曹曉裴+林殷怡+杜鵬宇+邢巍然+孫天陽

摘 要：為了探索城市植被碳匯能力，即植物的的固碳能力與城市植被冠層反射率的相關(guān)關(guān)系，選擇了幾種代表性的城市綠化植物作為研究對(duì)象，采用相關(guān)儀器分別測(cè)出這幾種綠化物種冠層葉片的凈光合速率，葉片的SPAD值以及冠層葉片的光譜曲線，根據(jù)實(shí)測(cè)的凈光合速率估算出其碳匯能力，并結(jié)合相同時(shí)間段這幾種綠化植物在光譜曲線不同波段反射率的大小，選擇能夠反映植被碳匯能力的特征波長，采用不同的方法建立植被碳匯能力和特征波長下植被反射率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，最后篩選出較穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合MODIS高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)武漢市的綠色植被的碳匯能力進(jìn)行反演。實(shí)驗(yàn)表明，植被碳匯能力與植被在近紅外波段的反射率具有較為顯著的關(guān)系，其中，R2值為0.762 8，反演結(jié)果良好。

關(guān)鍵詞：碳匯；凈光合速率；反射率；反演

中圖分類號(hào)：X502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.011

全球氣候變暖是一個(gè)越來越值得重視的環(huán)境問題。為緩解全球氣候變暖的趨勢(shì)，1997-12由149 個(gè)國家和地區(qū)的代表在日本京都通過了《京都議定書》，2005-02-16在全球正式生效，由此形成了國際“碳排放權(quán)交易制度”（簡(jiǎn)稱“碳匯”）。碳匯指的是綠色植被從空氣中清除二氧化碳的過程、活動(dòng)和機(jī)制，也指其吸收并存儲(chǔ)二氧化碳的多少或者說是森林吸收并存儲(chǔ)二氧化碳的能力。傳統(tǒng)碳匯的測(cè)定方法大致有樣地清查法、渦度相關(guān)法等。樣地清查法是通過設(shè)立典型樣地，用收獲法準(zhǔn)確測(cè)定森林生態(tài)系統(tǒng)中的植被、枯落物或土壤等碳庫的碳貯量，并可通過連續(xù)觀測(cè)獲知一定時(shí)期內(nèi)的碳通量變化情況。這是傳統(tǒng)的測(cè)量方法，相對(duì)而言，耗時(shí)耗力。渦度相關(guān)法是通過測(cè)定二氧化碳濃度和空氣湍流來推測(cè)地球與大氣間碳的凈交換。這種方法存在一些不足，比如所用儀器設(shè)備昂貴，要求下墊面地形平坦，存在很多不確定性和誤差，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

近年來，隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷革新發(fā)展，碳匯的測(cè)量方法有了新的突破。目前，一些人提出了模型模擬法，即運(yùn)用植被指數(shù)（VI）、葉面積指數(shù)（LAI）和植被吸收的光合有效輻射分量（FPAR）等遙感數(shù)據(jù)，從而彌補(bǔ)了其余數(shù)據(jù)缺乏或理想條件下的參數(shù)設(shè)定導(dǎo)致的缺陷。由于高光譜遙感具有極高的光譜分辨率，在植被研究中的應(yīng)用已使得植被遙感的范圍被擴(kuò)大到生態(tài)意義上。通過對(duì)來源不同的植被高光譜遙感數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的技術(shù)處理后，可將其用于植被參數(shù)估算與分析，植被長勢(shì)監(jiān)測(cè)以及估產(chǎn)中。目前，利用遙感技術(shù)能夠測(cè)定植物的葉綠素含量、氮磷鉀的含量和生化組分的含量。這為高光譜測(cè)定植物的碳匯提供了可行性參考。將高光譜遙感與碳匯相結(jié)合，可以運(yùn)用高光譜的高光譜分辨率的優(yōu)點(diǎn)于碳匯的測(cè)量中，進(jìn)而能提高碳匯計(jì)量的精度與準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)的碳匯測(cè)量方法相比，模型模擬法具有觀測(cè)范圍大、成本相對(duì)較低和測(cè)量快速等優(yōu)勢(shì)。本文主要利用定量遙感的技術(shù)選擇幾種代表性的城市綠化植物作為研究對(duì)象，采用不同的方法建立植被碳匯能力和特征波長下植被反射率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，尋求一種較為精確、穩(wěn)定且適用于武漢市城市植被碳匯能力快速監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，從而更好地對(duì)城市植被碳匯進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)，更科學(xué)地為武漢市政府部門提供合理、具有建設(shè)性的意見。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)研究地點(diǎn)選擇了武漢市的華中農(nóng)業(yè)大學(xué)。學(xué)校坐落于湖北省武漢市南湖獅子山腳。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園林植物品種豐富，種類齊全，是武漢市較為理想的農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究地區(qū)，而且還擁有許多較為先進(jìn)的農(nóng)學(xué)研究設(shè)備和儀器等。據(jù)基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（簡(jiǎn)稱“ESI”）數(shù)據(jù)顯示，截至2015-05-07，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)共有4個(gè)學(xué)科進(jìn)入ESI全球排名前1%，具體為農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)科、植物學(xué)與動(dòng)物學(xué)學(xué)科、化學(xué)學(xué)科和生物學(xué)與生物化學(xué)學(xué)科。因此，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)可以為此次研究的開展提供必要的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

