研究区位于陕西省神木县以西14 km处的六道沟小流域(东经110° 21'— 110° 23', 北纬38° 46'— 38° 51'), 流域面积6.89 km²。 既属于黄土高原向毛乌素沙漠、 森林草原向典型干旱草原过渡地带, 又属于水蚀类型向风蚀类型过渡的水蚀风蚀交错带, 是典型的生态环境脆弱区。 地形地貌特点为典型的盖沙黄土丘陵区。 年均降水量408.5 mm, 且多集中在6— 9月, 年均气温7~9 ℃。

研究区主要生物土壤结皮类型为藻类生物土壤结皮和藓类生物土壤结皮。 其中, 藻类结皮以蓝藻为主; 藓类结皮以细叶纽扣藓、 土生纽扣藓和银叶针藓为主。 高等植物主要有沙蒿(Artemisia sphaerocepha)、 白刺(Nitrariatangutorum)、 沙柳(Salix cheilophyla)、 柠条(Caraganakorshinskii)等。

光谱测定用美国ASD公司的Field Spec 4仪器, 波长范围: 350~2 500 nm; 波长精度: 0.5 nm; 波长重复性: 0.1 nm。 光谱测定的环境条件: 在晴天中午前后10:00— 14:00之间进行光谱测定, 离地距离为20~30 cm, 风力不超过5级。 测量时保持与水平面的法线夹角在± 10° 之内, 探头定位时必须避免阴影。 因生物土壤结皮不同种类的分布面积较小, 光谱测定时选用小视场角进行测定, 得到纯度较高的生物土壤结皮光谱。 高等植被选用叶片夹测定, 为高等植被叶片的光谱。 光谱测量前, 需对标准参考板进行定标校准, 得到接近100%的基线, 然后对目标地物进行测量。 野外测定光谱数据时, 每隔10 min用白板校正一次, 校正时白板放置水平。 光谱测定同时采集GPS数据, 详细记录测点的位置、 植被情况并配以野外照相记录。 测量人员选择了低反射率的服装和鞋帽。 为减少和限制这种随机噪声水平, 对反射率曲线进行光滑处理, 以消除光谱曲线的抖动、 杂乱的水气吸收带以及“ 台阶” 跳跃现象, 使光谱曲线光滑、 连续。

光谱分析利用了ASD光谱仪配套的光谱数据处理软件ViewSpecPro, 数据分析与处理上剔除了异常光谱曲线。 由于大气水汽吸收带的影响, 野外光谱测定时在1 400和1 900 nm产生较大的噪声干扰。 因此, 本实验数据处理上, 剔除了1 350~1 420, 1 790~1 930 nm处形成的两个大的噪声区。

藻类生物土壤结皮覆盖度的计算运用ENVI5.3软件, 根据照片中藻类的像元数占整个照片的像元数比例得出。 藻类生物土壤结皮覆盖率公式如下

Cv=p1p2

式中: C_v为藻类生物土壤结皮覆盖率; p₁为测定区藻类像元数; p₂为测定区照片总像元数。

为去除光谱测试中存在的一些不确定性, 对藻类生物土壤结皮的光谱曲线做最小值归一化; 比较高等植被与藓类生物土壤结皮光谱差异时采用比值指数法(光谱斜率)进行分析。

不同盖度条件下(或不同发育程度)藻类生物土壤结皮的光谱反射率表现出光谱反射率随生物土壤结皮覆盖度增加而降低的变化规律。

藻类生物土壤结皮与裸土具有相似的光谱特征, 都不具有高等植物明显的“ 峰” 和“ 谷” 。 具体表现为, 在可见光区没有蓝、 红光的吸收谷和绿色波段的弱反射, 以及近红外高反射; 藻类结皮和裸土的光谱反射率表现为随波长的增加而增大的变化趋势, 其中, 可见光区和近红外光区增幅较大。 随藻类结皮覆盖度增加, 680 nm处吸收特征(叶绿素)越来越明显。 短波红外区, 随藻类生物土壤结皮覆盖度增加, 光谱反射增幅变缓, 2 200 nm处吸收谷(次生矿物)越来越小(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 不同盖度条件下藻类生物土壤结皮归一化光谱特征变化Fig.1 Changes of normalized spectral features of soil crusts of algae under different covering rates

