蒙古栎展叶盛期变化的光谱特征及其影响因素研究

张世雅， 吕晓敏， 周广胜,任鸿瑞

1. 太原理工大学测绘科学与技术系， 山西 太原 030024 2. 中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站， 北京 100081 3. 中国气象科学研究院郑州大学生态气象联合实验室， 河南 郑州 450001 4. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心， 江苏 南京 210044

引 言

全球气温变暖已经成为不争的事实， 大气氮沉降也是全球变化重大问题之一。 温度、 光照和氮作为植被生长过程中的必需条件， 无疑会对植被生长产生巨大的影响。 因此， 研究多环境因子交互作用对植物的影响尤为重要。

植被有独特的光谱反射特征， 区别于土壤、 水体和典型地物， 是由其化学特征和形态学特征共同决定的， 与植被的空间结构、 覆盖度、 生物量等密切相关， 能够反映植被的发育、 健康状况以及生长条件。 通过植被的光谱反射率可以分析植被关键物候期的叶绿素含量和长势情况。 研究表明， 高光谱技术可用于提取作物生态物理参数， 能够准确、 方便地获取叶绿素含量等农学信息[1-2]； 同一植被冠层光谱反射受植被叶绿素含量及长势影响明显[3]。

蒙古栎(Quercusmongolica)是壳斗科栎属落叶乔木， 主要分布在中国东北、 华北、 西北各地， 是中国东北林区中主要的次生林树种， 对森林群落的演替和发展具有重要意义[4]。 随着全球气候变暖， 蒙古栎具有成为东北森林最主要树种的趋势[5]， 而东北原始阔叶红松林是温带地带性顶极植被， 对全球变化的研究具有显著的区域特性[4]。 研究表明， 适度的增温有利于蒙古栎幼苗的生长， 增温4℃对幼苗生长的促进作用最大[6]； 叶绿素含量受氮素水平影响显著， 高氮素水平下的叶绿素含量明显高于正常氮素水平和不施氮[7]。 尽管关于温度和氮素变化对蒙古栎的影响研究已经很多， 然而温度、 光照和氮添加交互作用对蒙古栎关键物候期的影响仍未见报道， 尤其是基于光谱特征的蒙古栎主要物候期生长变化的研究。 研究采用大型人工气候室模拟控制实验的方法， 分析蒙古栎展叶盛期冠层光谱反射率对不同光照、 增温、 氮添加及其交互作用的响应差异， 旨在为植被变化的遥感监测与影响因素分析提供依据。

1 实验部分

1.1 试验设计

试验地点位于中国气象局固城生态与农业气象试验站， 蒙古栎幼苗物候模拟试验为4～10月。 模拟试验设置3个温度、 3个光周期和2个氮沉降的交互处理， 共18个处理， 每个处理4个重复。 其中， (1)3个温度处理： 对照温度(T1， 黑龙江省齐齐哈尔市拜泉县蒙古栎幼苗生长季相应月份近30年的平均气温)、 增温1.5 ℃(T2)和增温2.0 ℃(T3)； (2)3个光周期处理： 长光周期处理(L1， 光照长度18 h)、 对照光周期(L2， 拜泉县蒙古栎生长季的平均光照长度14 h)、 短光周期处理(L3， 光照长度10 h)； (3)2个氮沉降处理： 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 光谱测定

利用FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪(美国ASD公司生产)测定蒙古栎展叶盛期光谱。 每个处理每次测定5条曲线， 3次重复， 测定两次， 共计30条曲线。 该处理的冠层光谱反射值是30次测量的平均值。

1.3 数据分析

利用ViewSpecPro进行数据转换， 将原始asd格式转换为Excel可用的txt格式后利用Excel 2016进行数据处理。

植被的光谱反射曲线大于1 100 nm范围主要是水的强吸收带， 故截取350～1 100 nm波段范围内的反射曲线进行处理分析。 同时， 引入光谱反射曲线的一阶导数曲线[8]

