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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 2 期摇 摇 2012 年 1 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
北部湾秋季底层鱼类多样性和优势种数量的变动趋势 王雪辉,邱永松,杜飞雁,等 (333)……………………
中国大陆鸟类和兽类物种多样性的空间变异 丁晶晶,刘定震,李春旺,等 (343)………………………………
粉蝶盘绒茧蜂中国和荷兰种群学习行为及 EAG反应的比较 王国红,刘摇 勇,戈摇 峰,等 (351)………………
君主绢蝶的生物学及生境需求 方健惠,骆有庆,牛摇 犇,等 (361)………………………………………………
西南大西洋阿根廷滑柔鱼生物学年间比较 方摇 舟,陆化杰,陈新军,等 (371)…………………………………
城市溪流中径流式低坝对底栖动物群落结构的影响 韩鸣花, 海燕,周摇 斌,等 (380)…………………………
沉积再悬浮颗粒物对马氏珠母贝摄食生理影响的室内模拟 栗志民,申玉春,余南涛,等 (386)………………
太平洋中西部海域浮游植物营养盐的潜在限制 徐燕青,陈建芳,高生泉,等 (394)……………………………
几株赤潮甲藻的摄食能力 张清春,于仁成,宋静静,等 (402)……………………………………………………
高摄食压力下球形棕囊藻凝聚体的形成 王小冬,王摇 艳 (414)…………………………………………………
大型绿藻浒苔藻段及组织块的生长和发育特征 张必新,王建柱,王乙富,等 (421)……………………………
链状亚历山大藻生长衰亡相关基因的筛选 仲摇 洁,隋正红,王春燕,等 (431)…………………………………
太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 刘忠华,李云梅,吕摇 恒,等 (438)………………
程海富营养化机理的神经网络模拟及响应情景分析 邹摇 锐,董云仙,张祯祯,等 (448)………………………
沙质海岸灌化黑松对蛀食胁迫的补偿性响应 周摇 振,李传荣,许景伟,等 (457)………………………………
泽陆蛙和饰纹姬蛙蝌蚪不同热驯化下选择体温和热耐受性 施林强,赵丽华,马小浩,等 (465)………………
麦蚜和寄生蜂对农业景观格局的响应及其关键景观因子分析 赵紫华,王摇 颖,贺达汉,等 (472)……………
镉胁迫对芥蓝根系质膜过氧化及 ATPase活性的影响 郑爱珍 (483)……………………………………………
生姜水浸液对生姜幼苗根际土壤酶活性、微生物群落结构及土壤养分的影响
韩春梅,李春龙,叶少平,等 (489)
…………………………………
………………………………………………………………………………
九州虫草菌丝体对 Mn的耐性及富集 罗摇 毅,程显好,张聪聪,等 (499)………………………………………
土霉素暴露对小麦根际抗生素抗性细菌及土壤酶活性的影响 张摇 昊,张利兰,王摇 佳,等 (508)……………
氮沉降对杉木人工林土壤有机碳矿化和土壤酶活性的影响 沈芳芳,袁颖红,樊后保,等 (517)………………
火炬树雌雄母株克隆生长差异及其光合荧光日变化 张明如,温国胜,张摇 瑾,等 (528)………………………
湖南乌云界自然保护区典型生态系统的土壤持水性能 潘春翔,李裕元,彭摇 亿,等 (538)……………………
祁连山东段高寒地区土地利用方式对土壤性状的影响 赵锦梅,张德罡,刘长仲,等 (548)……………………
沙质草地生境中大型土壤动物对土地沙漠化的响应 刘任涛,赵哈林 (557)……………………………………
腾格里沙漠东南缘可培养微生物群落数量与结构特征 张摇 威,章高森,刘光琇,等 (567)……………………
塔克拉玛干沙漠南缘玉米对不同荒漠化环境的生理生态响应 李摇 磊,李向义,林丽莎,等 (578)……………
内蒙古锡林河流域羊草草原 15 种植物热值特征 高摇 凯,谢中兵,徐苏铁,等 (588)……………………………
不同密度条件下芨芨草空间格局对环境胁迫的响应 张明娟,刘茂松,徐摇 驰,等 (595)………………………
环境因子对巴山冷杉鄄糙皮桦混交林物种分布及多样性的影响 任学敏,杨改河,王得祥,等 (605)……………
海藻酸铈配合物对毒死蜱胁迫下菠菜叶片抗坏血酸鄄谷胱甘肽循环的影响
栾摇 霞,陈振德,汪东风,等 (614)
……………………………………
………………………………………………………………………………
城市化进程中城市热岛景观格局演变的时空特征———以厦门市为例 黄聚聪,赵小锋,唐立娜,等 (622)……
基于遥感和 GIS的川西绿被时空变化研究 杨存建,赵梓健,任小兰,等 (632)…………………………………
亚热带城乡复合系统 BVOC排放清单———以台州地区为例 常摇 杰,任摇 远,史摇 琰,等 (641)………………
研究简报
不同水分条件下毛果苔草枯落物分解及营养动态 侯翠翠,宋长春,李英臣,等 (650)…………………………
大山雀对巢箱颜色的识别和繁殖功效 张克勤,邓秋香,Justin Liu,等 (659)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*330*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄01
封面图说: 雄视———中国的金丝猴有川、黔、滇金丝猴三种,此外还有越南和缅甸金丝猴两种。 金丝猴是典型的森林树栖动物,常
年栖息于海拔 1500—3300m的亚热带山地、亚高山针叶林,针阔叶混交林,常绿落叶阔叶混交林中,随着季节的变化,
只在栖息的生境中作垂直移动。 川金丝猴身上长着柔软的金色长毛,十分漂亮。 个体大、嘴角处有瘤状突起的是雄性
金丝猴的特征。 川金丝猴只分布在中国的四川、甘肃、陕西和湖北省。 属国家一级重点保护、CITES附录一物种。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 2 期
2012 年 1 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 2
Jan. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目 (40971215);江苏省研究生培养创新工程项目(CX10B_392Z) ;高分辨率对地观测系统国家科技重大专项资
助(E0203 / 1112 / JC01);江苏高校优势学科建设工程资助项目(1411109012)
收稿日期:2010鄄12鄄10; 摇 摇 修订日期:2011鄄06鄄13
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: liyunmei@ njnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201012101759
刘忠华,李云梅,吕恒,檀静,郭宇龙.太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响.生态学报,2012,32(2):0438鄄0447.
