蒙古櫟展葉盛期變化的光譜特征及其影響因素研究

張世雅， 呂曉敏， 周廣勝,任鴻瑞

1. 太原理工大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系， 山西 太原 030024 2. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站， 北京 100081 3. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院鄭州大學(xué)生態(tài)氣象聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001 4. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210044

引 言

全球氣溫變暖已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)， 大氣氮沉降也是全球變化重大問(wèn)題之一。 溫度、 光照和氮作為植被生長(zhǎng)過(guò)程中的必需條件， 無(wú)疑會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生巨大的影響。 因此， 研究多環(huán)境因子交互作用對(duì)植物的影響尤為重要。

植被有獨(dú)特的光譜反射特征， 區(qū)別于土壤、 水體和典型地物， 是由其化學(xué)特征和形態(tài)學(xué)特征共同決定的， 與植被的空間結(jié)構(gòu)、 覆蓋度、 生物量等密切相關(guān)， 能夠反映植被的發(fā)育、 健康狀況以及生長(zhǎng)條件。 通過(guò)植被的光譜反射率可以分析植被關(guān)鍵物候期的葉綠素含量和長(zhǎng)勢(shì)情況。 研究表明， 高光譜技術(shù)可用于提取作物生態(tài)物理參數(shù)， 能夠準(zhǔn)確、 方便地獲取葉綠素含量等農(nóng)學(xué)信息[1-2]； 同一植被冠層光譜反射受植被葉綠素含量及長(zhǎng)勢(shì)影響明顯[3]。

蒙古櫟(Quercusmongolica)是殼斗科櫟屬落葉喬木， 主要分布在中國(guó)東北、 華北、 西北各地， 是中國(guó)東北林區(qū)中主要的次生林樹(shù)種， 對(duì)森林群落的演替和發(fā)展具有重要意義[4]。 隨著全球氣候變暖， 蒙古櫟具有成為東北森林最主要樹(shù)種的趨勢(shì)[5]， 而東北原始闊葉紅松林是溫帶地帶性頂極植被， 對(duì)全球變化的研究具有顯著的區(qū)域特性[4]。 研究表明， 適度的增溫有利于蒙古櫟幼苗的生長(zhǎng)， 增溫4℃對(duì)幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最大[6]； 葉綠素含量受氮素水平影響顯著， 高氮素水平下的葉綠素含量明顯高于正常氮素水平和不施氮[7]。 盡管關(guān)于溫度和氮素變化對(duì)蒙古櫟的影響研究已經(jīng)很多， 然而溫度、 光照和氮添加交互作用對(duì)蒙古櫟關(guān)鍵物候期的影響仍未見(jiàn)報(bào)道， 尤其是基于光譜特征的蒙古櫟主要物候期生長(zhǎng)變化的研究。 研究采用大型人工氣候室模擬控制實(shí)驗(yàn)的方法， 分析蒙古櫟展葉盛期冠層光譜反射率對(duì)不同光照、 增溫、 氮添加及其交互作用的響應(yīng)差異， 旨在為植被變化的遙感監(jiān)測(cè)與影響因素分析提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站， 蒙古櫟幼苗物候模擬試驗(yàn)為4～10月。 模擬試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)溫度、 3個(gè)光周期和2個(gè)氮沉降的交互處理， 共18個(gè)處理， 每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。 其中， (1)3個(gè)溫度處理： 對(duì)照溫度(T1， 黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣蒙古櫟幼苗生長(zhǎng)季相應(yīng)月份近30年的平均氣溫)、 增溫1.5 ℃(T2)和增溫2.0 ℃(T3)； (2)3個(gè)光周期處理： 長(zhǎng)光周期處理(L1， 光照長(zhǎng)度18 h)、 對(duì)照光周期(L2， 拜泉縣蒙古櫟生長(zhǎng)季的平均光照長(zhǎng)度14 h)、 短光周期處理(L3， 光照長(zhǎng)度10 h)； (3)2個(gè)氮沉降處理： 尿素施用量+0.0%(N1， 0 g N·m-2·a-1)、 尿素施用量+100.0%(N3， 10 g N·m-2·a-1)。

