进一步提升了模型敏感性。
模型预测性能
现蕾期预测精度最高，SVR模型整体优于RFR和PLSR。T组SPAD的FDNDVI-SVR模型预测R2为0.77（RMSE=3.50）；现蕾期A的NDVI-SVR模型R2达0.88（RMSE=1.39）。植被指数为最优输入特征，三角参数次之。
讨论
热胁迫通过抑制气孔导度与光系统II活性降低紫花苜蓿光合能力，导致SPAD值与光合参数下降。冠层光谱在近红外区的反射率升高及红边位移可作为热胁迫的早期指示信号。一阶导数光谱增强了对细微生理变化的捕捉能力，现蕾期植被生理活动旺盛，对胁迫响应最敏感，是最佳监测窗口。SVR模型在小样本非线性数据中表现出鲁棒性，FDNDVI整合了红边与近红外信息，能有效量化热胁迫强度。本研究为基于遥感技术的煤矸石山自燃生态预警提供了方法学支持，但恒温实验与野外动态过程的差异需在后续研究中结合变温模拟与实地验证加以完善。
结论
紫花苜蓿生理指标与光谱响应受热胁迫强度与生育期共同调控。现蕾期是一阶导数植被指数（FDNDVI）监测热胁迫的关键阶段，SVR模型可实现SPAD与光合参数的精准反演。该研究为煤矸石山生态修复区的自燃风险早期识别提供了理论基础与技术路径。