式(1)中， λi为波段i波长值； ρ(λi)为波长λi的光谱反射率值； ρ′(λi)为波段i的一阶微分值。 再从一阶导数曲线中提取红边参数， 其中常用的红边参数有： (1)红边斜率： 680～750nm波段内一阶导数光谱的最大值； (2)红边位置： 680～750nm波段范围内阶一导数光谱最大值对应的波长； (3)红边面积： 680～750nm之间的一阶导数光谱所包围的面积[9]。 选取3个常用的光谱指数NDVI(归一化植被指数)、ChlNDI(归一化叶绿素指数)和PRI(光化学反射指数)作辅助分析[10]。

2 结果与讨论

2.1 长光周期下温度和氮沉降及其交互作用的影响

不施氮(N1)处理中， 在可见光波段， 对照温度(T1)、 增温2 ℃(T3)波谷处的光谱反射率较为接近， 增温1.5 ℃(T2)最低[图1(a)]， 说明T2叶绿素含量高于T1和T3； 而T1的一阶导数光谱峰值最大[图1(b)]且红边斜率最大(表1)， 说明其覆盖度最大， 但红边位置波长最小， 同样表明叶绿素含量最低。T3在近红外波段反射率最高，T2最低， 同时，T2红边斜率和面积均最小，T3则红边面积最大， 就长势来说，T3优于T1， 优于T2。 施氮处理(N3)可见光波段的规律与不施氮保持一致，T2叶绿素含量最低， 其NDVI、ChlNDI值也最大； 而在近红外波段，T2光谱反射率同样为最低， 但T1要高于T3。 从一阶导数光谱来看，T2叶绿素含量最低， 然而T1长势最好。

表1 长光周期处理下蒙古栎冠层光谱指数和红边参数Table 1 Canopy spectral indexesandred edge parameters of Quercus mongolica under long photoperiod treatments

图1 长光周期处理下蒙古栎冠层光谱反射率(a)和一阶导数光谱(b)对比Fig.1 Comparisons of spectral reflectance (a) and first derivative spectra (b) ofQuercus mongolica canopy under long photoperiod treatments

T1处理下， N3的光谱反射率在可见光范围内更低， 而在近红外波段更高， 说明N3处理叶绿素含量高且长势好； T2处理下， 施氮处理的光谱反射率在整个波段范围内都更低， 表明N3叶绿素含量高但长势差； T3处理的结果与T2处理完全相同， 光谱指数也与反射率结果一致。 而一阶导数光谱没有表现出统一规律。

T2L1N3处理的光谱反射率最低， 说明长光周期下， 增温1.5 ℃施氮处理的叶绿素含量最高但长势最差。 T1L1N1处理叶绿素含量最低， 而T1L1N3处理长势最好， 说明长光周期下， 对照温度(T1)最有利于蒙古栎生长。

2.2 对照光周期下温度和氮沉降及其交互作用的影响

不施氮(N1)处理中， 在可见光波段， 增温1.5 ℃处理(T2)、 增温2.0 ℃处理(T3)下蒙古栎展叶盛期的光谱反射率比较接近， 对照温度(T1)的光谱反射率明显高于T2和T3[图2(a)]， 说明T2和T3的叶绿素含量无明显差异且高于T1。 近红外波段， T3反射率最低， 因此长势最差， T1和T2没有明显差异。 T2一阶导数光谱有最大峰值[图2(b)]及最大的红边斜率和红边面积(表2)， 表明该处理长势最好， 而T3略差。 施氮处理(N3)中， 不同温度处理下可见光波段的光谱反射率与N1处理保持一致， NDVI和Chl NDI的值也表现为T1最低， 但T3要略高于T2； 而从近红外波段的反射率来看， T3长势最好， T2最差， 与PRI及一阶导数光谱的结果一致。

表2 对照光周期处理下蒙古栎冠层光谱指数和红边参数Table 2 Canopy spectral indexesand red edge parameters of Quercus mongolica under controlled photoperiod treatments

