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. 太原理工大學測繪科學與技術系， 山西 太原 030024 2. 中國氣象科學研究院固城生態與農業氣象試驗站， 北京 100081 3. 中國氣象科學研究院鄭州大學生態氣象聯合實驗室， 河南 鄭州 450001 4. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心， 江蘇 南京 210044

引 言

全球氣溫變暖已經成為不爭的事實， 大氣氮沉降也是全球變化重大問題之一。 溫度、 光照和氮作為植被生長過程中的必需條件， 無疑會對植被生長產生巨大的影響。 因此， 研究多環境因子交互作用對植物的影響尤為重要。

植被有獨特的光譜反射特征， 區別于土壤、 水體和典型地物， 是由其化學特征和形態學特征共同決定的， 與植被的空間結構、 覆蓋度、 生物量等密切相關， 能夠反映植被的發育、 健康狀況以及生長條件。 通過植被的光譜反射率可以分析植被關鍵物候期的葉綠素含量和長勢情況。 研究表明， 高光譜技術可用于提取作物生態物理參數， 能夠準確、 方便地獲取葉綠素含量等農學信息[1-2]； 同一植被冠層光譜反射受植被葉綠素含量及長勢影響明顯[3]。

蒙古櫟(Quercusmongolica)是殼斗科櫟屬落葉喬木， 主要分布在中國東北、 華北、 西北各地， 是中國東北林區中主要的次生林樹種， 對森林群落的演替和發展具有重要意義[4]。 隨著全球氣候變暖， 蒙古櫟具有成為東北森林最主要樹種的趨勢[5]， 而東北原始闊葉紅松林是溫帶地帶性頂極植被， 對全球變化的研究具有顯著的區域特性[4]。 研究表明， 適度的增溫有利于蒙古櫟幼苗的生長， 增溫4℃對幼苗生長的促進作用最大[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]。 盡管關于溫度和氮素變化對蒙古櫟的影響研究已經很多， 然而溫度、 光照和氮添加交互作用對蒙古櫟關鍵物候期的影響仍未見報道， 尤其是基于光譜特征的蒙古櫟主要物候期生長變化的研究。 研究采用大型人工氣候室模擬控制實驗的方法， 分析蒙古櫟展葉盛期冠層光譜反射率對不同光照、 增溫、 氮添加及其交互作用的響應差異， 旨在為植被變化的遙感監測與影響因素分析提供依據。

1 實驗部分

1.1 試驗設計

試驗地點位于中國氣象局固城生態與農業氣象試驗站， 蒙古櫟幼苗物候模擬試驗為4～10月。 模擬試驗設置3個溫度、 3個光周期和2個氮沉降的交互處理， 共18個處理， 每個處理4個重復。 其中， (1)3個溫度處理： 對照溫度(T1， 黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣蒙古櫟幼苗生長季相應月份近30年的平均氣溫)、 增溫1.5 ℃(T2)和增溫2.0 ℃(T3)； (2)3個光周期處理： 長光周期處理(L1， 光照長度18 h)、 對照光周期(L2， 拜泉縣蒙古櫟生長季的平均光照長度14 h)、 短光周期處理(L3， 光照長度10 h)； (3)2個氮沉降處理： 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 光譜測定

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

1.3 數據分析

利用ViewSpecPro進行數據轉換， 將原始asd格式轉換為Excel可用的txt格式后利用Excel 2016進行數據處理。

植被的光譜反射曲線大于1 100 nm范圍主要是水的強吸收帶， 故截取350～1 100 nm波段范圍內的反射曲線進行處理分析。 同時， 引入光譜反射曲線的一階導數曲線[8]

式(1)中， λi為波段i波長值； ρ(λi)為波長λi的光譜反射率值； ρ′(λi)為波段i的一階微分值。 再從一階導數曲線中提取紅邊參數， 其中常用的紅邊參數有： (1)紅邊斜率： 680～750nm波段內一階導數光譜的最大值； (2)紅邊位置： 680～750nm波段范圍內階一導數光譜最大值對應的波長； (3)紅邊面積： 680～750nm之間的一階導數光譜所包圍的面積[9]。 選取3個常用的光譜指數NDVI(歸一化植被指數)、ChlNDI(歸一化葉綠素指數)和PRI(光化學反射指數)作輔助分析[10]。