1.2 光譜測(cè)定

利用FieldSpec Pro FR 2500型背掛式野外高光譜輻射儀(美國(guó)ASD公司生產(chǎn))測(cè)定蒙古櫟展葉盛期光譜。 每個(gè)處理每次測(cè)定5條曲線， 3次重復(fù)， 測(cè)定兩次， 共計(jì)30條曲線。 該處理的冠層光譜反射值是30次測(cè)量的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用ViewSpecPro進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 將原始asd格式轉(zhuǎn)換為Excel可用的txt格式后利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

植被的光譜反射曲線大于1 100 nm范圍主要是水的強(qiáng)吸收帶， 故截取350～1 100 nm波段范圍內(nèi)的反射曲線進(jìn)行處理分析。 同時(shí)， 引入光譜反射曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線[8]

式(1)中， λi為波段i波長(zhǎng)值； ρ(λi)為波長(zhǎng)λi的光譜反射率值； ρ′(λi)為波段i的一階微分值。 再?gòu)囊浑A導(dǎo)數(shù)曲線中提取紅邊參數(shù)， 其中常用的紅邊參數(shù)有： (1)紅邊斜率： 680～750nm波段內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜的最大值； (2)紅邊位置： 680～750nm波段范圍內(nèi)階一導(dǎo)數(shù)光譜最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)； (3)紅邊面積： 680～750nm之間的一階導(dǎo)數(shù)光譜所包圍的面積[9]。 選取3個(gè)常用的光譜指數(shù)NDVI(歸一化植被指數(shù))、ChlNDI(歸一化葉綠素指數(shù))和PRI(光化學(xué)反射指數(shù))作輔助分析[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)光周期下溫度和氮沉降及其交互作用的影響

不施氮(N1)處理中， 在可見(jiàn)光波段， 對(duì)照溫度(T1)、 增溫2 ℃(T3)波谷處的光譜反射率較為接近， 增溫1.5 ℃(T2)最低[圖1(a)]， 說(shuō)明T2葉綠素含量高于T1和T3； 而T1的一階導(dǎo)數(shù)光譜峰值最大[圖1(b)]且紅邊斜率最大(表1)， 說(shuō)明其覆蓋度最大， 但紅邊位置波長(zhǎng)最小， 同樣表明葉綠素含量最低。T3在近紅外波段反射率最高，T2最低， 同時(shí)，T2紅邊斜率和面積均最小，T3則紅邊面積最大， 就長(zhǎng)勢(shì)來(lái)說(shuō)，T3優(yōu)于T1， 優(yōu)于T2。 施氮處理(N3)可見(jiàn)光波段的規(guī)律與不施氮保持一致，T2葉綠素含量最低， 其NDVI、ChlNDI值也最大； 而在近紅外波段，T2光譜反射率同樣為最低， 但T1要高于T3。 從一階導(dǎo)數(shù)光譜來(lái)看，T2葉綠素含量最低， 然而T1長(zhǎng)勢(shì)最好。

表1 長(zhǎng)光周期處理下蒙古櫟冠層光譜指數(shù)和紅邊參數(shù)Table 1 Canopy spectral indexesandred edge parameters of Quercus mongolica under long photoperiod treatments

圖1 長(zhǎng)光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導(dǎo)數(shù)光譜(b)對(duì)比Fig.1 Comparisons of spectral reflectance (a) and first derivative spectra (b) ofQuercus mongolica canopy under long photoperiod treatments

T1處理下， N3的光譜反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)更低， 而在近紅外波段更高， 說(shuō)明N3處理葉綠素含量高且長(zhǎng)勢(shì)好； T2處理下， 施氮處理的光譜反射率在整個(gè)波段范圍內(nèi)都更低， 表明N3葉綠素含量高但長(zhǎng)勢(shì)差； T3處理的結(jié)果與T2處理完全相同， 光譜指數(shù)也與反射率結(jié)果一致。 而一階導(dǎo)數(shù)光譜沒(méi)有表現(xiàn)出統(tǒng)一規(guī)律。

