騰格里沙漠典型植物含水率與地物光譜的關系分析

了解和掌握沙漠植物生長的水分條件，對評價沙漠植被生境狀況和沙漠生態治理意義重大。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規律和特征，以期為沙漠地區植物生長狀況、生境條件分析以及生態環境監測和治理成效評估提供依據。

一、引言

沙漠地區是氣候干旱、沙層水分嚴重不足的地區，水分條件是影響該類區域植物分布和生長的最關鍵因素。同時，沙漠地區植物的生長對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，對評價沙漠植被生境狀況和沙漠生態治理意義重大。植物體內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的主要因素之一，因此，調查沙漠地區植物的水分狀況，可以反映沙漠地區的生態現狀以及防沙治沙等生物措施的恢復效果。

要了解大面積沙漠植物的水分狀況，根據測定的光譜數據進行植物含水率的分析與反演，然后將結論應用于區域遙感影像，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象，野外現場測定其冠層光譜，利用包絡線去除法對光譜數據進行歸一化處理，找出水分敏感波段，進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，利用微分光譜技術計算各種植物的紅邊參數，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規律和特征，以期為沙漠地區植物生長狀況、生境條件分析以及生態環境監測和治理成效評估提供依據。

二、研究區概況

騰格里沙漠位于阿拉善地區東南部，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。沙漠內部沙丘、湖盆、山地、殘丘及平地等交錯分布，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，蘭州大學資源環境學院騰格里沙漠科學考察隊發現，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、紅砂、霸王、蘆葦等。

三、數據獲取及處理

3.1 植物冠層光譜測定

采用手持式地物光譜儀進行光譜測量，選擇可見光和近紅外波段450.0~900.0nm范圍的光譜數據進行分析，這也是植物光譜分析的常用波段。野外光譜測量與植被調查同點進行，選擇研究區樣地內出現頻率較高、分布較廣的植物種類采集光譜。為去除隨機噪音干擾，每株植物測定20次，取平均值作為其最終光譜值。光譜采樣點貫穿整個沙漠，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據，可以較好代表一定區域的植被狀況。

3.2 植物含水率測定

從西北到東南，對沙漠邊緣及腹地的植被進行詳細的樣方、樣線調查。每一群落樣地按群落的延伸方向做5個10m×10m樣方，并在同一方向鋪設樣線。在樣方內測定植物種類、株數、平均高度、冠幅等。測定光譜的同時采植物樣，裝入封口袋，立即稱鮮重、貼標簽。共采集10種典型植物，其中白刺為兩個不同生長階段的樣品，共11個樣?；氐绞覂?，使用電熱恒溫鼓風干燥箱，先將溫度調至100~105℃殺青10min，然后將溫度調至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 光譜數據處理

3.3.1包絡線去除

為了確定沙漠植物對水分的敏感波段，分析水分和光譜數據的關系，使用遙感處理軟件ENVI4.7對測定的光譜曲線進行包絡線去除。包絡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，但是不會抑制植物的水分信息。包絡線去除后，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，用原始光譜數據的一階微分求算各紅邊參數。微分光譜技術已被用于減弱大氣散射和吸收對目標光譜特征的影響，光譜一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景，以及噪聲光譜對目標光譜（非線性）的影響。一階微分的近似計算方法如下：

ρ′（λi）=[ρ（λi+1）-ρ（λi-1）]2Δλ

式中：λi為每個波段的波長；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、結果與分析

4.1 植物含水率及光譜特征

研究區內10種典型植物的含水率測定結果表明，沙漠典型植物在調查期內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，發現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。在考察中發現，芨芨草等含水率小的草本植物大都分布在平沙地區域，沙層表層水分含量較??；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，干旱時停止生長，所以沙蔥分布與局部降水較多有聯系。研究也表明，沙漠草本植物生長多利用降雨和凝結水，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作用得到表層的水分，而灌木等根系發達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研究區典型植物的含水率

