围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征植物高光谱特征变化分析

夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，梁 娜

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征植物高光谱特征变化分析

夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，梁 娜

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

为研究围栏封育对伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地的改善情况，利用便携式光谱仪对不同封育年限的围栏内外实测的半灌木伊犁绢蒿、一年生草本叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)和短命植物涩芥(Malcolmiamaritima)的高光谱数据进行分析。结果表明，伊犁绢蒿、叉毛蓬和涩芥三者在可见光波段具有明显的差异性，与植物生态生理特征有关，可利用350～680 nm内三者光谱反射率的差异进行区分；伊犁绢蒿的红边斜率在不同封育年限下均表现为围栏内大于围栏外，而叉毛蓬的红边斜率表现为围栏内小于围栏外，涩芥在平台处光谱和红边特征上与其生理生态特征无明显相关性。

围栏封育；伊犁绢蒿；高光谱；荒漠草地；特征植物

伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地属于中亚气候型荒漠，仅分布于新疆，且主要位于北疆的低山与平原区，是当地主要的春秋放牧场，由于过度放牧导致草地出现不同程度的退化[1-2]。荒漠草地植物生境条件严峻，干燥少雨，蒸发量大，加大了荒漠草地恢复的难度；而围栏封育成为该类退化草地恢复的重要手段，具有投入少、易于实施等优点。但围封后，如何对其恢复效果进行实时监测，对封育草地的管理具有重要的意义。高光谱遥感为解决这一问题提供了有效途径，其波段多而窄且连续，光谱分辨率可达纳米级，可探测地物吸收、发射诊断性光谱特征，目前已广泛应用于地质、国防、农林业等。针对伊犁绢蒿荒漠草地特征植物的生理生态、群落特征及生态位的变化已有大量研究[3-6]，也有从高光谱角度针对不同退化梯度下伊犁绢蒿荒漠草地光谱变化、围栏封育下草地光谱特征和典型荒漠草地植物特征等方面做了一些研究[7-10]。本研究从伊犁绢蒿荒漠草地3个重要层片中各选出一种特征植物，分别为半灌木伊犁绢蒿、一年生长营养期草本叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)和短命植物涩芥(Malcolmiamaritima)，对不同封育年限围栏内外植物的光谱特征进行研究，明确其在不同围栏年限下的变化趋势，以期为伊犁绢蒿荒漠草地围栏封育监测与管理提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆乌鲁木齐市米东区芦草沟乡，43°53′30″-43°53′30″ N，87°45′53″-87°45′55″ E，海拔930 m，属于大陆性中温带干旱气候区，光照充足，蒸发量大，昼夜温差大，年平均降水为212 mm，年均温为7.3 ℃，无霜期165 d，全年多西北风。该研究区伊犁绢蒿荒漠以伊犁绢蒿半灌木为建群种，伴生叉毛蓬、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等一年生长营养期植物，春季涩荠、弯果胡卢巴(Trigonellaarcuata)和葶苈(Drabanemorosa)等短生植物发育显著。研究区内围栏内外特征植物重要值[7]见表1。

重要值=(种群密度+盖度+生物量)/3。

采用美国SVC HR-768便携式光谱仪(350～2 500 nm)于2014年5月5日分别测定封育2年、7年、10年3个不同封育年限围栏内外不同层片植物光谱反射率。光谱采集尽量选择在晴朗干燥微风无云的天气，为减少太阳高度角对反射率的影响，测定时间为北京时间12：00-14：00。在测量光谱反射率时，探头与地面始终保持垂直，距植物冠层顶60 cm，每次开机进行一次暗电流校正，在测量植物光谱反射率时，每隔10～20 min进行1次白板校正，每种植物挑选3株(对于植株较小的植物选取由单一植物构成的区域作为单种植物光谱)，每株测5条光谱反射率曲线。

1.3 数据处理及分析

1.3.1 一阶微分处理 不同阶数微分值可以快速确定光谱的拐点及最大、最小反射率的位置，常用于减少土壤背景值影响，特别对于荒漠草地，植被稀疏，受土壤背景影响大，因而在荒漠植被光谱研究中较有效。本研究采用光谱的差分来近似一阶微分[11]，公式如下：

R′(λi)=[R(λi+1)-R(λi-1)]/2Δλ

式中，λi为inm波段的波长，R(λi+1)为波长λi+1处的植物光谱反射率，Δλ是波长λi+1到波长λi的间隔，R′(λi)为反射率在λi的一阶微分。

1.3.2 数据分析 先对光谱数据进行检查，剔除异样数据，再将每个样方及单种每株的光谱数据归类求平均，在Excel中实现光谱反射率求均值及一阶微分，利用SPSS 17.0进行单因素方差分析，Excel 2003制图。