Liu Z H, Li Y M, Lu H, Tan J, Guo Y L. Analysis of inherent optical properties of Lake Taihu in spring and its influence on the change of remote sensing
reflectance. Acta Ecologica Sinica,2012,32(2):0438鄄0447.
太湖春季水体固有光学特性及其
对遥感反射率变化的影响
刘忠华,李云梅*,吕摇 恒,檀摇 静,郭宇龙
(南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京摇 210046)
摘要:吸收特性和后向散射特性是水体重要的光学特性,同时也是建立生物光学模型的基本参数。 利用 2009 年 4 月太湖春季
实测数据,结合生物光学模型推导了太湖春季水体颗粒物后向散射系数,分析了太湖春季水体的吸收特性和后向散射特性,并
利用经验正交分解方法对遥感反射率变化的影响因子进行了分析。 结果表明:(1)非色素颗粒物是影响太湖春季水体吸收特
性的主导因子,色素颗粒物和有色可溶性有机物(CDOM)对总吸收(不包含纯水)的贡献相对较小,且色素颗粒物在梅梁湾湖区
的包裹效应明显大于其他湖区。 (2)颗粒物后向散射系数与总悬浮物和无机悬浮物具有很强的相关性(相关系数均在 0. 88 以
上),与有机悬浮物的相关性相对较弱(相关系数均在 0. 73 以下),且水体中多次散射对水面总辐亮度有较大的贡献,平均贡献
率高达 93郾 46% 。 (3)利用经验正交分解方法将遥感反射率变化光谱分解成 3 个正交因子,3 个正交因子总共解释了约 99%的
遥感反射率变化信息,其中,第一正交因子解释了 93%的变化信息,第二和第三正交因子分别解释了 5%和 1%的变化信息。 通
过对各正交因子与水体不同组分的吸收和后向散射系数进行相关性分析得出,颗粒物的后向散射对水面反射光谱的形成具有
非常重要的影响,太湖春季水体遥感反射率的变化主要取决于无机颗粒物的吸收和后向散射,有机颗粒物对遥感反射率的变化
影响较小。
关键词:吸收系数;后向散射系数;遥感反射率;经验正交分解;太湖
Analysis of inherent optical properties of Lake Taihu in spring and its influence
on the change of remote sensing reflectance
LIU Zhonghua, LI Yunmei*, LU Heng, TAN Jing, GUO Yulong
Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Education Ministry, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China
Abstract: Absorption and backscattering characteristics are important optical properties and they are also two basic
parameters of bio鄄optical model. Remote Sensing reflectance is the basis for inversing water quality parameters and its
character mainly depends on absorption and backscattering of all kinds of optical active substances of water, so it is very
important to study absorption and backscattering characteristics of water and its influence on remote sensing reflectance.
Lake Taihu is one of the five major freshwater lakes and also a typically shallow inland eutrophic lake in China with an area
of 2338 km2 and an average depth of about 2 m. In this paper the in situ remote sensing reflectance and absorption
coefficients measured in April 2009 in Lake Taihu were firstly used to deduce backscattering coefficients of particles
combined with bio鄄optical model. Then we analyzed the absorption and backscattering characteristics of Lake Taihu in
spring, and Empirical Orthogonal Function (EOF) was used to decompose remote sensing reflectance in order to analyze the
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influence of absorption and backscattering characteristics on the change of remote sensing reflectance. The results show
that: (1) Non鄄algal particle is the dominant factor which influences the absorption characteristic of Lake Taihu in spring,
and its average contribution rate to the total absorption coefficients ( exclusion of pure water) is 66. 92% . While the
contribution of algal particles and CDOM to the total absorption coefficients (exclusion of pure water) is relatively small and
their average contribution rates are 21. 83% , and 11. 25% , respectively. The specific absorption coefficient and the size of
algal particles in Meiliang Bay are all smaller than that in other areas of Lake Taihu, which means the package effect of
algal particles in Meiliang Bay is obviously larger than that in other areas. (2) The backscattering coefficients of particles
between 400nm and 750nm have a strong correlation with the concentration of total suspended matters and inorganic
suspended matters with the correlation coefficients larger than 0. 88, but a relatively weak correlation with the concentration
of organic suspended matters with the correlation coefficients less than 0. 73. The multiple scattering has great contribution
to the total radiance of water surface and the average contribution rate can reach 93. 46% . (3) The EOF analysis provides
three dominant modes which account for about 99% of the total variance of remote sensing reflectance in Lake Taihu in
spring, i. e. the first EOF mode accounts for 93% of the total variance, while the second and the third modes only explain
5% , and 1% , respectively. The backscattering coefficients of particles have an important influence on the spectral
reflectance, and the change of remote sensing reflectance of Lake Taihu in spring is mainly ruled by absorption and
backscattering of inorganic particles while the effect of organic particles is relatively small.
