1 哈尔滨学院， 黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150086
2 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所， 北京 100097
3 东北农业大学资源与环境学院， 黑龙江 哈尔滨 150038
溶解性有机质（DOM）是土壤中活跃的有机成分， 其来源和组成可指示土壤腐殖化程度及与外部环境间的相关关系。 为科学地监测与评价湿地土壤环境质量， 采集黑龙江省碾子山雅鲁河国家湿地公园内不同植被条件下的表层（0~20 cm）土壤， 应用三维荧光光谱-平行因子分析法， 测定DOM荧光光谱， 并进一步分析土壤理化指标对DOM组成的影响。 结果表明: 5种植被类型（包括9种群系）条件下土壤DOM腐殖化指数在2.562~9.052之间， 落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛土壤腐殖化程度高于草甸， 其次为沼泽， 水生植被最低; 荧光指数介于1.407~1.586， 土壤DOM来源兼具外生源和自生源特征， 落叶阔叶林和芦苇［Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.］沼泽表现为明显的外生源特征， 而水生植被及稗［Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv.］沼泽具有明显的自生源特征; 生物指数在0.482~0.662范围内， 新近自生源贡献率均较低。 土壤DOM中识别出3类5种有机组分， 类腐殖质（紫外类富里酸和可见类富里酸）相对比重最大， 外生源特征明显的土壤样品中含量多; 其次为类蛋白质（类酪氨酸和类色氨酸）， 自生源特征较强的土壤样品中含量多; 类腐殖酸（胡敏酸）最低， 多存在于旱生-中生环境中。 土壤含水量、 pH值、 总有机碳含量对DOM组成具有显著或极显著的影响， 3项理化指标与类蛋白质含量成正相关， 与类腐殖质含量成负相关， 含水量、 总有机碳含量与类腐殖酸含量成负相关。 总体上看， 在该湿地公园内， 落叶阔叶林、 落叶阔叶灌丛土壤偏弱酸性， 含水量、 总有机碳含量低， 腐殖化程度高， 外生源特征明显， 类腐殖质和类腐殖酸含量高， 其次为草甸及沼泽植被， 而水生植被条件下土壤近中性， 含水量、 总有机碳含量高， 腐殖化程度低， 自生源特征明显， 类蛋白质含量高。 本研究结果可为以该湿地公园为代表的北方寒区永久性河流湿地土壤环境质量监测与评价提供基础数据。
三维荧光光谱 溶解性有机质 湿地土壤 植被 Three-dimensional fluorescence spectroscopy Dissolved organic matter Wetland soil Vegetation 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1517
1 聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252059
2 国家高分辨率对地观测系统山东省聊城市数据与应用中心，山东 聊城 252003
3 聊城大学东平湖湿地研究所，山东 聊城 252059
光谱特征是地物的固有属性, 分析地物光谱不仅有助于提高地物识别精度, 也是定量遥感研究的基础。 然而受限于尺度效应, 近地空间采集的光谱与遥感像元尺度的光谱往往差异较大。 因此, 在遥感像元尺度上揭示湿地典型景观地类的光谱特征, 将有助于大尺度湿地遥感分类和植被参数反演精度的提高。 以华北平原典型的草型湖泊湿地南阳湖为对象, 基于EO-1 Hyperion星载成像高光谱数据, 提取荷田、 芦苇地、 林地、 水田、 旱地、 建筑用地、 河道和湖泊鱼塘等8类湿地景观的反射率, 并进行光谱一阶导数变换, 同时计算多种高光谱植被指数, 定量分析景观尺度上湿地地物的光谱特征。 结果表明: (1)8种湿地景观地物反射率光谱差异明显, 其中5种不同植被景观也存在差异。 荷田反射率在全波段明显高于其他景观地类, 荷田的绿波段反射峰和红波段吸收谷最明显。 芦苇地与水田在可见光和红边区域具有相似的反射光谱特征, 水田与旱地反射光谱曲线不同, 且水田的绿峰明显高于旱地。 (2)8种景观在蓝边、 黄边及红边处的一阶导数光谱差异明显, 尤以红边处最显著。 