在充分調(diào)查了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園林植物品種、生長情況及其分布狀況的基礎(chǔ)上，選擇生長條件基本一致，充分接受陽光且無建筑物遮擋，比較常見且長勢(shì)良好的吉祥草、杜鵑、香樟、欏木石楠和海桐等5種園林植物作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 光合生理生態(tài)因子

利用 Li-6400 便攜式光合測(cè)定儀于 2015-07下旬連續(xù)3 d選擇晴朗、無風(fēng)的天氣情況（本實(shí)驗(yàn)選擇2015-07-20—22連續(xù)3 d），測(cè)定午后 13：00—14：00不同植株冠層葉片的光合生理生態(tài)因子，時(shí)間間隔為10 min。實(shí)驗(yàn)區(qū)每種植株選健康植株3株，并隨機(jī)選取樹木向陽面頂部的葉片測(cè)定，每株取3～5片葉。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，每片葉取3～6個(gè)瞬時(shí)光合速率值，并計(jì)算它們的平均光合率值作為該時(shí)刻的瞬間光合速率值，最后將3 d相應(yīng)時(shí)刻的瞬間光合速率值求平均值作為所對(duì)應(yīng)植株在七月中旬相應(yīng)時(shí)刻的凈光合速率。

1.3.2 葉綠素SPAD值

測(cè)量完不同植株冠層葉片的光合生理生態(tài)因子后，利用葉綠素測(cè)定儀來測(cè)量不同植株葉片內(nèi)葉綠素的相對(duì)含量（SPAD），以此來反映植物冠層葉片內(nèi)葉綠素的多少。

1.3.3 冠層葉片光譜數(shù)據(jù)

采用ASD便攜式光譜儀測(cè)定植株的光譜反射率.該儀器可以測(cè)量的光譜范圍為350～2 500 nm，內(nèi)置存儲(chǔ)器為500 scans；通道數(shù)為1 024，光譜分辨率（FWHR）在350～2 500 nm的范圍內(nèi)小于3.5 nm，在1 000～1 850 nm的范圍內(nèi)小于8.5 nm；在1 850～2 500 nm的范圍內(nèi)小于6.5 nm，最小積分時(shí)間為1 ms。每次植株冠層葉片光譜反射率的測(cè)量與植物葉片的采集同時(shí)進(jìn)行，每次測(cè)量掃描葉片10次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)主要在Excel 2013 中進(jìn)行相關(guān)處理，主要包括不同植株冠層葉片固碳釋氧量的計(jì)算、植株冠層葉片凈光合速率與葉綠素相對(duì)量的相關(guān)性研究、特征波長的選擇、在特征波長處葉綠素的光譜反射率與葉綠素的相關(guān)性分析、植物的平均凈光合速率與植被在特征波長處反射率的回歸分析以及MODIS遙感影像的相關(guān)處理等，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合相應(yīng)的影像進(jìn)行植被碳匯能力的反演。

1.4.1 固碳釋氧量的計(jì)算

植物葉片在某個(gè)時(shí)間段的凈同化量計(jì)算公式如下：

. （1）

式（1）中：P為測(cè)定時(shí)間段的同化總量，mmol/（m2·h）；Pi為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率；Pi+1為下一測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率，μmmol/（m2·s）；ti為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)刻；ti+1為下一測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻。

將測(cè)定時(shí)間段的同化總量換算為測(cè)定時(shí)間段固定的CO2的量，計(jì)算公式如下：

=P×44/1 000. （2）

式（2）中：44為CO2的摩爾質(zhì)量； 為單位面積、單位時(shí)間葉片固定的CO2的質(zhì)量，g/（m2·h）。

根據(jù)光合作用的反應(yīng)方程CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2，可計(jì)算出該測(cè)定時(shí)間段植物釋放O2的質(zhì)量。