表1 芦草沟乡围栏封育下围栏内外的特征植物重要值

好的作文尽量使用短句表达而少用或者不用长句。由于长句大多有较长的并列成分、修饰限制成分等，使人读来觉得繁琐、冗杂。而短句则结构简单，词语较少，使意思表达更清楚。例如长句：“现在许多国家都已经能够生产可以独立操作机床、可以在病房里细心照料病人、可以在危险区域进行作业的机器人。”有三个并列修饰“机器人”的定语，句子复杂，读来有累赘之感。可以变成这样的短句：“现在许多国家都能够生产这样的机器人：它们可以独立操作机床，可以在病房细心照料病人，可以在危险区域进行作业。”这样一改，变得清楚，简单。

2 结果与分析

2.1 不同植物光谱特征对比

相关研究表明，叶绿素与波段550 nm附近以及700 nm附近的光谱反射率有很好的相关性[12-13]。植被叶片在550 nm附近有一个反射峰，该峰的形成是由于叶子内部叶绿素a、b以450 nm与640-680 nm为中心有两个强烈的吸收带，以及胡萝卜素、叶黄素430-480 nm范围内有强烈的吸收带所致[14]。不同植物叶片结构、叶绿素含量及植物的叶面积与冠层结构不同，所以不同植物应该具有不同的反射率。半灌木伊犁绢蒿具有较明显的绿峰，叉毛蓬与涩芥绿峰不太明显，在可见光波段由于受土壤背景影响更接近线性(图1)。在可见光波段(350-680 nm)，各特征植物平均光谱反射率大小依次为叉毛蓬>涩芥>伊犁绢蒿。其中，叉毛蓬和涩芥在可见光波段相对反射率大于伊犁绢蒿，主要是由于植物冠层差异所引起，涩芥和叉毛蓬叶片大且层片均匀，伊犁绢蒿叶片细小、冠层结构复杂。在350-385 nm范围内叉毛蓬、涩芥的反射率具有下降趋势而伊犁绢蒿呈上升趋势，其中涩芥一阶微分值在350 nm达到-0.12，叉毛蓬为-0.06(图1)。叉毛蓬的红边位置为720.4 nm，而涩芥的红边位置为717.7 nm，且叉毛蓬的红边幅值大于涩芥的红边幅值。

图1 3种特征植物的光谱曲线和一阶微分光谱曲线Fig.1 Spectrum and first differential spectrum of three characteristic plants

2.2 围栏封育下伊犁绢蒿高光谱特征分析

不同封育年限下，植物生境条件随封育年限延长逐渐改善，必定会影响植物生长状况。光谱反射率在可见光波段主要受叶绿素含量及盖度影响，叶绿素含量少时，对可见光吸收减弱，伊犁绢蒿在可见光波段光谱反射率总体表现为围栏外大于围栏内，在绿峰处围栏内光谱绿峰更加明显(图2)，这表明在围栏封育下植被生境条件逐渐改善，生长繁茂、构件增加，植株的叶绿素含量有所增加。围栏内外伊犁绢蒿均具有较为明显的绿峰与红谷，表明伊犁绢蒿在封育过程中始终能进行有效的光合作用，表现出高稳定性。杨红飞等[8]认为，在760 nm后光谱反射率形成一个相对稳定的反射平台，且该反射平台主要由生物量与叶面积指数等决定。本研究中，在平台处不同年限的围栏内反射率均大于围栏外，这与围栏内伊犁绢蒿重要值大于围栏外重要值相一致。

红边参数被广泛应用于绿色植物生物量、叶面积指数、光合作用能力和叶绿素含量的计算。伊犁绢蒿红边位置在710-730 nm波段间，红边位置基本相同，表现为围栏7年内外相对于围栏2年、10年具有“红移”现象；红边反射率在3个围栏间差异不大，围栏2年的围栏外大于围栏内，围栏7年、10年均与之相反；红边斜率在围栏内均大于围栏外，围栏内外红边斜率间差异显著(P<0.05)，不同年限间差异大小依次为封育7年>封育10年>封育2年(图2、表2)。

图2 不同封育年限围栏内外伊犁绢蒿光谱和一阶微分光谱Fig.2 Spectrum and first differential spectrum of S. transiliens of inside and outside fence after different fencing times 表2 不同封育年限围栏内外伊犁绢蒿红边参数 Table 2 Red edge parameter of S. transiliense of inside and outside fence after different fencing times

红边参数Rededgeparameter围栏外Outsideoffence2年2years7年7years10年10years围栏内Insideoffence2年2years7年7years10年10years红边位置Rededgeposition/nm716．40720．40716．40716．40720．40716．40红边反射率Rededgereflectance/%16．4915．2514．9715．3217．4415．85红边斜率Rededgeslope0．37±0．03b0．47±0．04a

注：不同小写字母表示围栏内外红边斜率差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters indicate siginficant difference at 0.05 level.

