干旱、半干旱区生物土壤结皮遥感光谱研究进展

第２８卷，第８期２００８年８月

光谱学与光谱分析

ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ

ｖ０１．２８，№．８，ＰＩｅｌｌ８４２－１８４５

Ａｕｇｕｓｔ，２００８

干旱、半干旱区生物土壤结皮遥感光谱研究进展

房世波１，刘华杰２，张新时３，董

鸣３，刘建栋¨

１．中国气象科学研究院生态环境与农业气象研究所，北京１０００８１２．河北大学生命科学学院．河北石家庄０７１００２３．中国科学院植物研究所生态中心，北京１０００９３

摘要介绍了生物土壤结皮遥感光谱特性和遥感监测方法研究进展。主要论述了生物土壤结皮光谱的变异性与土壤水分的关系，分析了生物结皮对区域植被遥感解译的影响。干湿生物结皮的光谱差异以及土壤浅表层水分的更替会造成植被动态的错误解译和生态系统生产力的过高估计，经研究得出，１００％盖度的干湿苔藓结皮ＮＤＶＩ之差大约０．３５（干苔藓结皮０．３０，而湿苔藓结皮０．６５），１００％盖度干湿藻类结皮ＮＤＶＩ之差大约０．１５（干藻类结皮０．１５，而湿藻类结皮０．３０），最大值合成法（ｍａｘ

ｖａｌｕｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ＭＶＣ）会使分

布有相当盖度的苔藓结皮的区域的ＮＤＶＩ求解受降水的影响很大，会造成该区域短时间内ＮＤＶＩ不稳定性，而影响植被动态解译。综合国内外研究认为，生物结皮研究中，除了考虑不同土壤水分下生物结皮的光谱外，还应考虑生物结皮光谱的季节差异。

关键词生物土壤结皮；遥感；光谱；苔藓；地衣中图分类号：ＴＰ７９。Ｓ１５４．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－０５９３（２００８）０８—１８４２—０４

结皮盖度和分布，遥感技术成为必要的技术手段。

引言

所谓生物土壤结皮主要是由不同种类的苔藓、地衣、地

由于生物结皮在遇水恢复新陈代谢活动时，其反射特性与高等植物的反射特性相似，所以生物结皮的存在会造成植被动态的错误解译和生态系统生产力的过高估计［１ｈ１２］，从而影响对旱地生态系统状况的正确判断。因此如何从反射光谱的角度来区分生物结皮和高等植物也就成为进行遥感监测之前需要重点研究的问题。

钱、藻类、真菌、蓝藻以及细菌等组成，生物成分与土壤相互作用所形成的一个复合层次［１｛］。生物结皮按其主要生物构成可分为藻类结皮、地衣结皮和苔藓结皮［６．７］。本文采用“生物土壤结皮”，简称“生物结皮”。

在干旱、半干旱区，生物结皮是支撑沙地生态系统和荒漠生态系统的主要的生物表面特征，生物结皮的出现和发展指示了流动沙地向固定和半固定沙地转化的重要阶段，其时空变化可揭示干旱、半干旱区生态环境的演变趋势及其对全球变化的响应规律［３］，生物结皮在这一地区的发育及其演变可作为荒漠化发生、发展和逆转的景观特征之一和指示生物［１一］。因此常被作为生态系统稳定和退化生态系统恢复评价的重要指标之一［孔引，其中的苔藓结皮可以作为气候变化的指示植物［９３；考虑到结皮对生态系统的各方面影响，在评价过程中通常采用的量化指标是结皮层的盖度和组成变化［１引，搞清楚生物结皮的组成和分布对于现有荒漠生态系统的评价和恢复具有重要的科学意义。而要搞清楚区域生物

收稿日期：２００８－０１－０６．修订日期：２００８－０３－０２

基金项目：国家自然科学基金项目（３０７００１０７，４０５７５０５７）资助

生物结皮遥感高光谱研究

国内外的一些研究人员，近年来从遥感光谱学的角度对生物土壤结皮进行了研究，Ｋａｒｎｉｅｌｉ的研究组研究了以色列半干旱区的生物土壤结皮的植被光谱［１１－１７］。Ｚｈａｎｇ等研究了地衣结皮生长良好状态（水分充足）时的光谱特征［１８１，Ｓｏｌ－ｈｅｉｍ等研究地衣和苔藓干状态的遥感光谱的方向性，得出苔藓结皮在可见光波段有增强的后向反射，在近红外波段有强烈的后向反射［１引。Ｃｈｅｎ等研究了中国新疆古尔班通沙漠南缘的地衣结皮的地面光谱特征，并根据提出的生物结皮指数