荷田的红边斜率最大且红边位置明显蓝移(712 nm), 说明其叶绿素含量高, 健康状况最好。 林地的红边斜率次之, 但红边位置明显红移(722 nm)。 (3)林地具有最大的植被指数, 水体和建筑用地植被指数均较低, 其他景观地类居中。 芦苇地、 水田、 旱地和荷田在大多数与归一化植被指数(NDVI)相关的指数中差异不明显, 仅在增强型植被指数(EVI)和红边叶绿素指数(Chlorophyll Index RedEdge 710)中存在较明显差异, 说明这两个指数能够更有效地指示湿地植被类型之间绿度和覆盖度的差异。 该研究对于草型湖泊湿地景观地物高精度分类及其植被参数的遥感反演具有借鉴意义。
南阳湖 高光谱遥感 光谱分析 湿地景观 Lake Nanyang Hyperion Hyperspectral remote sensing Spectral analysis Wetland landscape Hyperion
1 北京化工大学化学工程学院, 北京 100029
2 北京市北运河管理处, 北京 101100
采用三维荧光光谱技术和平行因子分析, 对北方某潜流-表流复合人工湿地水体中溶解性有机质（DOM）的光谱特征、 演变过程及其来源进行研究, 以期为深入理解人工湿地的作用机理和污染物溯源提供科学依据。 结果表明, 人工湿地中各阶段的出水呈现相似的三维荧光特性, 均出现明显的类腐殖质尖峰和类蛋白峰, 但强度有所不同。 混凝沉淀对类蛋白和类腐殖质两种DOM的荧光强度均有一定的削减作用; 潜流湿地出水的荧光图谱显示, 微生物代谢副产物和类色氨酸等类蛋白峰强度明显降低, 而类腐殖质峰强度无明显变化, 这表明潜流湿地对再生水中的类蛋白物质具有明显的降解作用, 而对类腐殖质物质降解效果较弱; 相反, 在表流湿地出水的荧光图谱中发现类蛋白峰和类腐殖质峰的强度均削弱, 而且在表流湿地下游3 km处的强度达到最低。 这一趋势归因于潜流湿地中滤料表面生物膜对DOM的生物降解以及表流湿地内部活跃的微生物活动和水生植物的根系对DOM的吸附作用。 平行因子分析结果显示, 该湿地水体DOM中包含5个荧光组分, 分别为类富里酸组分C1（240, 330/430 nm）、 微生物活动相关的类腐殖质组分C2（285, 330/380 nm）、 类色氨酸C3（230/350 nm）、 微生物代谢副产物C4（280/320 nm）和陆源类腐殖质C5（270, 380/470 nm）。 采用多种荧光光谱指数对湿地中DOM的来源进行解析, 荧光指数和自生源指数均表明该湿地中DOM的来源以生物代谢输入为主, 而陆源输入的影响较小; 腐殖化因子则表明该湿地存在弱腐殖化的特征且生物来源占主导地位。 斯皮尔曼相关性分析表明5个荧光组分具有同源性, 而且与水中氮元素的迁移转化密切相关。
三维荧光光谱 平行因子分析 溶解性有机质 人工湿地 Three-dimensional excitation-emission matrix fluor Parallel factor analysis Dissolved organic matter Constructed wetland 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1240
东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150038
三维荧光光谱荧光峰位置和荧光强度可表征荧光物质的类型和浓度, 被广泛应用于溶解性有机质(DOM)性质的研究中。 为探讨退耕还湿后不同植物群系条件下的土壤特征, 指导退耕还湿工作, 本研究通过采集榆树、 松江柳、 猪毛蒿、 芦苇、 灰脉薹草、 香蒲6种典型植物群系的表层土壤, 应用三维荧光光谱-平行因子分析法, 测定土壤DOM的荧光光谱, 分析6种植物群系土壤中DOM的来源和组成。 结合土壤理化指标, 进一步分析土壤DOM有机组分的影响因素。 结果表明: 6种植被类型土壤的腐殖化指数(HIX)差异不大, 其中湿生芦苇群系土壤腐殖化程度显著高于旱生猪毛蒿群系。 土壤DOM的荧光指数(FI370)均介于陆生源特征值(1.4)和自生源特征值(1.9)之间, 说明其来源既由微生物活动产生, 也有植物凋落物及根系分泌物的输入。 灰脉薹草群系和香蒲群系土壤的FI370和生物指数(BIX)相对较高, 表明两者具有相对较强的自生源特征, 而芦苇群系和猪毛蒿群系的陆生源特征相对较高。 