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雅鲁藏布江源区高寒草地退化光谱响应变化研究

2023-03-13 来源:小侦探旅游网
第33卷,第6期 2 0 1 3年6月 光Spectroscopy and Spectral Analysis 谱学与光谱分析 Vo1.33,No.6,pp1598—1602 June,2013 雅鲁藏布江源区高寒草地退化光谱响应变化研究 刘 波 ,沈渭寿 ,李 儒 ,杨兆平 ,林乃峰 1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏南京2.中国科学院遥感应用研究所,北京100101 210042 摘要雅鲁藏布江源区的草地退化监测研究对于揭示全球变化影响下的区域生态系统响应特征、探讨其 驱动因子及评价西藏高寒生态环境质量具有重要意义。基于高寒草甸、高寒草原和荒漠等不同类型和不同 退化程度草地的地面实测数据,对雅鲁藏布江源区高寒草地的典型植物光谱特征和草地退化过程中的光谱 响应变化进行了分析。结果表明作为高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒灌丛等类型的典型优势种藏 北嵩草、小嵩草、紫花针茅和金露梅具有明显的光谱特征差异,主要体现在红边位置、红边形状、红谷和纤 维素吸收波段处,与植物的生长形态和枯叶鞘固有特性密切相关。在草地退化过程中,光谱反射率整体上持 续降低,叶绿素吸收造成的“红谷”特征弱化,近红外水分吸收谷变弱,土壤背景光谱特征渐渐凸显。通过对 比常见的植被指数,发现那些能够充分描述植物红边或者叶绿素吸收特征的指数具有更高的可分性,表明 可能对草地退化具有更好的表征能力,为西藏高寒草地退化遥感监测提供了参考依据。 关键词光谱分析;高寒草地;雅鲁藏布江;光谱响应 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.i000—0593(2013)06—1598—05 中图分类号:TP79 区至今没有气象、水文等监测站点,自然环境背景数据极为 引 言 雅鲁藏布江(雅江)横跨西藏大部分地区,涉及41个县 市,流域内人口稠密,是西藏最重要最富庶的农业区。雅江 缺乏,科研基础资料更是寥寥无几E53。因此,雅江源区的草 地退化监测研究对于揭示全球变化影响下的区域生态系统响 应特征、探讨其驱动因子及评价西藏高寒生态环境质量具有 重要意义。 源区作为国家级生态功能保护区,其生态功能状况直接关系 到中下游西藏日喀则、拉萨等经济较发达地区、流域生物多 样性丰富地区以及水系下游孟加拉湾三角洲地区的生态安 全[1 ;同时,作为世界上海拔最高的江河源,地处青藏高原 这一特殊区域,是全球气候变化的敏感区域l2。]。近些年来, 随着全球气候变化,再加上人类不合理的生产活动,雅江源 在草地遥感监测中,对于草地严重退化表现的诸如草地 覆盖度下降和地面生物量减少等较为明显的特征,传统的多 光谱遥感即可胜任此类信息的提取。然而,草地退化过程中 还伴随着草地植被群落优势种更替、群落组成成分变化、毒 草杂草人侵等现象[8_1 。诸如在源区高寒沼泽草甸的持续退 化中,其优势种由耐寒湿生的藏北嵩草矮嵩草等演替为小嵩 区草地退化沙化过程十分明显,高寒、干旱、脆弱的高原自 然环境正在受到日益严重的威胁_5]。 相关研究表明草地植被对气候变化反应敏感_6 ],而雅 江源区海拔高亢人烟稀少,其独特脆弱的高寒草地生态系统 对气候变化能做出快速的响应,是研究草地退化对全球变化 响应的理想区域。雅江源区的草地退化监测研究因而也是诸 如荒漠化治理、草地承载力评估、生态补偿、生态屏障建设 草等典型高寒草甸,继续退化为草原化草甸则湿生植物消 失,草原植物出现,如若进一步伴随着植物生境的干旱化, 则中生草甸植物消失,耐旱植物开始出现。在这个草地持续 退化的过程中,优势种和群落组成变化的精细信息的获取则 难以通过多光谱手段获取。 