了解和掌握沙漠植物生長的水分條件，對(duì)評(píng)價(jià)沙漠植被生境狀況和沙漠生態(tài)治理意義重大。本文分析不同含水率的沙漠植物的紅邊特征，揭示沙漠植物含水率的光譜響應(yīng)規(guī)律和特征，以期為沙漠地區(qū)植物生長狀況、生境條件分析以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理成效評(píng)估提供依據(jù)。

一、引言

沙漠地區(qū)是氣候干旱、沙層水分嚴(yán)重不足的地區(qū)，水分條件是影響該類區(qū)域植物分布和生長的最關(guān)鍵因素。同時(shí)，沙漠地區(qū)植物的生長對(duì)沙層水分狀況亦有一定指示作用。因此，了解和掌握沙漠植物生長的水分條件，對(duì)評(píng)價(jià)沙漠植被生境狀況和沙漠生態(tài)治理意義重大。植物體內(nèi)水分是控制植物光合作用、呼吸作用和生物量以及影響其他生理生化指標(biāo)的主要因素之一，因此，調(diào)查沙漠地區(qū)植物的水分狀況，可以反映沙漠地區(qū)的生態(tài)現(xiàn)狀以及防沙治沙等生物措施的恢復(fù)效果。

要了解大面積沙漠植物的水分狀況，根據(jù)測(cè)定的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行植物含水率的分析與反演，然后將結(jié)論應(yīng)用于區(qū)域遙感影像，無疑是一種有效途徑。本文以騰格里沙漠10種典型沙生植物為研究對(duì)象，野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其冠層光譜，利用包絡(luò)線去除法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，找出水分敏感波段，進(jìn)而建立植物含水率和特征波段光譜反射率的回歸模型。同時(shí)，利用微分光譜技術(shù)計(jì)算各種植物的紅邊參數(shù)，分析不同含水率的沙漠植物的紅邊特征，揭示沙漠植物含水率的光譜響應(yīng)規(guī)律和特征，以期為沙漠地區(qū)植物生長狀況、生境條件分析以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理成效評(píng)估提供依據(jù)。

二、研究區(qū)概況

騰格里沙漠位于阿拉善地區(qū)東南部，是中國第四大沙漠。騰格里沙漠屬于典型的大陸性干旱氣候。沙漠內(nèi)部沙丘、湖盆、山地、殘丘及平地等交錯(cuò)分布，其中沙丘占71%，湖盆草灘占7%，山地、殘丘及平地占22%。2011年8月下旬，蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院騰格里沙漠科學(xué)考察隊(duì)發(fā)現(xiàn)，騰格里沙漠的主要植物有芨芨草、沙冬青、沙蒿、白刺、老鴰頭、油蒿、駱駝蓬、鵝絨藤、鹽爪爪、沙蔥、梭梭、地錦、沙生針茅、蟲實(shí)、紅砂、霸王、蘆葦?shù)取?/p>

三、數(shù)據(jù)獲取及處理

3.1 植物冠層光譜測(cè)定

采用手持式地物光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)量，選擇可見光和近紅外波段450.0~900.0nm范圍的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這也是植物光譜分析的常用波段。野外光譜測(cè)量與植被調(diào)查同點(diǎn)進(jìn)行，選擇研究區(qū)樣地內(nèi)出現(xiàn)頻率較高、分布較廣的植物種類采集光譜。為去除隨機(jī)噪音干擾，每株植物測(cè)定20次，取平均值作為其最終光譜值。光譜采樣點(diǎn)貫穿整個(gè)沙漠，沙漠中植被大多是同種植物聚集分布，所以采集某一種植物的光譜數(shù)據(jù)，可以較好代表一定區(qū)域的植被狀況。