可见光区(380~740 nm), 裸土的反射率归一化均值为3.284; 藻类覆盖度为10%~20%时, 反射光谱归一化均值为3.000, 降低了8.64%; 覆盖度为30%~40%时, 其反射光谱归一化均值为2.765, 降低了15.80%; 覆盖度达50%~60%时, 其反射率归一化均值仅为2.525, 降低了23.09%。 近红外区(740~1 300 nm), 裸土反射率归一化均值为6.283; 藻类结皮的覆盖率为10%~20%时, 反射光谱归一化均值为5.415, 下降了13.81%; 覆盖度为20%~30%时, 反射光谱归一化均值为4.860, 下降了22.65%; 覆盖度为50%~60%条件下, 其反射率归一化均值为4.973, 降低了20.84%。 短波红外区(1 300~2 500 nm), 裸土、 藻类结皮覆盖度为10%~20%, 30%~40%和50%~60%条件下, 反射光谱归一化均值分别为7.583, 6.096, 5.473和5.023。

在可见光区, 随波长增加, 不同盖度0, 10%~20%, 30%~40%和50%~60%藻类结皮光谱反射率分别增加4.8, 4.0, 3.9和3.7倍。 近红外光区, 随波长增加, 藻类结皮光谱反射率呈缓慢增加趋势, 四种不同盖度藻类结皮的光谱反射率增幅均在0.05。 短波红外波段, 藻类结皮光谱反射率未表现出上升趋势, 但在1 920, 2 200和2 360 nm存在三个吸收谷。

藻类生物土壤结皮是植被演替的先锋种, 因此, 其受到土壤光谱特征的影响较大。 不同覆盖度的藻类生物土壤结皮符合线性混合模型(图2), 其在整个光谱区段内、 可见光区、 近红外区线性相关R²分别为0.952, 0.982和0.950。

图2

Fig.2

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	图2 不同覆盖度藻类生物土壤结皮线性混合模型 (a): 全波段; (b): 可见光区; (c): 近红外区Fig.2 Linear mixed model of algal bio-soil crust with different coverage (a): Full band; (b): Visible light; (c): Near infrared

藓类生物土壤结皮光谱特征与藻类结皮显著不同, 形成绿波段的反射峰和红光波段的吸收谷以及近红外波段的高反射, 显著地表现出绿色高等植物具有的光谱特征(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 不同类型藓类生物土壤结皮光谱特征差异Fig.3 The characteristics differences of Different Types of moss soil crust

在可见光区, 三种藓类生物土壤结皮绿波段呈弱反射特征, 在550 nm处, 反射率分别为0.068, 0.072和0.055; 均表现出明显的红边现象, 在710 nm处, 反射率急剧增大分别从0.023, 0.022和0.026增加到0.353, 0.397和0.176, 分别增加了15.3, 18.0和6.8倍。 近红外区, 形成了两个吸收谷, 分别在970和1 180 nm处, 两个吸收谷的反射率分别为970 nm处的0.485, 0.562, 0.251及1 180 nm处的0.487, 0.576, 0.266。 三种藓类生物土壤结皮的光谱反射率从730 nm处增幅开始变缓, 在1 120 nm处达到整个光谱曲线的极值, 反射率分别为0.543, 0.635和0.279; 短波红外区, 存在两个反射峰, 分别在1 670和2 200 nm, 1 670 nm处的反射率为0.321, 0.377, 0.219, 2 200 nm处的反射率为0.138, 0.154和0.122, 这两个反射峰的反射率存在较大的差异, 1 670 nm的反射率是2 200 nm的2~3倍。

藻类、 藓类生物土壤结皮与高等植物光谱存在着较大的差异; 藻类生物土壤结皮具有与土壤相似的光谱曲线特征, 藓类生物土壤结皮具有与高等植物相似的光谱曲线特征(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 藻类、 藓类和高等植物光谱特征差异Fig.4 Algae, moss and advanced plant spectral characteristics

可见光区, 藻类生物土壤结皮光谱表现为随波长增大, 反射率逐渐增加规律, 藓类土壤生物结皮和高等植物都表现出绿波段的弱反射和红光波段的吸收谷。

近红外区, 藻类生物土壤结皮光谱表现出随波长增大, 反射率增幅逐渐放缓趋势, 没有明显的“ 峰-谷” 变化。 藓类生物土壤结皮和高等植物都表现出明显的“ 红边” 现象, 出现反射“ 陡坡” , 但在760~930 nm区间两者变化有明显差异, 藓类生物土壤结皮曲线的斜率Slope(930/760)要远大于高等植物, 藓类生物土壤结皮的斜率是高等植物的2.5~4.5倍。 藓类生物土壤结皮和高等植物都在970和1 180 nm处呈现出的两个吸收谷; 相比于高等植物, 藓类在970 nm处吸收谷不明显。

