全 文 ：870 － 876
06 /2015
草 业 科 学
PＲATACULTUＲAL SCIENCE
32 卷 06 期
Vol． 32，No． 06
DOI:10． 11829 \ j． issn． 1001-0629． 2014-0444
夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，梁娜． 围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征植物高光谱特征变化分析［J］． 草业科学，2015，
32(6) :870-876．
XIA Xiao-wei，JIN Gui-li，AN Sha-zhou，FAN Yan-min，LIANG Na． Spectral characteristics of typical plants in Seriphidium transiliense
desert grassland under enclosure［J］． Pratacultural Science，2015，32(6) :870-876．
围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征
植物高光谱特征变化分析
夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，梁 娜
(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)
摘要:为研究围栏封育对伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地的改善情况，利用便携式光谱仪对不同封育
年限的围栏内外实测的半灌木伊犁绢蒿、一年生草本叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)和短命植物涩芥(Malcolmia
maritima)的高光谱数据进行分析。结果表明，伊犁绢蒿、叉毛蓬和涩芥三者在可见光波段具有明显的差异性，与
植物生态生理特征有关，可利用 350 ～ 680 nm内三者光谱反射率的差异进行区分;伊犁绢蒿的红边斜率在不同封
育年限下均表现为围栏内大于围栏外，而叉毛蓬的红边斜率表现为围栏内小于围栏外，涩芥在平台处光谱和红边
特征上与其生理生态特征无明显相关性。
关键词:围栏封育;伊犁绢蒿;高光谱;荒漠草地;特征植物
中图分类号:S812;Q948． 112 + 1 文献标识码:A 文章编号:1001-0629(2015)06-0870-07*
Spectral characteristics of typical plants in Seriphidium transiliense
desert grassland under enclosure
XIA Xiao-wei，JIN Gui-li，AN Sha-zhou，FAN Yan-min，LIANG Na
(Department of Grassland Science，Xinjiang Agriculture University;Xinjiang Key Laboratory of
Grassland Ｒesources and Ecology，Urumqi 830052，China)
Abstract:In order to understand the improvements of enclosure on Seriphidium transiliense desert grassland，the
spectrum of 3 half － shrubby species including perennial S． transiliense，annual Petrosimonia sibirica and ephemeral
Malcolmia maritime from inside and outside fence after different fencing times were measured by portable spectrom-
eter． The results showed that there were significant difference between these 3 plants in visible spectrum which cor-
related with the plant ecophysiological characteristics． These 3 plants can be distinguished based on the difference
of spectral reflectance between 350 and 680 nm． The red edge slope of S． transiliense inside fence was always grea-
ter than that of outside fence no matter how long the enclosure whereas the red edge slope of P． sibirica was contra-