Key Words: absorption coefficients; backscattering coefficients; remote sensing reflectance; empirical orthogonal function;
Lake Taihu
遥感技术以其宏观、观测面积大和实时性强等特点,能够提供同一时刻区域面状水域的遥感影像,因此在
水环境监测中有其特有的优势。 在利用遥感技术监测水环境时,可见光波段的遥感反射率通常能为水质参数
的反演提供定量信息,例如在大洋水体中,通常采用遥感反射率在蓝、绿波段的比值变化进行叶绿素浓度的反
演[1]。 随着人们对水体光学特性研究的深入,以生物光学模型为基础的分析模型逐渐成为人们关注的焦点,
而水体的吸收系数( a(姿) )和后向散射系数( bb(姿) )则是构建生物光学模型的基本参数。 在生物光学模型
中,遥感反射率同水体的后向散射系数成正比,而同水体的吸收系数成反比,遥感反射率的光谱模式在清洁水
体中主要取决于 bb(姿) / a(姿) ,在浑浊水体中主要取决于 bb(姿) / (a(姿) + bb(姿)) ,因而研究水体的吸收特性
和后向散射特性尤为重要。 在二类水体中,水体的吸收特性受水体中各种组分的影响,而影响水体后向散射
特性的水体组分较为单一,其后向散射特性主要取决于总悬浮物[2]。 国内外许多学者[3鄄7]对不同季节不同湖
区水体组分的吸收特性进行过相关的研究,然而对于水体(特别是内陆湖泊水体)的后向散射特性研究较少,
原因之一是测量水体后向散射系数的仪器大部分都是针对海洋水体而设计的,其在内陆浅水湖泊的应用具有
一定的局限性[8],因此,内陆湖泊水体精确的后向散射系数的获取相对于吸收系数要困难的多,基于此,本文
中后向散射系数的获取采用半分析模型进行拟合,该方法结合了水体的生物光学特性和辐射传输理论,具有
很好的物理基础,在水体固有光学特性的反演中具有很好的效果[9鄄11]。 此外,之前的研究主要是侧重于对水
体组分吸收特性和后向散射特性的分析,而针对不同的光学特性对遥感反射率变化影响的研究还相对欠缺。
太湖位于长江中下游地区,属于典型的富营养化浅水湖泊。 本研究拟采用太湖春季实测数据,基于生物
光学模型推导出太湖春季水体颗粒物后向散射系数,进而分析其吸收特性和后向散射特性,然后利用经验正
交分解方法(empirical orthogonal function, EOF)对遥感反射率变化光谱进行正交分解,通过分析多种生物光
学参数与各正交因子的相关性,阐明驱动太湖春季水体遥感反射率变化的光学特性及主导的生物光学参数,
以期为发展区域化的生物光学模型提供理论基础。
1摇 材料与方法
1. 1摇 采样时间与点位
摇 摇 太湖位于长江三角洲南缘,水面面积约 2338 km2,平均水深约为 2 m。 于 2009 年 4 月 16—27 日对太湖进
934摇 2 期 摇 摇 摇 刘忠华摇 等:太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 摇
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图 1摇 太湖样点分布示意图
Fig. 1摇 Sampling sites of Lake Taihu
行采样,并同步测量水体的固有光学量和表观光学量数
据,采样点分布如图 1 所示。
1. 2摇 数据获取
水体反射光谱的测量采用美国 ASD 公司生产的
ASD FieldSpec Pro 便携式光谱辐射计。 为减少水体镜
面反射和船体阴影的影响,测量时采用唐军武等[12]提
出的关于内陆二类水体水面以上光谱测量的方法。 提
取遥感反射率时需要测量的数据包括标准灰板、天空
光、水体等的光谱辐亮度信息,每个对象都要采集 10 条
以上的光谱数据,剔除异常光谱数据,剩余数据做均值
处理。 遥感反射率提取的具体方法见参考文献[13]。
总悬浮物和非色素颗粒物的吸收系数采用定量滤
膜技术(QFT)进行测定,总悬浮物吸收系数减去非色素
颗粒物吸收系数得到色素颗粒物吸收系数;黄色物质
(CDOM)吸收系数的测定参见文献[14]。
在光谱测量的同时采集表层水样,低温冷藏带回实
验室测量悬浮物的浓度。 总悬浮物、无机悬浮物浓度的测量采用较为常规的方法,具体见参考文献[15]。
1. 3摇 太湖春季水体颗粒物后向散射系数模拟
国内外诸多学者[8鄄11]基于水体的生物光学特性和辐射传输理论,结合生物光学模型进行过水体后向散射
系数的模拟,并获得了较好的模拟结果,本研究参照李俊生等[8]所提出的方法对太湖春季水体的后向散射系
数进行模拟。
内陆水体常用的生物光学模型为[16]:
R(0 -) = f
bb
a + bb
(1)
式中, R(0 -) 为刚好位于水面以下遥感辐照度比, f 是一个与光场有关的参数,取值范围为 0. 2—
0郾 56[17], a为水体总的吸收系数,由室内实验测得,bb 为水体总的后向散射系数,可以分解为纯水和悬浮物的
后向散射系数之和,即:
bb = bbp + bbw (2)
R(0 -) 可以通过水面以上遥感反射率计算得到,即:
R(0 -) = Rrs 伊
Qn2
t(1 - 籽aw)
(3)
式中, Rrs为水面以上遥感反射率, Q为光场分布参数,受水体、太阳角度、观测角度的影响而不同, n为水
体的折射指数,一般取值为 1. 34, t为气鄄水界面 Fresnel透射系数,取值为 0. 98, 籽aw为气鄄水表面的辐照度反射
率,取值在 0. 04—0. 06 之间[12]。
水体中颗粒物的后向散射系数通常采用指数模型进行参数化模拟[17]:
bbp(姿) = bbp(姿0)
姿0æ
è
ç
ö
ø
÷
姿
浊
(4)
式中, bbp(姿0) 为参考波长 姿0 处的后向散射系数,本研究中参考波长 姿0 取值为 532 nm, 浊为后向散射系
数随波长变化的指数。
联合方程(1)—(4),可以得到:
Rrs = F
bbw + bbp(532)
532( )姿
浊
a + bbw + bbp(532)
532( )姿
浊 (5)
044 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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式中, F =
ft(1 - 籽aw)
Qn2
。 这样在公式(5)中存在 3 个未知数: F 、 bbp(532) 和 浊 ,本文利用 400—750 nm范
围内 351 个波段的实测遥感反射率数据和水体各组分吸收数据对上述 3 个参数进行最小二乘拟合。
1. 4摇 经验正交分解方法
为了研究太湖春季水体不同的生物光学参数对遥感反射率变化的影响,采用经验正交分解方法[18]对遥
感反射率变化光谱进行分解,在进行 EOF分析之前首先计算出所有光谱数据的平均值作为平均光谱,然后将
每条光谱数据减去平均光谱以反映其相对变化。 因此,原始光谱数据可以看作是所有的正交因子与其相应的
因子载荷的乘积和平均光谱的线性组合,即:
M = 軍M + 移
p
i = 1
F iSi (6)
式中, M为原始光谱,軍M为平均光谱, F i 为第 i个正交因子, Si 为第 i个正交因子的载荷, p为波段数目。
利用 EOF方法分解出的各因子之间虽然都是严格正交的,但每一个正交因子并不一定仅同一种物理过
程或一种光学特性相关[18],因此为了确定决定每一个正交因子的主导生物光学参数,还需要对不同的生物光
学参数与每个正交因子相应的因子载荷进行相关性分析。
2摇 结果与分析
2. 1摇 太湖春季水体吸收特性
图 2摇 色素颗粒物吸收系数光谱曲线
Fig. 2摇 Absorption coefficient curves of algal particles
