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拉薩河中游高寒草地植被群落光譜特征的研究

  2013年出版的《中國草原發展報告》顯示，2006—2011年間西藏天然草原平均牲畜超載率達到37.41%。在人類不合理的超載放牧、鼠兔蟲危害及全球氣候變化的影響下，拉薩河中游的高寒草地主要表現為草地生境日益惡化、水土保持的能力下降、草地生態系統平衡遭到破壞，嚴重影響了該區域經濟社會的可持續發展。因此，對拉薩河中游高寒草地植被群落特征的研究和監測高寒草地健康現狀顯得極其緊迫。截至目前，西藏草地健康遙感監測主要還是基于植被指數變化的檢測方法，利用植被指數可以有效地估算生物量，但草地健康指數下降之初生物量不一定明顯下降，可能僅僅是物種上的變化。因此在拉薩河中游的實地調查中，將植被指數與高光譜遙感技術相結合調查拉薩河中游高寒草地植被群落的特征，可以快速識別植被群落的物種變化。本試驗選取拉薩河中游的林周縣草地作為研究區域，采用便攜式地物光譜儀測定拉薩河中游草地植被的主要建群種、退化指示種及不同退化程度草地植被群落的光譜曲線，分析拉薩河中游草地群落的特征波段、特征參數和不同退化程度的草地群落歸一化植被指數(NDVI)，可以識別群落中草本植被的種類，判斷拉薩河中游草地群落的發展趨勢和草地生態系統的健康狀況，進而掌握拉薩河中游草地退化的現狀，為拉薩河流域草地健康定量遙感及監測奠定理論基礎。 

1 材料 

1.1 研究區概況 

  研究區位于西藏自治區拉薩市林周縣，東連嘉黎縣和墨竹工卡縣，西接堆龍德慶區，北臨當雄縣，南抵達孜縣和拉薩市城關區，位于東經90°84'～91°93'、北緯29°75'～30°47'之間，總面積約為4512km2。主要河流為澎波河、熱振藏布、扎曲等，多為季節性河流， 位于拉薩河中游的河谷地區，長約138km，平均海拔為4200m，年均溫度為2.9℃，降雨主要集中在5—9月份，年降雨量為495～530mm，屬于高原溫帶季風半干旱氣候，干濕季節分明，無霜期短，日照時間長，晝夜溫差大。土壤類型主要是河谷草甸土、草原土和灌叢草原土等。植被類型是以高山沼澤草甸、高山灌叢草甸和亞高山灌叢為主的植被群落。

1.2 研究對象

  本試驗選取的觀測對象為拉薩河中游林周縣(林周草地)的主要建群種和退化指示種，通過野外實地調查，選擇的主要建群種為高山蒿草(Obresiapygmaca)、絲穎針茅(Stipa capillacea) 、喜馬拉雅草沙蠶(Tripogon hookerianus) 、白尖苔草(Carex atrofusca)、白 草(Pennisetum flaccidum Grisep)，這5種植物在研究區屬于廣布性植物; 退化指示種為狼毒(Stellera chamaejasme)、莖直黃芪 (Astragalus strictus)、酸模葉橐吾(Ligularia lapathifolia)、架棚(Ceratostigma minus)，這4種有毒植物是西藏草地最常見的退化指示種。2015年7月12日調查植物群落的物種組成和采集林周縣的主要建群種、退化指示種的植被葉片光譜以及不同退化程度草地群落的樣方混合光譜。 

2 方法

2.1 數據的獲取

  建群種和退化指示種光譜的采集方法:在研究區域內，用便攜式地物波譜儀自帶的葉片夾持器測量建群種和退化指示種的葉片光譜。群落光譜采集方法:選取12個1m×1m的樣方，將便攜式地物光譜儀的傳感器視場角調為25°并保持觀測方向垂直向下，同時將光譜儀的探頭立在樣方中心上方約1.1m處采集群落的光譜。根據當地的放牧歷史、植被蓋度及群落的NDVI選取3種不同退化程度的草地，即未退化草地、中度退化草地、重度退化草地，草地退化評價指標分級情況見表1。

