基于光谱指数的伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况的判定

武红旗，范燕敏，靳瑰丽，夏小伟

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2.新疆草地资源与生态重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆土壤与植物生态过程重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052)

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在气候变化中具有重要的调节作用，同时草地是重要的畜牧业生产资料，具有生态、生产和社会功能[1]，但由于自然因素及人类活动的干扰，草地出现大面积退化、沙化及荒漠化，并对社会和经济发展产生威胁[2-3]。新疆地处中亚腹地，水汽稀少，低山、平原区多为荒漠草地，生态脆弱，其在新疆的生态环境保护与建设中具有重要意义。其中，伊犁绢蒿荒漠草地面积大、分布广，是当地主要的春秋放牧场，承担生态与生产的重要功能，但由于过度放牧导致草地出现不同程度的退化[4-5]。围栏封育作为该类退化草地恢复的重要手段，具有投入少、易于实施等优点。但围封后，如何对其恢复效果进行实时监测，以及封育年限的确定尚需研究。

遥感技术的快速发展，使得其在草地实时监测中已获得广泛运用，在草地生物量[6-7]、盖度[8-9]及草地退化监测[10-11]等方面均取得成果。但由于荒漠草地受背景干扰严重，植被信息难以精确获取，所以在荒漠草地中的研究相对较少。杨峰等[12]对天山北坡典型荒漠草地退化特征及原因进行探讨，林海军[13]对典型荒漠植被光谱特征进行分析，钱育蓉[14-15]等对荒漠草地光谱信息的提取做了研究，尚未发现通过光谱对于荒漠草地最佳封育年限进行判定的相关报道。

本文选择分布在天山北坡的荒漠草地为研究对象，进行封育草地恢复状况的监测及封育年限的确定，从伊犁绢蒿荒漠草地3个重要层片中各选出一种特征植物，分别为半灌木伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)、一年生长营养期草本叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)和短命植物涩芥(Malcolmiamaritima)，对不同封育年限光谱指数进行研究，探讨不同封育年限群落的恢复状况及光谱指数的动态变化并进行回归分析，以期更好地监测伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况，并确定最佳封育年限。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆乌鲁木齐市米东区芦草沟乡，地理坐标为43°53′N，87°45′E，海拔930 m，属于大陆性中温带干旱气候区，年平均降水212 mm，年均温7.3℃，无霜期165 d，光照充足，蒸发量大，是典型的伊犁绢蒿荒漠分布区。草地群落以伊犁绢蒿为建群种，伴生叉毛蓬、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等一年生植物，春季涩荠、弯果胡卢巴(Trigonellaarcuata)和葶苈(Drabanemorosa)等短生植物发育较好；由于放牧过重该类草地呈退化状态。分别在2004年、2007年和2012年建立3个围栏封育区域。于2014年5月在3个封育区及未封育区进行植物群落、光谱数据采集，形成封育10年、7年、2年和0年的退化草地修复年限系列。

1.2 数据测定

1.2.1植物群落数量特征测定 在3个围栏内各设5个样方，围栏外设9个样方，样方面积1 m×1 m，共24个，测定植物群落数量特征。平均高度为样方内随机挑选10株建群种和伴生种测其自然高度取平均值，密度为样方内出现的植物株数，盖度采用针刺法，地上生物量采用齐地面剪割法。

1.2.2野外地面光谱数据采集 采用美国SVC HR-768便携式光谱仪(350～2 500 nm)在各样方同步测定植物群落及单种植物光谱。

光谱采集尽量选择在晴朗干燥微风无云的天气，为减少太阳高度角对反射率的影响，测定时间为北京时间12：00—14：00。每次开机进行一次暗电流校正，测定群落光谱反射率时，探头与地面始终保持垂直，距冠层1 m，在样方中均匀的测5条光谱反射率。

1.3 数据分析

光谱数据受仪器温度和电流影响，可能会出现异常大或小的光谱反射率，需先剔除光谱反射率异常的数据，然后将数据按样本归类取均值。

1.3.1光谱平滑 由于光谱各波段对能量响应上具有差异，加之仪器受电压及温度的影响，光谱曲线总存在噪声，难以得到平稳的信号。对于光谱曲线的高频噪声，在处理中常进行平滑处理，较常用的平滑方法有，移动平滑，Savitzky-Golay平滑和小波平滑等，本文选择9点加权平滑对光谱进行去噪[16]。