2.3 围栏封育下叉毛蓬高光谱特征分析

围栏封育过程中，植被生境条件改善，种间竞争加剧，植被群落发生改变，一年生植物重要值降低，代之以半灌木重要值增加，这势必对一年生植被生长状况产生影响。封育2年的围栏内外和封育7年、10年的围栏内叉毛蓬光谱在可见光波段(380-680 nm)较封育7年与10年的围栏外有明显差异，前者在可见光波段绿峰不太明显(图3)。

叉毛蓬在不同围栏封育年限下，红边位置表现为围栏7年内、外>围栏10年外>围栏10年内=围栏2年内、外，围栏外红边斜率大于围栏内，围栏内外红边斜率间极显著差异(P<0.01)，不同年限间差异大小依次为封育7年>封育2年>封育10年，并且在红边反射率上均表现为围栏内大于围栏外与红边斜率趋势相反(图3、表3)。

2.4 围栏封育下涩芥高光谱特征分析

短命生植物作为荒漠中特殊的层片，利用早春积雪融化的水分快速地完成其生活史，主要受水分控制其生长状况。短命生植物涩芥在可见光波段内3个封育年限下，均表现为围栏内相对反射率小于围栏外，且围栏内相对围栏外有明显的绿峰，主要由于围栏内植物生长优于围栏外(图4)。在680 nm之后的平台处表现为10年围栏内<7年围栏外<10年围栏外<7年围栏内<2年围栏内外。围栏内外涩芥的红边反射率与红边斜率间并没有明显规律，红边位置表现为封育7年>封育10年>封育2年(图4、表4)。

3 讨论

不同的植被类型其叶片叶绿素含量、含水量、内部组织结构以及叶片外结构等不同，导致光谱相对反射率间的差异，植被光谱相对反射率在可见光波段主要受叶绿素与盖度的影响。5月初，正好为荒漠植被的返青期，植被生长繁茂，本研究中3种植物在可见光波段具有明显差异，主要是由于植物冠层及分布密度差异所引起，涩芥和叉毛蓬叶片大且层片均匀，伊犁绢蒿叶片细小、冠层结构复杂，并且伊犁绢蒿构件分布较疏松而叉毛蓬生长密度特别大，导致本研究中3种荒漠植物冠层光谱反射率在可见光波段表现为叉毛蓬>涩芥>伊犁绢蒿。

图3 不同封育年限围栏内外叉毛蓬高光谱特征和一阶微分光谱Fig.3 Spectrum and first differential spectrum of P. sibirica of inside and outside fence after different fencing times 表3 不同封育年限围栏内外叉毛蓬红边参数 Table 3 Red edge parameter of P. sibirica of inside and outside fence after different fencing times

红边参数Rededgeparameter围栏外Outsideoffence2年2years7年7years10年10years围栏内Insideoffence2年2years7年7years10年10years红边位置Rededgeposition/nm716．40723．00720．40716．40720．40716．40红边反射率Rededgereflectance/%17．2817．4715．0117．9518．6315．54红边斜率Rededgeslope0．42±0．014A0．35±0．05B

注：不同大写字母表示围栏内外红边斜率差异极显著(P<0.01)。

Note: Different capital letters indicate siginficant difference at 0.01 level.

图4 不同封育年限围栏内外涩芥高光谱特征和一阶微分光谱Fig.4 Spectrum and first differential spectrum of M. maritima of inside fence after different fencing times 表4 不同封育年限围栏内外涩芥红边参数 Table 4 Red edge parameter of M. maritima of inside and outside and outside fence after different fencing times

红边参数Rededgeparameter围栏外Outsideoffence2年2years7年7years10年10years围栏内Insideoffence2年2years7年7years10年10years红边位置Rededgeposition/nm711．10716．40715．10711．10720．40715．10红边反射率Rededgereflectance/%19．0117．2416．1914．8619．8712．59红边斜率Rededgeslope0．31±0．050．38±0．07