短波红外区, 藻类在2 140及2 300 nm存在两个弱反射峰, 在2 200 nm处形成吸收谷; 藓类和高等植物光谱反射率则是在1 600和2 200 nm处有两个反射峰, 1 400及1 900 nm处形成两个吸收谷, 高等植物相比于藻类和藓类在1 780 nm附近形成一弱吸收谷。

藓类生物土壤结皮Slope(NIR/Blue)远大于高等植被。 三种藓类生物土壤结皮Slope(NIR/Blue)均值为20.87, 该地区代表性的三种高等植被的Slope(NIR/Blue)均值为5.84。

生物土壤结皮光谱特征受结皮类型、 形态特征、 环境条件等多种因素的影响, 使得生物土壤结皮算法在其他地区的适用性受到极大的限制。 黄土高原地区生物土壤结皮光谱特征的研究是生物土壤结皮指数领域研究的一个重要补充。 Rodriguez-Caballero等^[6]研究发现藻类生物土壤结皮光谱特征与裸露的土壤相似, 在504 nm存在吸收谷(类胡萝卜素), 但在土壤反射率中没有观察到特征吸收峰。 本研究发现, 随着藻类结皮覆盖度的不断增大, 随藻类生物结皮覆盖度增加, 680 nm处吸收特征(叶绿素)越来越明显。 短波红外区, 光谱反射增幅变缓, 2 200 nm处吸收谷(次生矿物)越来越小。 基于不同覆盖度的藻类生物土壤结皮光谱特征的研究较少, 本研究发现藻类生物土壤结皮光谱反射率随覆盖度增加而降低的变化规律。 在可见光区, 覆盖度为10%~20%, 30%~40%及50%~60%藻类生物土壤结皮相比于裸地, 反射率归一化均值下降的比例在为8.64%, 15.80%和23.09%; 在近红外光区下降的比例达到13.81%, 22.65%和20.84%; 在短波红外光区则下降了19.61%, 27.82%和33.76%。

目前研究比较认同藓类生物土壤结皮与高等植物具有相似的光谱曲线特征。 O’ Neill对生物土壤结皮叶绿素吸收峰进行了较为细致的研究, 指出干湿交替对吸收峰和红外位移有一定的影响。 陈晋等和房世波等研究了干湿条件下对生物土壤生物结皮光谱特征的影响, 表明水分条件对光合色素和NDVI具有显著的影响。 杨光和李庆和^[7]研究了结皮颜色对荒漠藻结皮光谱特征的影响, 黑色结皮的红边基本不存在, 而绿色结皮红边现象特别明显, 表现出绿色植物的光谱特征。 这些研究集中在可见-近红外光区, 对荒漠地区, 特别是植被稀少地区, 生物土壤结皮的识别具有一定的价值。 本文研究不仅发现藓类生物土壤结皮具有和高等植物相似的光谱曲线特征, 还发现两者光谱特征变化上存在的差异性。 研究发现, 二者都表现出绿波段的反射特征和红光波段的吸收特征, 在680 nm都表现出绿色植被所共有的光谱反射基本特征。 但藓类生物土壤结皮在760~930 nm区间斜率要远大于高等植物, 在此区间表现为“ 陡坡” 特征, 高等植物相对平坦, 光谱斜率是高等植物的2.5倍。 藓类生物土壤结皮与高等植物光谱特征异同原因在于藓类生物土壤结皮作为最早登陆的高等植物, 与高等植物具有相似的色素和结构特征, 如叶子中存在叶绿素, 但与高等植物相比, 藓类属喜阴植物, 叶子色素含量和内部结构存在较大差异。

现有生物土壤结皮指数算法建立在寒区旱区的荒漠地区, 不同区域生物土壤结皮群落中隐花植物种构成与丰富度差异较大, 现有的生物土壤结皮指数其应用具有很大的局限性, 且其信息识别以蓝藻和地衣结皮为主。 黄土高原地区生物土壤结皮种类构成与丰富度、 形态特征、 分布特征以及环境条件等与沙漠地区显著不同, 基于传统技术手段进行生物土壤结皮识别技术难度较大, 且受周围环境背景信息的干扰, 在黄土高原地区还没有成功应用的先例。 今后将加强生物土壤结皮与高等植物和裸土不同组合条件的混合光谱与单个类型不同丰度光谱之间的研究, 从而使基于卫星遥感的生物结皮探测发挥作用。 本工作在点位尺度上开展了生物土壤结皮光谱特征的研究, 取得生物土壤结皮与环境背景(如裸土、 高等植物)光谱的异同特征, 这些光谱特征为区域尺度生物土壤结皮指数和算法构建奠定了重要的基础。