對典型植物光譜曲線去除包絡線，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有的紅邊反射特征。在藍光和紅光波段都具有明顯的吸收谷，這是由于葉綠素對藍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，導致葉綠素的兩個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該有這樣的規律，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，比如葉子的細胞結構等。此外，可以看出在吸收谷和反射峰波段處，光譜差異較大，此波段可以應用于沙漠典型植物種類的劃分。

圖2包絡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系

研究表明，在近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR）區，有以970、1200、1450、1930nm和2500nm為中心的5個植物葉片水分吸收帶，對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、葉的細胞結構和植物的水分等，植物的生長發育以及氣候、地形等外部因素都會對植物的光譜特征產生影響。沙漠地區氣候極端干旱，水分是影響植物生長發育的關鍵因素，研究也指出水稻的水分和光譜反射率在可見光的兩個葉綠素吸收帶和近紅外波段存在顯著相關性。植物的水分狀況能很好地反映植物的生長狀態，那么是否會對植物在可見光近紅外波段的光譜特征亦產生影響呢？為了分析水分敏感波段，對經包絡線去除后的光譜數據和植物含水率進行相關分析（圖3）。

圖3植物含水率和包絡線去除后的光譜反射率之間的相關性

相關分析結果顯示，沙漠地區植物的含水率和包絡線去除后的光譜數據在可見光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波段處的相關性達到了顯著水平（p<0.05），在可見光561~718nm和近紅外861nm、894nm處達到了極顯著水平（p<0.01），最高的相關性位于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關系，均通過了置信度水平為0.01的檢驗，且可見光波段的模型優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域的植被生長狀況。通過植物含水率和去除包絡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，為植被健康評價提供依據。

圖4研究區植物含水率和包絡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烈吸收過渡到近紅外區細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。同時，植物的紅邊也受到葉綠素含量、葉面積指數、生物量和水分狀況、年齡、健康狀況和季節等因素的影響。本文通過光譜反射率（680~750nm）的一階微分計算紅邊參數，分析沙漠地區不同含水率的植物的紅邊特征，反映不同的含水率對紅邊光譜特征的影響。選用的主要參數有：紅邊位置（λred），為紅光范圍（680~750nm）內最大一階微分波段值對應的波長位置；紅邊斜率（振幅）（Dλred），為紅光范圍（680~750nm）內最大的一階微分值；紅邊峰值面積（Sred），為紅光范圍（680~750nm）內的一階微分波段值的總和。結果如表1。

表1研究區典型植物的紅邊參數

可以看出，不同含水率植物的紅邊參數有差異。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差別較大，很可能是由于其發生了水分脅迫，生長不良，葉綠素含量減少導致紅光反射增強及紅邊“藍移”。紅邊斜率和紅邊面積主要與植被覆蓋度或葉面積指數有關，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不良，覆蓋度較小，導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，長勢相當，因此，各紅邊參數也沒有較大區別。老鴰頭、駱駝蓬、鵝絨藤和鹽爪爪都是叢生植物，調查期水分狀況好，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，植物長勢良好，紅邊位置穩定，紅邊斜率和紅邊面積也隨之增大。

四、結論

地物光譜是遙感理論和應用研究的基礎，通過對騰格里沙漠典型植物冠層光譜的野外現場測定和植物的含水率實驗室分析，關于沙漠植物含水率和光譜特征及其相互關系，得到以下結論：1）騰格里沙漠地區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線去除后的光譜數據在可見光（561~718nm）和近紅外（861nm、894nm）波段均存在極顯著相關性，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，可為沙漠地區植被水分狀況的遙感調查提供新思路。

3）騰格里沙漠地區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，長勢和覆蓋度不同，導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和生長期而異，由于客觀條件限制，野外測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查，對其他沙漠植物光譜的測定以及植物水分和沙層水分關系的深入研究，將是未來幾年我們沙漠野外考察工作的重點。通過努力，有望建立較完善的沙漠植物光譜庫，為沙漠地區植被遙感監測和沙漠化地區的生態恢復提供依據。

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審核編輯 黃宇