2 結果與討論

2.1 長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， 在可見光波段， 對照溫度(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)]， 說明T2葉綠素含量高于T1和T3； 而T1的一階導數光譜峰值最大[圖1(b)]且紅邊斜率最大(表1)， 說明其覆蓋度最大， 但紅邊位置波長最小， 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，T2紅邊斜率和面積均最小，T3則紅邊面積最大， 就長勢來說，T3優于T1， 優于T2。 施氮處理(N3)可見光波段的規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。 從一階導數光譜來看，T2葉綠素含量最低， 然而T1長勢最好。

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

圖1 長光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導數光譜(b)對比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光范圍內更低， 而在近紅外波段更高， 說明N3處理葉綠素含量高且長勢好； T2處理下， 施氮處理的光譜反射率在整個波段范圍內都更低， 表明N3葉綠素含量高但長勢差； T3處理的結果與T2處理完全相同， 光譜指數也與反射率結果一致。 而一階導數光譜沒有表現出統一規律。

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

2.2 對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， 對照溫度(T1)的光譜反射率明顯高于T2和T3[圖2(a)]， 說明T2和T3的葉綠素含量無明顯差異且高于T1。 近紅外波段， T3反射率最低， 因此長勢最差， T1和T2沒有明顯差異。 T2一階導數光譜有最大峰值[圖2(b)]及最大的紅邊斜率和紅邊面積(表2)， 表明該處理長勢最好， 而T3略差。 施氮處理(N3)中， 不同溫度處理下可見光波段的光譜反射率與N1處理保持一致， NDVI和Chl NDI的值也表現為T1最低， 但T3要略高于T2； 而從近紅外波段的反射率來看， T3長勢最好， T2最差， 與PRI及一階導數光譜的結果一致。

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

圖2 對照光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導數光譜(b)對比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光范圍內的反射率更低， NDVI和Chl NDI值更大， 說明N3蒙古櫟的葉綠素含量高于N1； T2下， N3反射率略低于N1， 說明N3葉綠素含量略高， 然而NDVI和Chl NDI的卻表現出相反結果， 不過差異很小； 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， 說明N1長勢較好； T1結論與T2一致， T3則相反。

T1L2N1處理在可見光波段光譜反射率最高， NDVI和Chl NDI值最低， 說明在對照光周期下對照溫度不施氮處理的葉綠素含量最低； T2L2N1， T3L2N1和T3L2N3三個處理可見光波段的光譜反射率較為接近， 也有著較大的NDVI和Chl NDI值， 說明T2N1處理及T3處理的葉綠素含量高。 同時， T2N1處理長勢最佳， 而T2N3處理長勢最差。

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 (表3)； 在近紅外波段， T2反射率最高， 說明T2長勢最好， T1和T3長勢無明顯差異。 在施氮(N3)處理下， 可見光波段的波谷處， 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值也表現為T1處理最小， 但T3處理要大于T2處理； 在750～1 100 nm范圍內， T3處理光譜反射率最高， T2處理最低， 且T2處理一階導數光譜峰值最小[圖3(b)]且紅邊參數最小， T3處理則峰值最大且紅邊參數最大， 即T3處理長勢最好， T2處理最差， 但是長勢差異不大。

圖3 短光周期處理下蒙古櫟冠層光譜反射率(a)和一階導數光譜對比(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和紅邊參數Table 3 Canopy spectral indexes of Quercus mongolica and red edge parameters under short photoperiod treatments

在T1及T3處理下， N3在可見光范圍內的反射率更低， 說明N3的葉綠素含量高于N1， NDVI和Chl NDI也表現出同樣的結果； 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。 就長勢來看， T1處理下長勢無統一結論， 而T2和T3處理下N1長勢略好。 一階導數光譜則表現為T1和T3處理下N3長勢略優于N1， T2處理則相反。