ry． There was no significant correlations between the spectrum at platform or red edge of M． maritime’s and its
eco-physiological characteristics
Key words:enclosure;Seriphidium transiliense;hyperspectral;desert grassland;typical plants
Corresponding author:AN Sha-zhou E-mail:xjasz@ 126． com．
* 收稿日期:2014-10-08 接受日期:2014-12-11
基金项目:国家自然基金项目(31360571)
第一作者:夏小伟(1990-) ，男，安徽合肥人，在读硕士生，研究方向为草地资源与生态。E-mail:646452300@ qq． com
通信作者:安沙舟(1956-) ，男，陕西富平人，教授，博导，博士，研究方向为草地资源与生态。E-mail:xjasz@ 126． com
06 /2015 草 业 科 学 (第 32 卷 06 期)
伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地属
于中亚气候型荒漠，仅分布于新疆，且主要位于北疆
的低山与平原区，是当地主要的春秋放牧场，由于过
度放牧导致草地出现不同程度的退化［1-2］。荒漠草
地植物生境条件严峻，干燥少雨，蒸发量大，加大了
荒漠草地恢复的难度;而围栏封育成为该类退化草
地恢复的重要手段，具有投入少、易于实施等优点。
但围封后，如何对其恢复效果进行实时监测，对封育
草地的管理具有重要的意义。高光谱遥感为解决这
一问题提供了有效途径，其波段多而窄且连续，光谱
分辨率可达纳米级，可探测地物吸收、发射诊断性光
谱特征，目前已广泛应用于地质、国防、农林业等。
针对伊犁绢蒿荒漠草地特征植物的生理生态、群落
特征及生态位的变化已有大量研究［3-6］，也有从高光
谱角度针对不同退化梯度下伊犁绢蒿荒漠草地光谱
变化、围栏封育下草地光谱特征和典型荒漠草地植
物特征等方面做了一些研究［7-10］。本研究从伊犁绢
蒿荒漠草地 3 个重要层片中各选出一种特征植物，
分别为半灌木伊犁绢蒿、一年生长营养期草本叉毛
蓬(Petrosimonia sibirica)和短命植物涩芥(Malcolmia
maritima) ，对不同封育年限围栏内外植物的光谱特
征进行研究，明确其在不同围栏年限下的变化趋势，
以期为伊犁绢蒿荒漠草地围栏封育监测与管理提供
理论与技术依据。
1 材料与方法
1． 1 研究区概况
研究区位于新疆乌鲁木齐市米东区芦草沟乡，
43°5330″ － 43°5330″ N，87°4553″ － 87°4555″ E，
海拔 930 m，属于大陆性中温带干旱气候区，光照充
足，蒸发量大，昼夜温差大，年平均降水为 212 mm，
年均温为 7． 3 ℃，无霜期 165 d，全年多西北风。该
研究区伊犁绢蒿荒漠以伊犁绢蒿半灌木为建群种，
伴生叉毛蓬、角果藜(Ceratocarpus arenarius)等一年
生长营养期植物，春季涩荠、弯果胡卢巴(Trigonella
arcuata)和葶苈(Draba nemorosa)等短生植物发育
显著。研究区内围栏内外特征植物重要值［7］见表
1。
重要值 =(种群密度 +盖度 +生物量)/3。
1． 2 植物高光谱数据采集
采用美国 SVC HＲ-768 便携式光谱仪(350 ～
2 500 nm)于 2014 年 5 月 5 日分别测定封育 2 年、7
年、10 年 3 个不同封育年限围栏内外不同层片植物
光谱反射率。光谱采集尽量选择在晴朗干燥微风无
云的天气，为减少太阳高度角对反射率的影响，测定
时间为北京时间 12:00 － 14:00。在测量光谱反射
率时，探头与地面始终保持垂直，距植物冠层顶 60
cm，每次开机进行一次暗电流校正，在测量植物光
谱反射率时，每隔 10 ～ 20 min 进行 1 次白板校正，
每种植物挑选 3 株(对于植株较小的植物选取由单
一植物构成的区域作为单种植物光谱) ，每株测 5
条光谱反射率曲线。
1． 3 数据处理及分析
1． 3． 1 一阶微分处理 不同阶数微分值可以快速
确定光谱的拐点及最大、最小反射率的位置，常用于
减少土壤背景值影响，特别对于荒漠草地，植被稀
疏，受土壤背景影响大，因而在荒漠植被光谱研究中
较有效。本研究采用光谱的差分来近似一阶微
分［11］，公式如下:
Ｒ(λ i)=［Ｒ(λ i + 1)－ Ｒ(λ i － 1) ］/2Δλ
式中，λ i 为 i nm波段的波长，Ｒ(λ i + 1)为波长 λ i + 1处
的植物光谱反射率，Δλ 是波长 λ i + 1到波长 λ i 的间
隔，Ｒ(λ i)为反射率在 λ i 的一阶微分。
1 ． 3． 2 数据分析 先对光谱数据进行检查，剔除异
表 1 芦草沟乡围栏封育下围栏内外的特征植物重要值