然而综观国内外研究现状,尽管有关草地退化遥感工作 较多,但结合西藏高寒草地的特殊性,尚有较大不足和欠 缺,现有研究采用的多光谱遥感因其信息量的有限制约着草 和环境保护政策制定等具体工作的必要基础;与此同时,源 收稿日期:2012一l0—31,修订日期:2013一O1—28 基金项目:中国科学院数字地球重点实验室开放基金项目(2010LDE003),国家自然科学基金项目(41201456),环保部公益性行业科研专项 (200909050)和中央级公益科研院所基本科研业务专项资助 作者简介:刘 波,1 984年生,环境保护部南京环境科学研究所助理研究员 *通讯联系人 e-mail:shenweishou@163.com e-mail:boxueyu—liu@hotmail.corn 第6期 光谱学与光谱分析 1599 地退化信息提取的准确性与精细性,地面光谱实验也都是对 草地植被进行简单的光谱采集和分类,缺乏对随着草地退化 程度加深和逆向演替过程中草地光谱响应特征渐次变化的基 础性研究 ̄7,10,11],同时由于环境严酷和植物生长旺季天气条 件所限类似的遥感监测基础研究工作更为严重缺失,而这些 正是开展草地退化遥感监测的前提和基础。为此,本研究选 择雅江源区的处于退化不同阶段和不同程度的草地序列作为 研究对象,研究草地退化的光谱特征及退化过程中植被群落 组成和演替变化的光谱响应模式,为遥感特别是高光谱遥感 露梅“红谷”几乎消失,金露梅在雅江源区一般多出现于荒漠 地区,绿色叶子并不丰茂而枝条占了相当比重;紫花针茅的 “红谷”也不明显,这是因为紫花针茅属多年生草本,基底部 宿存枯叶鞘,特别是源区实验期间所见均含有较多的枯叶 鞘,枯叶鞘的存在大大减弱了“红谷”信号。从近红外波段 (680 ̄1 400 nm)反射率数值而言,大致可以分为两组,一组 是小嵩草、黄芪、火绒草和点地梅,这些植物反射率较高而 另一组藏北嵩草、紫花针茅和金露梅反射率较低,这可能是 因为植物生长形态差异而导致的光谱差别,前组植物一般叶 在西藏高寒草地监测中的应用提供基础和依据。 1实验部分 1.1实验区简介 研究区位于雅鲁藏布江源区(82.01。一84.43。E, 29.16。一3O.90。N),是世界上最高的江河源,平均海拔超过 5 000 m。平均气温约O~3℃,年降水量186 ̄290 mnl,属 典型的高原寒冷干旱半干旱气候区。源头区的植被主要包括 高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原、高寒灌丛等类型[】 ], 能够提供草甸~草原一荒漠退化演替序列,是研究草地退化 比较理想的实验地。 1.2光谱测量与数据预处理 光谱测量时间为2012年8月5日一17日,采用仪器为 ASD公司的Field Spec3光谱仪,采集的草地植被光谱主要 分为单一植被光谱和样方混合光谱。对于单一植被光谱,通 过选取尽量高覆盖度的小面积单一植被生长地,确保光谱仪 探头视场中不包含其他非目标植被。对于样方混合光谱,在 不同类型和不同退化程度的典型实验地30 mX 3O I'll矩形范 围内选取矩形四角和中心为采样点,设置1 in×1 m样方, 设定探头悬垂高度使探头视场对应于样方内接圆记录数据, 并拍照和记录植物种类、长势等信息。对光谱数据进行反射 率转换,并采用滑动平均法去噪。 2结果与讨论 2.1高寒草地植被光谱特征分析 雅江源区海拔高亢,环境艰苦,植物生长季较短。植物 生长状态较好且适合开展野外实验的8月份正好处于雨季, 白天多云,满足光谱测量的晴天较为稀少,而草地植物种类 丰富多样,因此难以获得全部典型草地植被的光谱信息。本 次实验主要获取了藏北嵩草(kobresia littledalei)、紫花针茅 (stipa purpurea)、小嵩草(kobresia pygmaea)、金露梅(po— tentilla fruticosa)、黄芪(astragalus sp.)、火绒草(1eontopo— dium spp.)和点地梅(Androsace spp.)这几种常见的典型西 藏优势草地植物,特别是藏北嵩草、小嵩草、紫花针茅和金 露梅是很多高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原和高寒灌丛 的建群和优势种,因此对这些植物的光谱特征的描述和区分 是进行遥感草地分类的依据。 图1为典型高寒草地植物光谱反射率,在可见光波段 (350 ̄680 rim)特别是表征叶绿素等色素吸收的“红谷”,金 子贴地面生长而容易达到覆盖度100 而后组则由于形态特 点(藏北嵩草紫花针茅秆直立细瘦)叶面积指数较小自然生长 状态下有效反射面积也较小,金露梅则光谱信号里混合了相 当比重的枝条信息,这也可能是导致940和1 100 Dill处的水 分吸收较弱的原因,而紫花针茅枯叶鞘的存在也导致了这两 个水分吸收谷较弱。特别地,小嵩草因叶秆矮小生长密丛, 多层叶子之间多次散射较强,因而具有最高的反射率。 