魏懷東，陳 芳，張 勃，周蘭萍，李 亞，楊雪梅(.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

荒漠區(qū)自然環(huán)境惡劣，荒漠植被經(jīng)過殘酷的自然選擇保存下來，它們以各種不同的生理生態(tài)方式適應(yīng)嚴(yán)酷的生態(tài)條件，雖然在荒漠中生長稀疏，但卻是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，是維護(hù)荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素，在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中占有絕對重要的生態(tài)地位[1]。植物體內(nèi)水分是影響植物光合作用、呼吸作用、生物量及其他生理生化指標(biāo)的主要因素之一，植物含水率的調(diào)查是植被研究的重要內(nèi)容。要了解大面積荒漠植物的水分狀況，使用傳統(tǒng)的樣地采樣法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且調(diào)查結(jié)果往往只是點(diǎn)狀或線狀的斷點(diǎn)信息，不能實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列連續(xù)的面狀信息收集，其代表性也受到質(zhì)疑。高光譜遙感是植被水分監(jiān)測的有效方法，基于高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行植物含水率的分析與反演，可以為大面積植物含水率監(jiān)測提供有效途徑[2-3]。

研究者運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法分析了植物含水率與反射光譜之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，近紅外1 374-1 534 nm波段反射光譜與植物含水率相關(guān)性最好，是表達(dá)植物含水率的特征波段[4-5]。王鵬龍等[6]對騰格里沙漠典型植物含水率與地物光譜的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，含水率與包絡(luò)線去除的光譜數(shù)據(jù)在可見光和近紅外波段均存在極顯著相關(guān)性。這些研究表明，反射率光譜可以反映荒漠植物含水率變化，高光譜遙感可以用于荒漠植被含水率分析。本研究以河西走廊荒漠區(qū)廣泛分布的10種典型旱生植物為研究對象，野外實(shí)地測定其冠層光譜，通過相關(guān)系數(shù)法、光譜指數(shù)進(jìn)行荒漠植物含水率光譜響應(yīng)特征研究，旨為干旱區(qū)荒漠植被遙感信息提取提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

荒漠植物光譜采集的野外試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊東部，石羊河流域下游民勤縣的綠洲-荒漠過渡帶，地理位置為101°41′-104°16′ E，36°29′-39°27′ N,研究區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候。年平均氣溫8 ℃，年平均降水量小于150 mm。受典型干旱荒漠氣候的控制，研究區(qū)地帶性植被主要由超旱生灌木、半灌木荒漠和超旱生半喬木荒漠組成，植物種類少、層片結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)力低[7]。研究區(qū)的自然植被按地貌、土壤和植被特征等可分為礫質(zhì)荒漠植被、沙質(zhì)荒漠植被和鹽漬化草甸植被。其中礫質(zhì)荒漠植被主要分布于低山、剝蝕殘丘和礫質(zhì)戈壁區(qū)，主要植物有珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂(Reaumuriasongarica)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)等。沙質(zhì)荒漠植被主要分布在平沙地、沙壟和沙丘及丘間低地上。植被由沙生灌木、半灌木與一年和多年生草本組成。退化草甸植被主要由葉肉質(zhì)的耐旱或喜鹽植被組成，如鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等。因位于騰格里和巴丹吉林兩大沙漠前緣交匯區(qū)，該區(qū)土地荒漠化問題十分嚴(yán)重，荒漠化土地占區(qū)域總面積的90%以上。本研究選擇在干旱荒漠區(qū)廣泛分布的霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatanggutorum)、灌木亞菊(Ajaniafruticulosa)、合頭草(Sympegmaregelii)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、油蒿(Artemisiaordosica)、珍珠豬毛菜、花花柴(Kareliniacaspia)10種植物作為研究對象進(jìn)行光譜特征研究。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1光譜數(shù)據(jù)采集 植物光譜數(shù)據(jù)通過ASD(analytical spectral devices)Field spec 4便攜式光譜儀測量取得，其反射光譜的范圍為350-2 500 nm，光譜采樣間隔約1.5 nm，光譜儀探頭視場角度為25°?；哪参镆巴夤庾V采集時(shí)間為2015年7月24日-8月1日，光譜采集在陽光幾乎直射的10：00-14：00時(shí)段進(jìn)行。測量時(shí)光譜儀探頭垂直放置在植被冠層上方約20 cm處，向下對準(zhǔn)被測植株，保證被測植株充滿整個(gè)視場。

