高寒草原伴生种存在方式对紫花针茅群落光谱特性影响研究

Hyperspectral remote sensing is one of the key instruments to get the information of dynamic changes on the grassland. More in-depth researches have been conducted about the effects that environmental factors (precipitation, temperature) and soil characteristics on spectral characteristics of the species. However, study of the potential influence which the species spatial relationship exert on the spectral characteristics were insufficient, leading to the disputes about the composition of community based on quadrat-data, the estimation of biomass contribution rate on different species, and the deduction on spatial scale. Based on the station of Shenzha, the project whose object is stipa purpurea communities in Sparse alpine steppe has acquired the reflection spectrum curve and ecological characteristics of the species canopy and community through the method of a combination of quadrat survey and spectrometer FOV transform Determination. Besides, it has also analyzed the parameter differences of the "two peaks three Valleys" spectral characteristics which results from the community structure and different habitat conditions (photosynthetic pigments, soil moisture and soil organic carbon). The project has established the relationship between the spectrum quantitative parameters and the ground information, it has clarified the potential impact that exist of the associated species has on spectral characteristics of the dominant species. The study not only provided a possible method for the identification of different species and scale deduction but also theoretical basis for the study on the mechanism of grassland degradation in northern Tibet alpine steppe.

高光谱遥感技术是获取草地动态变化信息关键手段之一，备受关注。目前，环境要素（降水、温度）与土壤特征对物种光谱特性影响研究较为深入，但物种空间关系对其光谱特性的潜在影响研究相对不足，导致以样方数据为基础的群落组成、不同物种生物量贡献率估算或尺度推演上备受争议。本项目拟依托申扎草原站，以稀疏型高寒草原紫花针茅群落为研究对象，采用样方调查与光谱仪视场角变换测定相结合手段，获取物种冠层和群落反射光谱曲线及生态学特征，分析多种群落结构组成的"两峰三谷"光谱特性参数差异，探讨不同生境条件（物种光合色素和土壤背景）对光谱特性的响应与区分，建立地面信息与群落光谱量化参数之间关系函数，阐明伴生种存在方式对优势种光谱特性的潜在影响。该研究为物种种间组成的光谱辨识和尺度推演提供了可能，为藏北紫花针茅高寒草原退化机制的研究提供了理论依据。

本项目依托申扎草原站，以稀疏型高寒草原紫花针茅群落为研究对象，基于高光谱遥感技术，获取群落生态特征、光合色素、土壤要素等本底数据，分析探讨不同生境条件下对光谱特性响应与区分，阐明伴生种存在方式对优势种光谱特性的潜在影响。研究成果如下：.（1）紫花针茅不同尺度下，其均值偏离随机分布、呈集群分布；对于火绒草尺度1cm以内为随机分布，在1～17.5cm之间呈集群分布，大于17.5cm时又为随机分布；棘豆尺度在23cm以内，均显著地呈集群分布，而大于23cm时，呈随机分布。随着海拔升高，种群高度也随之增高，而种数随之减少。优势种与伴生种重心距离增加时，优势种种数略有增多，生长高度逐渐缩短，棘豆种数略有减少，火绒草种数略有增多，说明伴生种存在抑制优势种的繁殖状况，而棘豆却促进优势种长势状况。.（2）通过光合色素与光谱特征参数的拟合分析，筛选出670nm、801nm， 553nm波段构建变量指数对光合色素反演效果较好。最终选取10个参数与叶绿素相关性最显著，但与类胡萝卜素相关性都较弱，其中叶绿素a最好的指数是EVI，与叶绿素b及总叶绿素相关性最好的是RVI，高达0.7以上。说明采用这些光谱特征变量对紫花针茅叶绿素含量进行估算可行性较高。.（3）紫花针茅原始光谱与土壤有机碳、全氮、全钾、全磷在可见光波长范围内呈负相关，在670-685nm的“黄边”、“红边”和 “红谷”范围内达到最大负相关，均值在-0.62~-0.5。在近红外短波区域，四个元素相关系数均为正。EVI、SAVI、NDVI与四个元素最大相关达到0.65以上，可以很好地反映土壤有机碳、全氮、全钾和全磷含量的变化, NDII指数在全钾中有着同样的重要性。这些土壤元素对紫花针茅覆盖的区域进行土壤肥力监测。.（4）紫花针茅群落中，优势种与伴生种种数、高度、覆盖度三种存在方式都与红绿蓝近红外某波段存在相关性最大值，而优势度比重、位置、距离与光谱的相关系数均未达到0.05显著性检验水平，故特殊波段选取无意义，尤其是火绒草样方中，火绒草种数、高度、也未达到显著性检验水平，说明火绒草的伴生存在方式对优势种光谱反射作用不大。伴生种存在方式中，植被高度、种数和覆盖度对红绿蓝峰谷值都具有不同的响应方式。