uu曰8《 O 0 O O O 5 4 3 2 1 ) 0 500 l 000 l 500 2 000 2 5oo Wavelength/nm Fig.1 Reflectance spectra of typical vegetation in source region ofYarlung zangbo 在纤维素吸收波段2 i00 nrn处,金露梅和紫花针茅的 吸收谷较深,藏北嵩草仅有微弱的吸收谷,而其他几种则没 有吸收谷。相关研究表明非绿色植被在2 100 nlTl处的吸收 特征明显,主要与木质素、半纤维素、纤维素等非组分有关, 而绿色植物没有这种特征口 。金露梅由于枝条占了很大比 例,枝条中含有较高的木质素等,因而吸收谷特征最为明 显。紫花针茅由于基底处存在较多枯叶鞘也呈现出明显特 征,藏 E嵩草枯叶鞘较少因而特征较弱,其他几种则为都为 绿色叶子覆盖因而未见该吸收特征。 植物反射率从680 ̄760 nm之间反射率急剧上升,通常采用 一阶导数最大值所对应的波长位置作为表征指标,是植物所 特有的最明显的光谱特征,为了更明显地显示“红边”信息, 对红边范围光谱反射率进行了一阶求导(见图2)。由图可知, 藏北嵩草的“红边”位于735 nm左右,比其他植物红边位置 波长更大,呈现出一定的双峰特征,另一特征位于722 Din 处;金露梅“红边”位于702 DAn处,且形状上双峰现象不明 显;而点地梅“红边”呈现双峰特征,主峰一阶导数最大值位 于702 Din处,次峰位于718 rim;紫花针茅红边呈双峰且两 峰相差无几,分别位于720与702 nm;黄芪与火绒草均呈现 均为双峰特征,黄芪分别为718与725 nm,火绒草为720与 16O0 骞Ⅱ/8霉嚣o 光谱学与光谱分析 一日口Ha.1 H1Q 第33卷 O O 0 725 nlTl;小嵩草则出现较为明显的三个峰值,从大到小依次 2.2高寒草地退化光谱响应分析 位于720,725和702 nln;除此之外,在760 nlTl处,藏北嵩 8 6 4 瞄 2 0 C 草、金露梅、紫花针茅呈现明显低谷特征,而小嵩草、点地 样方草地光谱采集点草地基本上处于持续退化过程中的 Quq暑u 写 梅、火绒草呈现明显高峰特征,黄芪则呈现微弱的峰谷特 征。 不同阶段,具有较好的代表性,展现了高寒草甸一草甸一草 5 4 3 2 ¨ 原~荒漠的渐次退化阶段,图3(a)一(e)对应于该退化序列, 每个子图包含5个样方光谱数据,用数字1~5表示,图3(f) 为图3(a)一(e)中样方光谱反射率的平均值。在理想的情况 下,随着草地退化高寒沼泽草甸渐渐向高寒草甸演替,湿生 植物减少或消失,中生或旱中生植物出现,旱生植物入侵而 向草原化草甸退化,直到中生草甸植物逐渐消失而耐旱植物 湖 出现渐渐占据主导演变为高寒草原,在极度干寒水分缺失的 ∞ 情况下,植被覆盖度显著降低稀疏化甚至出现沙化,严重退 化为荒漠_1 。子图3(a)为介于沼泽草甸向草甸退化的阶段, 植被覆盖度接近100 且比较均匀,主要优势种为矮嵩草 们 0 (K.humilis)和小嵩草,伴生有藏北嵩草、青藏苔草(Carex sp.)、委陵菜(Potentilla bifurca)、火绒草等,图3(b)为进 ∞ 680 700 720 740 760 780 一墨。|吾  姗 步的退化阶段,耐寒湿生的矮嵩草减少消失,而典型草甸 Wavelength/nm 植物小嵩草占据主体成为优势种,伴生有藏北嵩草、委陵菜 和较多的其他杂草等。比较两图,矮嵩草草甸光谱反射率处 于这个退化系列中最高值范围,近红外平台可达或超过0.5, 而小嵩草草甸反射率相对略低且变动较大,这是因为部分地 吣 区退化较为严重,植被覆盖度有所降低所致。 Fig.2 Red edge of typical vegetation in source region of Yarlung zangbo 量喜 2眦 ∞ O.6 O.5 O.6 O.5 8=丑8 o 0.4 0 500 1 000 l 500 2 000 2 500 Wavelength/am Wavelength/m aWavelength/nm WavelengtlYnm Fig.3 Reflectance spectra ofalpine grassland duringthe degradation process (a):Alpine meadow dominated with K.humilis and Kobresia pygmaea;(b):Alpine meadow dominated with Kobresia pygmaea: (c):Alpine meadow dominated with Kobresia pygmaea and Astragalus sp.;(d):Alpine steppe dominated with Orinus thoroldii: (e);desert steppe dominated with Potentilla fruticosa;(f):average spectra of each subplot form(a)to(e) 图3(c)为严重退化的高寒草甸,优势种为黄芪和小嵩 草,黄芪多于小嵩草,伴生有少量杂草,整体植被覆盖度约 为50 ~60%,土壤大部分表层结皮,少部分开始出现沙 化,鼠害较为严重。