1.3.2光谱特征的获取 在地面光谱的分析基础上，采用691 nm与781 nm两波段相对反射率来计算光谱指数NDVI、DVI和VI，公式如下：

NDVI=(R781-R691)/(R781+R691)

DVI=R781-R691

VI=R691/R781

对于本研究的红边斜率采用红边范围一阶微分最大值近似代替。

1.3.3一阶微分处理 不同阶数微分值可以快速确定光谱的拐点及最大、最小反射率的位置，常用于减少土壤背景值影响，特别对于荒漠草地，植被稀疏，受土壤背景影响大，因而不同阶数微分处理在荒漠植被光谱研究中较有效。本研究采用光谱的差分来近似一阶微分[18]，公式如下：

R′(λi)=[R(λi+1)-R(λi-1)]/2Δλ

式中，λi为inm波段的波长，R(λi-1)为波长λi-1处的植物光谱反射率，R(λi+1)为波长λi+1处的植物光谱反射率，Δλ是波长λi+1到波长λi的间隔，R′(λi)为反射率在λi的一阶微分。

数据的整理、平滑及一阶微分在Excel中完成，绘图在Origin8.0、Excel中进行。

2 结果与分析

2.1 不同封育年限下群落数量特征变化

对群落的高度、盖度、密度和生物量特征随封育年限的变化进行分析，如图1。

由图1可知，随着封育年限的增加群落的数量指标呈不同的变化趋势，群落平均高度呈先降后升的趋势，对平均高度进行回归发现，群落平均高度在封育第3年达到最低值；而群落盖度、密度和地上生物量都呈先增加后降低的趋势，分别在封育第4年、5年、4—5年左右达到最大值，表明封育5年左右，群落达到较好状态。

2.2 不同封育年限下群落光谱指数的变化

对群落光谱指数随封育年限的变化进行分析，如图2。

图1 不同封育年限下群落数量特征变化Fig. 1 Changes in community quantity characteristics in different fencing time

图2 不同封育年限下群落光谱指数的变化Fig.2 Changes of the spectral indices of community in different fencing time

由图2可知，不同光谱指数具有不同的变化趋势，其中归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)、差值植被指数(difference vegetation index，DVI)及红边斜率均呈先增加后降低的趋势，而比值植被指数(vegetation index，VI)呈先降低后升高的变化趋势，但其指示意义一致，即群落植被生长状况随封育时间增加先改善后恶化。不同的光谱指数达到最优的年限不一致，NDVI、DVI、VI及红边斜率达到最大值年限依次为6.36年、4.81年、6.27年和4.87年，即在4—6年左右，与前面群落盖度、密度及地上生物量最优值年限基本一致，四种光谱指数对封育梯度的回归均具有显著性，其中NDVI回归系数最高，故只选取NDVI进行相关性分析。

2.3 群落数量特征与NDVI相关性分析

以上研究表明，群落的数量指标、地面光谱指数与封育年限间均具有显著的回归关系，故进一步探讨群落数量各指标和NDVI之间的相关性，如图3，从而验证运用光谱指数进行封育年限判定的可行性，同时可用于监测草地的恢复状况。

图3 群落的数量指标与NDVI的相关性Fig.3 Correlation between community quantity indices and NDVI

由于群落高度从侧面可以反应群落的生长情况，一般来说，群落平均高度越高，群落生长状况越好，NDVI值越大。由图3可知，群落的平均高度与NDVI之间具有显著正相关关系(P<0.05)，R2=0.22。

群落的盖度越大反应群落植被的生长状况越好。由图3可知，群落的盖度随NDVI增加而增加，盖度与NDVI间呈极显著的对数相关性(P<0.01)，R2=0.48。

NDVI能反应植物的生物量的大小，NDVI越大，表明群落叶绿素含量越高，植物长势越好。由图3可知，地上生物量与NDVI间具有极显著的正相关关系(P<0.01)，R2=0.58。

由图3可知，群落的密度与NDVI无相关性，由于NDVI主要反映红外与近红外波段间吸收率与反射率的差异，群落生长状况越好，两者差异越大。一般来说，群落密度增大，群落的植被状况越好，但伊犁绢蒿荒漠草地物种间的密度差异很大，可相差一个甚至多个数量级，故光谱及光谱指数并不能很好的反映荒漠草地群落的密度状况。