植物光谱的相对反射率在一定程度上可以反映植物的生物量、盖度以及冠层结构等，但受光照、太阳高度角等的变化，具有限制性。王恋恋等[9]在天山北坡研究发现，不同草地类型光谱反射率有显著差异，封育前后草地光谱曲线在绿峰及水分吸收谷方面有差异，本研究从同一草地类型单种植物角度，得出单种植物的光谱特征在围栏封育前后存在差异。不同层片的植物由于株体大小、生活习性及生态位的不同，其对围栏封育具有不同的响应，其中在可见光波段内伊犁绢蒿、涩芥光谱反射率表现为围栏内小于围栏外，而叉毛蓬则相反，同时在1 400 nm和1 900 nm左右的水分吸收谷处伊犁绢蒿与叉毛蓬在围栏内外并无明显差异，而涩芥在围栏内较围栏外具有明显的波谷。表明不同植物对于围栏封育有各自的敏感波段，且光谱反射率对于不同植物的水分、叶绿素、盖度等敏感程度不同，其中红边的光谱反射率与植被的恢复状况相关，但对于不同植被其敏感程度不同，其中以叉毛蓬的规律性最好。相对于光谱反射率，红边特征可以更好地反映出围栏封育下植物的变化，表明红边斜率可用于指示围栏封育植物恢复状况的反演，但并没有得出定量的关系，需更进一步研究红边特征与恢复状况间的关系。本研究发现，随封育年限的增加，围栏内外光谱反射率间差异呈先增加后减小的趋势，其中伊犁绢蒿红边斜率在围栏内外差异大小表现为封育7年>封育10年>封育2年，叉毛蓬红边斜率在围栏内外差异大小表现为封育7年>封育2年>封育10年，这主要因为封育7年与10年的围栏外叉毛蓬重要值大，种间竞争影响较小，叉毛蓬能获得更好的生存条件，植被生长旺盛。结合不同年限间对比，说明围栏封育过程中植被群落组成发生改变，群落中叉毛蓬重要值减小，伊犁绢蒿重要值增大。这表明随着围封年限的增加，草地恢复到一定的阶段便达到生物量高且稳定的群落，之后由于枯落物的积累，降低了草地的生物量。但还无法确定围栏最佳封育年限，对此需要进一步跟踪研究，同时需要结合土壤方面的研究来进行确定。

已有大量研究[15-17]表明，高光谱遥感可用于对植物的生理生化指标的监测与反演。应进一步研究围栏内外叶绿素含量、光合效率以及光合产物并试图寻找敏感波段、建立相关模型，以便定量化监测围栏封育效果。

4 结论

1)在可见光波段(350-680 nm)，光谱相对反射率大小表现为叉毛蓬>涩芥>伊犁绢蒿，结合3种植物在350-385 nm的光谱反射率变化趋势及叉毛蓬与涩芥的红边特征可对3种特征植物进行识别。

2)伊犁绢蒿的红边幅值在围栏内大于围栏外，叉毛蓬红边斜率在围栏内小于围栏外，两种植物表现截然相反，但两种植物红边斜率在围栏内外的差异均表现为先增后降，表明围栏内外红边斜率差异程度与草地恢复状况相关，围栏7年左右为围栏封育最佳年限，涩芥的红边斜率在围栏内外并无差异。在围栏封育过程中群落中各种植物重要值发生改变，同时各植物的红边特征发生相应变化，表明高光谱可用于群落动态的监测。

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(责任编辑 武艳培)

Spectral characteristics of typical plants inSeriphidiumtransiliensedesert grassland under enclosure

XIA Xiao-wei, JIN Gui-li, AN Sha-zhou, FAN Yan-min, LIANG Na

(Department of Grassland Science, Xinjiang Agriculture University; Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology, Urumqi 830052, China)

In order to understand the improvements of enclosure onSeriphidiumtransiliensedesert grassland, the spectrum of 3 half-shrubby species including perennialS.transiliense, annualPetrosimoniasibiricaand ephemeralMalcolmiamaritimefrom inside and outside fence after different fencing times were measured by portable spectrometer. The results showed that there were significant difference between these 3 plants in visible spectrum which correlated with the plant ecophysiological characteristics. These 3 plants can be distinguished based on the difference of spectral reflectance between 350 and 680 nm. The red edge slope ofS.transilienseinside fence was always greater than that of outside fence no matter how long the enclosure whereas the red edge slope ofP.sibiricawas contrary. There was no significant correlations between the spectrum at platform or red edge ofM.maritime’s and its eco-physiological characteristics

enclosure;Seriphidiumtransiliense; hyperspectral; desert grassland; typical plants

AN Sha-zhou E-mail:xjasz@126.com.

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0444

2014-10-08 接受日期：2014-12-11

国家自然基金项目(31360571)

夏小伟(1990-)，男，安徽合肥人，在读硕士生，研究方向为草地资源与生态。E-mail：646452300@qq.com

安沙舟(1956-)，男，陕西富平人，教授，博导，博士，研究方向为草地资源与生态。E-mail：xjasz@126.com

S812;Q948.112+1

A

1001-0629(2015)06-0870-07

夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，梁娜.围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征植物高光谱特征变化分析[J].草业科学,2015,32(6):870-876.

XIA Xiao-wei,JIN Gui-li,AN Sha-zhou,FAN Yan-min,LIANG Na.Spectral characteristics of typical plants inSeriphidiumtransiliensedesert grassland under enclosure[J].Pratacultural Science，2015,32(6)：870-876.