全 文 ：第 33卷 第 6期 生 态 科 学 33(6): 1080−1084
2014 年 11 月 Ecological Science Nov. 2014

收稿日期: 2014-03-18; 修订日期: 2014-04-05
基金项目: 国家科技支撑计划项目(2012BAC19B08); 海洋公益性行业科研专项经费项目(201305030-3); 国家青年基金项目(41306144, 41406186)
作者简介: 陈标(1987—), 男, 河北保定人, 硕士研究生, 主要从事遥感监测珊瑚礁生态系统研究, E-mail: chen.28.happy@163.com
*通信作者: 黄晖, 女, 研究员, 主要从事珊瑚生物学与珊瑚礁生态学研究, E-mail: huanghui@scsio.ac.cn

陈标, 黄晖, 陈永强, 等. 三亚两种常见珊瑚健康与白化状态反射率特征分析[J]. 生态科学, 2014, 33(6): 1080−1084.
CHEN Biao, HUANG Hui, CHEN Yongqiang, et al. Reflectance analysis of healthy and bleached common coral in Sanya[J].
Ecological Science, 2014, 33(6): 1080−1084.

三亚两种常见珊瑚健康与白化状态反射率特征分析
陈标 1,2, 黄晖 1,3,*, 陈永强 1,3, 雷新明 1, 张诗泽 1,2, 周国伟 1,2
1. 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广州 510301
2. 中国科学院大学, 北京 100039
3. 中国科学院海南热带海洋生物重点实验站, 三亚 572000

【摘要】 对三亚海域常见风信子鹿角珊瑚(Acropora hyacinthus)和疣状杯形珊瑚(Pocillopora verrucosa)健康与白化状态
的反射率进行分析。结果表明: 健康状态下风信子鹿角珊瑚与疣状杯形珊瑚反射率波形相似, 在 575 nm、605 nm、650
nm 处均出现特征波峰 ; 白化状态下风信子鹿角珊瑚与疣状杯形珊瑚反射率高于健康状态珊瑚反射率 , 波形较平缓 ,
其中白化风信子鹿角珊瑚反射率在 675 nm 处出现显著波谷, 为叶绿素对光吸收导致。大型多元统计软件 PRIMER 6
对健康与白化状态珊瑚反射率进行 Bray-Curtis 相似聚类(CLUSTER)分析, 显示在 80%相似水平上可以对健康与白化
状态珊瑚反射率进行区分。一阶导数表明, 风信子鹿角珊瑚敏感波段为 490 nm—570 nm, 疣状杯形珊瑚敏感波段为
550 nm—575 nm, 不同种类珊瑚敏感波段具有差异性。

关键词：三亚; 珊瑚; 健康与白化; 反射率
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2014.06.007 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)06-1080-05
Reflectance analysis of healthy and bleached common coral in Sanya
CHEN Biao1,2, HUANG Hui1,3, *, CHEN Yongqiang1,3, LEI Xinming1, ZHANG Shize1,2, ZHOU Guowei1,2
1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, CAS,
Guangzhou 510301, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
3. National Experiment Station of Tropical Marine Biology, Sanya 572000, China
Abstract: The reflectance analysis of healthy and bleached common corals in Sanya which are Acropora hyacinthus and
Pocillopora verrucosa, indicated that reflectance of waveforms of healthy A. hyacinthus and P. verrucosa is similar, which
exhibits positive reflectance features at 570 nm, 600 nm and 650 nm. Bleached A. hyacinthus and bleached P. verrucosa
reflectance is obviously higher than the healthy coral without positive reflectance features. The reflectance features of A.
hyacinthus showed a valley at 675 nm due to chlorophyll. The differential analysis of healthy and bleached coral reflectance
using PRIMER6 software packages clustering, healthy coral reflectance and bleached coral reflectance can be distinguished
at the level of 80% Bray-Curits similarity. Based on reflectance first derivatives analysis, the reflectance regions between
490 nm and 570 nm provide good identification of healthy and bleached A. hyacinthus, those between 550 nm and 575 nm
provide good identification of healthy and bleached P. verrucosa.
Key words: Sanya; coral; healthy and bleached; reflectance
6 期 陈标, 等. 三亚两种常见珊瑚健康与白化状态反射率特征分析 1081