2. 1. 1摇 色素颗粒物吸收系数和比吸收系数
图 2 给出了太湖春季色素颗粒物吸收系数光谱曲
线,可以看出,除少数叶绿素浓度较高的样点外,大部分
样点曲线在 440 nm处的吸收峰不明显或完全消失,其
原因可能是太湖春季叶绿素浓度较低,440 nm 左右的
吸收峰信息被非色素颗粒物的吸收所湮没,而在 675
nm左右吸收峰较明显,主要是因为叶绿素 a 在该波段
具有很强的吸收,且其他色素对该波段的影响较小,因
此能够较好地显示出叶绿素 a的吸收特征。
太湖春季水体中色素颗粒物在 440 nm处比吸收系
数(a*ph(440))最大值为 0. 24 m2 / mg,最小值为 0. 008
m2 / mg,平均值为(0. 091依0. 059) m2 / mg,675nm处比吸收系数(a*ph(675))介于 0. 002—0. 075 m2 / mg,平均值
为(0. 033依0. 013) m2 / mg,比吸收系数都在已有报道的范围之内[19鄄20]。 从空间分布上来看,梅梁湾湖区
a*ph(675)(平均值为(0. 029依0. 008) m2 / mg)要小于其他湖区(平均值为(0. 035依0. 014) m2 / mg),而 a*ph(675)
主要受色素包裹效应的影响,其他辅助色素的影响较小,由此可以看出,梅梁湾湖区浮游藻类的色素包裹效应
要大于其他湖区。 无论是在梅梁湾湖区还是在整个太湖,a*ph(440)的空间差异性都大于 a*ph(675),其原因是
a*ph(440)除了受色素包裹效应外,还要受到各种辅助色素的影响。
2. 1. 2摇 色素颗粒物粒径大小光谱参数
相对于色素颗粒物的组成而言,色素颗粒物的大小变化是决定色素颗粒物的吸收系数与叶绿素浓度之间
关系的主导因素[21],因此研究色素颗粒物粒径大小对于建立色素颗粒物吸收系数与叶绿素浓度的关系,进而
发展生物光学模型具有重要的意义。 由于本次实验中没有色素颗粒物粒径大小数据,因此本研究中采用
Ciotti等[21]提出的色素颗粒物粒径大小光谱参数( Sf )来间接研究太湖春季水体色素颗粒物粒径大小。 Sf 同
主导粒径大小呈相反的变化趋势,其值在 0—1 之间变化,当 Sf 为 0 时,色素颗粒物为小型藻类(粒径>20
mm),当 Sf 为 1 时,色素颗粒物为微微型藻类(粒径<2 mm),当 Sf 介于 0—1 之间时则反映了微微型藻类和小
型藻类对色素颗粒物吸收系数的相对贡献。
144摇 2 期 摇 摇 摇 刘忠华摇 等:太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 摇
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本文中采用公式(7)来计算色素颗粒物粒径大小光谱参数[21]:
aph(姿) = a < ph >(姿)[Sfa < pico >(姿) + (1 - Sf)a < micro >(姿)] (7)
式中, a < ph >(姿) 为 400—700 nm范围内色素颗粒物吸收系数平均值, a < pico >(姿) 和 a < micro >(姿) 分别代表
微微型藻类和小型藻类归一化吸收系数,其值参见文献[21鄄22]。
图 3摇 叶绿素 a浓度与 Sf统计关系
Fig. 3摇 Statistical relationship between chlorophyll a and Sf
图 3 给出了 Sf随叶绿素 a浓度的变化趋势,可以看
出, Sf 大致与叶绿素 a浓度呈负相关,随叶绿素 a 浓度
的增加而减小,该结果与 Ferreira A 等[7]的研究结果一
致。 整个太湖区域 Sf的最小值为 0. 03,最大值为 0. 78,
平均值为 0. 31依0. 17,总体上来看,整个太湖浮游藻类
以粒径较大的藻类为主,而从 Sf 的空间分布来看,梅梁
湾湖区(平均值为 0. 21依0. 14)明显小于除梅梁湾之外
的湖区(平均值为 0. 37依0. 17),其藻类粒径要明显大于
其他湖区。 Bricaud 等[23]认为浮游藻类的粒径结构主
要取决于水体的富营养化程度,在富营养化程度较高的
水体中,粒径往往较大,而包裹效应与藻类的粒径有关,
粒径越大,包裹效应越大,由此可见,梅梁湾湖区富营养
化程度更为严重,浮游藻类的色素包裹效应明显大于其他湖区,这与 2. 1. 1 节的分析结果一致。
2. 1. 3摇 非色素颗粒物和 CDOM吸收特性
非色素颗粒物(NAP)吸收系数与 CDOM 吸收系数具有相似的光谱特征,都是随波长的增加呈指数形式
衰减,由于两者具有一致的光谱特征,遥感反演中也通常将两者合在一起称作 CDM[7]。 国内外诸多学者[24鄄25]
对非色素颗粒物和 CDOM的吸收特性进行过研究,通常采用下述公式进行其吸收系数的拟合:
ax(姿) = ax(姿0)exp( - Sx(姿 - 440)) (8)
式中,x代表 NAP或 CDOM;姿0 为参考波长,通常取值为 440 nm;Sx 为 NAP或 CDOM吸收曲线斜率。
CDOM在紫外波段具有强烈的吸收,为了准确分析 CDOM 的光谱特征,分别对 CDOM 在短波紫外 UV鄄C
(240—280 nm)、中波紫外 UV鄄B(280—320 nm)、长波紫外 UV鄄A(320—400 nm)和可见光波段(400—700
nm)的吸收系数和 S值进行分析,而对 NAP和 CDM仅在可见光范围内进行分析。 表 1 给出了太湖春季水体
中 CDOM、NAP和 CDM的吸收系数及其 S值,可以看出,CDOM吸收最强的波段为 UV鄄C,吸收系数的平均值
为(15. 923依4. 136) / m,其次为 UV鄄B和 UV鄄A,可见光波段吸收系数较弱,平均值不及 UV鄄C波段的 1 / 80,其 S
值在各个波段范围内也不相同,UV鄄B波段 S值最大,其次为 UV鄄C和 UV鄄A 波段,可见光波段 S 值最小,其平
均值为(0. 0171依0. 0032) / nm,该研究结果与孙德勇等[2]对太湖夏、冬季节 CDOM 吸收特性的研究结果有所
区别,其原因可能是不同季节 CDOM的来源及组成不同,从而导致 CDOM的吸收特性产生一定的差异。 在可
表 1摇 太湖春季水体 CDOM、NAP和 CDM的吸收系数及其 S值统计
Table 1摇 Statistics of absorption coefficient and S of CDOM,NAP and CDM in Lake Taihu in spring
波长 / nm
Wavelength
吸收系数 Absorption coefficient / m-1
变化范围 Range 平均值 Mean value
S / nm-1
变化范围 Range 平均值 Mean value
CDOM(240—280) 8. 134—38. 939 15. 923依4. 136 0. 0171—0. 0251 0. 0197依0. 0016
CDOM(280—320) 3. 017—20. 718 7. 797依2. 783 0. 0170—0. 0268 0. 0203依0. 0019
CDOM(320—400) 0. 401—8. 388摇 2. 183依1. 175 0. 0145—0. 0269 0. 0187依0. 0023
CDOM(400—700) 0—2. 105摇 0. 188依0. 259 0. 0091—0. 0289 0. 0171依0. 0032
NAP(400—700) 0—24. 610 1. 775依2. 502 0. 0114—0. 0149 0. 0122依0. 0007
CDM(400—700) 0—25. 274 1. 963依2. 647 0. 0117—0. 0148 0. 0130依0. 0007
