庫布齊沙漠東緣荒漠藻人工生物結(jié)皮的光譜特性

楊光，李慶和

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，010019，呼和浩特;2.內(nèi)蒙古水事監(jiān)理服務(wù)中心，010020，呼和浩特)

荒漠地表生物結(jié)皮是由土壤微生物，以及藻類、地衣和苔蘚等孢子植物類群與土壤形成的有機復(fù)合體，它的形成使土壤表面在物理、化學(xué)和生物學(xué)特性上均明顯不同于松散沙土，具有較強的抗風(fēng)蝕、水蝕功能，也是干旱荒漠區(qū)植被演替的重要基礎(chǔ)［1-3］。20世紀(jì)80 年代以來，伴隨著沙漠化威脅的日益加重，生物結(jié)皮在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的作用愈發(fā)突出，生物結(jié)皮所具有的生態(tài)功能亦引起了學(xué)者的普遍重視，并逐漸成為荒漠地區(qū)生態(tài)研究的熱點。研究者分別從地表生物結(jié)皮的發(fā)育及生物結(jié)皮對土壤入滲、植物生長、土壤抗沖性、土壤微生物的影響等方面進行了研究與探討［4-11］，而對荒漠地表生物結(jié)皮的光譜特性研究較少。筆者以庫布齊沙漠東緣荒漠藻人工生物結(jié)皮為研究對象，對不同年份接種的黑色與綠色藻結(jié)皮進行地物光譜測定，并與研究區(qū)裸沙及典型植物進行對比，分析其光譜特性，找出其變異規(guī)律，不僅是建立地面光譜數(shù)據(jù)與遙感圖像空間光譜數(shù)據(jù)之間的橋梁，也是提高地物識別精度和信息定量反演精度的基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠東緣內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院達(dá)拉特旗沙漠綜合科學(xué)研究站，位于E 109°50'30″～109°51'50″，N 40°21'30″～40°22'30″。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量240 ～360 mm，蒸發(fā)量2 160 mm。極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫－34.5 ℃。多年平均≥10 ℃積溫3 197.4℃，無霜期58 d。多年平均風(fēng)速3.3 m/s，8 級以上大風(fēng)時間27 d，最大瞬時風(fēng)速達(dá)30 m/s;揚沙時間58 d，多出現(xiàn)在3—5 月。地勢南高北低，起伏不平。立地類型主要有流動沙地，固定、半固定沙地和丘間地。主要植物種有寸苔草(Carex duriuscula C.A.Mey.)、披 堿 草(Elymusdahuricus Turcz.)、沙 米(Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq.)、油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)等，植被蓋度為30%～60%，森林植被以人工林為主，主要有楊樹(Populus)、沙棗(Elaeagnus angustifolia L.)、沙柳(Salix cheilophila)等。2002—2007 年，研究站分別對所屬區(qū)域沙地進行了荒漠藻人工噴播接種，藻種以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)和爪哇偽枝藻(Scytonema javanicum)為主，治沙效果良好，并通過國家專家組評審驗收。

2 研究方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)選取

分別選取2002 年、2003 年、2004 年、2005 年和2007 年荒漠藻人工結(jié)皮噴播接種區(qū)作為光譜數(shù)據(jù)采集點，每個接種區(qū)面積約為8 hm2，每個接種區(qū)黑色與綠色荒漠藻結(jié)皮分別選擇2 個典型樣區(qū)，樣區(qū)荒漠藻結(jié)皮蓋度均為50%～60%，每個典型樣區(qū)按梅花形布設(shè)測定5 個地物光譜數(shù)據(jù)。

2.2 觀測儀器

本研究采用的是由美國Spectra Vista 公司生產(chǎn)的SVC HR-1024 便攜式地物光譜儀(Field Portable Spectroradiometers)，有效光譜范圍在350 ～2 500 nm，通道數(shù)為1 024，光譜分辨率為:350 ～1 000 nm內(nèi)≤3.5 nm，1 000 ～1 850 nm 內(nèi)≤8.5 nm，1 850 ～2 500 nm內(nèi)≤6.5 nm，最小積分時間1 ms，信號采集方式采用藍(lán)牙傳輸。

2.3 光譜數(shù)據(jù)采集及處理

2.3.1 光譜數(shù)據(jù)采集 野外地物光譜特性測量受太陽高度角和天氣狀況的影響較大。為了克服太陽高度角變化對測量結(jié)果的影響，選擇每天10:00—14:00 為野外測量時間。在2012 年8 月17—19 日天氣晴朗無風(fēng)的時段進行測量。每個全光譜數(shù)據(jù)測量時間設(shè)定為5 s，地物光譜測量前首先對光譜儀進行暗電流采集和白板標(biāo)定，以后每更換一次地點，進行一次白板標(biāo)定。測量高度即探頭距離地物60 cm，每類地物測量均在10 min 內(nèi)完成10 次測量，取其平均值作為該類地物的反射率。

2.3.2 光譜數(shù)據(jù)融合 首先利用地物光譜儀自帶的SVC HR-1024 軟件對研究區(qū)變異較大的地物光譜曲線進行剔除，然后利用該軟件的Overlap/Matching 功能對數(shù)據(jù)重疊部分進行匹配，再利用Merge功能對地物光譜數(shù)據(jù)進行融合。

