基于光譜指數(shù)的伊犁絹蒿荒漠草地恢復(fù)狀況的判定

武紅旗，范燕敏，靳瑰麗，夏小偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830052)

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在氣候變化中具有重要的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)草地是重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)資料，具有生態(tài)、生產(chǎn)和社會(huì)功能[1]，但由于自然因素及人類活動(dòng)的干擾，草地出現(xiàn)大面積退化、沙化及荒漠化，并對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生威脅[2-3]。新疆地處中亞腹地，水汽稀少，低山、平原區(qū)多為荒漠草地，生態(tài)脆弱，其在新疆的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)中具有重要意義。其中，伊犁絹蒿荒漠草地面積大、分布廣，是當(dāng)?shù)刂饕拇呵锓拍翀?chǎng)，承擔(dān)生態(tài)與生產(chǎn)的重要功能，但由于過(guò)度放牧導(dǎo)致草地出現(xiàn)不同程度的退化[4-5]。圍欄封育作為該類退化草地恢復(fù)的重要手段，具有投入少、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。但圍封后，如何對(duì)其恢復(fù)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及封育年限的確定尚需研究。

遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得其在草地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中已獲得廣泛運(yùn)用，在草地生物量[6-7]、蓋度[8-9]及草地退化監(jiān)測(cè)[10-11]等方面均取得成果。但由于荒漠草地受背景干擾嚴(yán)重，植被信息難以精確獲取，所以在荒漠草地中的研究相對(duì)較少。楊峰等[12]對(duì)天山北坡典型荒漠草地退化特征及原因進(jìn)行探討，林海軍[13]對(duì)典型荒漠植被光譜特征進(jìn)行分析，錢育蓉[14-15]等對(duì)荒漠草地光譜信息的提取做了研究，尚未發(fā)現(xiàn)通過(guò)光譜對(duì)于荒漠草地最佳封育年限進(jìn)行判定的相關(guān)報(bào)道。

本文選擇分布在天山北坡的荒漠草地為研究對(duì)象，進(jìn)行封育草地恢復(fù)狀況的監(jiān)測(cè)及封育年限的確定，從伊犁絹蒿荒漠草地3個(gè)重要層片中各選出一種特征植物，分別為半灌木伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)、一年生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)期草本叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)和短命植物澀芥(Malcolmiamaritima)，對(duì)不同封育年限光譜指數(shù)進(jìn)行研究，探討不同封育年限群落的恢復(fù)狀況及光譜指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化并進(jìn)行回歸分析，以期更好地監(jiān)測(cè)伊犁絹蒿荒漠草地恢復(fù)狀況，并確定最佳封育年限。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆烏魯木齊市米東區(qū)蘆草溝鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為43°53′N，87°45′E，海拔930 m，屬于大陸性中溫帶干旱氣候區(qū)，年平均降水212 mm，年均溫7.3℃，無(wú)霜期165 d，光照充足，蒸發(fā)量大，是典型的伊犁絹蒿荒漠分布區(qū)。草地群落以伊犁絹蒿為建群種，伴生叉毛蓬、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等一年生植物，春季澀薺、彎果胡盧巴(Trigonellaarcuata)和葶藶(Drabanemorosa)等短生植物發(fā)育較好；由于放牧過(guò)重該類草地呈退化狀態(tài)。分別在2004年、2007年和2012年建立3個(gè)圍欄封育區(qū)域。于2014年5月在3個(gè)封育區(qū)及未封育區(qū)進(jìn)行植物群落、光譜數(shù)據(jù)采集，形成封育10年、7年、2年和0年的退化草地修復(fù)年限系列。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

1.2.1植物群落數(shù)量特征測(cè)定 在3個(gè)圍欄內(nèi)各設(shè)5個(gè)樣方，圍欄外設(shè)9個(gè)樣方，樣方面積1 m×1 m，共24個(gè)，測(cè)定植物群落數(shù)量特征。平均高度為樣方內(nèi)隨機(jī)挑選10株建群種和伴生種測(cè)其自然高度取平均值，密度為樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物株數(shù)，蓋度采用針刺法，地上生物量采用齊地面剪割法。

1.2.2野外地面光譜數(shù)據(jù)采集 采用美國(guó)SVC HR-768便攜式光譜儀(350～2 500 nm)在各樣方同步測(cè)定植物群落及單種植物光譜。