摇 摇 CDOM:Colored dissolved organic matter,有色可溶性有机物;NAP:Non鄄algal particle,非色素颗粒物;CDM:Colored detrital matter,有色碎屑物质,
等于有色可溶性有机物与非色素颗粒物之和
244 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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见光范围内,NAP的吸收系数远大于 CDOM 的吸收系数,而 CDM 的吸收系数与 NAP 的吸收系数较为接近,
这表明太湖春季水体中 NAP的吸收在 CDM的吸收中占据主导地位。 从两者 S值的比较来看,Snap和 Scdm均小
于 Scdom,而 Snap和 Scdm较为接近,但 Scdom的空间差异性远大于 Snap和 Scdm,因此在建立太湖春季生物光学模型时
将 CDOM和 NAP作为一个参数(即 CDM)会在一定程度上降低模型的误差。
0
20
40
60
80
100
100
80
60
40
20
0
图 4摇 水体中不同组分对总吸收的贡献
摇 Fig. 4 摇 The contribution of different water components to the
total absorption coefficients
2. 1. 4摇 水体组分对总吸收的贡献
在典型的水体 4 种组分(纯水、色素颗粒物、非色素
颗粒物、CDOM)中,纯水的吸收是固定的,因此本节中
所指的总吸收不包含纯水的吸收。 图 4 给出了 440 nm
处 3 种组分对总吸收的贡献,可以看出,非色素颗粒物
(NAP)的吸收在总吸收中占据主导地位,除两个样点
外,其余样点的贡献率均在 40%以上,平均贡献率为
66. 92% ,色素颗粒物对总吸收的贡献远低于非色素颗
粒物,平均贡献率为 21. 83% ,CDOM 对总吸收的贡献
最小,所有样点的贡献率均在 40%以下,平均贡献率仅
为 11. 25% ,由此可以看出,影响太湖春季水体吸收特
性的主要是非色素颗粒物,色素颗粒物和 CDOM 的影
响相对较小,这主要是因为太湖春季水体中叶绿素浓度
相对较低,非色素颗粒物是总悬浮物的主要组成部分。
2. 2摇 太湖春季水体后向散射特性
利用 1. 3 节的方法计算出了各个样点处 3 个参数
的最优值,从计算的结果来看,参数 F的值介于 0郾 048—0. 13 之间,平均值为 0. 074依0. 016, bbp(532) 的值在
0. 33—8. 04 m-1,平均值为(1. 98 依1. 65) m-1,而参数 浊 的变化范围为 0. 86—3. 03,平均值为 2. 08 依0. 48。
Morel[26]认为 f / Q的值通常介于 0. 08—0. 24 之间,结合 F中其他经验参数的取值可以得出 F的取值范围介于
0. 042—0. 125 之间,而从已有的对 浊值的研究结果来看,不同的研究区域, 浊 在 0—3 之间变化[17],本研究中
绝大部分样点参数 F和 浊的取值均在已有报道的范围之内,这也从一个侧面反映出利用优化拟合的方法可以
较为准确地估算太湖春季水体颗粒物后向散射系数。
图 5摇 后向散射系数光谱曲线
Fig. 5摇 Backscattering coefficient curves
图 5 给出了 400—750 nm 范围内颗粒物的后向散
射系数,可以看出,不同样点的后向散射系数具有一致
的光谱特征,但由于不同采样点水体各组分浓度、组成、
颗粒大小等的差异使得不同样点后向散射系数的数值
大小存在一定的差异,并且波长越短,差异性越大。 蓝
光波段(440 nm)后向散射系数最小值为 0. 44 m-1,最
大值为 12. 32 m-1,平均值为(3. 07依2. 72) m-1;绿光波
段(532 nm)后向散射系数最小值为 0. 33 m-1,最大值
为 8. 04 m-1,平均值为(1. 98依1. 65) m-1;红光波段(675
nm)后向散射系数最小值为 0. 20 m-1,最大值为 4. 71
m-1,平均值为(1. 16依0郾 89) m-1。
为了研究太湖春季水体中有机悬浮物和无机悬浮物对后向散射系数的影响,分别对总悬浮物浓度、无机
悬浮物浓度和有机悬浮物浓度与 400—750 nm范围内的后向散射系数进行相关性分析,结果表明,在整个波
段范围内,总悬浮物和无机悬浮物与后向散射系数均具有较好的相关性,相关系数都在 0. 88 以上,并且相对
于总悬浮物而言,无机悬浮物与后向散射系数具有更高的相关性,而相对于总悬浮物和无机悬浮物而言,有机
344摇 2 期 摇 摇 摇 刘忠华摇 等:太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 摇
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悬浮物与后向散射系数的相关性相对较低,400—750 nm范围内相关系数均低于 0. 73,其原因是太湖春季水
体中无机悬浮物在总悬浮物中占据主导地位(采样点无机悬浮物所占比例最小为 50. 95% ,最大为 90. 37% ,
平均为 79. 41% ),而水体中颗粒物的后向散射主要来自于无机颗粒物的后向散射。 图 6 给出了 532 nm处的
颗粒物后向散射系数与总悬浮物浓度的统计关系,可以看出两者具有较好的相关性,模型拟合的 R2为
0郾 8775,D忆Sa[27]、乐成峰[17]、姜光甲[28]等学者分别对墨西哥湾、太湖、石头口门水库水体的后向散射系数与悬
浮物浓度之间的关系进行过相关的研究,研究结果均表明两者具有较高的相关性,然而由于不同水体组分浓
度及光学性质存在一定的差异,使得水体后向散射系数与悬浮物浓度的表达式并不唯一。 根据上述分析并结
合公式(4)可以将太湖春季水体 400—750 nm范围内颗粒物的后向散射系数参数化为:
bbp(姿) = (4 伊 10 -5 [TSM] 2 + 0. 0196[TSM] + 0. 3528)
532( )姿
2. 08 依0. 48
(9)
式中,[TSM]为总悬浮物浓度。
Chami等[29]研究认为,在浑浊水体中多次散射对水面总辐亮度具有较大的贡献,当 bb / a >0. 05 时,超过
50%的总辐亮度与多次散射有关,当 bb / a >0. 3 时,多次散射对总辐亮度的贡献高达 94%以上,即使在清洁的
水体中( bb / a =0. 01),多次散射对总辐亮度的贡献也有 20%左右,由此可见,在浑浊水体中多次散射不容忽
视。 为了定量研究太湖春季水体中多次散射对水面总辐亮度的影响,本研究中采用 Chami 等[29]建立的多次
散射贡献率与固有光学量 bb / a之间的关系式计算出各样点的贡献率,计算结果表明,除个别样点的贡献率稍
低于 90%以外,绝大部分样点的贡献率都在 90%以上,平均贡献率高达 93. 46% ,该研究结果高于 Sun 等[30]
对太湖的研究结果(平均贡献率为 81% ),其原因可能是本研究所用数据为太湖春季数据,叶绿素浓度较低,
从而使得水体总吸收系数相对较小。 这表明太湖水体中多次散射对水面总辐亮度具有相当高的贡献率,强烈
影响太湖水下光场结构,因此在建立太湖区域化生物光学模型时必须考虑多次散射的影响。
2. 3摇 生物光学特性对遥感反射率变化影响分析
图 7 给出了遥感反射率数据经验正交分解的结果,前 3 个正交因子总共概括了大约 99%的遥感反射率
的变化信息,其中第一正交因子(EOF1)解释了约 93%的变化信息,而第二正交因子(EOF2)和第三正交因子
