利用手持光譜設(shè)備估測(cè)羊草草地生物量

韓冬梅　何峰　謝開(kāi)云　等

摘要：在河北省沽源縣以羊草為主的壩上草原，在降水和刈割為控制因素的試驗(yàn)小區(qū)，測(cè)量了地上干生物量，并利用ACS430手持式光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算了9種植被指數(shù)值。對(duì)生物量與植被指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，建立以產(chǎn)量為因變量、植被指數(shù)為自變量的生物量估測(cè)模型。結(jié)果表明，各個(gè)植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性都很好（P<0.01），說(shuō)明植被指數(shù)對(duì)草地覆蓋度都很敏感。最后依據(jù)曲線模型的決定系數(shù)大小，認(rèn)為歸一化紅邊植被指數(shù)NDRE與產(chǎn)量建立的二次模型擬合效果最好（P<0.01），擬合方程為y=0.024+2.249x-7.136x2，R2=0.675。

關(guān)鍵詞：羊草；生物量；植被指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S 812；Q 948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10095500（2013）06003605

遙感技術(shù)具有快速、及時(shí)、準(zhǔn)確、宏觀、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括軍事、 監(jiān)視[1]、氣象觀測(cè)[1]、植被分類(lèi)[1-3]、植被監(jiān)測(cè)[4-7]、土地利用規(guī)劃[8，9]、農(nóng)作物病蟲(chóng)害[10，11]、作物產(chǎn)量調(diào)查[12，13]等。植被指數(shù)（VI）作為遙感手段中的一種，主要通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)的地物反射率相互組合運(yùn)算，增強(qiáng)植被化學(xué)成分或生長(zhǎng)狀況的某一特性或者細(xì)節(jié)[10]，從而反映植被特征。在草地科學(xué)領(lǐng)域中，利用遙感技術(shù)測(cè)定草地植被反射率并計(jì)算各種植被指數(shù)值，對(duì)草地生物量進(jìn)行估測(cè)，可在不破壞草地的條件下對(duì)草地產(chǎn)量和長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的監(jiān)測(cè)，比傳統(tǒng)的刈割、稱(chēng)重等方法更為快捷，可以減少人力和財(cái)力的投入，也為草地的科學(xué)管理和合理利用提供可靠依據(jù)，對(duì)準(zhǔn)確掌握草地生產(chǎn)資料、計(jì)算草地載畜量、實(shí)現(xiàn)草畜平衡發(fā)展具有重要意義。

早在1974年，Rouse等[14]就發(fā)現(xiàn)植被反射率與植被產(chǎn)量之間具有良好的相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn)了歸一化植被指數(shù)（NDVI）。田慶久等[15]將近20年在農(nóng)業(yè)、植被和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面發(fā)展的40多個(gè)植被指數(shù)做了分類(lèi)和總結(jié)，對(duì)各類(lèi)指數(shù)做出了中肯的評(píng)價(jià)。鄧書(shū)斌等[16]總結(jié)了現(xiàn)有的植被指數(shù)，并根據(jù)植物中影響植被波譜特征的主要化學(xué)成份，做出27種較為實(shí)用的植被指數(shù)，從植物生理的尺度上可了解植被指數(shù)與植物的關(guān)系。但在草地植被遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，大多學(xué)者只是使用NDVI、EVI、RVI等指數(shù)估算草原的生物量。如王建偉等[17]就NDVI和RVI在草地地上生物量估測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行初步探討，認(rèn)為NDVI的使用較RVI廣泛；張凱等[18]應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)甘南草地地上鮮生物量進(jìn)行估算研究，認(rèn)為對(duì)數(shù)模型在草原估產(chǎn)研究中較為準(zhǔn)確；趙冰茹等[19]利用MODISNDVI對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒草原荒漠、沙地、典型和草甸草原進(jìn)行估產(chǎn)研究，結(jié)果表明草甸草原的擬合效果最好，其線性模型及指數(shù)模型的決定系數(shù)均達(dá)0.7以上。目前，利用遙感植被指數(shù)估算不同草地的生物量已取得一定的成就，但羊草草地作為我國(guó)分布范圍較廣的草原之一，應(yīng)用其他植被指數(shù)進(jìn)行估產(chǎn)方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

基于以上分析，利用手持光譜儀ACS430獲取近地面羊草草地光譜反射率數(shù)據(jù)，結(jié)合地上干生物量數(shù)據(jù)，分析各種植被指數(shù)與羊草草地生物量之間的相關(guān)關(guān)系，選出較為合適的植被指數(shù)及生物量估產(chǎn)模型，以期為羊草草地地上干生物量的產(chǎn)量測(cè)定提供方法和理論依據(jù)，促進(jìn)遙感技術(shù)在草地畜牧業(yè)中的監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)應(yīng)用。

1材料和方法

1.1研究地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地位于河北省沽源縣內(nèi)的壩上草原，地理位置E 115°39′48″，N 41°45′57″，地處內(nèi)蒙古高原南緣，位于河北省西北部。該區(qū)域地勢(shì)平坦，具有疏緩丘陵、波狀高原的地貌，年均日照2 223 h，平均海拔1 400 m，年均氣溫1.4 ℃，年均降水量400 mm，>10 ℃的年積溫為2 370 ℃。草原是以羊草（Leymus chinensis）為主的草甸草原，伴生種有克氏針茅（Stipa krylovii）、糙隱子草 （Cleistogenes squarrosa）、野古草屬（Arundinella）、拂子茅屬（Calamagrostis）、柴胡（Bupleurum chinensis）、菊葉委陵菜（Potentilla tanacetifolia）、扁蓿豆（Melissitus ruthenicus）、瓣蕊唐松草（Thalictrum petaloideum）、南牡蒿（Artemisia eriopoda）、冷蒿（A.frigida）等蒿類(lèi)以及冰草（Agropyron cristatum）等。