光譜采集盡量選擇在晴朗干燥微風(fēng)無(wú)云的天氣，為減少太陽(yáng)高度角對(duì)反射率的影響，測(cè)定時(shí)間為北京時(shí)間12：00—14：00。每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行一次暗電流校正，測(cè)定群落光譜反射率時(shí)，探頭與地面始終保持垂直，距冠層1 m，在樣方中均勻的測(cè)5條光譜反射率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

光譜數(shù)據(jù)受儀器溫度和電流影響，可能會(huì)出現(xiàn)異常大或小的光譜反射率，需先剔除光譜反射率異常的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)按樣本歸類取均值。

1.3.1光譜平滑 由于光譜各波段對(duì)能量響應(yīng)上具有差異，加之儀器受電壓及溫度的影響，光譜曲線總存在噪聲，難以得到平穩(wěn)的信號(hào)。對(duì)于光譜曲線的高頻噪聲，在處理中常進(jìn)行平滑處理，較常用的平滑方法有，移動(dòng)平滑，Savitzky-Golay平滑和小波平滑等，本文選擇9點(diǎn)加權(quán)平滑對(duì)光譜進(jìn)行去噪[16]。

1.3.2光譜特征的獲取 在地面光譜的分析基礎(chǔ)上，采用691 nm與781 nm兩波段相對(duì)反射率來(lái)計(jì)算光譜指數(shù)NDVI、DVI和VI，公式如下：

NDVI=(R781-R691)/(R781+R691)

DVI=R781-R691

VI=R691/R781

對(duì)于本研究的紅邊斜率采用紅邊范圍一階微分最大值近似代替。

1.3.3一階微分處理 不同階數(shù)微分值可以快速確定光譜的拐點(diǎn)及最大、最小反射率的位置，常用于減少土壤背景值影響，特別對(duì)于荒漠草地，植被稀疏，受土壤背景影響大，因而不同階數(shù)微分處理在荒漠植被光譜研究中較有效。本研究采用光譜的差分來(lái)近似一階微分[18]，公式如下：

R′(λi)=[R(λi+1)-R(λi-1)]/2Δλ

式中，λi為inm波段的波長(zhǎng)，R(λi-1)為波長(zhǎng)λi-1處的植物光譜反射率，R(λi+1)為波長(zhǎng)λi+1處的植物光譜反射率，Δλ是波長(zhǎng)λi+1到波長(zhǎng)λi的間隔，R′(λi)為反射率在λi的一階微分。

數(shù)據(jù)的整理、平滑及一階微分在Excel中完成，繪圖在Origin8.0、Excel中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同封育年限下群落數(shù)量特征變化

對(duì)群落的高度、蓋度、密度和生物量特征隨封育年限的變化進(jìn)行分析，如圖1。

由圖1可知，隨著封育年限的增加群落的數(shù)量指標(biāo)呈不同的變化趨勢(shì)，群落平均高度呈先降后升的趨勢(shì)，對(duì)平均高度進(jìn)行回歸發(fā)現(xiàn)，群落平均高度在封育第3年達(dá)到最低值；而群落蓋度、密度和地上生物量都呈先增加后降低的趨勢(shì)，分別在封育第4年、5年、4—5年左右達(dá)到最大值，表明封育5年左右，群落達(dá)到較好狀態(tài)。

2.2 不同封育年限下群落光譜指數(shù)的變化

對(duì)群落光譜指數(shù)隨封育年限的變化進(jìn)行分析，如圖2。

圖1 不同封育年限下群落數(shù)量特征變化Fig. 1 Changes in community quantity characteristics in different fencing time

圖2 不同封育年限下群落光譜指數(shù)的變化Fig.2 Changes of the spectral indices of community in different fencing time