图2 对照光周期处理下蒙古栎冠层光谱反射率(a)和一阶导数光谱(b)对比Fig.2 Comparisons of spectral reflectanceand (a) first derivative spectra (b) of Quercus mongolicacanopy under controlled photoperiod treatments

在T1处理下， N3下蒙古栎展叶盛期在可见光范围内的反射率更低， NDVI和Chl NDI值更大， 说明N3蒙古栎的叶绿素含量高于N1； T2下， N3反射率略低于N1， 说明N3叶绿素含量略高， 然而NDVI和Chl NDI的却表现出相反结果， 不过差异很小； T3下， N3和N1反射率看不出明显差异， NDVI和Chl NDI值均只有0.003左右的差距。 在T2条件下， N1和N3差异最大， N1红边斜率和红边面积都大于N3， 说明N1长势较好； T1结论与T2一致， T3则相反。

T1L2N1处理在可见光波段光谱反射率最高， NDVI和Chl NDI值最低， 说明在对照光周期下对照温度不施氮处理的叶绿素含量最低； T2L2N1， T3L2N1和T3L2N3三个处理可见光波段的光谱反射率较为接近， 也有着较大的NDVI和Chl NDI值， 说明T2N1处理及T3处理的叶绿素含量高。 同时， T2N1处理长势最佳， 而T2N3处理长势最差。

2.3 短光周期下温度和氮沉降及其交互作用的影响

不施氮(N1)处理下， 可见光波段的波谷处， 增温1.5 ℃(T2)处理的反射率最小， 增温2.0 ℃(T3)其次， 对照温度(T1)最大[图3(a)]， 叶绿素含量T2>T3>T1， NDVI值也印证了这一点 (表3)； 在近红外波段， T2反射率最高， 说明T2长势最好， T1和T3长势无明显差异。 在施氮(N3)处理下， 可见光波段的波谷处， T2和T3处理的反射率比较接近， T1处理最高， 即T2和T3叶绿素含量差异不大， T1处理叶绿素含量最低， NDVI值也表现为T1处理最小， 但T3处理要大于T2处理； 在750～1 100 nm范围内， T3处理光谱反射率最高， T2处理最低， 且T2处理一阶导数光谱峰值最小[图3(b)]且红边参数最小， T3处理则峰值最大且红边参数最大， 即T3处理长势最好， T2处理最差， 但是长势差异不大。

图3 短光周期处理下蒙古栎冠层光谱反射率(a)和一阶导数光谱对比(b)Fig.3 Comparisons of spectral reflectance (a) and first derivative spectra (b) ofQuercus mongolica canopy under short photoperiod treatments

表3 短光周期处理下蒙古栎冠层光谱指数和红边参数Table 3 Canopy spectral indexes of Quercus mongolica and red edge parameters under short photoperiod treatments

在T1及T3处理下， N3在可见光范围内的反射率更低， 说明N3的叶绿素含量高于N1， NDVI和Chl NDI也表现出同样的结果； T2条件下， N3反射率与N1接近， 然而N1的NDVI和Chl NDI值要大于N3。 就长势来看， T1处理下长势无统一结论， 而T2和T3处理下N1长势略好。 一阶导数光谱则表现为T1和T3处理下N3长势略优于N1， T2处理则相反。

T1L3N1在可见光波段内的波谷处有最高的光谱反射率， 且NDVI值最小， 因此其叶绿素含量最低， 即短光周期下对照温度不施氮会抑制蒙古栎合成叶绿素； T3L3N3光谱反射率在可见光波段内最低， 而在红外波段和大多数处理较为接近， 说明， 短光周期下增温2 ℃且施氮肥最有利于蒙古栎合成叶绿素， 但对于长势没有促进。 T2L3N3处理长势最差， T2L3N1处理长势最好， 与对照光周期结论一致。

