引言

生物結皮又稱微生物結皮，是苔類、葉苔、藍綠藻、地衣類、真菌和細菌以及許多景觀中常見的非維管植物成分形成的十分復雜的聚合體。生物結皮在干旱區生態系統中扮演著重要的角色，它能在干旱、瘠薄、高溫等惡劣的環境中生存繁殖，在熱帶和寒帶的干旱及半干旱地區分布廣泛，在某些地區其覆蓋度在70%以上，是干旱和半干旱地區生態系統演替中的重要環節。20世紀80年代以來，伴隨著沙漠化威脅的日益加重，生物結皮在荒漠生態系統中的作用愈發突出，生物結皮所具有的生態功能亦引起了學者的普遍重視，并逐漸成為荒漠地區生態研究的熱點。研究者分別從地表生物結皮的發育、生物結皮細菌的分離、生物結皮的人工促進技術以及生物結皮對土壤入滲、植物生長、土壤抗沖性、土壤微生物的影響等方面進行了研究與探討，而對沙丘表面生物結皮的光譜特性研究較少。本文以庫布齊沙漠中段七里明沙區沙柳沙障固沙地迎風坡不同部位沙粒、黑色和綠色生物結皮為研究對象，采集了迎風坡不同部位裸沙粒、黑色和綠色生物結皮地物光譜數據，對比分析了其光譜特性，找出其變異規律，不僅是建立地面光譜數據與遙感圖像空間光譜數據之間的橋梁，也是提高地物識別精度和信息定量反演精度的基礎，其理論成果將為利用生物結皮進行沙漠沙地治理提供積極的指導作用。

研究區概況

研究區位于庫布齊沙漠中段七里明沙區，區域范圍界于：N40°10'~40°20'，E109°48'~110°48'。研究區位于內蒙古高原向黃土高原的過渡帶，屬于溫帶大陸性氣候。年平均溫度為6.1℃，極端最高溫度為40.2℃，最低為-34.5℃。多年平均降雨量為310mm，7~9月降水量占全年的70%，且多以暴雨形式出現，蒸發量2500mm。大風日數最多達48d/a，主導風向為西北風。研究區總面積400km2，區內地貌類型主要由流動沙丘、半固定沙丘、風蝕殘丘等構成，其中流動沙地面積1.13x104hm2，占本區總面積的28.3%。

研究方法及數據處理

3.1 光譜數據

采集點選擇以設有10年沙柳沙障的典型固定沙丘為研究區，選擇迎風坡丘間地、沙丘底部、沙丘中部及沙丘上部作為光譜數據采集點，分別采集迎風坡不同部位裸沙、黑色和綠色生物結皮的地物光譜數據。為使數據具有可比性，生物結皮光譜數據采集點處的生物結皮蓋度均為45~55%。

3.2 光譜數據采集及處理

3.2.1 光譜數據采集

本研究可采用萊森光學生產的iSpecField-WNIR便攜式地物光譜儀，有效光譜范圍在300~2500nm。野外地物光譜特性測量受太陽高度角和天氣狀況的影響較大。為了克服太陽高度角變化對測量結果的影響，選擇每天10：00~14：00為野外測量時間。在2012年8月4日~8月5日天氣晴朗無風的時段進行了研究區地物光譜測量。每個全光譜數據測量時間設定為5s，地物光譜測量前首先對光譜儀進行暗電流采集和白板標定，以后每更換一次地點，進行一次白板標定。測量高度即探頭距離地物60cm，每類地物測量均在10min內完成10次測量，取其平均值作為該類地物的反射率。

3.2.2光譜數據融合

首先利用地物光譜儀SpecAnalysis軟件對研究區變異較大的地物光譜曲線進行剔除，然后對數據重疊部分進行匹配，再對地物光譜數據進行融合。

3.2.3光譜數據平滑

由于光譜儀波段間對能量相應上的差異，使光譜曲線總存在一些噪聲，為得到平衡與概略的變化，需平滑波形，以去除包含在信號內的少量噪聲。實踐表明：如果噪聲頻率較高，其量值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪聲。常用的平滑方法有移動平均法、靜態平均法、傅立葉級數近似等，其大部分方法是基于低通濾波，使用低通濾波保留低頻部分的同時消除高頻部分，以達到平滑和去噪的作用。本文采用9點移動平滑法對采集的地物光譜數據進行平滑處理。數據平滑在遙感影像處理軟件ENVI/IDL支持下完成。利用IDL中的Smooth函數編寫9點平滑代碼，在ENVI中通過"Spectral"菜單下的"SpectralMath"，調用9點平滑函數對實測光譜數據進行平滑處理。平滑處理前后效果見圖1。

圖1光譜平滑處理效果對比圖

3.2.4剔除水汽吸收波段

由于大氣中水汽的強烈吸收，地面光譜和空中遙感數據在水汽吸收波段基本都是噪聲。為使野外地面測量結果與今后遙感數據相匹配，需剔除水汽吸收峰影響嚴重的波段區域，去除明顯錯誤波段數值。剔除水汽吸收前后光譜曲線比較見圖2。