2.2 數據處理

2.2.1 一階微分處理

  采用地物光譜儀自帶的軟件對原始光譜曲線進行預處理，去除異常點、異常曲線和階躍后對測定的多條原始光譜曲線求平均值，然后對原始光譜進行一階微分處理。一階微分不僅能有效地去除光譜中存在的噪聲，還能保留光譜原有特征，以便于提取原始植被光譜特征中 的紅邊位置和邊幅值等有效信息，計算公式:Ｒ'(λi)=［Ｒ(λi+1)－Ｒ(λi－1)］/2Δλ。式中:Ｒ'(λi) 為反射率在λi處的一階微分，λi為inm波段的波長，Ｒ(λi+1)為波長λi+1處的植被光譜反射率，Δλ是波長λi+1到波長λi－1的間隔。 

2.2.2 NDVI 

  NDVI是描述植物生長狀態和植被空間分布密度的因子，也能反映群落空間生物量的多少，NDVI越大表示群落的生物量越多，NDVI 越小則 表示群落的生物量較少，計算公式:NDVI=(Ｒnir－Ｒred)/(Ｒnir+Ｒred)。式中:Ｒ是反射率Ｒnir是近紅外光譜反射率，Ｒred是紅外波段的反射率。當NDVI大于0且小于1時，NDVI越大表示其植被覆蓋率越高，群落的生物量越多;NDVI越小表示其植被覆蓋率越小，群落的生物量較少。 

2.2.3 數據的統計分析 

  應用便攜式地物光譜儀自帶的處理軟件導出光譜數據，對光譜數據進行預處理，剔除受儀器和外界干擾較大的1800～2500nm波段后對原始光譜進行平滑處理，同時對原始光譜進行一階微分計算，提取植被的光譜特征參數，然后利用Excel 2013軟件對數據進行處理。 

3 結果與分析 

3.1 主要建群種與退化指示種的葉片光譜特征 

  綠峰位置是葉綠素的綠色強反射區，綠光的反射峰越明顯，植被健康狀況越好; 紅谷位置是葉綠素的紅光強吸收區，紅光的吸收峰越明顯，則植被的健康狀況越好。主要建群種與退化指示種的光譜特征及其特征參數見圖1和表2。

  從圖1和表2可以發現，除了白草，主要建群種的綠峰值在0.1107～0.1224范圍內，紅谷值在0.0622～0.1352之間，且在1400nm處水分吸收谷淺; 而退化指示種有強綠光反射峰，“綠峰值”在0.0614～0.0957范圍內，紅谷值在0.0283～0.0619之間，與退化指示種紅光相應的是二者葉片含水量高，在1400nm處水分吸收谷深。白草的綠峰值為0.0637，紅谷值為0.0551，可見白草的健康狀況優于其他主要建群種，但是不及退化指示種的健康狀況。說明主要建群種植被健康狀況不好而退化指示種生長旺盛，二者區分性較大，因此從綠峰值和紅谷值可以準確將建群種與退化指示種區分開來。紅邊位置和紅邊斜率是反映植被健康狀態的重要指標，紅邊位置和紅邊斜率越大，則表明其健康狀況越好。表2中，退化指示種的紅邊位置在719nm附近，紅邊斜率在0.0041～0.0068之間。除了白草，主要建群種的紅邊位置在700nm附近; 紅邊斜率除白尖苔草外，其余都在0.0032～0.0038之間，其中白草的紅邊位置在719nm處、紅邊斜率為0.0038，而白尖苔草的紅邊位置為701nm、紅邊斜率為0.0061，與其他草地植被對比具有明顯的區分性。因此，除了白草和白尖苔草，通過提取草地植被的紅邊位置與紅邊斜率可以很好地對拉薩河中游草地植被的毒草與建群種進行識別和分類。白草和白尖苔草的紅邊斜率和紅邊位置有其自己的特征，其他建群種的植物特征與這兩種植物特征不一樣，是這兩種植物能區分毒草和建群種的特征，還是其他建群種可以作為識別和分類的標準。

3.2 不同退化程度草地植被群落的光譜特征 

  拉薩河流域不同退化程度草地植被冠層的NDVI和群落光譜特征見表3和圖2。

  從表3數據可以看出，未退化草地冠層的NDVI＞中度退化草地冠層的NDVI＞重度退化草地冠層的NDVI，表明NDVI越大，草地植被覆蓋率越高，群落的生物量越多，因此NDVI與群落生物量密切相關，能反映草地退化的程度。