T2L1N3處理的光譜反射率最低， 說(shuō)明長(zhǎng)光周期下， 增溫1.5 ℃施氮處理的葉綠素含量最高但長(zhǎng)勢(shì)最差。 T1L1N1處理葉綠素含量最低， 而T1L1N3處理長(zhǎng)勢(shì)最好， 說(shuō)明長(zhǎng)光周期下， 對(duì)照溫度(T1)最有利于蒙古櫟生長(zhǎng)。

2.2 對(duì)照光周期下溫度和氮沉降及其交互作用的影響

不施氮(N1)處理中， 在可見(jiàn)光波段， 增溫1.5 ℃處理(T2)、 增溫2.0 ℃處理(T3)下蒙古櫟展葉盛期的光譜反射率比較接近， 對(duì)照溫度(T1)的光譜反射率明顯高于T2和T3[圖2(a)]， 說(shuō)明T2和T3的葉綠素含量無(wú)明顯差異且高于T1。 近紅外波段， T3反射率最低， 因此長(zhǎng)勢(shì)最差， T1和T2沒(méi)有明顯差異。 T2一階導(dǎo)數(shù)光譜有最大峰值[圖2(b)]及最大的紅邊斜率和紅邊面積(表2)， 表明該處理長(zhǎng)勢(shì)最好， 而T3略差。 施氮處理(N3)中， 不同溫度處理下可見(jiàn)光波段的光譜反射率與N1處理保持一致， NDVI和Chl NDI的值也表現(xiàn)為T1最低， 但T3要略高于T2； 而從近紅外波段的反射率來(lái)看， T3長(zhǎng)勢(shì)最好， T2最差， 與PRI及一階導(dǎo)數(shù)光譜的結(jié)果一致。

表2 對(duì)照光周期處理下蒙古櫟冠層光譜指數(shù)和紅邊參數(shù)Table 2 Canopy spectral indexesand red edge parameters of Quercus mongolica under controlled photoperiod treatments

圖2 對(duì)照光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導(dǎo)數(shù)光譜(b)對(duì)比Fig.2 Comparisons of spectral reflectanceand (a) first derivative spectra (b) of Quercus mongolicacanopy under controlled photoperiod treatments

在T1處理下， N3下蒙古櫟展葉盛期在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反射率更低， NDVI和Chl NDI值更大， 說(shuō)明N3蒙古櫟的葉綠素含量高于N1； T2下， N3反射率略低于N1， 說(shuō)明N3葉綠素含量略高， 然而NDVI和Chl NDI的卻表現(xiàn)出相反結(jié)果， 不過(guò)差異很??； T3下， N3和N1反射率看不出明顯差異， NDVI和Chl NDI值均只有0.003左右的差距。 在T2條件下， N1和N3差異最大， N1紅邊斜率和紅邊面積都大于N3， 說(shuō)明N1長(zhǎng)勢(shì)較好； T1結(jié)論與T2一致， T3則相反。

T1L2N1處理在可見(jiàn)光波段光譜反射率最高， NDVI和Chl NDI值最低， 說(shuō)明在對(duì)照光周期下對(duì)照溫度不施氮處理的葉綠素含量最低； T2L2N1， T3L2N1和T3L2N3三個(gè)處理可見(jiàn)光波段的光譜反射率較為接近， 也有著較大的NDVI和Chl NDI值， 說(shuō)明T2N1處理及T3處理的葉綠素含量高。 同時(shí)， T2N1處理長(zhǎng)勢(shì)最佳， 而T2N3處理長(zhǎng)勢(shì)最差。