計(jì)算公式如下：

=P×32/1 000. （3）

1.4.2 光譜數(shù)據(jù)處理方法

通過便攜式ASD光譜儀采集到光譜數(shù)據(jù)之后，利用光譜處理軟件ViewSpecPro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的簡(jiǎn)單處理。采集光譜數(shù)據(jù)時(shí)，儀器探頭操作不穩(wěn)定以及傳感器內(nèi)部的影響，最終獲取的光譜數(shù)據(jù)噪聲比較大，存在較大偏差。因此，為了便于進(jìn)一步分析，對(duì)同一地點(diǎn)同種植物的光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過進(jìn)一步處理，具體包括挑選光譜、去除重復(fù)波段、求平均值等，最后將挑選出的光譜曲線在Excel中計(jì)算每種植物的光譜反射率的平均值。此外，由于采集的光譜數(shù)據(jù)量比較大，波段1 300 nm 以后受水汽干擾比較大，因此只選取 325～1 000 nm波段來研究。

1.4.3 相關(guān)性分析

相關(guān)研究表明，葉綠素含量的不同會(huì)導(dǎo)致植物光合作用速率的不同，而植物的固碳能力可以用植物凈光合速率表示，即葉綠素含量與植物的固碳能力相關(guān)。另外，葉綠素含量的不同反應(yīng)在遙感的光譜曲線上會(huì)有不同的變化，葉綠素與遙感光譜曲線相關(guān)，即與其特征波長范圍內(nèi)的波譜反射率相關(guān)。因此，植物的固碳能力與其光譜反射率是具有某種相關(guān)性的。

1.4.4 回歸分析

利用光譜反射率估測(cè)物質(zhì)生理特性參數(shù)常用的方法有一元曲線擬合、多元線性回歸和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。本文選取簡(jiǎn)潔且易于建立的一元曲線擬合模型估測(cè)，選擇線性回歸、多項(xiàng)式回歸模型以及指數(shù)模型或者對(duì)數(shù)模型（具體情況看曲線變化的趨勢(shì)）進(jìn)行擬合的方法。

一元線性回歸模型的表達(dá)式為：

y=a0+a1x. （4）

多項(xiàng)式模型的表達(dá)式為：

y=a0+a1x+a2x2+…anxn. （5）

指數(shù)函數(shù)擬合的表達(dá)式為：

y=a0ea1x. （6）

對(duì)數(shù)函數(shù)擬合模型的表達(dá)式為：

y=a0+a1ln（x）. （7）

式（4）（5）（6）（7）中：y為葉片單位葉面積、單位時(shí)間的碳匯能力（以最大凈光合速率來表示）；x為植被的光譜反射率；a為相應(yīng)的回歸系數(shù)和常數(shù)。

為綜合比較擬合的效果和精度，選取部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正，同時(shí)為了使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際值，將決定系數(shù)R2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取決定系數(shù)較高、相對(duì)誤差較小的模型為最終估算模型。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同物種午后光合速率變化的比較

植物總是生活在某種特定的環(huán)境中，并且與外界環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著物質(zhì)能量交換。由于影響光合作用的環(huán)境因子（溫度、光照、水分等）在一天的午后會(huì)發(fā)生顯著的變化，因此，植物的光合速率也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律。探討午后植物光合速率的變化對(duì)研究植物的生理特性有著重要的意義。

在13：00—14：00 時(shí)間段內(nèi)，海桐的凈光合速率最高，欏木石楠的凈光合速率次之，杜鵑和香樟的凈光合速率大致相同，吉祥草等草類植物的凈光合速率最低。

在13：00—14：00時(shí)間段內(nèi)，不同植物凈光合速率的變化趨勢(shì)不同，海桐、欏木石楠和杜鵑等物種凈光合速率的變化趨勢(shì)成單峰狀態(tài)，而香樟和吉祥草等物種凈光合速率的變化趨勢(shì)成雙峰狀態(tài)。

