库布齐沙漠东缘荒漠藻人工生物结皮的光谱特性

杨光，李庆和

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，010019，呼和浩特;2.内蒙古水事监理服务中心，010020，呼和浩特)

荒漠地表生物结皮是由土壤微生物，以及藻类、地衣和苔藓等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体，它的形成使土壤表面在物理、化学和生物学特性上均明显不同于松散沙土，具有较强的抗风蚀、水蚀功能，也是干旱荒漠区植被演替的重要基础［1-3］。20世纪80 年代以来，伴随着沙漠化威胁的日益加重，生物结皮在荒漠生态系统中的作用愈发突出，生物结皮所具有的生态功能亦引起了学者的普遍重视，并逐渐成为荒漠地区生态研究的热点。研究者分别从地表生物结皮的发育及生物结皮对土壤入渗、植物生长、土壤抗冲性、土壤微生物的影响等方面进行了研究与探讨［4-11］，而对荒漠地表生物结皮的光谱特性研究较少。笔者以库布齐沙漠东缘荒漠藻人工生物结皮为研究对象，对不同年份接种的黑色与绿色藻结皮进行地物光谱测定，并与研究区裸沙及典型植物进行对比，分析其光谱特性，找出其变异规律，不仅是建立地面光谱数据与遥感图像空间光谱数据之间的桥梁，也是提高地物识别精度和信息定量反演精度的基础。

1 研究区概况

研究区位于库布齐沙漠东缘内蒙古林业科学研究院达拉特旗沙漠综合科学研究站，位于E 109°50'30″～109°51'50″，N 40°21'30″～40°22'30″。气候属中温带大陆性季风气候，多年平均降水量240 ～360 mm，蒸发量2 160 mm。极端最高气温40.2 ℃，极端最低气温－34.5 ℃。多年平均≥10 ℃积温3 197.4℃，无霜期58 d。多年平均风速3.3 m/s，8 级以上大风时间27 d，最大瞬时风速达30 m/s;扬沙时间58 d，多出现在3—5 月。地势南高北低，起伏不平。立地类型主要有流动沙地，固定、半固定沙地和丘间地。主要植物种有寸苔草(Carex duriuscula C.A.Mey.)、披 碱 草(Elymusdahuricus Turcz.)、沙 米(Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq.)、油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)等，植被盖度为30%～60%，森林植被以人工林为主，主要有杨树(Populus)、沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)、沙柳(Salix cheilophila)等。2002—2007 年，研究站分别对所属区域沙地进行了荒漠藻人工喷播接种，藻种以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)和爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum)为主，治沙效果良好，并通过国家专家组评审验收。

2 研究方法及数据处理

2.1 研究区选取

分别选取2002 年、2003 年、2004 年、2005 年和2007 年荒漠藻人工结皮喷播接种区作为光谱数据采集点，每个接种区面积约为8 hm2，每个接种区黑色与绿色荒漠藻结皮分别选择2 个典型样区，样区荒漠藻结皮盖度均为50%～60%，每个典型样区按梅花形布设测定5 个地物光谱数据。

2.2 观测仪器

本研究采用的是由美国Spectra Vista 公司生产的SVC HR-1024 便携式地物光谱仪(Field Portable Spectroradiometers)，有效光谱范围在350 ～2 500 nm，通道数为1 024，光谱分辨率为:350 ～1 000 nm内≤3.5 nm，1 000 ～1 850 nm 内≤8.5 nm，1 850 ～2 500 nm内≤6.5 nm，最小积分时间1 ms，信号采集方式采用蓝牙传输。

2.3 光谱数据采集及处理

2.3.1 光谱数据采集 野外地物光谱特性测量受太阳高度角和天气状况的影响较大。为了克服太阳高度角变化对测量结果的影响，选择每天10:00—14:00 为野外测量时间。在2012 年8 月17—19 日天气晴朗无风的时段进行测量。每个全光谱数据测量时间设定为5 s，地物光谱测量前首先对光谱仪进行暗电流采集和白板标定，以后每更换一次地点，进行一次白板标定。测量高度即探头距离地物60 cm，每类地物测量均在10 min 内完成10 次测量，取其平均值作为该类地物的反射率。

2.3.2 光谱数据融合 首先利用地物光谱仪自带的SVC HR-1024 软件对研究区变异较大的地物光谱曲线进行剔除，然后利用该软件的Overlap/Matching 功能对数据重叠部分进行匹配，再利用Merge功能对地物光谱数据进行融合。

