《Forest Ecology and Management》：Physiological and spectral alterations resulting from mechanical girdling simulating
Oncideres spp. damage on
Acacia mearnsii: Understanding responses and implications for remote sensing monitoring
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黑脉宛宿州槐机械环剥导致光合效率下降、氧化应激增强及光谱特征变化，GNDVI等植被指数可有效监测18天后受损植株。
卢卡斯·若泽·门德斯（Lucas José Mendes）|若西马尔·卡亚法·米拉格雷（Jocimar Caiafa Milagre）|朱莉安娜·马尔切桑（Juliana Marchesan）|罗伯塔·阿帕雷西达·范蒂内尔（Roberta Aparecida Fantinel）|阿利松·帕切科·斯佩兰代（álisson Pacheco Sperandei）|安赫莉卡·德·安德拉德·洛佩斯（Angélica de Andrade Lopes）|卢西亚娜·阿尔梅里·塔巴尔迪（Luciane Almeri Tabaldi）|鲁迪内伊·索阿雷斯·佩雷拉（Rudiney Soares Pereira）
巴西南里奥格兰德州圣玛丽亚市（RS 97105-900）圣玛丽亚联邦大学（UFSM）森林科学系
摘要
在巴西，属于Oncideres属的枝条环剥甲虫严重损害了黑金合欢（Acacia mearnsii）种植园的生产力。这种树木在许多国家被栽培用于生产单宁、木炭和纸浆。尽管这些甲虫对种植园造成了显著损害，但其攻击的生理和光谱基础仍不清楚。因此，本研究旨在评估模拟枝条环剥损伤的机械环剥对一岁黑金合欢植株的生理和光谱特性的影响，并确定光谱变化何时能够被检测到。实验设置了五种处理方式：对照组以及环剥后1天、9天、18天和25天的处理组。研究内容涵盖了生长情况、叶绿素a荧光、光合色素、氧化应激以及叶片反射率，后者用于多光谱分析和植被指数计算。结果发现，根生物量、光化学效率和色素含量均显著下降，尤其是在环剥后18天和25天的处理组中表现更为明显。相反，H2O2浓度和类胡萝卜素与总叶绿素的比例有所增加。不同处理组之间的光谱特性存在差异，近红外区域的变化最为显著。这些变化反映在植被指数上，有助于识别出最适合检测被环剥幼苗的指数（DVI、GNDVI、NDVI、NLI、RVI和SAVI）。研究结果有助于理解机械环剥对黑金合欢的生理和光谱影响。尽管数据来源于叶片层面的测量，但这些光谱结果可能为利用遥控飞机搭载的传感器开发森林种植园监测策略提供依据。
引言
森林种植园是生产木材和非木材产品以实现多种用途的可持续策略（Kiziridis等人，2025年；Wear和Coulston，2025年）。此外，它们通过从大气中吸收二氧化碳（CO2）有助于气候调节（Kumar等人，2025年；Milagre等人，2025年）。全球范围内，林业部门直接或间接为超过3300万人的生计提供了支持，尤其是在发展中国家，该行业创造了与森林价值链相关的正式就业机会和收入（ILO，2021年；Lippe等人，2022年）。然而，森林种植园的生产力可能受到多种因素的影响，如土壤气候条件（Du等人，2025年；Pinto等人，2023年）、遗传材料质量（Sousa Júnior等人，2025年；Zelti??等人，2025年）、管理实践（Noormets等人，2015年）以及病虫害的发生（Canelles等人，2021年；Thu等人，2021年）。
Acacia mearnsii（黑金合欢）是一种原产于澳大利亚东南部的森林树种，在全球许多热带和亚热带地区广泛栽培（Griffin等人，2015年；Nair，2021年；Rangan等人，2010年；Richardson和Roux，2023年；Tiruneh等人，2025年）。该物种的栽培具有重要的经济价值，特别是其树皮中的单宁提取、木炭和纸浆生产（Chan等人，2015年；Griffin等人，2011年；Tiruneh等人，2025年）。在巴西，它是最重要的种植树种之一，占地面积超过67,000公顷（Ageflor，2025年）。然而，黑金合欢种植园的生产力受到Oncideres属甲虫（鞘翅目：天牛科：Lamiinae亚科：Onciderini族）的威胁（Monné，2005年；Oliveira和Costa，2014年；Ono等人，2014年）。这类甲虫分布于整个美洲（Monné，2005年），其中一些物种被认为是森林和果树作物的害虫（Lemes和Zanuncio，2021年；Wang，2017年）。雌性甲虫通过环剥树枝和茎部创造有利于产卵和幼虫发育的条件，从而造成作物损害（Corrêa等人，2024年；Lemes和Zanuncio，2021年）。尽管昆虫-植物相互作用中化学信号传递较为常见（Zebelo和Maffei，2015年），但目前没有证据表明Oncideres属甲虫会释放能诱导特定植物反应的化学物质，其作用机制被描述为机械性环剥（Lemes和Zanuncio，2021年；Paro等人，2014年）。
Oncideres属甲虫对黑金合欢种植园的损害会导致树木体积减少、木材质量下降，甚至死亡，从而降低生产力并造成经济损失（Badin，2023年；Magistrali等人，2013年；Oliveira和Costa，2014年）。目前，控制Oncideres的主要方法是在幼虫完成发育前收集并焚烧受侵染的作物残余物（南里奥格兰德州，2011年）。这一做法需要先在田间识别受侵染的树木，通过系统性的视觉检查来发现树枝或茎部环剥、倒下的树枝以及产卵迹象（Lemes和Zanuncio，2021年）。然而，视觉识别耗时且劳动强度高，尤其是在大面积区域，可能会延迟管理措施的实施，从而促进虫害的持续（Abdullah等人，2018年）。因此，遥感技术可以作为快速检测Oncideres侵染树木的替代方法（Abdullah等人，2018年；Mngadi等人，2024年）。