3.2 植物含水率測(cè)定

從西北到東南，對(duì)沙漠邊緣及腹地的植被進(jìn)行詳細(xì)的樣方、樣線調(diào)查。每一群落樣地按群落的延伸方向做5個(gè)10m×10m樣方，并在同一方向鋪設(shè)樣線。在樣方內(nèi)測(cè)定植物種類、株數(shù)、平均高度、冠幅等。測(cè)定光譜的同時(shí)采植物樣，裝入封口袋，立即稱鮮重、貼標(biāo)簽。共采集10種典型植物，其中白刺為兩個(gè)不同生長階段的樣品，共11個(gè)樣?；氐绞覂?nèi)，使用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，先將溫度調(diào)至100~105℃殺青10min，然后將溫度調(diào)至75℃，烘至恒重并稱其干重。鮮重與干重的差值與鮮重之比即為植物的含水率。

3.3 光譜數(shù)據(jù)處理

3.3.1包絡(luò)線去除

為了確定沙漠植物對(duì)水分的敏感波段，分析水分和光譜數(shù)據(jù)的關(guān)系，使用遙感處理軟件ENVI4.7對(duì)測(cè)定的光譜曲線進(jìn)行包絡(luò)線去除。包絡(luò)線去除可以有效突出光譜曲線的吸收和反射特征，去除包絡(luò)線后的光譜曲線可有效抑制噪音，突出地物光譜的特征信息，但是不會(huì)抑制植物的水分信息。包絡(luò)線去除后，光譜曲線的值位于0~1之間。

3.3.2光譜的一階微分

為了分析不同含水率沙漠植物的紅邊特征，用原始光譜數(shù)據(jù)的一階微分求算各紅邊參數(shù)。微分光譜技術(shù)已被用于減弱大氣散射和吸收對(duì)目標(biāo)光譜特征的影響，光譜一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景，以及噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜（非線性）的影響。一階微分的近似計(jì)算方法如下：

ρ′（λi）=[ρ（λi+1）-ρ（λi-1）]2Δλ

式中：λi為每個(gè)波段的波長；ρ′（λi）為波長λi的一階微分光譜；Δλ為波長λi-1到λi的間隔。

四、結(jié)果與分析

4.1 植物含水率及光譜特征

研究區(qū)內(nèi)10種典型植物的含水率測(cè)定結(jié)果表明，沙漠典型植物在調(diào)查期內(nèi)含水率具有一定差異，最大含水率為88.19%，最小含水率為37.34%（圖1）。于臨近位置采集不同生長階段的白刺樣品，發(fā)現(xiàn)成年白刺比生長期的青年白刺含水率約高9.1%，可見沙漠地區(qū)同種植物在不同的生長階段水分狀況亦有較大差異。在考察中發(fā)現(xiàn)，芨芨草等含水率小的草本植物大都分布在平沙地區(qū)域，沙層表層水分含量較小；駱駝蓬、鵝絨藤等含水率較大植物多分布于較大的丘間洼地，考察中多次在此地形處挖出地下水，深度約1m；鹽爪爪等鹽生植物分布在鹽湖附近，沙層水分充足；沙蔥多分布在沙漠邊緣或丘間洼地，雨水充足或降雨后生長迅速，干旱時(shí)停止生長，所以沙蔥分布與局部降水較多有聯(lián)系。研究也表明，沙漠草本植物生長多利用降雨和凝結(jié)水，有些地下水位高的地方草本也可能通過毛管作用或者薄膜水蒸發(fā)作用得到表層的水分，而灌木等根系發(fā)達(dá)的木本才可以吸收到沙漠地下水。因此，沙漠植物的水分狀況能很好地反映局部沙層的水分情況。

圖1研究區(qū)典型植物的含水率

對(duì)典型植物光譜曲線去除包絡(luò)線，可以看出，沙漠植物具有植被反射率光譜的一般特征（圖2）：在近紅外波段有植被獨(dú)有的紅邊反射特征。在藍(lán)光和紅光波段都具有明顯的吸收谷，這是由于葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光的吸收造成的，在綠光波段由于葉綠素的反射作用形成了一個(gè)反射峰。但是，不同含水率植物的吸收谷深度有差異，含水率較大的駱駝蓬、鵝絨藤、鹽爪爪的吸收谷深度普遍大于含水率較小的芨芨草、沙冬青和沙蒿。如果植物的水分