2.3.3 光譜數(shù)據(jù)平滑 由于光譜儀波段間對能量相應(yīng)上的差異，使光譜曲線總存在一些噪聲，為得到平衡與概略的變化，需平滑波形，以去除包含在信號內(nèi)的少量噪聲。實踐［12-13］表明:如果噪聲頻率較高，其量值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪聲。常用的平滑方法有移動平均法、靜態(tài)平均法、傅里葉級數(shù)近似等，其大部分方法是基于低通濾波，使用低通濾波保留低頻部分的同時消除高頻部分，以達(dá)到平滑和去噪的作用。筆者采用9 點移動平滑法對采集的地物光譜數(shù)據(jù)進行平滑處理。數(shù)據(jù)平滑在遙感影像處理軟件ENVI/IDL 支持下完成。利用IDL 中的Smooth 函數(shù)編寫9 點平滑代碼，在ENVI中通過“Spectral”選單下的“Spectral Math”，調(diào)用9點平滑函數(shù)對實測光譜數(shù)據(jù)進行平滑處理。平滑處理前后效果見圖1。

2.3.4 剔除水汽吸收波段 由于大氣中水汽的強烈吸收，地面光譜和空中遙感數(shù)據(jù)在水汽吸收波段基本都是噪聲。為使野外地面測量結(jié)果與今后遙感數(shù)據(jù)相匹配，需剔除水汽吸收峰影響嚴(yán)重的波段區(qū)域，去除明顯錯誤波段數(shù)值。通過借鑒有關(guān)文獻(xiàn)［14］結(jié)論，結(jié)合SVC 地物光譜儀數(shù)據(jù)采集特點，具體剔除波段范圍為1 350 ～1 417、1 797 ～1 971 和2 470 ～2 500 nm。剔除水汽吸收前后光譜曲線比較見圖2。

圖1 光譜平滑處理效果對比圖Fig.1 Comparison of smoothed spectra

圖2 剔除水汽吸收波段前后光譜曲線對比圖Fig.2 Comparison of spectral curves before and after excluding water vapor absorption band

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)典型地物光譜特性分析

健康植被的光譜曲線有著明顯的特點:在可見光的550 nm 附近，有一個反射率為10%～20%的小反射峰;波長在450 ～650 nm 附近，有2 個明顯的吸收谷，這主要由葉子的葉綠素所決定;波長在700 ～800 nm 之間是一個陡坡，反射率急劇增高，在高光譜研究中它被稱為植被“紅邊”，是植被具有診斷性的光譜特征［15-16］，“紅邊”的位置、高度和斜率會因植被的不同及同一植被不同生長狀況而存在差異;波長在800 ～1 300 nm 之間是一個相對平坦的較高反射率區(qū)域，它主要由植被的細(xì)胞構(gòu)造所決定;在1 450、1 950、2 600 ～2 700 nm 處有一個吸收谷，主要由葉子的細(xì)胞液、細(xì)胞膜及吸收水分所形成。

圖3 荒漠藻黑色、綠色結(jié)皮與裸沙及典型植物光譜曲線Fig.3 Spectral curves of black and green desert algae crust，bare sand and the typical plants

圖3 為研究區(qū)實測的油蒿、沙打旺和沙柳的光譜曲線，其光譜特性與上面各波長處的分析一致，與荒漠藻生物結(jié)皮和裸沙相相比，“紅邊”不僅存在而且有著明顯的差異，“紅邊”位置反射率由10%左右急劇增加到45%～65%，因此在植被分類及地物光譜重建時應(yīng)分別對待。

荒漠藻黑色、綠色結(jié)皮及裸沙的光譜反射率變化比較平穩(wěn)，裸沙光譜反射率在350 ～600 nm 處明顯增高，600 nm 后光譜反射率呈緩慢增加趨勢?；哪搴谏Y(jié)皮由于表面呈灰黑色而具有相對于綠色結(jié)皮和裸沙較小的反射率。1 970 ～2 470 nm 之間，3種典型植物光譜曲線較荒漠藻黑色、綠色及裸沙結(jié)皮光譜反射率低，說明在該波段范圍3 種典型植物具有較強的吸收能力。

3.2 荒漠藻黑色結(jié)皮光譜特性分析

分析圖4 可知，2002—2007 年接種的荒漠藻黑色結(jié)皮光譜反射率在350 ～2 500 nm 全波段變化規(guī)律基本相同，光譜反射率均表現(xiàn)為2004 年＞2003年＞2007 年＞2002 年＞2005 年。相關(guān)研究［17］表明，當(dāng)生物結(jié)皮的植物體干燥時呈黑色或灰黑色，濕潤時呈綠色或黃綠色。黑色結(jié)皮由于光合色素的吸收作用使得生物結(jié)皮在580 ～700 nm 范圍內(nèi)的光譜曲線較為平坦。

圖4 不同接種年份荒漠藻黑色結(jié)皮光譜曲線Fig.4 Spectral curves of black desert algae crust inoculated in different years