（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｉｌ

ｃｒｕｓｔ

ｉｎｄｅｘ，ＢＳＣＩ）利用ＥＴＭ＋数据进行了研

究区结皮盖度信息的提取啪’２１１，近期，陈晋［２２］等又提出用

作者简介：房世波，１９７４年生，中国气象科学研究院生态环境与农业气象研究所助理研究员

＊通讯联系人

ｅ－ｍａｉｌ：ｓｂｆａｎ９０１１０＠１６３．咖

ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｄ２００１＠ｈｏｔｍａｉｌ．００１１１

第８期

光谱学与光谱分析

１８４３

连续统去除技术估算地衣结皮盖度。Ｋａｒｎｉｅｌｉ在对比了不同组成的生物结皮光谱曲线和分析结皮中藻胆素（Ｐｈｙｅｏｂｉｌｉｎ）对蓝光的影响后，发展了一个以红光波段和蓝光波段为基础的结皮指数（Ｃｒｕｓｔｉｎｄｅｘ），ＣＩ＝１一（Ｒｅｄ—Ｂｌｕｅ）／（Ｒｅｄ＋Ｂｌｕｅ）ｃ”］。我国学者采用傅里叶变换红外光谱技术（ＦＴＩＲ）对苔藓的红外光谱特征进行了研究，认为结合合适的数学算法能进行藓类植物系统分类［２３Ⅲ］，但ＦＴＩＲ技术多限于生物材料的研究，不能直接用来指导航空和航天遥感技术。

以上对生物结皮光谱特征或结皮指数的分析均是基于结皮的光谱特性，这些研究对区域的生物结皮遥感解译和结皮分布制图具有重要的意义。然而，这些研究对结皮的生物学特性，尤其对生物结皮属于变水植物的特性考虑太少，且很多研究仅仅通过测定生物结皮的光谱特征、或比较生物结皮与其他地物的光谱特征的差异来构建研究方法［１¨１｜。由于干旱与半干旱区的土壤表层的干湿交替的频率和时间长短跟具体的区域地貌有关［２“，所以不同地貌条件下的生物结皮在同一时间具有不同的水分状况，而干湿生物结皮的光谱又存在很大差异，所以仅通过分析某一水分状态下的生物结皮的光谱与其他地物光谱的异同来进行遥感解译和遥感解译方法构建，很容易导致区域尺度的遥感植被解译错误［１ｈ

１２Ｊ。

２生物结皮遥感光谱与土壤水分的关系

２．１土壤水分对生物结皮光谱的影响

各类生物结皮都属于变水植物（Ｐｏｉｋｉｌｏｈｙｄｒｉｅ），在干旱和半干旱区，其适应间断的可用水分的能力很强。生物结皮不象维管植物需要一定数量的水分和一定的季节才能处于正常的新陈代谢，即使很少的水分也能启动生物结皮的正常新陈代谢活动，多数生物结皮即使在１ＩＴｌｌ＇ｎ的降水条件下也能迅速恢复新陈代谢［弱 驯，所以不确定性降水和季节性周期降水决定了生物结皮的活化程度［勰］。当环境干旱时，它们迅速失水而呈干燥状态；当环境变湿时，它们可迅速吸水而恢复正常的生理代谢活动。国内外研究中仅见ＫａｍｉｅｌｉＬｌｌ’１２］，ＯＮｅｉｌｌＬ嚣３和ＲｅｅｓＥ蜘考虑到了干湿生物结皮光谱特性的差异：ＯＮｅｉｌｌ研究了澳大利亚东部半干旱区的生物土壤结皮的光合作用和光谱特征，研究得出生物结皮变湿１０ｒａｉｎ后就可以有强的光合作用，也相应产生了叶绿素的光谱吸收特征，提出在区域生物结皮遥感解译时应该考虑土壤水分对生物结皮的影响；Ｋａｒｎｉｅｌｉ研究了不同种类生物结皮（地衣结皮、苔藓结皮、藻类结皮）干、湿状态的ＮＤＶＩ，得出苔藓结皮的干、湿状态的ＮＤＶＩ差异最大，干、湿苔藓结皮之差大约为０．２～ｏ．３；近期Ｒｅｅｓ等研究了地衣岩石结皮和地衣土壤结皮的光谱特性，并对比了干湿条件下的地衣结皮的光谱变化，发现地衣结皮的的水分吸收在１４５０～１