由圖2可知，不同光譜指數(shù)具有不同的變化趨勢(shì)，其中歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、差值植被指數(shù)(difference vegetation index，DVI)及紅邊斜率均呈先增加后降低的趨勢(shì)，而比值植被指數(shù)(vegetation index，VI)呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，但其指示意義一致，即群落植被生長(zhǎng)狀況隨封育時(shí)間增加先改善后惡化。不同的光譜指數(shù)達(dá)到最優(yōu)的年限不一致，NDVI、DVI、VI及紅邊斜率達(dá)到最大值年限依次為6.36年、4.81年、6.27年和4.87年，即在4—6年左右，與前面群落蓋度、密度及地上生物量最優(yōu)值年限基本一致，四種光譜指數(shù)對(duì)封育梯度的回歸均具有顯著性，其中NDVI回歸系數(shù)最高，故只選取NDVI進(jìn)行相關(guān)性分析。

2.3 群落數(shù)量特征與NDVI相關(guān)性分析

以上研究表明，群落的數(shù)量指標(biāo)、地面光譜指數(shù)與封育年限間均具有顯著的回歸關(guān)系，故進(jìn)一步探討群落數(shù)量各指標(biāo)和NDVI之間的相關(guān)性，如圖3，從而驗(yàn)證運(yùn)用光譜指數(shù)進(jìn)行封育年限判定的可行性，同時(shí)可用于監(jiān)測(cè)草地的恢復(fù)狀況。

圖3 群落的數(shù)量指標(biāo)與NDVI的相關(guān)性Fig.3 Correlation between community quantity indices and NDVI

由于群落高度從側(cè)面可以反應(yīng)群落的生長(zhǎng)情況，一般來(lái)說(shuō)，群落平均高度越高，群落生長(zhǎng)狀況越好，NDVI值越大。由圖3可知，群落的平均高度與NDVI之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，R2=0.22。

群落的蓋度越大反應(yīng)群落植被的生長(zhǎng)狀況越好。由圖3可知，群落的蓋度隨NDVI增加而增加，蓋度與NDVI間呈極顯著的對(duì)數(shù)相關(guān)性(P<0.01)，R2=0.48。

NDVI能反應(yīng)植物的生物量的大小，NDVI越大，表明群落葉綠素含量越高，植物長(zhǎng)勢(shì)越好。由圖3可知，地上生物量與NDVI間具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，R2=0.58。

由圖3可知，群落的密度與NDVI無(wú)相關(guān)性，由于NDVI主要反映紅外與近紅外波段間吸收率與反射率的差異，群落生長(zhǎng)狀況越好，兩者差異越大。一般來(lái)說(shuō)，群落密度增大，群落的植被狀況越好，但伊犁絹蒿荒漠草地物種間的密度差異很大，可相差一個(gè)甚至多個(gè)數(shù)量級(jí)，故光譜及光譜指數(shù)并不能很好的反映荒漠草地群落的密度狀況。

2.4 不同封育年限下特征植物NDVI動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)群落光譜特征分析了利用光譜指數(shù)判別適宜封育年限的可行性，進(jìn)一步分析草地3個(gè)層片中的特征植物，從單種植物光譜指數(shù)對(duì)封育年限的響應(yīng)角度進(jìn)行判斷，將3種特征植物的NDVI與封育年限進(jìn)行回歸曲線擬合，如圖4。

圖4 不同封育年限下特征植物光譜指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of spectral index of typical plants in different fencing time

由圖4可知，隨著封育年限的增加，群落中不同植物的NDVI變化趨勢(shì)不一，其中伊犁絹蒿及澀芥的NDVI呈先增加后降低的趨勢(shì)，達(dá)到最大值的封育年限為5.37年、5.92年；而叉毛蓬的NDVI呈先降低后升高的趨勢(shì)，達(dá)到最低值的封育年限為5.51年。均在5年左右達(dá)到極值，與群落的蓋度、密度及生物量達(dá)到極值年限基本一致，同時(shí)與群落的光譜指數(shù)的極值年限也基本一致。