2.3 短光周期下溫度和氮沉降及其交互作用的影響

不施氮(N1)處理下， 可見(jiàn)光波段的波谷處， 增溫1.5 ℃(T2)處理的反射率最小， 增溫2.0 ℃(T3)其次， 對(duì)照溫度(T1)最大[圖3(a)]， 葉綠素含量T2>T3>T1， NDVI值也印證了這一點(diǎn) (表3)； 在近紅外波段， T2反射率最高， 說(shuō)明T2長(zhǎng)勢(shì)最好， T1和T3長(zhǎng)勢(shì)無(wú)明顯差異。 在施氮(N3)處理下， 可見(jiàn)光波段的波谷處， T2和T3處理的反射率比較接近， T1處理最高， 即T2和T3葉綠素含量差異不大， T1處理葉綠素含量最低， NDVI值也表現(xiàn)為T1處理最小， 但T3處理要大于T2處理； 在750～1 100 nm范圍內(nèi)， T3處理光譜反射率最高， T2處理最低， 且T2處理一階導(dǎo)數(shù)光譜峰值最小[圖3(b)]且紅邊參數(shù)最小， T3處理則峰值最大且紅邊參數(shù)最大， 即T3處理長(zhǎng)勢(shì)最好， T2處理最差， 但是長(zhǎng)勢(shì)差異不大。

圖3 短光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導(dǎo)數(shù)光譜對(duì)比(b)Fig.3 Comparisons of spectral reflectance (a) and first derivative spectra (b) ofQuercus mongolica canopy under short photoperiod treatments

表3 短光周期處理下蒙古櫟冠層光譜指數(shù)和紅邊參數(shù)Table 3 Canopy spectral indexes of Quercus mongolica and red edge parameters under short photoperiod treatments

在T1及T3處理下， N3在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反射率更低， 說(shuō)明N3的葉綠素含量高于N1， NDVI和Chl NDI也表現(xiàn)出同樣的結(jié)果； T2條件下， N3反射率與N1接近， 然而N1的NDVI和Chl NDI值要大于N3。 就長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看， T1處理下長(zhǎng)勢(shì)無(wú)統(tǒng)一結(jié)論， 而T2和T3處理下N1長(zhǎng)勢(shì)略好。 一階導(dǎo)數(shù)光譜則表現(xiàn)為T1和T3處理下N3長(zhǎng)勢(shì)略優(yōu)于N1， T2處理則相反。

T1L3N1在可見(jiàn)光波段內(nèi)的波谷處有最高的光譜反射率， 且NDVI值最小， 因此其葉綠素含量最低， 即短光周期下對(duì)照溫度不施氮會(huì)抑制蒙古櫟合成葉綠素； T3L3N3光譜反射率在可見(jiàn)光波段內(nèi)最低， 而在紅外波段和大多數(shù)處理較為接近， 說(shuō)明， 短光周期下增溫2 ℃且施氮肥最有利于蒙古櫟合成葉綠素， 但對(duì)于長(zhǎng)勢(shì)沒(méi)有促進(jìn)。 T2L3N3處理長(zhǎng)勢(shì)最差， T2L3N1處理長(zhǎng)勢(shì)最好， 與對(duì)照光周期結(jié)論一致。

文中通過(guò)光譜反射率對(duì)比蒙古櫟展葉盛期的葉綠素含量和長(zhǎng)勢(shì)， 以分析不同控制條件對(duì)蒙古櫟生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

不同光周期處理在350～680 nm波段內(nèi)的光譜反射率沒(méi)有體現(xiàn)出明顯差異， 表明光周期對(duì)蒙古櫟葉綠素的合成沒(méi)有顯著的影響； 而在750～1 100 nm波段的反射率差異規(guī)律不一致， 說(shuō)明光周期對(duì)蒙古櫟長(zhǎng)勢(shì)也沒(méi)有明顯影響。

溫度對(duì)比中， 相同光周期和施氮量處理下， 不同溫度處理的光譜反射率在350～1 100 nm范圍內(nèi)， T1處理反射率最高， 葉綠素含量最低， 說(shuō)明增溫(相對(duì)于拜泉縣溫度)有利于蒙古櫟合成葉綠素， 但是溫度過(guò)高也有可能會(huì)造成一定的抑制。 由于實(shí)驗(yàn)設(shè)置的溫度梯度差異不大， 因此合適的增溫溫度無(wú)法確定。 在750～1 100 nm波段， 不同溫度處理的反射率差異規(guī)律不一致， 可能是由于溫度沒(méi)有超過(guò)植物耐受力， 并未對(duì)植物細(xì)胞造成損傷， 因此各個(gè)處理長(zhǎng)勢(shì)上沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分。