  由圖2可知，在可見光波段，草地群落植被覆蓋率高則其相應反射率小，“紅谷”越深，反映草地的退化程度低。

  同時在近紅外波段(750～800nm) ，其反射率是未退化草地冠層＞中度退化草地冠層＞重度退化草地冠層，表明近紅外波段反射率與草地群落生物量密切相關，反映草地退化程度。此外，在1400nm處的水分吸收谷可以體現退化的程度，水分吸收谷的深度與寬度都是未退化草地冠層＞中度退化草地冠 層＞重度退化草地冠層，表明1400nm處的水分吸收谷是影響冠層中紅外波段光譜響應的重要譜帶，隨著冠層水分的減少，植被中紅外波段的水分吸收谷的寬度和深度明顯降低，其反射率明顯增大。因此，近紅外波段(750～800nm)及1400nm的反射率可以作為草地退化的診斷指標。 

4 結論與討論 

  1) 反射率與草地群落生物量密切相關，因此能反映草地健康參數活力的程度。同類型的植物由于根系深度的差異導致其資源獲取能力強弱不同，植物也因其葉綠素含量與水分含量的不同而不同，因此在植被的光譜曲線中呈現出不同的光譜反射率。 

本試驗通過提取拉薩河中游主要建群種與退化指示種光譜特征參數對拉薩河中游草地植被的退化指示種與建群種進行識別和分類。主要是因為高山嵩草、絲穎針茅、白尖苔草和喜馬拉雅草沙蠶的共同特點是葉片薄且呈細條狀，含水量低，根莖短，在干旱 年份難以從深層土壤中吸收水分和養料供自身生長需求，植被的健康狀況較差，因此在 2015 年干旱條件下測得的光譜曲線呈現綠光的反射峰接近消失的現象。酸模葉橐吾、莖直黃芪和狼毒的特點是根莖粗壯，可以從表層土壤中獲取水分和養料供自身生長需要，還能在干旱年份從深層土壤吸收水分和養料維持其生長需求，表現為紅光吸收峰最明顯。表明綠峰值和紅谷值可以準確地對拉薩河中游草地植被的退化指示種與建群種進行識別和分類，從而為判斷拉薩河流域的草地退化程度提供依據。 

  2) 導數光譜技術可以減弱或消除其土壤背景、 凋謝物及儀器噪聲等對草地光譜特征的影響，對光譜反射率進行一階微分可以使植被光譜的變化特征更清晰地反映出來。紅邊位置與紅邊斜率是描述植被色素狀態和健康狀況的重要指示因子，紅邊斜率越大，則其植被覆蓋度越高，表明植被的生長狀態越好，也是植物種區別于其他物種的重要光譜特征之一。 

本研究通過對比主要建群種與退化指示種的紅邊斜率及紅邊位置發現，主要建群種紅邊斜率和紅邊位置的反射率都小于退化指示種，說明紅邊斜率和紅邊位置不僅可以用來區分拉薩河中游的主要建群種與退化指示種，還能說明退化指示種的生長狀態優于主要建群種，從而可以為拉薩河流域草地退化提供判斷依據。 

  3)NDVI與群落生物量密切相關，能反映草地退化的程度，且植物紅光吸收谷與水分吸收谷相互關聯，只有葉片含水量高(在反射光譜上形成較深的水分吸收谷)才能進行較強的光合作用(在紅光波段形成較深的吸收谷) 。 

本研究中3個不同退化程度的草地植被冠層中未退化草地冠層的NDVI最大，重度退化草地冠層的NDVI最小。在可見光波段，草地群落植被覆蓋率高則其相應反射率越小，“紅谷”越深，同時在近紅外波段(750～800nm)，其反射率是未退化草地冠層＞中度退化草地冠層＞重度退化草地冠層，表明可見光波段和近紅外波段的反射率都與草地群落生物量密切相關，反映草地退化程度。此外，在1400nm處的水分吸收谷深度與寬度都是未退化草地冠層＞中度退化草地冠層＞重度退化草地冠層，表明此參數同樣體現草地植被退化的程度。因此，NDVI、可見光波段、近紅外波段(750～800nm) 及1400nm水分吸收谷的反射率都可以用來表示草地不同退化程度的診斷指標，從而判斷拉薩河中游圍欄內外草地群落的發展趨勢和草地生態系統的健康狀況，進而掌握拉薩河中游草地退化的現狀，為拉薩河流域草地健康定量遙感及監測奠定理論基礎。