2.4 不同封育年限下特征植物NDVI动态变化

通过群落光谱特征分析了利用光谱指数判别适宜封育年限的可行性，进一步分析草地3个层片中的特征植物，从单种植物光谱指数对封育年限的响应角度进行判断，将3种特征植物的NDVI与封育年限进行回归曲线拟合，如图4。

图4 不同封育年限下特征植物光谱指数动态变化Fig.4 Dynamic changes of spectral index of typical plants in different fencing time

由图4可知，随着封育年限的增加，群落中不同植物的NDVI变化趋势不一，其中伊犁绢蒿及涩芥的NDVI呈先增加后降低的趋势，达到最大值的封育年限为5.37年、5.92年；而叉毛蓬的NDVI呈先降低后升高的趋势，达到最低值的封育年限为5.51年。均在5年左右达到极值，与群落的盖度、密度及生物量达到极值年限基本一致，同时与群落的光谱指数的极值年限也基本一致。

3 讨论

围栏封育是草地修复的重要方式，排除放牧干扰，使得草地通过自我修复来逐渐提高草地的产量与质量。本研究表明群落平均高度在封育初期具有一个降低过程，可能是由于封育初期竞争压力小，群落物种数增加，增加的物种多为类短命及一年生植物，因而群落的平均高度有所降低，随后由于种间竞争导致一年生及类短命植物的退出及多年生植物增多，群落高度增加。多年生半灌木相对于一年生及类短命植物竞争力强，随着封育年限的增加，多年生半灌木占据越来越大的生存空间，种间竞争增大，在各物种间竞争力最大时，群落盖度、密度及生物量达到最大值。本研究中，群落的盖度、密度及地上生物量均呈先增加后降低的趋势，在5年左右达到最大值。由于荒漠生境条件恶劣，故群落的盖度、生物量达到一定程度后就受水分条件所制约，因此封育多年以后半灌木伊犁绢蒿开始木质化，生殖投资增大[19]，叶量降低，故盖度降低，且地上生物量降低。

植被指数基于红光及近红外波段植被对太阳辐射的吸收与反射率来进行构造，用于反映植物的生长状况、健康状况，主要受植物叶绿素、群落盖度及冠层结构的影响，可进行群落生物量、叶面积及叶绿素的反演。本研究发现，群落的光谱指数呈现随封育年限的增加先增加后降低的趋势，表明群落状况先改善后变劣。在特征植物方面，靳瑰丽等[20]认为不同层片的植物对不同的放牧强度的响应不一。本研究中随着封育年限的增加，不同特征植物的光谱指数变化趋势不同，其中伊犁绢蒿与涩芥与群落光谱指数变化相一致。伊犁绢蒿的光谱指数的变化主要受其生长规律的影响，封育初期主要进行营养繁殖，叶绿素含量增加，封育后期加大生殖投资，叶绿素含量降低；涩芥是短命植物，在草地恢复初期生长旺盛，恢复后期受种间竞争的影响，生长受到抑制，因此其光谱指数的变化与伊犁绢蒿的相同；叉毛蓬属于退化草地的增加种，当草地恢复初期，伊犁绢蒿的高度、盖度等的增加限制了叉毛蓬的生长，因此其光谱指数的变化与伊犁绢蒿的相反。

草地生态系统作为一个循环更新的物质系统，在围封一定年限后由于枯落物的堆积，阻碍土壤呼吸与水分循环，不利于牧草的正常生长和发育，在可持续利用的原则下，草地围封不应是无限期的。因此，需要根据草地恢复状况，确定合理的封育年限，并加以适当利用，使得草地生态系统的繁殖更新及能量流动保持良好状态，达到草地生态系统平衡的状态[21]。本研究中伊犁绢蒿是群落的建群种，其NDVI与封育年限所做拟合曲线与群落趋势一致，证明了通过群落光谱对封育年限进行判定的可靠性，同时，群落的数量指标、群落光谱指数及特征植物的NDVI均在5年左右达到极值，表明通过群落光谱指数及特征植物光谱指数对伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况进行监测的可行性，以5年为节点进行适当放牧利用，有利于清理枯落物，加快草地更新速度。

4 结论

草地在进行围栏封育后，草地群落数量指标随着封育年限增加，草地生产力及草地质量得到恢复。通过群落数量指标、群落光谱指数和特征植物的NDVI与封育年限的回归分析，表明5年左右草地群落达到最大盖度及地上生物量，且处于群落中物种生长状态转换的节点，特别是对于伊犁绢蒿，若此时加以适度利用，可防止木质化，促进繁殖更新。