1 前言
珊瑚礁生态系统拥有惊人的生物多样性和生产
力, 被视为蓝色海洋中绿洲, 具有极其重要的社会、
经济和文化价值[1]。随着全球气候变化及人类活动
的影响, 珊瑚礁生态系统严重退化[2–4], 其中, 我国
南海海域珊瑚礁在过去 30 年里已有 80%退化[5], 利
用珊瑚礁遥感技术, 对珊瑚礁生态系统全面、实时、
大面积监测显得尤为重要。然而, 不同珊瑚礁底质
反射率的相似性, 成为珊瑚礁遥感技术在珊瑚礁生
态系统监测中的主要限制因子[6]。不同珊瑚礁底质
反射率特征深入研究, 是珊瑚礁遥感技术进一步发
展的基础, 具有重要指导意义。
通过对不同珊瑚礁底质反射率特征研究, 实现
不同珊瑚礁底质反射率识别, 进而促进珊瑚礁遥感
技术发展。国外一些学者已对特定海域珊瑚礁底质
反射率进行研究, 表明不同珊瑚礁底质反射率具有
差异性, 并且将珊瑚反射率基本分为蓝型和棕型两
种类型[7–9]。不同健康状态下珊瑚反射率特征研究较
少, Yamano 等人发现白化珊瑚反射率与健康珊瑚反
射率差异明显, 健康珊瑚反射率显著低于白化珊瑚
反射率[10], Holden 等通过导数分析的方式, 得到健
康珊瑚反射率与白化珊瑚反射率在500 nm—590 nm
波段内差异明显的结论[11]。然而, 在不同的珊瑚种
类水平上, 关于健康与白化状态的珊瑚反射率特征
研究尚未见报道。本文以三亚海域常见的风信子鹿
角珊瑚和疣状杯形珊瑚为研究对象, 分析其健康与
白化状态下反射率特征, 探讨不同种类珊瑚在健康
与白化状态下反射率的可区分性及敏感波段, 为珊
瑚礁遥感技术进一步发展提供理论数据。
2 材料与方法
2.1 反射率采集
2013 年 2 月 2 日上午, 在南海三亚湾鹿回头海
域, 对健康与白化状态的风信子鹿角珊瑚、疣状杯
形珊瑚进行样品采集, 珊瑚群体样品大小约 6 cm。
健康珊瑚暂养于岸基珊瑚养殖试验缸 4 h[11], 水温
维持在 26 ℃左右, 持续更换简单过滤海水, 光线为
实时太阳光, 充分模拟自然环境。待健康珊瑚生理
状态稳定后, 健康珊瑚与白化珊瑚反射率进行同步
测量。
反射率测量时需天空晴朗, 无云遮挡[12]。测量
所用光谱仪为美国海洋光学光谱仪(USB2000+), 测
量范围 200 nm—850 nm, 分辨率 1.34 nm, 采样步长
0.6 nm, 视场角为 25°。为减少测量数据误差, 珊瑚
样品放在黑色尼龙布遮挡的玻璃缸[10,13], 光纤探头
与样品保持 5cm 距离, 每个样品重复 10 次测量[14]。
同时, 为减少光线实时变化产生的影响, 每次测量
前进行反射率参数校正[15]。得到健康风信子鹿角珊
瑚反射率(n=30)、健康疣状杯形珊瑚反射率(n=50)、
白化风信子鹿角珊瑚反射率(n=30)、白化疣状杯形
珊瑚反射率(n=40)。
2.2 反射率处理
本文选用穿透能力较好的可见光波段(400 nm
—700 nm), 进行反射率特征分析。通过计算健康与
白化状态珊瑚反射率平均值, 分析健康与白化状态
下风信子鹿角珊瑚与疣状杯形珊瑚反射率特征。利
用大型多元统计软件 PRIMER 6, 对健康风信子鹿
角珊瑚反射率、白化风信子鹿角珊瑚反射率、健康
疣状杯形珊瑚反射率、白化疣状杯形珊瑚反射率进
行聚类分析, 使组内样品相似性高于组间样品相似
性, 并根据不同反射率的 Bray-Curtis 相似性三角矩
阵, 构建不同反射率等级聚类枝状图与MDS标序图,
探讨健康与白化状况下两种珊瑚反射率可区分性。
根据健康珊瑚与白化珊瑚反射率一阶导数差异性,
确定珊瑚敏感波段。
3 结果与分析
3.1 健康状态珊瑚反射率
由图 1 可知, 健康风信子鹿角珊瑚与健康疣状
杯形珊瑚反射率波形相似, 可见光波段内两种健康
珊瑚反射率均在 0.02—0.2 之间。400 nm—550 nm
波段内健康风信子鹿角珊瑚与健康疣状杯形珊瑚反
射率呈现逐渐增高趋势, 400 nm—475 nm 波段内健
康疣状杯形珊瑚反射率高于健康风信子鹿角珊瑚
反射率, 475 nm—550 nm 波段内健康风信子鹿角珊
瑚反射率略高于健康疣状杯形珊瑚反射率; 575 nm、
605 nm、650 nm 波段处健康风信子鹿角珊瑚与健
康疣状杯形珊瑚均出现特征波峰; 675 nm 波段处
两种健康珊瑚反射率均出现特征波谷, 之后反射
率快速增加(图 1)。
1082 生 态 科 学 33 卷