Table 1 Importance value of characteristic plants inside and outside of fence in different times
植物种
Species
围栏外 Outside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
围栏内 Inside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
伊犁绢蒿 Seriphidium transiliense 0． 397 8 0． 108 5 0． 440 3 0． 401 6 0． 120 7 0． 467 7
叉毛蓬 Petrosimonia sibirica 0． 088 3 0． 636 7 0． 263 5 0． 089 0 0． 752 2 0． 142 9
涩芥 Malcolmia maritima 0． 258 6 0． 082 7 0． 043 3 0． 252 9 0． 012 9 0． 092 0
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样数据，再将每个样方及单种每株的光谱数据归类
求平均，在 Excel 中实现光谱反射率求均值及一阶
微分，利用 SPSS 17． 0 进行单因素方差分析，Excel
2003 制图。
2 结果与分析
2． 1 不同植物光谱特征对比
相关研究表明，叶绿素与波段 550 nm 附近以及
700 nm附近的光谱反射率有很好的相关性［12-13］。植
被叶片在 550 nm附近有一个反射峰，该峰的形成是
由于叶子内部叶绿素 a、b 以 450 nm与 640 － 680 nm
为中心有两个强烈的吸收带，以及胡萝卜素、叶黄素
430 －480 nm范围内有强烈的吸收带所致［14］。不同
植物叶片结构、叶绿素含量及植物的叶面积与冠层结
构不同，所以不同植物应该具有不同的反射率。半灌
木伊犁绢蒿具有较明显的绿峰，叉毛蓬与涩芥绿峰不
太明显，在可见光波段由于受土壤背景影响更接近线
性(图 1)。在可见光波段(350 － 680 nm) ，各特征植
物平均光谱反射率大小依次为叉毛蓬 ＞涩芥 ＞伊犁
绢蒿。其中，叉毛蓬和涩芥在可见光波段相对反射率
大于伊犁绢蒿，主要是由于植物冠层差异所引起，涩
芥和叉毛蓬叶片大且层片均匀，伊犁绢蒿叶片细小、
冠层结构复杂。在 350 －385 nm范围内叉毛蓬、涩芥
的反射率具有下降趋势而伊犁绢蒿呈上升趋势，其中
涩芥一阶微分值在 350 nm 达到 － 0． 12，叉毛蓬为
－0． 06(图 1)。叉毛蓬的红边位置为 720． 4 nm，而涩
芥的红边位置为717． 7 nm，且叉毛蓬的红边幅值大于
涩芥的红边幅值。
图 1 3 种特征植物的光谱曲线和一阶微分光谱曲线
Fig． 1 Spectrum and first differential spectrum of three characteristic plants
2． 2 围栏封育下伊犁绢蒿高光谱特征分析
不同封育年限下，植物生境条件随封育年限延
长逐渐改善，必定会影响植物生长状况。光谱反射
率在可见光波段主要受叶绿素含量及盖度影响，叶
绿素含量少时，对可见光吸收减弱，伊犁绢蒿在可见
光波段光谱反射率总体表现为围栏外大于围栏内，
在绿峰处围栏内光谱绿峰更加明显(图 2) ，这表明
在围栏封育下植被生境条件逐渐改善，生长繁茂、构
件增加，植株的叶绿素含量有所增加。围栏内外伊
犁绢蒿均具有较为明显的绿峰与红谷，表明伊犁绢
蒿在封育过程中始终能进行有效的光合作用，表现出
高稳定性。杨红飞等［8］认为，在 760 nm 后光谱反射
率形成一个相对稳定的反射平台，且该反射平台主要
由生物量与叶面积指数等决定。本研究中，在平台处
不同年限的围栏内反射率均大于围栏外，这与围栏内
伊犁绢蒿重要值大于围栏外重要值相一致。
红边参数被广泛应用于绿色植物生物量、叶面
积指数、光合作用能力和叶绿素含量的计算。伊犁
绢蒿红边位置在 710 － 730 nm 波段间，红边位置基
本相同，表现为围栏 7 年内外相对于围栏 2 年、10
年具有“红移”现象;红边反射率在 3 个围栏间差异
不大，围栏 2 年的围栏外大于围栏内，围栏 7 年、10
年均与之相反;红边斜率在围栏内均大于围栏外，围
栏内外红边斜率间差异显著(P ＜ 0． 05) ，不同年限
间差异大小依次为封育 7 年 ＞封育 10 年 ＞封育 2
年(图 2、表 2)。
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图 2 不同封育年限围栏内外伊犁绢蒿光谱和一阶微分光谱
Fig． 2 Spectrum and first differential spectrum of S． transiliens of inside and outside fence after different fencing times
表 2 不同封育年限围栏内外伊犁绢蒿红边参数