９００衄。

ＫａｍｉｅｉＥｌｌ’１幻研究指出在半干旱区使用遥感进行植被变化动态监测时，这些生物结皮可以导致植被动态变化解译的错误，导致高估该区生态系统的生产力。

作者及其合作研究人员于２００６年通过野外和室内培养的苔藓（真藓，ＢｒｙｕｍａｒｇｅｎｔｅｕｍＨｅｄｗ）结皮的地面多光谱测定，分析了干、湿苔藓结皮多光谱特征与鄂尔多斯优势植

物油蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａｏｒｄｏｓｉｃａ）的多光谱特征的异同，得出湿苔藓结皮和干苔藓结皮多光谱反射曲线差异很大，从整体上看湿苔藓结皮的光谱特征与油蒿的光谱曲线特征极其相似，而干苔藓结皮的光谱特征与土壤的光谱特征相似，而１００％盖度的干湿苔藓结皮ＮＤＶＩ之差大约０．３５（干苔藓结皮０．３０，而湿苔藓结皮０．６５），１００％盖度干湿藻类结皮ＮＤＶＩ之差大约０．１５（干藻类结皮０．１５，而湿藻类结皮０．３０）。即湿苔藓结皮具有与高等植物相似的光谱曲线特征，与Ｋａｒｎｉｅｌｉ等的研究结果相吻合［１２。。光谱技术在于旱半干旱区的草地土壤检测中的应用广泛［３１１，由于干苔藓结皮具有类似土壤的光谱特征，土壤中苔藓结皮的存在可能对土壤反射光谱产生影响。

２．２不同水分条件下生物结皮光谱的变异性对ＮＤＶＩ求解

的影响

由于苔藓结皮的植被指数受土壤水分影响很大，而区域及其全球尺度的植被指数，往往采用最大值合成法（ｍａｘｖａｌ－

ｕｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ＭＶＣ）［３２］，例如：ＳＰＯＴ４的１ｋｍｚ的ＮＤＶＩ采

用１０ｄ内该像元的最大值，美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）提供的ＮＯＡＡ－ＡＶＨＲＲ数据的ＮＤⅥ（８ｋｍ×８ｋｍ）采用１５ｄ周期中的该像元的最大值，美国对地观测系统（ＥＯＳ）提供ＭＯＤＩＳ数据的ＮＤＶＩ（２５０ｍ×２５０ｍ，５００ｍ×５００ｍ）用８或１６

ｄ周期中的最大值作为该像元值。由于受生物结皮的干湿

状态交替的影响（干、湿苔藓结皮的ＮＤＶＩ的差异），这种方法会使分布有相当盖度的苔藓结皮的区域的ＮＤＶＩ求解受降水的影响很大，最大值合成法就会造成该区域短时间内ＮＤ－

Ⅵ不稳定性，而影响植被动态解译。而在区域和全球尺度的

研究中，植被指数被广泛的应用于各类模型进行植被覆盖、植被初级生产力、区域碳估算［３争３６］。这种由于变水植物的生理生态特性造成的植被指数估算错误或误差，对区域乃至全球尺度的植被覆盖、植被初级生产力、区域碳估算等必然造成计算错误或误差［１１｜。

３生物结皮遥感光谱的季节动态

Ｋａｒｎｉｅｌｉ研究认为生物土壤结皮与一年生植物、多年生植物有不同的物候规律，可以通过地面光谱计算不同植物的ＮＤＶＩ比重来区分，在以色列沙漠，生物结皮在雨季具有最早和最高ＮＤＶＩ峰值［３７１。光谱测定各种地物的ＮＤＶＩ线性混合模型可以成功的反映生物结皮、一年生植物和多年生植物的物候循环，并与卫星数据符合性良好ＤＳ］。卫星数据提取的ⅫＤ、厂Ｉ和线形模型模拟的ＮＤＶＩ都能很好的反应生物结皮在雨季开始时比高等植物具有更高的ＮＤＶＩ值［１“１引。Ｓｅｈｍｉｄｔ等研究了以色列沙地漠ＮＤＶＩ的时间和空间变化与各类地物光谱特性的关系，得出由于生物结皮对早春水分反映迅速，生物结皮与高等植物相比，对早春的ＮＤＶＩ峰值贡献最大［１引。以上各研究以ＮＤＶＩ的变化为出发点，系统研究了以色列沙地区域气候条件下的生物结皮（地衣）和高等植物的ＮＤＶＩ对温度和水分的响应，反映了生物结皮的光合作用具有适应低温和低光照的特点，反映了生物结皮能在合适的水分条件下迅速恢复新陈代谢而表现出高等植物的光谱特性。