图3(d)为固沙草草原,优势种为固沙草 (Orinus thoroldii),伴有黄芪等其他杂草,植被整体覆盖度 7O%左右,土壤完全沙化。与图3(a)和(b)相比,图3(c)所 示的严重退化高寒草甸光谱反射率进一步降低,近红外高台 不同样方光谱曲线差别较小且940 Bin处水分吸收谷不明显, 第6期 光谱学与光谱分析 16O1 而中红外短波红外曲线呈发散状,“红谷”开始变浅。图3(d) 图固沙草草原反射率比图3(c)略高,这可能是因为固沙草草 原覆盖度略高,植被光谱特征更为显著,并且高寒草甸的裸 露土壤含有大量表层黑色结皮而固沙草草原为沙质土壤反射 指数有PRI(physiological reflectance index(ps5o—lD531)/(1055o +阳1)),TVI(triangular vegetation index,0.5[(12 5o— I。550)一200(1。6oo—P55o)]),ACA(area of chlorophyll absorp— r … 率较高,近红外反射高台不同样方覆盖度不同而差异明显但 中红外短波红外处则几乎一致;类似地,固沙草根部有不少 枯叶导致其光谱反射率“红谷”不明显。 图3(e)荒漠草原景观,固沙草草原严重退化,覆盖度降 低至15 左右,开始出现高寒灌木金露梅,并伴有少量的紫 花针茅、黄芪等杂草,土壤完全沙化,并含有部分砾石。由 于土壤所占比例增加植被覆盖度较小,其反射率曲线植物特 征弱化,仅保留微弱的“红谷”和“红边”特征,土壤光谱特征 较为明显,中红外短波红外反射率大幅增加。 2.3植被指数对草地退化的表征能力 tion),ARE(area of red edge, 』D )、sI3(叶绿素吸收 J。680 谷深度)、SI2((I。5so+ID7so)一2pG 。)等,这些指数基本上都利 用了植物红边或者叶绿素吸收反射波段信息,这可能指示着 充分地描述光谱吸收特征的那些指数对草地退化具有更好的 表征能力,这可为后续构建能更好地提取草地退化信息的植 被指数提供一定的参考意义。 3结论 利用高寒草甸、高寒草原和荒漠等不同类型和不同退化 植被指数因其简单有效而被广泛应用,为了探寻潜在的 能够对高寒草地退化具有较高表征能力的植被指数,计算了 这些不同类型和不同退化阶段的草地光谱在32个常见植被 指数上的可分性,可分性采用马氏距离作为度量r1 ,表1给 出了这些植被指数的可分性排序。 Table 1 Vegetation indices ranked by separability on alpine grassland 程度草地的地面实测数据,对雅鲁藏布江源区高寒草地的典 型植物光谱特征进行了对比和总结,探讨了草地退化过程中 的光谱响应变化。作为高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原 和高寒灌丛等类型的典型优势种藏北嵩草、小嵩草、紫花针 茅和金露梅具有明显的光谱特征差异,主要体现在红边位 置、红边形状、红谷和纤维素吸收波段处,与植物的生长形 态和枯叶鞘固有特性密切相关。在草地退化过程中,光谱反 射率整体上持续降低,叶绿素吸收造成的“红谷”特征弱化, 近红外水分吸收谷变弱,土壤背景光谱特征渐渐凸显,且不 同退化阶段草地样方光谱一致性变化较大。通过对比常见的 植被指数,发现那些能够充分描述植物红边或者叶绿素吸收 特征的指数具有更高的可分性,表明可能对草地退化具有更 好的表征能力。 由于西藏高寒地区野外环境艰苦和天气条件所限,遥感 地面工作基础比较薄弱,长期以来缺乏大量的实测数据支 撑,本研究提供了一些地面实测光谱的初步分析结果,下一 步我们将通过积累未来连续几年的野外实测数据,构建西藏 如果不同退化草地在某个指数上具有较好的可分性,我 高寒草地退化光谱库,为西藏草地遥感监测工作建立坚实的 基础。 们则认为这个指数用于草地退化状态表征的潜在可能性越 大。通过对比发现,对不同退化程度具有较好的区别能力的 References HEPing,GU()Ke,GAO Ji—xi,et al(何95. 