2.3.3 光谱数据平滑 由于光谱仪波段间对能量相应上的差异，使光谱曲线总存在一些噪声，为得到平衡与概略的变化，需平滑波形，以去除包含在信号内的少量噪声。实践［12-13］表明:如果噪声频率较高，其量值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪声。常用的平滑方法有移动平均法、静态平均法、傅里叶级数近似等，其大部分方法是基于低通滤波，使用低通滤波保留低频部分的同时消除高频部分，以达到平滑和去噪的作用。笔者采用9 点移动平滑法对采集的地物光谱数据进行平滑处理。数据平滑在遥感影像处理软件ENVI/IDL 支持下完成。利用IDL 中的Smooth 函数编写9 点平滑代码，在ENVI中通过“Spectral”选单下的“Spectral Math”，调用9点平滑函数对实测光谱数据进行平滑处理。平滑处理前后效果见图1。

2.3.4 剔除水汽吸收波段 由于大气中水汽的强烈吸收，地面光谱和空中遥感数据在水汽吸收波段基本都是噪声。为使野外地面测量结果与今后遥感数据相匹配，需剔除水汽吸收峰影响严重的波段区域，去除明显错误波段数值。通过借鉴有关文献［14］结论，结合SVC 地物光谱仪数据采集特点，具体剔除波段范围为1 350 ～1 417、1 797 ～1 971 和2 470 ～2 500 nm。剔除水汽吸收前后光谱曲线比较见图2。

图1 光谱平滑处理效果对比图Fig.1 Comparison of smoothed spectra

图2 剔除水汽吸收波段前后光谱曲线对比图Fig.2 Comparison of spectral curves before and after excluding water vapor absorption band

3 结果与分析

3.1 研究区典型地物光谱特性分析

健康植被的光谱曲线有着明显的特点:在可见光的550 nm 附近，有一个反射率为10%～20%的小反射峰;波长在450 ～650 nm 附近，有2 个明显的吸收谷，这主要由叶子的叶绿素所决定;波长在700 ～800 nm 之间是一个陡坡，反射率急剧增高，在高光谱研究中它被称为植被“红边”，是植被具有诊断性的光谱特征［15-16］，“红边”的位置、高度和斜率会因植被的不同及同一植被不同生长状况而存在差异;波长在800 ～1 300 nm 之间是一个相对平坦的较高反射率区域，它主要由植被的细胞构造所决定;在1 450、1 950、2 600 ～2 700 nm 处有一个吸收谷，主要由叶子的细胞液、细胞膜及吸收水分所形成。

图3 荒漠藻黑色、绿色结皮与裸沙及典型植物光谱曲线Fig.3 Spectral curves of black and green desert algae crust，bare sand and the typical plants

图3 为研究区实测的油蒿、沙打旺和沙柳的光谱曲线，其光谱特性与上面各波长处的分析一致，与荒漠藻生物结皮和裸沙相相比，“红边”不仅存在而且有着明显的差异，“红边”位置反射率由10%左右急剧增加到45%～65%，因此在植被分类及地物光谱重建时应分别对待。

荒漠藻黑色、绿色结皮及裸沙的光谱反射率变化比较平稳，裸沙光谱反射率在350 ～600 nm 处明显增高，600 nm 后光谱反射率呈缓慢增加趋势。荒漠藻黑色结皮由于表面呈灰黑色而具有相对于绿色结皮和裸沙较小的反射率。1 970 ～2 470 nm 之间，3种典型植物光谱曲线较荒漠藻黑色、绿色及裸沙结皮光谱反射率低，说明在该波段范围3 种典型植物具有较强的吸收能力。

3.2 荒漠藻黑色结皮光谱特性分析

分析图4 可知，2002—2007 年接种的荒漠藻黑色结皮光谱反射率在350 ～2 500 nm 全波段变化规律基本相同，光谱反射率均表现为2004 年＞2003年＞2007 年＞2002 年＞2005 年。相关研究［17］表明，当生物结皮的植物体干燥时呈黑色或灰黑色，湿润时呈绿色或黄绿色。黑色结皮由于光合色素的吸收作用使得生物结皮在580 ～700 nm 范围内的光谱曲线较为平坦。

图4 不同接种年份荒漠藻黑色结皮光谱曲线Fig.4 Spectral curves of black desert algae crust inoculated in different years