T1L3N1在可見光波段內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， 即短光周期下對照溫度不施氮會抑制蒙古櫟合成葉綠素； T3L3N3光譜反射率在可見光波段內最低， 而在紅外波段和大多數處理較為接近， 說明， 短光周期下增溫2 ℃且施氮肥最有利于蒙古櫟合成葉綠素， 但對于長勢沒有促進。 T2L3N3處理長勢最差， T2L3N1處理長勢最好， 與對照光周期結論一致。

文中通過光譜反射率對比蒙古櫟展葉盛期的葉綠素含量和長勢， 以分析不同控制條件對蒙古櫟生長發育的影響。

不同光周期處理在350～680 nm波段內的光譜反射率沒有體現出明顯差異， 表明光周期對蒙古櫟葉綠素的合成沒有顯著的影響； 而在750～1 100 nm波段的反射率差異規律不一致， 說明光周期對蒙古櫟長勢也沒有明顯影響。

溫度對比中， 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， T1處理反射率最高， 葉綠素含量最低， 說明增溫(相對于拜泉縣溫度)有利于蒙古櫟合成葉綠素， 但是溫度過高也有可能會造成一定的抑制。 由于實驗設置的溫度梯度差異不大， 因此合適的增溫溫度無法確定。 在750～1 100 nm波段， 不同溫度處理的反射率差異規律不一致， 可能是由于溫度沒有超過植物耐受力， 并未對植物細胞造成損傷， 因此各個處理長勢上沒有明顯的優劣之分。

施氮對比中， N3處理可見光波段的光譜反射率更低， 葉綠素含量更高， 由此說明缺氮會抑制葉綠素的合成； 而N1處理長勢更好， 說明缺氮并不會影響植物長勢， 甚至施100%氮會導致植物生長變弱。 在750～1 100 nm波段， N1對近紅外線反射更強， 說明N1處理后生物量、 葉面積指數更大； 但差值之間還存在差異， 最小只有0.34%， 而最大達到13.21%， 這是不同處理的溫度和光周期不同導致的； 大部分處理紅邊斜率和紅邊面積的對比結果一致， 均是N1處理較大， 由此可知不施氮的植物反而長勢更好， 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照光周期和短光周期下表現出一致規律， 即升溫2 ℃且施氮的光譜反射率在可見光波段最低， 升溫1.5 ℃且施氮的一階導數光譜值和紅邊參數最小， 說明升溫且施氮會促進蒙古櫟葉綠素的合成， 同時抑制其長勢。 這一結論與單因子作用的結論統一。

聯合國氣候會議宣布巴黎公約的目標是在本世紀末將全球氣候變暖限制在2 ℃以內， 據研究， 實驗結果符合升溫2 ℃的限制。 在2 ℃的限制內， 蒙古櫟不會出現生長抑制， 并能更好地生成葉綠素。 由于我國是全球三大氮沉降集中區之一， 培育蒙古櫟幼苗的土壤中可能本身有一定氮含量， 因此本實驗中不施氮處理也并非完全不含氮， 而施100%氮可能導致土壤氮含量過高， 這也符合大氣氮沉降的增加的全球環境。

3 結 論

研究以大型人工氣候室模擬實驗資料， 采取高光譜遙感的方法， 分析研究了增溫、 光周期、 氮沉降及其協同作用對蒙古櫟展葉盛期光譜反射率及一階導數光譜影響的差異， 比較了不同環境變化下蒙古櫟展葉盛期的葉綠素含量和長勢變化。 主要結論： (1)光周期對蒙古櫟冠層光譜反射率沒有明顯影響， 即不同光周期不會導致蒙古櫟葉綠素含量和長勢的差異； (2)增溫會減小蒙古櫟在可見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， 但是會抑制蒙古櫟的生長， 不施氮處理的蒙古櫟長勢更優； (4)兩個光周期下， 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勢最差， 說明增溫且施氮的交互作用對蒙古櫟合成葉綠素有促進作用， 但會導致蒙古櫟長勢變差； (5)通過一階導數光譜能夠能更清晰地看出植物的紅邊特征， 有助于比較植物長勢。