施氮對(duì)比中， N3處理可見(jiàn)光波段的光譜反射率更低， 葉綠素含量更高， 由此說(shuō)明缺氮會(huì)抑制葉綠素的合成； 而N1處理長(zhǎng)勢(shì)更好， 說(shuō)明缺氮并不會(huì)影響植物長(zhǎng)勢(shì)， 甚至施100%氮會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)變?nèi)酢?在750～1 100 nm波段， N1對(duì)近紅外線反射更強(qiáng)， 說(shuō)明N1處理后生物量、 葉面積指數(shù)更大； 但差值之間還存在差異， 最小只有0.34%， 而最大達(dá)到13.21%， 這是不同處理的溫度和光周期不同導(dǎo)致的； 大部分處理紅邊斜率和紅邊面積的對(duì)比結(jié)果一致， 均是N1處理較大， 由此可知不施氮的植物反而長(zhǎng)勢(shì)更好， 光譜反射率更不容易受土壤背景影響。

溫度和氮沉降的交互作用在對(duì)照光周期和短光周期下表現(xiàn)出一致規(guī)律， 即升溫2 ℃且施氮的光譜反射率在可見(jiàn)光波段最低， 升溫1.5 ℃且施氮的一階導(dǎo)數(shù)光譜值和紅邊參數(shù)最小， 說(shuō)明升溫且施氮會(huì)促進(jìn)蒙古櫟葉綠素的合成， 同時(shí)抑制其長(zhǎng)勢(shì)。 這一結(jié)論與單因子作用的結(jié)論統(tǒng)一。

聯(lián)合國(guó)氣候會(huì)議宣布巴黎公約的目標(biāo)是在本世紀(jì)末將全球氣候變暖限制在2 ℃以內(nèi)， 據(jù)研究， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合升溫2 ℃的限制。 在2 ℃的限制內(nèi)， 蒙古櫟不會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制， 并能更好地生成葉綠素。 由于我國(guó)是全球三大氮沉降集中區(qū)之一， 培育蒙古櫟幼苗的土壤中可能本身有一定氮含量， 因此本實(shí)驗(yàn)中不施氮處理也并非完全不含氮， 而施100%氮可能導(dǎo)致土壤氮含量過(guò)高， 這也符合大氣氮沉降的增加的全球環(huán)境。

3 結(jié) 論

研究以大型人工氣候室模擬實(shí)驗(yàn)資料， 采取高光譜遙感的方法， 分析研究了增溫、 光周期、 氮沉降及其協(xié)同作用對(duì)蒙古櫟展葉盛期光譜反射率及一階導(dǎo)數(shù)光譜影響的差異， 比較了不同環(huán)境變化下蒙古櫟展葉盛期的葉綠素含量和長(zhǎng)勢(shì)變化。 主要結(jié)論： (1)光周期對(duì)蒙古櫟冠層光譜反射率沒(méi)有明顯影響， 即不同光周期不會(huì)導(dǎo)致蒙古櫟葉綠素含量和長(zhǎng)勢(shì)的差異； (2)增溫會(huì)減小蒙古櫟在可見(jiàn)光波段的光譜反射率， 意味著增溫有利于蒙古櫟合成葉綠素； (3)施氮處理的光譜反射率在可見(jiàn)光波段要低于不施氮處理， 而近紅外波段正好相反， 表明施氮也有利于蒙古櫟合成葉綠素， 但是會(huì)抑制蒙古櫟的生長(zhǎng)， 不施氮處理的蒙古櫟長(zhǎng)勢(shì)更優(yōu)； (4)兩個(gè)光周期下， 增溫2 ℃且施氮處理的蒙古櫟葉綠素含量最高， 增溫1.5 ℃且施氮處理的蒙古櫟長(zhǎng)勢(shì)最差， 說(shuō)明增溫且施氮的交互作用對(duì)蒙古櫟合成葉綠素有促進(jìn)作用， 但會(huì)導(dǎo)致蒙古櫟長(zhǎng)勢(shì)變差； (5)通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)光譜能夠能更清晰地看出植物的紅邊特征， 有助于比較植物長(zhǎng)勢(shì)。