2003 年与2004 年接种的黑色藻结皮在960 nm与1 150 nm 出现2 个波峰，较接近于绿色植物，说明在数据采集时，虽然人眼分辨到的结皮呈黑色，但经实地采样带回实验室分析，其中亦含有一定成分的绿色结皮。2002 年、2005 年和2007 年接种的黑色藻结皮波形变化比较平坦，波峰波谷不明显，在整个波段范围反射率较2003 年、2004 年接种的结皮低，是由于2002 年、2005 年和2007 年接种的样区水分条件较2003 年、2004 年接种的样区差，空地杂草较少，结皮更加干燥，颜色更深，吸收更强烈。

3.3 荒漠藻绿色结皮光谱特性分析

图5 不同接种年份荒漠藻绿色结皮光谱曲线Fig.5 Spectral curves of green desert algae crust inoculated in different years

图5 为不同接种年份荒漠藻绿色结皮光谱曲线，分析可知，2002—2005 年接种的荒漠藻绿色结皮均表现出绿色植物所具有的光谱曲线变化特点，“红边”位置明显但不如高等绿色植物反射率变化剧烈。580 ～700 nm(黄光～红光)范围内，由于光合色素的吸收作用增强，光谱曲线更趋于平缓，而在960 nm 与1 150 nm 2 处出现明显的反射波峰(2005 年除外)，2005 年接种的荒漠藻样地，颜色虽然呈现绿色，经采样带回实验室分析，含有相对较多的黑色结皮。

3.4 荒漠藻黑色与绿色结皮光谱特性分析

图6 ～9 为2002—2005 年接种的黑色结皮与绿色结皮光谱曲线对比图，可以看出，绿色结皮“红边”位置较黑色结皮明显。黑色与绿色结皮光谱反射率相比，总的变化趋势为:350 ～710 nm 之间，由于叶绿素的吸收作用，绿色结皮光谱反射率较黑色结皮低，二者曲线在710 nm 处有一交点。710 ～1 350 nm之间，黑色结皮比绿色结皮的光谱反射率要明显偏低，表明这一区间，黑色结皮的黑色素对太阳光吸收强烈。在其他波段区间变化规律不太明显。

图6 2002 年接种荒漠藻黑色与绿色结皮光谱曲线Fig.6 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2002

图7 2003 年接种荒漠藻黑色与绿色结皮光谱曲线Fig.7 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2003

图8 2004 年接种荒漠藻黑色与绿色结皮光谱曲线Fig.8 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2004

图9 2005 年接种荒漠藻黑色与绿色结皮光谱曲线Fig.9 Spectral curves of black and green desert algae crust inoculated in 2005

4 结论与讨论

生物结皮作为固定、半固定沙漠中重要的地表覆盖类型，在防风固沙、改善生态环境等方面发挥着极其重要的作用。笔者以内蒙古林科院达拉特旗沙漠综合科学研究站内的人工接种荒漠藻结皮为研究对象，实地采集了荒漠藻黑色、绿色结皮地物光谱数据，并与裸沙、油蒿、沙打旺、沙柳地物光谱进行了比较分析。结果表明:研究区油蒿、沙打旺及沙柳的光谱曲线与健康绿色植物相似;绿色结皮的光谱特性与绿色植物相似，“红边”位置明显但不如绿色植物反射率变化剧烈。350 ～710 nm 波段范围内黑色结皮反射率高于绿色结皮，710 nm 后，低于绿色结皮。

荒漠藻固沙结皮的研究对丰富防沙治沙基础理论，提高防沙治沙综合技术措施的生态效益具有重要的指导作用。从目前的研究成果看，荒漠藻固沙结皮应重点加强以下4 方面的研究:1)由于荒漠藻结皮颜色随着地表水分的变化而变化，其光谱特性上存在着较大的差异性，因此保持同一土壤水分条件下测定黑色与绿色结皮光谱数据，将会使研究结果更具有代表性;2)生物结皮地物光谱数据与高光谱遥感数据相结合，对于评价沙漠沙地的治理效果具有重要意义;3)荒漠藻叶绿素的含量与光谱反射率间的关系研究;4)荒漠藻固沙结皮的形成机制和固沙结皮自然形成的动态变化规律，重点探讨荒漠藻在自然条件下的生长过程与植被、温度、湿度的关系。