图 1 健康珊瑚反射率
Fig. 1 Reflectance of healthy coral
3.2 白化状态珊瑚反射率
当环境条件发生剧烈变化时, 珊瑚共生藻游离
到体外, 体内色素减少出现白化现象。珊瑚健康状
况变化会导致珊瑚反射率的变化, 白化风信子鹿
角珊瑚与白化疣状杯形珊瑚反射率波形较平缓, 反
射率相对较高。白化风信子鹿角珊瑚在 500 nm—
570 nm 波段范围内反射率逐渐增高, 675 nm 附近出
现波谷, 其它波段反射率波形平缓; 白化疣状杯形
珊瑚在可见光波段内波形无显著波峰/波谷, 反射率
低于白化风信子鹿角珊瑚反射率。

图 2 白化珊瑚反射率
Fig. 2 Reflectance of bleached coral
3.3 健康珊瑚与白化状态珊瑚反射率聚类分析与
MDS 标序
在 80%相似水平上, 将健康风信子鹿角珊瑚反
射率、健康疣状杯形珊瑚反射率、白化风信子鹿角
珊瑚反射率、白化疣状杯形珊瑚反射率分成 2 组, 显
示出健康与白化状态珊瑚反射率系数水平等级。Ⅰ
组包括 100%的白化风信子鹿角珊瑚反射率(BF1-
BF3)与白化疣状杯形珊瑚反射率(BB1-BB4), II 组包
括 100%的健康风信子鹿角珊瑚反射率(HF1-HF3)与
健康疣状杯形珊瑚反射率(HB1-HB5)(图 3)。MDS
标序图能够清楚显示出聚类分析的聚类组, 凸显健
康与白化状态珊瑚反射率之间差异性(图 4)。
3.4 健康与白化状态珊瑚反射率一阶导数分析
反射率导数分析能够简化反射率识别特征, 凸
显不同健康状态下珊瑚反射率信号相反区域[7]。本
论文在 4.2 nm 间隔下对风信子鹿角珊瑚与疣状杯形
珊瑚两种健康状态下反射率进行一阶导数分析。
400 nm—470 nm 波段内, 白化风信子鹿角珊瑚
反射率一阶导数略大于健康风信子鹿角珊瑚反射率
一阶导数, 490 nm—570 nm 波段内, 白化风信子鹿
角珊瑚反射率一阶导数明显高于健康风信子鹿角珊
瑚反射率一阶导数, 对不同健康状态下风信子鹿角
珊瑚能进行很好的区分; 其它波段内不同健康状态
下风信子鹿角珊瑚反射率一阶导数差异不明显(图
5)。不同健康状态下疣状杯形珊瑚反射率一阶导数表
明, 550 nm—575 nm 波段内健康疣状杯形珊瑚反射
率一阶导数明显高于白化疣状杯形珊瑚反射率一阶
导数, 其它波段内不同健康状态下疣状杯形珊瑚反
射率一阶导数难以进行区分(图 6)。


图 3 健康珊瑚与白化珊瑚反射率聚类分析
Fig. 3 Cluster analysis of healthy and bleached coral
6 期 陈标, 等. 三亚两种常见珊瑚健康与白化状态反射率特征分析 1083


图 4 健康与白化珊瑚反射率 MDS 标序分析
Fig. 4 MDS analysis of healthy and bleached coral

图 5 健康与白化风信子鹿角珊瑚反射率一阶导数
Fig. 5 First order derivatives of healthy and bleached
Acropora hyacinthus