按照每種植物生長特性，選擇該植物集中分布區(qū)作為研究樣地，在樣地內(nèi)選取生長良好、地物背景相似的植株20株，作為樣本進(jìn)行光譜測量。每個(gè)樣本每次采集5條光譜曲線。每次光譜采集前進(jìn)行白板校準(zhǔn)，每隔5～10 min再次進(jìn)行白板校準(zhǔn)。由于野外光譜儀測量時(shí)受環(huán)境影響較大，因此對測得的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，通過檢查被測物體和標(biāo)準(zhǔn)板的光譜數(shù)據(jù)和光譜曲線，去除了其中無效的數(shù)據(jù),保證光譜數(shù)據(jù)的有效性[8]。

1.2.2冠層水分?jǐn)?shù)據(jù)采集 在測定荒漠植物野外光譜曲線的同時(shí)，進(jìn)行植物冠層含水率測定取樣。每種荒漠植物選擇生長健康的植株，用剪刀剪下植物當(dāng)年生新鮮枝葉，裝入封口袋，立即稱鮮重。貼標(biāo)簽后帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室通過烘干稱重法獲得植物含水率數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用View SpecPro光譜數(shù)據(jù)分析軟件對外業(yè)觀測所得曲線進(jìn)行篩選，除去異常曲線，對同類植物正常曲線取平均值，代表該植物的光譜曲線數(shù)據(jù)。將原始曲線DN值轉(zhuǎn)換為光譜反射率值。在此基礎(chǔ)上，通過相關(guān)系數(shù)法和植被指數(shù)法分析荒漠植物光譜對含水率變化的響應(yīng)特征。

1.3.1相關(guān)系數(shù)法 相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個(gè)隨機(jī)變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)，它由卡爾·皮爾森(Karl Pearson)在1880年提出，計(jì)算公式如下:

1.3.2植被指數(shù)法 冠層水分含量指數(shù)用于度量植被冠層中的水分含量，它是基于水在近紅外和短波紅外范圍內(nèi)的吸收特征以及光在近紅外范圍內(nèi)的穿透性，綜合起來度量總的水分含量[11]。本研究選擇4種最常用冠層水分含量指數(shù)進(jìn)行植被含水率研究，所選植被指數(shù)計(jì)算公式如表1所列。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠植物含水率測定結(jié)果

對研究區(qū)10種荒漠植物水分測定的結(jié)果顯示，調(diào)查期內(nèi)荒漠植物冠層含水率差異較大，含水率最小的是灌木亞菊，僅為18.53%，最大的是花花柴，為71.17%(圖1)。

表1 冠層水分含量指數(shù)Table 1 Canopy moisture content index

2.2 荒漠植物光譜基本特征

10種荒漠植物反射光譜具有綠色植物在可見光-近紅外波段的普遍特征[12-18]。在400-760 nm可見光的綠波段550 nm附近第1次出現(xiàn)了波峰，但峰值并不高，大部分植物反射率在0.1附近。這一區(qū)域?yàn)榫G色植物典型的反射光譜特征，表現(xiàn)了葉綠素對綠光的強(qiáng)烈反射；550-680 nm反射率逐漸下降，降低的程度也比較低(圖2)。在紅光波段680 nm附近有較強(qiáng)的吸收，形成了第1個(gè)吸收谷，這一區(qū)域主要的太陽光譜為紅色，是植物光合作用吸收最強(qiáng)的波段范圍；在近紅外波段，10種荒漠植物光譜曲線在670-760 nm反射率突然增高，形成植物特有的紅邊效應(yīng)。因此，在可見光波段，除了紅光的波長范圍反射率較高外，其余波段的光譜反射率都非常低，植物對光的吸收能力較強(qiáng)。