Table 2 Ｒed edge parameter of S． transiliense of inside and outside fence after different fencing times
红边参数
Ｒed edge parameter
围栏外 Outside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
围栏内 Inside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
红边位置
Ｒed edge position /nm
716． 40 720． 40 716． 40 716． 40 720． 40 716． 40
红边反射率
Ｒed edge reflectance /%
16． 49 15． 25 14． 97 15． 32 17． 44 15． 85
红边斜率
Ｒed edge slope
0． 37 ± 0． 03b 0． 47 ± 0． 04a
注:不同小写字母表示围栏内外红边斜率差异显著(P ＜ 0． 05)。
Note:Different lower case letters indicate siginficant difference at 0． 05 level．
2． 3 围栏封育下叉毛蓬高光谱特征分析
围栏封育过程中，植被生境条件改善，种间竞争
加剧，植被群落发生改变，一年生植物重要值降低，
代之以半灌木重要值增加，这势必对一年生植被生
长状况产生影响。封育 2 年的围栏内外和封育 7
年、10 年的围栏内叉毛蓬光谱在可见光波段(380 －
680 nm)较封育 7 年与 10 年的围栏外有明显差异，
前者在可见光波段绿峰不太明显(图 3)。
叉毛蓬在不同围栏封育年限下，红边位置表现
为围栏 7 年内、外 ＞围栏 10 年外 ＞围栏 10 年内 =
围栏 2 年内、外，围栏外红边斜率大于围栏内，围栏
内外红边斜率间极显著差异(P ＜ 0． 01) ，不同年限
间差异大小依次为封育 7 年 ＞封育 2 年 ＞封育 10
年，并且在红边反射率上均表现为围栏内大于围栏
外与红边斜率趋势相反(图 3、表 3)。
2． 4 围栏封育下涩芥高光谱特征分析
短命生植物作为荒漠中特殊的层片，利用早春
积雪融化的水分快速地完成其生活史，主要受水分
控制其生长状况。短命生植物涩芥在可见光波段内
3 个封育年限下，均表现为围栏内相对反射率小于
围栏外，且围栏内相对围栏外有明显的绿峰，主要由
于围栏内植物生长优于围栏外(图 4)。在 680 nm
之后的平台处表现为 10 年围栏内 ＜ 7 年围栏外 ＜
10 年围栏外 ＜ 7 年围栏内 ＜ 2 年围栏内外。围栏内
外涩芥的红边反射率与红边斜率间并没有明显规
律，红边位置表现为封育 7 年 ＞封育 10 年 ＞封育 2
年(图 4、表 4)。
3 讨论
不同的植被类型其叶片叶绿素含量、含水量、
内部组织结构以及叶片外结构等不同，导致光谱相
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图 3 不同封育年限围栏内外叉毛蓬高光谱特征和一阶微分光谱
Fig． 3 Spectrum and first differential spectrum of P． sibirica of inside and outside fence after different fencing times
表 3 不同封育年限围栏内外叉毛蓬红边参数
Table 3 Ｒed edge parameter of P． sibirica of inside and outside fence after different fencing times
红边参数
Ｒed edge parameter
围栏外 Outside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
围栏内 Inside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
红边位置
Ｒed edge position /nm
716． 40 723． 00 720． 40 716． 40 720． 40 716． 40
红边反射率
Ｒed edge reflectance /%
17． 28 17． 47 15． 01 17． 95 18． 63 15． 54
红边斜率
Ｒed edge slope
0． 42 ± 0． 014A 0． 35 ± 0． 05B
注:不同大写字母表示围栏内外红边斜率差异极显著(P ＜ 0． 01)。
Note:Different capital letters indicate siginficant difference at 0． 01 level．
图 4 不同封育年限围栏内外涩芥高光谱特征和一阶微分光谱
Fig． 4 Spectrum and first differential spectrum of M． maritima of inside fence after different fencing times