（a）剔除水汽吸收波段前光譜曲線；（b）剔除水汽吸收波段后光譜曲線

圖2剔除水汽吸收波段前后光譜曲線對比圖

結果與分析

4.1 沙丘迎風坡不同部位沙粒光譜特性

分析沙丘迎風坡不同部位沙粒光譜反射特性對比見圖3。由圖3分析可知，在全波段范圍內，沙柳沙障固定沙丘不同部位沙粒光譜曲線總體變化比較平緩。350nm處不同部位光譜反射率非常接近，350~600nm范圍內，光譜反射率快速增加，由6.7%增加到41%，600nm以后迎風坡3個部位光譜反射率變化規律基本相同，其反射率大小排序為：迎風坡中部>迎風坡上部>迎風坡丘間地。設置沙障的沙丘與流動沙丘相比，粉粒和黏粒含量均有所增加，且其變化規律呈現出沙丘中部<沙丘上部<沙丘下部的趨勢。粉粒和黏粒含量較多的沙地，其土壤顆粒細，土中微生物含量高，且水分條件好，地表對光的吸收率高。600~1350nm是判定土壤顆粒粉粒和黏粒含量理想的波段范圍。

圖3沙丘迎風坡不同部位沙粒光譜反射曲線圖

4.2 沙丘迎風坡不同部位黑色結皮光譜特性分析

沙丘迎風坡不同部位黑色結皮光譜反射特性對比見圖4。由圖4分析可知，沙柳沙障固定沙地迎風坡中部和上部黑色結皮光譜反射率在350~2280nm波段范圍內變化規律基本相同，且2條光譜反射率曲線非常接近，說明黑色結皮及地表狀況在這2個部位較為相似。迎風坡丘間地黑色結皮光譜反射率與迎風坡中部和上部相比，光譜反射率明顯偏低，主要是由于丘間低地水分狀況好，地表水分對光的吸收能力強。

圖4沙丘迎風坡不同部位黑色結皮光譜反射曲線圖

4.3 沙丘迎風坡不同部位綠色結皮光譜特性分析

圖5為沙丘迎風坡不同部位綠色結皮光譜反射特性對比。據相關研究表明，健康維管植物的光譜曲線有著明顯的特點：在可見光的550nm附近，有一個反射率為10%~20%的小反射峰；波長在450~650nm附近，有兩個明顯的吸收谷；波長在700~800nm之間是一個陡坡，在高光譜研究中它被稱為植被“紅邊”；波長在800~1300nm之間是一個相對平坦的較高反射率區域；在1450nm、1950nm、2600~2700nm處一個吸收谷。由圖5分析可知，沙丘迎風坡丘間地、中部及上部綠色結皮均表現出綠色植物所具有的光譜曲線變化特點。350~500nm范圍內，光譜曲線變化平緩，綠色結皮在綠光波段560nm處有一反射峰。由于葉綠素的吸收作用，在680nm處有一吸收峰。680~740nm范圍內，反射率急劇增高，在高光譜研究中它被稱為植被“紅邊”，是植被具有診斷性的光譜特征，“紅邊”的位置、高度和斜率會因植被的不同及同一植被不同生長狀況而存在差異。波長在740~1330nm之間是一個相對平坦的較高反射率區域，它主要由綠色結皮的細胞構造所決定。通過以上分析可以看出，沙柳沙障固沙地迎風坡不同部位綠色結皮的光譜反射特性與維管植物非常相似。當生物結皮的植物體干燥時呈黑色或灰黑色，濕潤時呈綠色或黃綠色，根據實地勘察，由于2012年該研究區降水量豐沛，土壤含水量高，測定的綠色結皮更為鮮綠和健康，因此與普通維管植物較為相似。

圖5沙丘迎風坡不同部位綠色結皮光譜反射曲線圖

4.4 沙丘迎風坡黑色與綠色結皮光譜特性分析

圖6為沙丘迎風坡黑色與綠色結皮光譜特性對比圖。由圖6分析可知，迎風坡底部和中部黑色結皮光譜反射率曲線總體變化比綠色結皮平緩。綠色結皮在680~740nm范圍內反射率急劇增加，有明顯的“紅邊”，而黑色結皮“紅邊”基本不存在，說明隨著土壤含水量的增加，生物結皮從外表顏色及細胞特性等方面逐漸接近于通綠色植物。

圖6沙丘迎風坡黑色與綠色結皮光譜反射曲線圖

結論與討論

生物結皮作為固定、半固定沙漠中重要的地表覆蓋類型，在防風固沙、改善生態環境等方面發揮著極其重要的作用。論文以庫布齊沙漠中段七里明沙區沙柳沙障固沙地迎風坡不同部位沙粒、黑色結皮及綠色結皮為研究對象，實地采集研究對象的地物光譜數據，并進行了對比分析。研究結果表明：隨著土壤中粉粒與黏粒含量的增加，地表土壤反射率呈下降趨勢；沙丘迎風坡不同部位黑色生物結皮的光譜反射率曲線變化比較平緩，與綠色結皮相比，“紅邊”基本不存在，更接近于普通壤土；沙丘迎風坡綠色結皮均表現出綠色植物所具有的光譜曲線變化特點。研究結果將對于評價生物結皮治理沙漠沙地效果具有重要意義。但從目前研究結果看，荒漠藻生物結皮的光譜特性研究還鮮見報道，因此在后期研究中應加強以下幾方面研究：

（1）生物結皮顏色隨著地表水分的變化而變化，表現出的規律是：地表干燥時，結皮表現為黑色或灰黑色；地表濕潤時，結皮表現為綠色。其光譜特性上亦存在著較大的差異性，因此保持同一土壤水分條件下測定黑色與綠色結皮光譜特性，將會使研究結果更具有代表性。

（2）結合光譜測定技術，評價高立式、低立式、隱蔽式、平鋪式等類型沙障內的生物結皮生長狀況及防沙治沙效果。

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審核編輯 黃宇