2003 年與2004 年接種的黑色藻結(jié)皮在960 nm與1 150 nm 出現(xiàn)2 個波峰，較接近于綠色植物，說明在數(shù)據(jù)采集時，雖然人眼分辨到的結(jié)皮呈黑色，但經(jīng)實地采樣帶回實驗室分析，其中亦含有一定成分的綠色結(jié)皮。2002 年、2005 年和2007 年接種的黑色藻結(jié)皮波形變化比較平坦，波峰波谷不明顯，在整個波段范圍反射率較2003 年、2004 年接種的結(jié)皮低，是由于2002 年、2005 年和2007 年接種的樣區(qū)水分條件較2003 年、2004 年接種的樣區(qū)差，空地雜草較少，結(jié)皮更加干燥，顏色更深，吸收更強烈。

3.3 荒漠藻綠色結(jié)皮光譜特性分析

圖5 不同接種年份荒漠藻綠色結(jié)皮光譜曲線Fig.5 Spectral curves of green desert algae crust inoculated in different years

圖5 為不同接種年份荒漠藻綠色結(jié)皮光譜曲線，分析可知，2002—2005 年接種的荒漠藻綠色結(jié)皮均表現(xiàn)出綠色植物所具有的光譜曲線變化特點，“紅邊”位置明顯但不如高等綠色植物反射率變化劇烈。580 ～700 nm(黃光～紅光)范圍內(nèi)，由于光合色素的吸收作用增強，光譜曲線更趨于平緩，而在960 nm 與1 150 nm 2 處出現(xiàn)明顯的反射波峰(2005 年除外)，2005 年接種的荒漠藻樣地，顏色雖然呈現(xiàn)綠色，經(jīng)采樣帶回實驗室分析，含有相對較多的黑色結(jié)皮。

3.4 荒漠藻黑色與綠色結(jié)皮光譜特性分析

圖6 ～9 為2002—2005 年接種的黑色結(jié)皮與綠色結(jié)皮光譜曲線對比圖，可以看出，綠色結(jié)皮“紅邊”位置較黑色結(jié)皮明顯。黑色與綠色結(jié)皮光譜反射率相比，總的變化趨勢為:350 ～710 nm 之間，由于葉綠素的吸收作用，綠色結(jié)皮光譜反射率較黑色結(jié)皮低，二者曲線在710 nm 處有一交點。710 ～1 350 nm之間，黑色結(jié)皮比綠色結(jié)皮的光譜反射率要明顯偏低，表明這一區(qū)間，黑色結(jié)皮的黑色素對太陽光吸收強烈。在其他波段區(qū)間變化規(guī)律不太明顯。

圖6 2002 年接種荒漠藻黑色與綠色結(jié)皮光譜曲線Fig.6 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2002

圖7 2003 年接種荒漠藻黑色與綠色結(jié)皮光譜曲線Fig.7 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2003

圖8 2004 年接種荒漠藻黑色與綠色結(jié)皮光譜曲線Fig.8 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2004

圖9 2005 年接種荒漠藻黑色與綠色結(jié)皮光譜曲線Fig.9 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2005

4 結(jié)論與討論

生物結(jié)皮作為固定、半固定沙漠中重要的地表覆蓋類型，在防風(fēng)固沙、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著極其重要的作用。筆者以內(nèi)蒙古林科院達(dá)拉特旗沙漠綜合科學(xué)研究站內(nèi)的人工接種荒漠藻結(jié)皮為研究對象，實地采集了荒漠藻黑色、綠色結(jié)皮地物光譜數(shù)據(jù)，并與裸沙、油蒿、沙打旺、沙柳地物光譜進行了比較分析。結(jié)果表明:研究區(qū)油蒿、沙打旺及沙柳的光譜曲線與健康綠色植物相似;綠色結(jié)皮的光譜特性與綠色植物相似，“紅邊”位置明顯但不如綠色植物反射率變化劇烈。350 ～710 nm 波段范圍內(nèi)黑色結(jié)皮反射率高于綠色結(jié)皮，710 nm 后，低于綠色結(jié)皮。

荒漠藻固沙結(jié)皮的研究對豐富防沙治沙基礎(chǔ)理論，提高防沙治沙綜合技術(shù)措施的生態(tài)效益具有重要的指導(dǎo)作用。從目前的研究成果看，荒漠藻固沙結(jié)皮應(yīng)重點加強以下4 方面的研究:1)由于荒漠藻結(jié)皮顏色隨著地表水分的變化而變化，其光譜特性上存在著較大的差異性，因此保持同一土壤水分條件下測定黑色與綠色結(jié)皮光譜數(shù)據(jù)，將會使研究結(jié)果更具有代表性;2)生物結(jié)皮地物光譜數(shù)據(jù)與高光譜遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，對于評價沙漠沙地的治理效果具有重要意義;3)荒漠藻葉綠素的含量與光譜反射率間的關(guān)系研究;4)荒漠藻固沙結(jié)皮的形成機制和固沙結(jié)皮自然形成的動態(tài)變化規(guī)律，重點探討荒漠藻在自然條件下的生長過程與植被、溫度、濕度的關(guān)系。