圖1 10種荒漠植物冠層含水率特征Fig. 1 Canopy water content of 10 desert plants

圖2 10種荒漠植物光譜特征曲線Fig. 2 Shrub vegetation spectral characteristic curve

2.3 荒漠植物光譜與植物冠層含水率

2.3.1植物冠層含水率光譜表達(dá)特征波段 許多研究表明，在近紅外和短波紅外波段，有以970、1 200、1 450、1 930和2 500 nm為中心的5個(gè)葉片水分吸收帶[4,11,19]。所有的荒漠植物在954-973、1 184-1 198和1 440-1 462 nm這3個(gè)波段均存在著明顯的吸收谷(圖3)。本研究中的光譜均為野外實(shí)地測定，在1 930和2 500 nm為中心的波段范圍，受水汽吸收和儀器自身噪聲影響，數(shù)據(jù)噪聲較大，不適宜用來進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.3.2植物光譜反射率與含水率的相關(guān)分析 基于相關(guān)系數(shù)法，將實(shí)驗(yàn)室測定的荒漠植物含水率與954-973、1 184-1 198和1 440-1 462 nm三個(gè)水分敏感波段的光譜反射率進(jìn)行相關(guān)分析(圖3)?？梢钥闯觯?54-973 nm區(qū)間，含水率與反射率呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最大為0.253，最小為0.217，相關(guān)性一般；在1 184-1 198 nm波段，光譜反射率與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大小介于0.145～0.149，相關(guān)性較差。在1 440-1 462 nm波段，植物含水率與光譜反射率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)在0.840～0.842。

2.3.3冠層水分含量指數(shù)與含水率 選取水波段指數(shù)(WBI)、歸一化水指數(shù)(NDWI)、歸一化紅外指數(shù)(NDII)和水分脅迫指數(shù)(MSI)4個(gè)冠層水分含量指數(shù)進(jìn)一步分析荒漠植物光譜特征，在4種指數(shù)中，前3種植被指數(shù)WBI、NDWI、NDII的值越大表示水分含量越多，而MSI則相反，MSI值越大，代表水分脅迫越嚴(yán)重和水分含量越少。在4種指數(shù)中，灌木亞菊含水率最低，因此冠層水分含量指數(shù)WBI、NDWI、NDII均小于其他植物，而MSI值則大于其他植物種(表2)。植物水分含量較高的鹽爪爪、花花柴WBI、NDWI、NDII值高于其他植物，MSI值小于其他植物種。

圖3 954-973、1 184-1 198和1 440-1 462 nm反射率與荒漠植物含水率相關(guān)系數(shù)Fig. 3 Correlation coefficients between reflectivity and water content of desert plants in the 954-973, 1 184-1 198, and 1 440-1 462 nm spectral bands

*顯著相關(guān)(P<0.05)，**極顯著相關(guān)(P<0.01)。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

冠層水分含量指數(shù)與含水率的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，4種植被指數(shù)中WBI、NDWI值與含水率值顯著正相關(guān)(P<0.05)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.758和0.759。MSI值與含水率值顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.761。NDII值與含水率值極顯著正相關(guān)(P<0.01)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.788。可見，4種冠層水分含量指數(shù)與含水率的相關(guān)性都達(dá)到了顯著相關(guān)水平，并且4種指數(shù)中NDII與含水率〗之間的相關(guān)性略高于其他3種指數(shù)，對荒漠植被而言，冠層水分含量指數(shù)與植被水分實(shí)測值具有較高的一致性，可以反映荒漠植被含水率變化。

3 討論與結(jié)論

利用便攜式光譜分析儀測定了10種不同荒漠植物光譜曲線，借助View SpecPro光譜數(shù)據(jù)分析軟件、SPSS 以及Excel 2007等軟件對測定的植物進(jìn)行了植物光譜特征的分析，并通過相關(guān)系數(shù)和植被指數(shù)對荒漠植物光譜與含水率之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：荒漠植物反射光譜具有綠色植物在可見光-近紅外波段的普遍特征，有明顯的“綠峰”特征和“紅邊效應(yīng)”。對荒漠植物冠層光譜反射率與含水率進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果顯示，在1 440-1 462 nm區(qū)間，光譜反射率與含水率相關(guān)系數(shù)大于0.8，二者具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。這與趙釗等[4]對古爾班通古特17種荒漠植物含水率和反射光譜相關(guān)分析的結(jié)果基本一致?？梢钥闯?，對荒漠植物而言，以1 450 nm為中心的葉片水分吸收帶是反映荒漠植物含水率變化的最敏感波段。

值得注意的是，本研究過程中，所有荒漠植物光譜是在野外自然條件下測定的，受自然環(huán)境及荒漠植被本身稀疏分布的影響，光譜數(shù)據(jù)受土壤及周圍環(huán)境強(qiáng)烈影響，存在較大噪音[16-17]。本研究只是對荒漠植物含水率和反射光譜的相關(guān)性進(jìn)行了初步的分析。要客觀地對荒漠植物生長及水分狀況進(jìn)行檢測，需要進(jìn)行大量的野外試驗(yàn)與室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)的對比分析，減少和消除野外光譜觀測中非確定性環(huán)境因素的干擾，使所測數(shù)據(jù)能真實(shí)反映荒漠植物的波譜特征，這也是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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