萍,郭柯,高吉喜,等).Journal ofMountain Science(山地学报),2005,23(3):267. 度,林振耀,张雪芹,等).Earth Science Frontiers(地学前缘),2002,9(1): ZHENG Du,IJN Zhen-yao,ZHANG Xue-qin,et al(郑Piao S L,Fang J Y,He J S Climatic Change,2006,74:253. 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Spectral Characteristics of Alpine Grassland During Degradation Process in the Source Region of Yarlung Zangbo LIU t3o ,SHEN Wei—shou“,LI Ru ,YANG Zhao-ping ,LIN Nai-feng 1.Naniing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Environmental Protection,Nanjing 210042,China 2.Institute of Remote Sensing Applications,Chinese Academy of ciSences,Beijing 100101,China Abstract Alpine ecosystem of source region of Yarlung Zangbo plays a vital role in maintaining ecological security of its middle and lower reaches with great population.The eco-environmental quality deteriorated evidently in recent years. The present paper explored spectral characteristics of grassland features,plant community and the corresponding spectral pattern of vegetation SHC— cession during the process of degradation.The result showed that the difference in spectral features of Kobresia littledalei,Sti— pa purpurea,Kobresia pygmaea and Potentilla fruticosa,as main vegetation types of alpine meadow,alpine steppe and brush— wood,mainly occurred in the position and shape of red edge,chlorophyll absorption feature and cellulose absorption features. During the process of degradation,reflectance values decreased gradually and spectral features of soil background appeared with deterioration of chlorophyll absorption and water absorption features.Vegetation indices capturing features of Chlorophyll ab— sorption and red edge can be used to monitor grassland degradation. Keywords Spectral analysis;Alpine grassland;Yarlung Zangbo;Spectral response (Received Oct.31,2012;accepted Jan.28,2013) *Corresponding author 

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