文中通过光谱反射率对比蒙古栎展叶盛期的叶绿素含量和长势， 以分析不同控制条件对蒙古栎生长发育的影响。

不同光周期处理在350～680 nm波段内的光谱反射率没有体现出明显差异， 表明光周期对蒙古栎叶绿素的合成没有显著的影响； 而在750～1 100 nm波段的反射率差异规律不一致， 说明光周期对蒙古栎长势也没有明显影响。

温度对比中， 相同光周期和施氮量处理下， 不同温度处理的光谱反射率在350～1 100 nm范围内， T1处理反射率最高， 叶绿素含量最低， 说明增温(相对于拜泉县温度)有利于蒙古栎合成叶绿素， 但是温度过高也有可能会造成一定的抑制。 由于实验设置的温度梯度差异不大， 因此合适的增温温度无法确定。 在750～1 100 nm波段， 不同温度处理的反射率差异规律不一致， 可能是由于温度没有超过植物耐受力， 并未对植物细胞造成损伤， 因此各个处理长势上没有明显的优劣之分。

施氮对比中， N3处理可见光波段的光谱反射率更低， 叶绿素含量更高， 由此说明缺氮会抑制叶绿素的合成； 而N1处理长势更好， 说明缺氮并不会影响植物长势， 甚至施100%氮会导致植物生长变弱。 在750～1 100 nm波段， N1对近红外线反射更强， 说明N1处理后生物量、 叶面积指数更大； 但差值之间还存在差异， 最小只有0.34%， 而最大达到13.21%， 这是不同处理的温度和光周期不同导致的； 大部分处理红边斜率和红边面积的对比结果一致， 均是N1处理较大， 由此可知不施氮的植物反而长势更好， 光谱反射率更不容易受土壤背景影响。

温度和氮沉降的交互作用在对照光周期和短光周期下表现出一致规律， 即升温2 ℃且施氮的光谱反射率在可见光波段最低， 升温1.5 ℃且施氮的一阶导数光谱值和红边参数最小， 说明升温且施氮会促进蒙古栎叶绿素的合成， 同时抑制其长势。 这一结论与单因子作用的结论统一。

联合国气候会议宣布巴黎公约的目标是在本世纪末将全球气候变暖限制在2 ℃以内， 据研究， 实验结果符合升温2 ℃的限制。 在2 ℃的限制内， 蒙古栎不会出现生长抑制， 并能更好地生成叶绿素。 由于我国是全球三大氮沉降集中区之一， 培育蒙古栎幼苗的土壤中可能本身有一定氮含量， 因此本实验中不施氮处理也并非完全不含氮， 而施100%氮可能导致土壤氮含量过高， 这也符合大气氮沉降的增加的全球环境。

3 结 论

研究以大型人工气候室模拟实验资料， 采取高光谱遥感的方法， 分析研究了增温、 光周期、 氮沉降及其协同作用对蒙古栎展叶盛期光谱反射率及一阶导数光谱影响的差异， 比较了不同环境变化下蒙古栎展叶盛期的叶绿素含量和长势变化。 主要结论： (1)光周期对蒙古栎冠层光谱反射率没有明显影响， 即不同光周期不会导致蒙古栎叶绿素含量和长势的差异； (2)增温会减小蒙古栎在可见光波段的光谱反射率， 意味着增温有利于蒙古栎合成叶绿素； (3)施氮处理的光谱反射率在可见光波段要低于不施氮处理， 而近红外波段正好相反， 表明施氮也有利于蒙古栎合成叶绿素， 但是会抑制蒙古栎的生长， 不施氮处理的蒙古栎长势更优； (4)两个光周期下， 增温2 ℃且施氮处理的蒙古栎叶绿素含量最高， 增温1.5 ℃且施氮处理的蒙古栎长势最差， 说明增温且施氮的交互作用对蒙古栎合成叶绿素有促进作用， 但会导致蒙古栎长势变差； (5)通过一阶导数光谱能够能更清晰地看出植物的红边特征， 有助于比较植物长势。