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表 4 不同封育年限围栏内外涩芥红边参数
Table 4 Ｒed edge parameter of M． maritima of inside and outside and outside fence after different fencing times
红边参数
Ｒed edge parameter
围栏外 Outside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
围栏内 Inside of fence
2 年 2 years 7 年 7 years 10 年 10 years
红边位置
Ｒed edge position /nm
711． 10 716． 40 715． 10 711． 10 720． 40 715． 10
红边反射率
Ｒed edge reflectance /%
19． 01 17． 24 16． 19 14． 86 19． 87 12． 59
红边斜率
Ｒed edge slope
0． 31 ± 0． 05 0． 38 ± 0． 07
对反射率间的差异，植被光谱相对反射率在可见光
波段主要受叶绿素与盖度的影响。5 月初，正好为
荒漠植被的返青期，植被生长繁茂，本研究中 3 种植
物在可见光波段具有明显差异，主要是由于植物冠
层及分布密度差异所引起，涩芥和叉毛蓬叶片大且
层片均匀，伊犁绢蒿叶片细小、冠层结构复杂，并且
伊犁绢蒿构件分布较疏松而叉毛蓬生长密度特别
大，导致本研究中 3 种荒漠植物冠层光谱反射率在
可见光波段表现为叉毛蓬 ＞涩芥 ＞伊犁绢蒿。
植物光谱的相对反射率在一定程度上可以反映
植物的生物量、盖度以及冠层结构等，但受光照、太
阳高度角等的变化，具有限制性。王恋恋等［9］在天
山北坡研究发现，不同草地类型光谱反射率有显著
差异，封育前后草地光谱曲线在绿峰及水分吸收谷
方面有差异，本研究从同一草地类型单种植物角度，
得出单种植物的光谱特征在围栏封育前后存在差
异。不同层片的植物由于株体大小、生活习性及生
态位的不同，其对围栏封育具有不同的响应，其中在
可见光波段内伊犁绢蒿、涩芥光谱反射率表现为围
栏内小于围栏外，而叉毛蓬则相反，同时在 1 400 nm
和 1 900 nm左右的水分吸收谷处伊犁绢蒿与叉毛
蓬在围栏内外并无明显差异，而涩芥在围栏内较围
栏外具有明显的波谷。表明不同植物对于围栏封育
有各自的敏感波段，且光谱反射率对于不同植物的
水分、叶绿素、盖度等敏感程度不同，其中红边的光
谱反射率与植被的恢复状况相关，但对于不同植被
其敏感程度不同，其中以叉毛蓬的规律性最好。相
对于光谱反射率，红边特征可以更好地反映出围栏
封育下植物的变化，表明红边斜率可用于指示围栏
封育植物恢复状况的反演，但并没有得出定量的关
系，需更进一步研究红边特征与恢复状况间的关系。
本研究发现，随封育年限的增加，围栏内外光谱反射
率间差异呈先增加后减小的趋势，其中伊犁绢蒿红
边斜率在围栏内外差异大小表现为封育 7 年 ＞封育
10 年 ＞封育 2 年，叉毛蓬红边斜率在围栏内外差异
大小表现为封育 7 年 ＞封育 2 年 ＞封育 10 年，这主
要因为封育 7 年与 10 年的围栏外叉毛蓬重要值大，
种间竞争影响较小，叉毛蓬能获得更好的生存条件，
植被生长旺盛。结合不同年限间对比，说明围栏封
育过程中植被群落组成发生改变，群落中叉毛蓬重
要值减小，伊犁绢蒿重要值增大。这表明随着围封
年限的增加，草地恢复到一定的阶段便达到生物量
高且稳定的群落，之后由于枯落物的积累，降低了草
地的生物量。但还无法确定围栏最佳封育年限，对
此需要进一步跟踪研究，同时需要结合土壤方面的
研究来进行确定。
已有大量研究［15-17］表明，高光谱遥感可用于对
植物的生理生化指标的监测与反演。应进一步研究
围栏内外叶绿素含量、光合效率以及光合产物并试
图寻找敏感波段、建立相关模型，以便定量化监测围
栏封育效果。
4 结论
1)在可见光波段(350 － 680 nm) ，光谱相对反
射率大小表现为叉毛蓬 ＞涩芥 ＞伊犁绢蒿，结合 3
种植物在 350 － 385 nm的光谱反射率变化趋势及叉
毛蓬与涩芥的红边特征可对 3 种特征植物进行识
别。
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2)伊犁绢蒿的红边幅值在围栏内大于围栏外，
叉毛蓬红边斜率在围栏内小于围栏外，两种植物表
现截然相反，但两种植物红边斜率在围栏内外的差
异均表现为先增后降，表明围栏内外红边斜率差异
程度与草地恢复状况相关，围栏 7 年左右为围栏封
育最佳年限，涩芥的红边斜率在围栏内外并无差异。
在围栏封育过程中群落中各种植物重要值发生改
变，同时各植物的红边特征发生相应变化，表明高光
谱可用于群落动态的监测。
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(责任编辑 武艳培)
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