該試驗(yàn)地為2005年建立的降水梯度和刈割強(qiáng)度為控制因素的18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)[20]，經(jīng)過(guò)7年的處理，植被生物量已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的梯度變化，為此次研究的開(kāi)展提供了基礎(chǔ)。

1.2研究方法

1.2.1生物量的確定

生物量的測(cè)量選用直接收割法。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選擇1 m×1 m的樣方，齊地刈割，裝入標(biāo)記好的樣方袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，于烘箱中65 ℃烘干至恒重，稱(chēng)重。

1.2.2光譜反射率數(shù)據(jù)采集

使用Holland Scientific公司生產(chǎn)的Crop Circle ACS430手持式植物冠層光譜儀測(cè)定光譜反射率。光譜檢測(cè)320～1 100 nm，探頭吸收波段為670，730和780 nm。橫向視角范圍30°，縱向14°。測(cè)量最大高度183 cm，最大范圍2 m，采樣輸出最大頻率20次s。儀器在測(cè)量過(guò)程中不受高度和外界光線的影響。測(cè)量時(shí)探頭垂直向下照射，輻射的區(qū)域在探測(cè)目標(biāo)之內(nèi)，測(cè)量波長(zhǎng)為670 nm（ρ670）、730 nm（ρ730）及780 nm的光譜反射率（ρ780）。

1.2.3植被指數(shù)計(jì)算方法

各種指數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)表1。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS15.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1植被指數(shù)與生物量的相關(guān)性

對(duì)試驗(yàn)小區(qū)的干草產(chǎn)量與9種植被指數(shù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析，各個(gè)植被指數(shù)與羊草的干草產(chǎn)量都呈正相關(guān)，相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平（P<0.01），說(shuō)明由ACS430儀器測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)所計(jì)算的植被指數(shù)可以良好的反映草地的產(chǎn)量。并且使用紅邊波段反射率計(jì)算所得的植被指數(shù)NDRE、ChlI、WICI1和WICI2具有更高的R值?？梢?jiàn)，紅邊波段對(duì)植被的反映能力較好，更為敏感。

2.2生物量監(jiān)測(cè)模型的選擇

選取5個(gè)最具代表性的光譜指數(shù)NDRE、ChlI、NLI、WICI1、WICI2，其中，NLI為近紅外與紅邊波段的組合。NDRE、ChlI、WICI1、WICI2是具有紅邊波段的組合。分別擬合光譜指數(shù)與產(chǎn)量的曲線方程，建立以光譜指數(shù)為自變量，產(chǎn)量為應(yīng)變量的估產(chǎn)模型（表3，圖1）。

5種植被指數(shù)與產(chǎn)量建立的二次曲線模型效果都比較好（P<0.01），都可以用來(lái)做產(chǎn)量的擬合。而圖1中的每個(gè)小圖都有同一個(gè)明顯影響著曲線的走向的異常點(diǎn)。該異常點(diǎn)的產(chǎn)量較低，植被指數(shù)值卻比較高。異常點(diǎn)處于第18小區(qū)，該區(qū)闊葉雜草比較多，造成大面積的覆蓋，導(dǎo)致產(chǎn)量低，植被指數(shù)值比較高，這與王艷榮等[21]的研究相一致，表明植被覆蓋面積小、土壤裸露面積大時(shí)，估產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差?？梢?jiàn)，當(dāng)植被指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系呈反比時(shí)，地面的覆蓋度大，說(shuō)明草原闊葉草比較多。表明手持式光譜儀對(duì)草原的監(jiān)測(cè)也是很有意義的。

試驗(yàn)采用的所有的植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平（P<0.01），都可以用來(lái)估測(cè)羊草草地的產(chǎn)量，說(shuō)明手持式光譜儀在草原估產(chǎn)的應(yīng)用上表現(xiàn)良好。但在所有的植被指數(shù)中，NDRE的表現(xiàn)最佳。因?yàn)橹脖恢笖?shù)NDRE是利用近紅外與紅邊波段的反射率運(yùn)算所得，是將植被指數(shù)NDVI計(jì)算公式中的紅光反射率更換為紅邊反射率，意義在于增加近紅外波段范圍內(nèi)綠葉的散射與紅邊波段范圍內(nèi)葉綠素吸收的差異，從而表現(xiàn)產(chǎn)量的差異。因此，NDRE可以更好地反映植被的生長(zhǎng)狀況[15]。并且，在5種植被指數(shù)的曲線方程中，NDRE的決定系數(shù)R2最高，因此，在羊草草地的產(chǎn)量估測(cè)中，植被指數(shù)NDRE的二次擬合曲線可以更好地模擬羊草草地的產(chǎn)量。

3結(jié)論

通過(guò)手持光譜儀ACS430對(duì)羊草草地進(jìn)行野外觀測(cè)及草地地上干生物量的測(cè)定，利用光譜反射率計(jì)算所得的植被指數(shù)與羊草產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明上述植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平，結(jié)合各個(gè)指數(shù)所反映的物理意義，我們選擇植被指數(shù)NDRE來(lái)擬合該草地干草產(chǎn)量，擬合方程為y=0.024+2.249x-7.136x2，R2=0.675。

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