分析：灌木類地被植物的光合速率值比草本植物和藤本地被植物高。這種現(xiàn)象很可能是因?yàn)槿~片內(nèi)葉綠素等含量的不同引起的。不同物種在午后凈光合速率的變化趨勢(shì)的不同可能是因?yàn)椴煌仓耆~片內(nèi)氣孔導(dǎo)度的敏感性不同引起的。對(duì)凈光合速率變化在午后成單峰狀態(tài)的物種其葉片內(nèi)氣孔導(dǎo)度的敏感性較差，以至于對(duì)于溫度、水分等環(huán)境因子的微量變化不會(huì)影響氣孔的狀態(tài)；反之，對(duì)午后凈光合速率變化趨勢(shì)成雙峰狀態(tài)的物種來說，其葉片內(nèi)氣孔導(dǎo)度的敏感性相對(duì)較強(qiáng)；對(duì)于溫度、水分的微量變化就會(huì)影響葉片內(nèi)氣孔的狀態(tài)，以至于會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)凈光合速率呈現(xiàn)出雙峰狀態(tài)。

2.2 不同植物午后固碳釋氧能力的比較

植物通過光合作用發(fā)揮固碳釋氧的功能，對(duì)改善城市空氣質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有重要意義。不同類型的地被植物，其固碳釋氧量是不同的。從表1可以看出，在所測(cè)的5 種地被植物中，從總趨勢(shì)看，灌木地被植物的固碳釋氧量高于草本和藤本植物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，欏木石楠和海桐的固碳釋氧量較高，固碳量分別為0.86 g/（m2·h）、1.27 g/（m2·h），釋氧量分別為 0.62 g/（m2·h）、0.92 g/（m2·h）；杜鵑和香樟的固碳釋氧量大致相同，固碳量大概為 0.7 g/（m2·h），釋氧量大概為 0.5 g/（m2·h）；吉祥草的固碳釋氧量能力最差，固碳量為 0.24 g/（m2·h），釋氧量為 0.17 g/（m2·h），不足海桐固碳釋氧量的1/4.由此可見，不同類型地被植物之間，其固碳釋氧能力存在著差異，原因可能與葉片接受光照的多少及葉片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.3 不同物種午后葉片光譜響應(yīng)曲線的比較

不同物種的葉片對(duì)于電磁波的吸收和反射能力是有差異的。這為探討不同物種葉片午后的光譜響應(yīng)曲線與其光合速率之間的關(guān)系提供了理論基礎(chǔ)。在波長范圍為800～1 000 nm的光譜區(qū)間內(nèi)，各植物葉片對(duì)于電磁波的反射率趨于穩(wěn)定，并且差異達(dá)到了最大。研究資料表明，800～1 000 nm的波長區(qū)間屬于近紅外短波，因此，利用近紅外來簡(jiǎn)單地探測(cè)或大致估算出不同物種葉片的光合速率相比傳統(tǒng)的測(cè)量手段和方法更加簡(jiǎn)便快捷。在近紅外波段，對(duì)電磁波反射率高低順序?yàn)椋汉Ｍ?gt;欏木石楠>香樟>杜鵑>吉祥草。這種順序與這些葉片在午后的平均凈光合速率及其固碳釋氧能力的高低順序一致。

2.4 模型結(jié)果

表1是采用線性回歸、多項(xiàng)式回歸和對(duì)數(shù)回歸的方法回歸得出的模型結(jié)果。結(jié)果表明，采用二次多項(xiàng)式對(duì)不同葉片的凈光合速率和在近紅外波段的光譜反射率的擬合效果最好，其R2值為0.762 8；其次是對(duì)數(shù)回歸模型，R2值為0.762 2；線性回歸模型擬合效果最差，R2值為0.747 4.因此，我們采用所獲得的二次多項(xiàng)式回歸模型作為最終的反演模型，其表達(dá)式為：

y=-25.845x2+42.835x+9.440 7. （8）

式（8）中：y為葉片單位葉面積、單位時(shí)間的碳匯能力（以最大凈光合速率來表示）；x為不同植物葉片在近紅外波段的光譜反射率。

3 植被碳匯能力的反演

在建立植被碳匯能力與光譜反射率的關(guān)系之后，采用武漢市的高光譜影像（MODIS影像）的反射率產(chǎn)品MOD09a1產(chǎn)品，通過波段運(yùn)算得出武漢市的植被指數(shù)分布圖（NDVI）（NDVI>0.3為植被），并提取出含植被的區(qū)域，最后運(yùn)用建立的模型反演出城市植被的碳匯能力。主要使用ENVI5.1 和ArcGIS10.2 兩款軟件進(jìn)行影像處理。圖1為最終得到的武漢市城市植被碳匯能力的等級(jí)分布情況。

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〔編輯：劉曉芳〕