与枝条环剥甲虫造成的损害类似，森林树种的环剥会通过切断损伤部位的韧皮部，中断光合产物向根系的运输（López等人，2015年；Yuan等人，2025年）。环剥会导致光合速率和气孔导度下降，同时伴随叶绿素a荧光的变化，如光系统II的最大量子产额（Fv/Fm）和光系统II的量子效率（ΦPSII）的降低（López等人，2015年）。环剥树木还表现出光合色素含量（Chl a+b）的减少（Yuan等人，2025年）。在生化层面，研究表明生物胁迫会增加活性氧（ROS）的产生，如过氧化氢（H2O2）（Czerniewicz等人，2017年），膜脂质过氧化，表现为丙二醛（MDA）水平升高，以及抗氧化酶（如超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶）的激活（Khattab和Khattab，2005年）。这些生理和生化变化表明碳同化、光化学效率和细胞氧化还原平衡受到干扰，可能影响植物的生长和存活（Almeida等人，2018年；Polle和Rennenberg，2019年；Sahu等人，2022年）。这些变化可作为检测昆虫损害的指标（Almeida等人，2018年；Shelepova等人，2025年）。
森林树种的树皮甲虫侵害会导致叶片光谱反射率的变化，这些变化可通过分析光谱带和计算植被指数来检测（Einzmann等人，2021年；Gao等人，2022年）。使用现场光谱辐射计可以在叶片层面测量光谱反射率（Fernandes等人，2025年）。这些设备能够记录宽波长范围（通常为350–2500纳米）的高分辨率光谱特征（Cheng等人，2010年；Einzmann等人，2021年；Gao等人，2022年；Reichmuth等人，2018年）。分析广泛的光谱范围可以提供关于光-叶相互作用的详细信息，包括对光合色素、水分和干物质含量敏感的光谱区域（Ghoussein等人，2023年）。这些数据有助于识别区分健康和受胁迫植物的最佳光谱带，并为在遥控飞机（RPA）和卫星上应用光谱传感器提供依据（Einzmann等人，2021年；Gao等人，2022年）。
尽管枝条环剥甲虫对黑金合欢种植园造成了严重损害（Badin，2023年；Magistrali等人，2013年），但其攻击的生理和光谱基础仍不清楚。因此，本研究旨在评估模拟枝条环剥损伤的机械环剥对一岁黑金合欢植株的生理和光谱特性的影响。此外，还模拟了DJI Mavic 3 M?多光谱传感器的测量数据，并计算了植被指数，以区分被环剥和未环剥的植物，并确定叶片层面的光谱变化何时能够被检测到。本研究假设模拟枝条环剥损伤的机械环剥会损害黑金合欢幼苗的光合系统并引发氧化应激，导致根系生长受阻。预计被环剥植物的叶片光谱特性会发生变化，这些变化可通过光谱带和植被指数的变化在特定时间点被检测到。
实验描述
实验于2023年12月至2025年2月在圣玛丽亚州（RS）的CEFLOR（南纬29°39’56”，西经53°54’39”，海拔126米）进行。根据柯本气候分类，该地区属于Cfa型气候，特征为湿润的亚热带气候，夏季炎热（Alvares等人，2013年）。实验期间的平均月温度
生长和干生物量
环剥前，不同处理组在直径和高度的相对生长率（RGR）方面没有显著差异（图2A和B，表S2）。环剥后，直径的RGR在各处理组间统计上相似，而高度的RGR在环剥后18天（18DAG）和25天（25DAG）分别增加了81%和86%（η2 = 0.48）。在生物量方面，叶片、茎和总生物量的值在各处理组间没有显著差异（图2C）。然而，根
讨论
研究结果证实，模拟枝条环剥损伤的机械环剥会引发黑金合欢幼苗的生理和光谱变化，损害光合系统并引发氧化应激。在环剥后18天（18DAG）和25天（25DAG）的处理组中，根生物量、光合色素含量以及叶绿素荧光变量Fv/Fm和ETR显著下降。H2O2浓度和类胡萝卜素与总叶绿素的比例有所增加
结论
本研究的结果揭示了模拟枝条环剥损伤的机械环剥对黑金合欢幼苗的生理和光谱变化的影响。机械环剥会降低光化学效率并引发氧化应激，导致生长和光谱响应的变化，这些变化在环剥后至少18天内可被检测到。在环剥后18天和25天，GNDVI指数可用于区分健康和受损害的植株
作者贡献声明
罗伯塔·阿帕雷西达·范蒂内尔（Roberta Aparecida Fantinel）：研究工作。
朱莉安娜·马尔切桑（Juliana Marchesan）：写作——审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、项目协调、方法论设计、研究实施、概念构思。
若西马尔·卡亚法·米拉格雷（Jocimar Caiafa Milagre）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构思。
卢卡斯·若泽·门德斯（Lucas José Mendes）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目协调、方法论设计、研究实施
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）为第一作者提供的奖学金，以及高等教育人员培训协调委员会（CAPES，资助代码001）为第二、第四和第五作者提供的奖学金。同时感谢Seta公司提供实验用苗木，以及CEFLOR工作人员在植物护理方面的协助。