3 討論

圍欄封育是草地修復(fù)的重要方式，排除放牧干擾，使得草地通過(guò)自我修復(fù)來(lái)逐漸提高草地的產(chǎn)量與質(zhì)量。本研究表明群落平均高度在封育初期具有一個(gè)降低過(guò)程，可能是由于封育初期競(jìng)爭(zhēng)壓力小，群落物種數(shù)增加，增加的物種多為類短命及一年生植物，因而群落的平均高度有所降低，隨后由于種間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致一年生及類短命植物的退出及多年生植物增多，群落高度增加。多年生半灌木相對(duì)于一年生及類短命植物競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，隨著封育年限的增加，多年生半灌木占據(jù)越來(lái)越大的生存空間，種間競(jìng)爭(zhēng)增大，在各物種間競(jìng)爭(zhēng)力最大時(shí)，群落蓋度、密度及生物量達(dá)到最大值。本研究中，群落的蓋度、密度及地上生物量均呈先增加后降低的趨勢(shì)，在5年左右達(dá)到最大值。由于荒漠生境條件惡劣，故群落的蓋度、生物量達(dá)到一定程度后就受水分條件所制約，因此封育多年以后半灌木伊犁絹蒿開(kāi)始木質(zhì)化，生殖投資增大[19]，葉量降低，故蓋度降低，且地上生物量降低。

植被指數(shù)基于紅光及近紅外波段植被對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與反射率來(lái)進(jìn)行構(gòu)造，用于反映植物的生長(zhǎng)狀況、健康狀況，主要受植物葉綠素、群落蓋度及冠層結(jié)構(gòu)的影響，可進(jìn)行群落生物量、葉面積及葉綠素的反演。本研究發(fā)現(xiàn)，群落的光譜指數(shù)呈現(xiàn)隨封育年限的增加先增加后降低的趨勢(shì)，表明群落狀況先改善后變劣。在特征植物方面，靳瑰麗等[20]認(rèn)為不同層片的植物對(duì)不同的放牧強(qiáng)度的響應(yīng)不一。本研究中隨著封育年限的增加，不同特征植物的光譜指數(shù)變化趨勢(shì)不同，其中伊犁絹蒿與澀芥與群落光譜指數(shù)變化相一致。伊犁絹蒿的光譜指數(shù)的變化主要受其生長(zhǎng)規(guī)律的影響，封育初期主要進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)繁殖，葉綠素含量增加，封育后期加大生殖投資，葉綠素含量降低；澀芥是短命植物，在草地恢復(fù)初期生長(zhǎng)旺盛，恢復(fù)后期受種間競(jìng)爭(zhēng)的影響，生長(zhǎng)受到抑制，因此其光譜指數(shù)的變化與伊犁絹蒿的相同；叉毛蓬屬于退化草地的增加種，當(dāng)草地恢復(fù)初期，伊犁絹蒿的高度、蓋度等的增加限制了叉毛蓬的生長(zhǎng)，因此其光譜指數(shù)的變化與伊犁絹蒿的相反。

草地生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)循環(huán)更新的物質(zhì)系統(tǒng)，在圍封一定年限后由于枯落物的堆積，阻礙土壤呼吸與水分循環(huán)，不利于牧草的正常生長(zhǎng)和發(fā)育，在可持續(xù)利用的原則下，草地圍封不應(yīng)是無(wú)限期的。因此，需要根據(jù)草地恢復(fù)狀況，確定合理的封育年限，并加以適當(dāng)利用，使得草地生態(tài)系統(tǒng)的繁殖更新及能量流動(dòng)保持良好狀態(tài)，達(dá)到草地生態(tài)系統(tǒng)平衡的狀態(tài)[21]。本研究中伊犁絹蒿是群落的建群種，其NDVI與封育年限所做擬合曲線與群落趨勢(shì)一致，證明了通過(guò)群落光譜對(duì)封育年限進(jìn)行判定的可靠性，同時(shí)，群落的數(shù)量指標(biāo)、群落光譜指數(shù)及特征植物的NDVI均在5年左右達(dá)到極值，表明通過(guò)群落光譜指數(shù)及特征植物光譜指數(shù)對(duì)伊犁絹蒿荒漠草地恢復(fù)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性，以5年為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)放牧利用，有利于清理枯落物，加快草地更新速度。

4 結(jié)論

草地在進(jìn)行圍欄封育后，草地群落數(shù)量指標(biāo)隨著封育年限增加，草地生產(chǎn)力及草地質(zhì)量得到恢復(fù)。通過(guò)群落數(shù)量指標(biāo)、群落光譜指數(shù)和特征植物的NDVI與封育年限的回歸分析，表明5年左右草地群落達(dá)到最大蓋度及地上生物量，且處于群落中物種生長(zhǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)，特別是對(duì)于伊犁絹蒿，若此時(shí)加以適度利用，可防止木質(zhì)化，促進(jìn)繁殖更新。