(EOF3)仅分别解释了约 5%和 1%的变化信息。 由于第三正交因子对解释遥感反射率变化信息贡献很小并
且同各生物光学参数没有明显的相关性,因此本研究中着重分析第一正交因子和第二正交因子。 为了研究不
同的生物光学参数对各正交因子的影响,分别对它们进行相关性分析,结果如图 8—9 所示。
图 6摇 532nm后向散射系数与总悬浮物浓度的关系
Fig. 6 摇 Relationship between backscattering coefficients at 532nm
and TSM
图 7摇 经验正交分解结果
Fig. 7摇 The result of empirical orthogonal function
F1:Factor 1,正交因子 1;F2:Factor 2,正交因子 2;F3:Factor 3,正交
因子 3
摇 摇 第一正交因子(EOF1)在整个波段范围内均为正值,且曲线较为平缓,在 670 nm左右出现一小的峰值,同
时缺少叶绿素在 700 nm左右的荧光峰。 从图 8 中可以看出,与第一正交因子相关性较高的生物光学参数为
444 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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总悬浮物浓度(TSM)、无机悬浮物浓度(ISM)、440 nm处非色素颗粒物吸收系数(anap(440))和 532nm处颗粒
物后向散射系数(bbp(532)),其相关系数均在 0. 75 以上,而其他生物光学参数与第一正交因子的相关性相对
较低,相关系数均在 0. 5 以下。 在上述 4 种生物光学参数中,bbp(532)与第一正交因子的相关性最高( r =
0郾 81),说明颗粒物的后向散射对第一正交因子起着非常重要的作用,同时注意到 anap(440)与第一正交因子
的相关性也很高( r=0. 78),说明非色素颗粒物的吸收在很大程度上也决定着第一正交因子的变化,从图 8 中
还可以看出,与第一正交因子相关性较高的生物光学参数主要为与无机颗粒物有关的参数。 上述分析表明,
第一正交因子并不是单纯地由一种光学特性驱动,而是由吸收和后向散射两种光学特性共同驱动,决定其变
化的主要是与无机颗粒物相关的生物光学参数。
第二正交因子(EOF2)曲线变化与第一正交因子完全不同,以 650 nm左右为分界点,往前均为负值,往后
变为正值,在 710 nm左右出现一明显的峰值,其原因是叶绿素 a在该波段处有一明显的荧光峰,由于叶绿素 a
浓度的差异使得该处的荧光峰值变化较大,从而导致遥感反射率在 710 nm处变化较大,这一变化特征没有出
现在第一正交因子而出现在第二正交因子上,从一方面说明第二正交因子与叶绿素 a 浓度变化有关。 从图 9
中可以看出,与第二正交因子相关系数较高的生物光学参数为有机颗粒物浓度(OSM)、叶绿素 a 浓度
(Chla)、440 nm处色素颗粒物吸收系数(aph(440))和 675 nm 处色素颗粒物吸收系数(aph(675)),其他生物
光学参数与第二正交因子的相关性相对较低,相关系数均在 0. 5 以下,上述与第一正交因子相关性较高的生
物光学参数均为与有机颗粒物相关的参数,而有机颗粒物主要以吸收为主,后向散射较弱,因此驱动第二正交
因子变化的光学特性主要是有机颗粒物的吸收特性。
图 8摇 不同生物光学参数与第一正交因子相关性分析
Fig. 8 摇 Correlation between EOF1 and different bio鄄optical
parameters
图 9摇 不同生物光学参数与第二正交因子相关性分析
Fig. 9 摇 Correlation between EOF2 and different bio鄄optical
parameters
从上述分析可以得出,第一正交因子由吸收和后向散射两种光学特性驱动,其变化主要与无机颗粒物有
关,而第二正交因子主要由吸收这一种光学特性驱动,其变化主要与有机颗粒物有关。 第一正交因子解释了
约 93%的遥感反射率变化信息,而第二正交因子仅解释了约 5%的变化信息,并且颗粒物后向散射系数与第
一正交因子具有最大的相关性,说明太湖春季水体中颗粒物的后向散射对水面反射光谱的形成具有非常重要
的影响,太湖春季水体遥感反射率的变化主要取决于无机颗粒物的吸收和后向散射,有机颗粒物对遥感反射
率的变化影响相对较小,因此对颗粒物的后向散射系数进行准确测量及参数化对于建立太湖区域化的生物光
学模型具有非常重要的作用。
3摇 结论
(1) 太湖春季水体中 a*ph(440)的平均值为(0. 091依0. 059) m2 / mg,a*ph(675)的平均值为(0. 033依0. 013)
m2 / mg, Sf平均值为 0. 31依0. 17,梅梁湾湖区色素颗粒物比吸收系数和 Sf值均明显小于其他湖区,表明梅梁湾
湖区色素包裹效应要大于其他湖区,水体富营养化程度更为严重。
544摇 2 期 摇 摇 摇 刘忠华摇 等:太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 摇
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(2) 太湖春季水体中非色素颗粒物对总吸收(不包含纯水)的影响最大,色素颗粒物和 CDOM 的吸收相
对较小。
(3) 太湖春季水体颗粒物后向散射系数与总悬浮物、无机悬浮物具有很高的相关性,而与有机悬浮物相
关性相对较低,其水体中多次散射对水面总辐亮度具有较大的贡献,平均贡献率高达 93. 46% 。
(4) 太湖春季水体中颗粒物的后向散射对水面反射光谱的形成具有非常重要的影响,遥感反射率的变化
主要取决于无机颗粒物的吸收和后向散射,有机颗粒物对遥感反射率的变化影响较小。
致谢:感谢査勇教授对本文写作的帮助。
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744摇 2 期 摇 摇 摇 刘忠华摇 等:太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 2 January,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Dynamics of demersal fish species diversity and biomass of dominant species in autumn in the Beibu Gulf, northwestern South
China Sea WANG Xuehui, QIU Yongsong, DU Feiyan, et al (333)………………………………………………………………
Spatial variation in species richness of birds and mammals in mainland China
DING Jingjing, LIU Dingzhen, LI Chunwang, et al (343)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Comparative study on learning behavior and electroantennogram responses in two geographic races of Cotesia glomerata
WANG Guohong, LIU Yong, GE Feng, et al (351)
………………
………………………………………………………………………………