狀況影響了葉綠素的含量，導(dǎo)致葉綠素的兩個(gè)吸收谷深度隨水分含量的大小而不同，那么在綠光反射峰也應(yīng)該有這樣的規(guī)律，但從圖2看，含水率較大植物的反射峰并非較大，可見水分還可能影響了其他因素，比如葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)等。此外，可以看出在吸收谷和反射峰波段處，光譜差異較大，此波段可以應(yīng)用于沙漠典型植物種類的劃分。

圖2包絡(luò)線去除后的植物光譜曲線

4.2 植物含水率與光譜反射率的關(guān)系

研究表明，在近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR）區(qū)，有以970、1200、1450、1930nm和2500nm為中心的5個(gè)植物葉片水分吸收帶，對(duì)植物反射率光譜影響很大。影響植物反射率的主要因素有植物葉的顏色、葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和植物的水分等，植物的生長發(fā)育以及氣候、地形等外部因素都會(huì)對(duì)植物的光譜特征產(chǎn)生影響。沙漠地區(qū)氣候極端干旱，水分是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，研究也指出水稻的水分和光譜反射率在可見光的兩個(gè)葉綠素吸收帶和近紅外波段存在顯著相關(guān)性。植物的水分狀況能很好地反映植物的生長狀態(tài)，那么是否會(huì)對(duì)植物在可見光近紅外波段的光譜特征亦產(chǎn)生影響呢？為了分析水分敏感波段，對(duì)經(jīng)包絡(luò)線去除后的光譜數(shù)據(jù)和植物含水率進(jìn)行相關(guān)分析（圖3）。

圖3植物含水率和包絡(luò)線去除后的光譜反射率之間的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果顯示，沙漠地區(qū)植物的含水率和包絡(luò)線去除后的光譜數(shù)據(jù)在可見光450~732nm和近紅外781~782、853、858、860~862、870~872、874、878~879、882~884、887~888、892~894、897~898nm波段處的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平（p<0.05），在可見光561~718nm和近紅外861nm、894nm處達(dá)到了極顯著水平（p<0.01），最高的相關(guān)性位于689nm（可見光波段，R=-0.8158）和894nm（近紅外波段，R=0.7457）?；貧w分析結(jié)果（圖4）表明，在可見光689nm和近紅外波段894nm兩者均存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，均通過了置信度水平為0.01的檢驗(yàn)，且可見光波段的模型優(yōu)于近紅外波段的模型。沙漠植被大多是同種植物大面積聚集分布，建群植物的水分狀況能很好地指示該區(qū)域的植被生長狀況。通過植物含水率和去除包絡(luò)線的植物冠層光譜反射率的回歸模型，可以反演得到植被的水分狀況，為植被健康評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖4研究區(qū)植物含水率和包絡(luò)線去除后的光譜反射率的回歸模型

4.3 不同含水率植物的紅邊參數(shù)特征

植物具有一些特殊的診斷性反射光譜特征，紅邊便是植物光譜最明顯的特征之一，被定義為植物由葉綠素強(qiáng)烈吸收過渡到近紅外區(qū)細(xì)胞間最大散射的反射率快速升高的光譜范圍，通常位于680~750nm。紅邊參數(shù)在高光譜植被遙感中有重要意義，能很好地反演植被的各種生化參數(shù)。同時(shí)，植物的紅邊也受到葉綠素含量、葉面積指數(shù)、生物量和水分狀況、年齡、健康狀況和季節(jié)等因素的影響。本文通過光譜反射率（680~750nm）的一階微分計(jì)算紅邊參數(shù)，分析沙漠地區(qū)不同含水率的植物的紅邊特征，反映不同的含水率對(duì)紅邊光譜特征的影響。選用的主要參數(shù)有：紅邊位置（λred），為紅光范圍（680~750nm）內(nèi)最大一階微分波段值對(duì)應(yīng)的波長位置；紅邊斜率（振幅）（Dλred），為紅光范圍（680~750nm）內(nèi)最大的一階微分值；紅邊峰值面積（Sred），為紅光范圍（680~750nm）內(nèi)的一階微分波段值的總和。結(jié)果如表1。