图 6 健康与白化疣状杯形珊瑚反射率一阶导数
Fig. 6 First order derivatives of healthy and bleached
Pocillopora verrucosa
4 讨论
随着全球气候变化, 珊瑚白化事件频繁发生,
珊瑚礁生态系统急剧退化[16]。对珊瑚礁底质反射率
特征深入研究, 将促进具有实时、大面积监测特性
的珊瑚礁遥感技术发展, 进而推进珊瑚礁生态系统
全面管理与保护工作开展。国外一些学者已经对特
定海域珊瑚礁底质反射率进行研究[7–8,17], 而我国珊
瑚礁遥感反射率研究处于起步阶段, 加大对我国不
同珊瑚礁底质反射率识别研究极为迫切。通过对我
国南海三亚海域两种常见珊瑚健康与白化状态反射
率识别及敏感波段的确定, 促进不同珊瑚礁底质反
射率特征识别工作开展, 有利于我国珊瑚礁遥感技
术的发展。
本文对南海三亚海域两种常见珊瑚健康与白化
状态下反射率进行了分析, 健康状态珊瑚反射率均
低于白化状态珊瑚反射率。健康风信子鹿角珊瑚反射
率与健康疣状杯形珊瑚反射率均在 575 nm、605 nm、
650 nm 处均出现显著波峰, 与 Karpouzlie[7]等人所
得棕型珊瑚光谱特征一致。两种健康珊瑚在 675 nm
处均出现的显著波谷是因为叶绿素对光吸收所导
致[10]。白化风信子鹿角珊瑚反射率和白化疣状杯形
珊瑚反射率波形与 Holden 等人[14]所测白化珊瑚反
射率波形基本一致, 其差异与珊瑚白化后快速被藻
类覆盖有关。白化风信子鹿角珊瑚反射率高于白化疣
状杯形珊瑚反射率, 是由于两种珊瑚白化程度不同
导致。其中, 白化风信子鹿角珊瑚反射率在 675 nm
处出现波谷的现象, 可能是由于白化风信子鹿角珊
瑚含有叶绿素所致。通过聚类分析, 健康珊瑚反射
率与白化珊瑚反射率在 80% Bray-Curtis 相似水平上
1084 生 态 科 学 33 卷

得到很好区分, 表明反射率能很好的对健康与白化
状态珊瑚进行识别。
反射率导数能够放大不同健康状况珊瑚反射率
差异性, 便于确定不同健康状况下珊瑚反射率敏感
波段, 进而为珊瑚礁遥感传感器设计提供理论数
据。通过对两种珊瑚健康与白化状态下珊瑚反射率
一阶导数分析, 发现不同健康状态下风信子鹿角珊
瑚敏感波段为 490 nm—570 nm, 不同健康状态下的
疣状杯形珊瑚敏感波段为 550 nm—575 nm, 而
Holden等人[16]分析认为不同健康状态下珊瑚敏感波
段为 500 nm—590 nm。健康风信子了鹿角珊瑚敏感
波段与 Holden 结论基本一致, 而疣状杯形珊瑚敏感
波段明显窄于 Holedn 结论。不同健康状况下珊瑚敏
感波段具有差异性, 可能与不同种类珊瑚所含色素
差异及骨骼微观结构有关, 影响珊瑚敏感波段的机
制, 有待深入研究。
目前, 珊瑚礁遥感技术的限制性因素是珊瑚礁
底质反射率多样性。本文通过对南海三亚海域两种
常见珊瑚健康与白化状态下的反射率分析, 证实反
射率能够对南海三亚海域常见的风信子鹿角珊瑚与
疣状杯形珊瑚进行很好识别, 并对这两种常见珊瑚
敏感波段进行了确定, 为今后珊瑚礁底质反射率特
征研究打下基础。但本文所研究珊瑚种类及数量均
有限, 未能对更多种类珊瑚不同健康状况下反射率
进行深入研究。对不同海域、不同种类健康与白化
状态下珊瑚反射率特征深入分析, 将是今后研究重
点, 通过深入探索珊瑚反射率形成机制, 确定健康
与白化状态下珊瑚反射率的共同特征及敏感波段,
切实推进珊瑚礁遥感技术在监测珊瑚礁生态系统工
作中的应用。
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