Biological characteristics and habitat requirements of Parnassius imperator (Lepidoptera: Parnassidae)
FANG Jianhui, LUO Youqing, NIU Ben,et al (361)
………………………………
………………………………………………………………………………
Annual variability in biological characteristics of Illex argentinus in the southwest Atlantic Ocean
FANG Zhou, LU Huajie, CHEN Xinjun, et al (371)
……………………………………
………………………………………………………………………………
The impact of run鄄of stream dams on benthic macroinvertebrate assemblages in urban streams
HAN Minghua, YU Haiyan, ZHOU Bin, et al (380)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of suspended sediment on the feeding physiology of Pinctada martensii in laboratory
LI Zhimin, SHEN Yuchun, YU Nantao, et al (386)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Potential nutrient limitation of phytoplankton growth in the Western and Central Pacific Ocean
XU Yanqing, CHEN Jianfang, GAO Shengquan, et al (394)
………………………………………
………………………………………………………………………
Ingestion of selected HAB鄄forming dinoflagellates ZHANG Qingchun, YU Rencheng, SONG Jingjing, et al (402)……………………
Formation of aggregation by Phaeocystis globosa (Prymnesiophyceae) in response to high grazing pressure
WANG Xiaodong, WANG Yan (414)
……………………………
………………………………………………………………………………………………
Growth and reproduction of the green macroalga Ulva prolifera ZHANG Bixin, WANG Jianzhu, WANG Yifu, et al (421)…………
Screening of growth decline related genes from Alexandrium catenella ZHONG Jie, SUI Zhenghong, WANG Chunyan, et al (431)…
Analysis of inherent optical properties of Lake Taihu in spring and its influence on the change of remote sensing reflectance
LIU Zhonghua, LI Yunmei, LU Heng, et al (438)
…………
…………………………………………………………………………………
Neural network modeling of the eutrophication mechanism in Lake Chenghai and corresponding scenario analysis
ZOU Rui,DONG Yunxian, ZHANG Zhenzhen, et al (448)
……………………
…………………………………………………………………………
The compensatory growth of shrubby Pinus thunbergii response to the boring stress in sandy coast
ZHOU Zhen, LI Chuanrong, XU Jingwei, et al (457)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Selected body temperature and thermal tolerance of tadpoles of two frog species (Fejervarya limnocharis and Microhyla ornata)
acclimated under different thermal conditions SHI Linqiang, ZHAO Lihua, MA Xiaohao, et al (465)…………………………
Effects of landscape structure and key landscape factors on aphids鄄parasitoids鄄hyper parasitoids populations in wheat fields
ZHAO Zihua, WANG Ying, HE Dahan, et al (472)
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Effects of cadmium on lipid peroxidation and ATPase activity of plasma membrane from Chinese kale (Brassica alboglabra Bailey)
roots ZHENG Aizhen (483)…………………………………………………………………………………………………………
Effects of ginger aqueous extract on soil enzyme activity, microbial community structure and soil nutrient content in the rhizosphere
soil of ginger seedlings HAN Chunmei, LI Chunlong, YE Shaoping, et al (489)…………………………………………………
Manganese tolerance and accumulation in mycelia of Cordyceps kyusyuensis
LUO Yi, CHENG Xianhao, ZHANG Congcong, et al (499)
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Influence of oxytetracycline exposure on antibiotic resistant bacteria and enzyme activities in wheat rhizosphere soil
ZHANG Hao, ZHANG Lilan, WANG Jia, et al (508)