１８４４

光谱学与光谱分析第２８卷

作者及其合作研究人员于２００６年通过野外和室内培养异，苔藓生物结皮受土壤水分影响光谱变异最大。然而不同的苔藓结皮的地面多光谱测定，分析了苔藓生物结皮夏季（７水分条件对苔藓结皮光谱的影响的规律如何，如何利用这些月）和秋季（１０月）光谱特征的差异，苔藓植物的营养发育期规律指导植被变化动态的遥感解译，需要进一步深入的研究（７月）与生殖发育期（１０月）光谱特征有明显的差异，即苔藓和分析。各类生物结皮生活史中各生长阶段的光谱特征有可植物生活史中的各生长阶段的光谱特征有可能存在较大差能存在较大差异。国内外未见任何关于生物结皮在各个生长异。研究生物结皮光谱特征的季节性变化规律与高等植物光发育阶段的光谱特征及其变化规律的研究报道，研究生物结谱特征的季节性变化规律的不同，可为生物结皮遥感解译中皮光谱特征的季节性变化规律与高等植物光谱特征的季节性遥感图像时相的选择和消除或减少遥感植被动态解译中的错变化规律的不同，可为生物结皮遥感解译中遥感图像时相的误提供科学的依据，所以进一步深入的研究生物结皮的光谱选择和消除或减少遥感植被动态解译中的错误提供科学的依及其季节动态具有科学和现实意义。

据。

４研究展望

生物结皮的遥感光谱特征在不同水分条件下有很大的差

参

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ｔｏｍｉｓｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｔｏ

ｏｖｅｒｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｐｒｏｄｕｅ－

ｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｉｓ

ｓｐｅｃｔｒａｌｆｅａｔｕｒｅｐｒｏｄｕｃｅｓａ

ｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒＮＤ、ＨｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｗｅｔｍｏｓｓＢＳＣｔｈａｎｆｏｒｔｈｅｄｒｙｍｏｓｓＢＳＣ（Ｏ．６５ｖｓ．０．３０

ｕｎｉｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ），ａｈｉｇｈｅｒ

Ｎ玲联ｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｗｅｔ

ａｌｇａｅＢＳＣｔｈａｎｆｏｒｔｈｅｄｒｙａｌｇａｅＢ！辩（Ｏ．３０ｖｓ．０．１５ｕｎｉｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ）。

Ｔｈｅ”ｍａｘｉｍｔｌｍｖａｌｕｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ”（Ｍ、，Ｃ＞ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｕｓｅｄ

ｔｏ

ｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｌｏｕｄｓａｎｄｈａｚｅｆｒｏｍｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ

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ｏｆｔｈｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｕｌｄｂｅｍｏｒｅ

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ｍａｐｓｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｂｕｔｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｉｍｉｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｄｕｅｔｅｄ

ｔｏ

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ｉｓｔｉｅｓｏｆＢＳＣｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｏｆ溉Ｔ歉ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｏｎｓ．Ｍｏｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｓｃｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎ

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ｔｏ

ｅｍｐｌｏｙＶｅｇｅｔａｔｉｏｎＩｎｄｅｘｗｉｓｅｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｉｌｅｒｕｓｔｓ（ＢＳＣ）；Ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；Ｂｒｙｏｐｈｙｔｅ／Ｍｏｓｓ；Ｌｉｃｈｅｎ

（ＲｅｃｅｉｖｅｄＪａｎ．６，２００８；ａｃｃｅｐｔｅｄＭａｒ．２，２００８）

＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ

ａｕｔｈｏｒ

干旱、半干旱区生物土壤结皮遥感光谱研究进展

作者：作者单位：

房世波， 刘华杰， 张新时， 董鸣， 刘建栋， FANG Shi-bo， LIU Hua-jie， ZHANGXin-shi， DONG Ming， LIU Jian-dong

房世波,刘建栋,FANG Shi-bo,LIU Jian-dong(中国气象科学研究院生态环境与农业气象研究所,北京,100081)， 刘华杰,LIU Hua-jie(河北大学生命科学学院,河北,石家庄,071002)，张新时,董鸣,ZHANG Xin-shi,DONG Ming(中国科学院植物研究所生态中心,北京,100093)光谱学与光谱分析

SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS2008,28(8)1次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(37条)

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引证文献(1条)

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本文链接：/Periodical_gpxygpfx200808035.aspx

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