表1研究區(qū)典型植物的紅邊參數(shù)

可以看出，不同含水率植物的紅邊參數(shù)有差異。除了芨芨草和沙蒿外，典型沙漠植物的紅邊位置均在718nm和719nm波段。相比之下，芨芨草和沙蒿的紅邊參數(shù)差別較大，很可能是由于其發(fā)生了水分脅迫，生長不良，葉綠素含量減少導(dǎo)致紅光反射增強(qiáng)及紅邊“藍(lán)移”。紅邊斜率和紅邊面積主要與植被覆蓋度或葉面積指數(shù)有關(guān)，覆蓋度越高，葉綠素含量越高，紅邊斜率和紅邊面積越大，而芨芨草和沙蒿長勢(shì)不良，覆蓋度較小，導(dǎo)致紅邊斜率和紅邊面積都較小。不同生長期的白刺含水率差異不大，長勢(shì)相當(dāng)，因此，各紅邊參數(shù)也沒有較大區(qū)別。老鴰頭、駱駝蓬、鵝絨藤和鹽爪爪都是叢生植物，調(diào)查期水分狀況好，植被覆蓋度大，所以，紅邊斜率和紅邊面積都比較大。沙蔥雖然含水率最大，但是由于其覆蓋度并不是最大，所以紅邊斜率和紅邊面積不是最大。因此，隨著沙漠典型植物含水率的增大，植物長勢(shì)良好，紅邊位置穩(wěn)定，紅邊斜率和紅邊面積也隨之增大。

四、結(jié)論

地物光譜是遙感理論和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，通過對(duì)騰格里沙漠典型植物冠層光譜的野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和植物的含水率實(shí)驗(yàn)室分析，關(guān)于沙漠植物含水率和光譜特征及其相互關(guān)系，得到以下結(jié)論：1）騰格里沙漠地區(qū)典型不同種類植物含水率具有一定差異，最大含水率為88.19%，最小含水率為37.34%，沙漠植物的水分狀況對(duì)局部沙層的水分情況有一定指示作用。

2）沙漠植物的含水率與其包絡(luò)線去除后的光譜數(shù)據(jù)在可見光（561~718nm）和近紅外（861nm、894nm）波段均存在極顯著相關(guān)性，說明水分可在植物的可見光和近紅外反射率光譜中得到很好反映，通過建立植物含水率和特征波段光譜反射率（可見光和近紅外波段）的回歸模型，可為沙漠地區(qū)植被水分狀況的遙感調(diào)查提供新思路。

3）騰格里沙漠地區(qū)典型植物的紅邊位置均在718nm和719nm波段附近，而植物含水率不同，長勢(shì)和覆蓋度不同，導(dǎo)致植物的紅邊斜率和紅邊面積有差異。植物的水分狀況因季節(jié)和生長期而異，由于客觀條件限制，野外測(cè)定的典型植物種類有限。因此，不同生長季沙漠植物的水分調(diào)查，對(duì)其他沙漠植物光譜的測(cè)定以及植物水分和沙層水分關(guān)系的深入研究，將是未來幾年我們沙漠野外考察工作的重點(diǎn)。通過努力，有望建立較完善的沙漠植物光譜庫，為沙漠地區(qū)植被遙感監(jiān)測(cè)和沙漠化地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

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審核編輯 黃宇