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Effects of elevated nitrogen deposition on soil organic carbon mineralization and soil enzyme activities in a Chinese fir plantation
SHEN Fangfang, YUAN Yinghong, FAN Houbao, et al (517)
……
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Differences in clonal growth between female and male plants of Rhus typhina Linn. and their diurnal changes in photosynthesis
and chlorophyll fluorescence ZHANG Mingru,WEN Guosheng,ZHANG Jin,et al (528)…………………………………………
Soil water holding capacity under four typical ecosystems in Wuyunjie Nature Reserve of Hunan Province
PAN Chunxiang, LI Yuyuan, PENG Yi, et al (538)
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The effect of different land use patterns on soil properties in alpine areas of eastern Qilian Mountains
ZHAO Jinmei, ZHANG Degang, LIU Changzhong,et al (548)
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Responses of soil macro鄄fauna to land desertification in sandy grassland LIU Rentao, ZHAO Halin (557)……………………………
Characteristics of cultivable microbial community number and structure at the southeast edge of Tengger Desert
ZHANG Wei,ZHANG Gaosen,LIU Guangxiu,et al (567)
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Physiological and ecological responses of maize to different severities of desertification in the Southern Taklamakan desert
LI Lei,LI Xiangyi,LIN Lisha,WANG Yingju,et al (578)
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Characterization of caloric value in fifteen plant species in Leymus chinensis steppe in Xilin River Basin,Inner Mongolia
GAO Kai, XIE Zhongbing, XU Sutie, et al (588)
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Spatial pattern responses of Achnatherum splendens to environmental stress in different density levels
ZHANG Mingjuan, LIU Maosong, XU Chi,et al (595)
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Effects of environmental factors on species distribution and diversity in an Abies fargesii鄄Betula utilis mixed forest
REN Xuemin, YANG Gaihe, WANG Dexiang, et al (605)
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Effects of alginate cerium complexes on ascorbate鄄 glutathione cycle in spinach leaves under chlorpyrifos stress
LUAN Xia,CHEN Zhende,WANG Dongfeng,et al (614)
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Analysis on spatiotemporal changes of urban thermal landscape pattern in the context of urbanisation: a case study of Xiamen
City HUANG Jucong, ZHAO Xiaofeng, TANG Lina, et al (622)…………………………………………………………………
The analysis of the green vegetation cover change in western Sichuan based on GIS and Remote sensing
YANG Cunjian, ZHAO Zijian, REN Xiaolan, et al (632)
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An inventory of BVOC emissions for a subtropical urban鄄rural complex: Greater Taizhou Area
CHANG Jie, REN Yuan, SHI Yan, et al (641)
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Scientific Note
Litter decomposition and nutrient dynamics of Carex lasiocapa under different water conditions
HOU Cuicui, SONG Changchun, LI Yingchen, et al (650)
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Nest鄄box color preference and reproductive success of great tit ZHANG Keqin, DENG Qiuxiang, Justin Liu, et al (659)……………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 2 期摇 (2012 年 1 月)
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