6种植物群系土壤DOM中共识别出3个有机组分: 类富里酸组分(C1)、 类胡敏酸组分(C2)和类蛋白组分(C3)。 芦苇群系土壤DOM相对浓度较高, 其次为香蒲群系, 灰脉薹草群系相对较低。 除芦苇群系外, C3组分在各植物群系土壤中均占有相对较高的比例, 其次为C1, C2相对较低, 反映出表层土壤DOM中小分子物质相对丰富, 腐殖化程度不高。 不同植物群系土壤pH值差异不显著, 旱生环境具有较高的土壤容重, 而湿生环境土壤含水量和阳离子交换量较高。 木本植物群系土壤总有机碳、 总氮、 总磷、 总钾含量均高于草本植物群系。 土壤容重、 含水量及阳离子交换量可显著影响土壤DOM有机组分结构。 因此, 退耕还湿过程中增加湿生草本植物面积可在一定程度上提高土壤腐殖化程度。
三维荧光光谱 土壤溶解性有机质 植物群系 退耕还湿 Three-dimensional fluorescence spectroscopy Soil dissolved organic matter Plant formation Reverting farmland to wetland 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3472
1 江苏海洋大学测绘与海洋信息学院, 江苏 连云港 222005
2 河南财经政法大学资源与环境学院, 河南 郑州 450046
近年来, 虽然随着高光谱技术的出现可以快速获取土壤中的养分含量, 但不同的土壤类型对估算的精度会有很大的差异。 滨海湿地土壤类型受海洋环境影响较大, 其高光谱反射率与内陆土壤类型的表现会有所不同, 也就造成了同样的估算模型在反演滨海湿地土壤的养分含量时, 反演精度的降低, 随着近年来海洋资源的开发与滨海湿地生态恢复工作的不断推进, 探索一种合适的估算模型来快速准确的获取土壤中的养分含量变得更加紧迫。 该研究旨在验证利用可见-近红外高光谱反射率构建非线性模型来反演滨海湿地土壤类型中有机质(soil organic matter, SOM)含量的可行性。 以江苏省盐城大丰麋鹿国家级自然保护区的第三核心区土壤作为研究对象, 将土壤样本的光谱反射率进行5点Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波处理, 再进行一阶微分R′、 倒数的一阶微分(1/R)′、 倒数的二阶微分(1/R)″、 对数的一阶微分(lgR)′四种微分变换后, 应用相关系数和显著性水平(p<0.01)提取土壤有机质含量的敏感波段, 利用台湾大学林智仁教授开发的MATLAB软件中的LIBSVM工具包构建SVM(support vector machine)支持向量机估算模型, 并利用MATLAB2018b软件中自带的BP(back propagation)反向传播神经网络构建估算模型, 最后利用决定系数R2和均方根误差RMSE进行模型的预测精度验证。 结果表明： 原始光谱通过5点S-G平滑滤波、 微分变换与相关系数法可以较好的提取出有效波段, 其中基于(1/R)′光谱变换提取的滨海湿地土壤有机质特征波段为498~501, 1 180~1 182, 1 946, 1 947和2 323~2 326 nm； 对比发现SVM的估算精度优于BP神经网络； 利用光谱的(1/R)′微分形式构建的SVM模型估算滨海湿地土壤SOM含量的精度最高, 决定系数R2与RMSE分别为0.93和0.23, 并且均通过了p<0.01的显著性检验。 因此利用高光谱构建SVM非线性模型来快速估算滨海湿地土壤中的养分含量具有一定的可行性。
滨海湿地 S-G滤波 SVM支持向量机 BP神经网络 Coastal wetland S-G filtering Support vector machine BP neural network
为了评估基于Sentine 1/2影像数据反演滇池湖滨带湿地森林地上生物量(AGB)的效果和能力, 以Sentinel-1 A/B(SAR)和Sentinel-2 A/B(多光谱)卫星图像为数据源, 获取SAR双极化后向散射系数、多光谱波段、植被指数和林冠生物物理变量等因子, 利用线性回归和机器学习算法, 建立了多个滇池湖滨湿地生物量反演模型。所有模型与滇池湖滨湿地样地地上生物量的相关性为0.619~0.84, 均方根误差(RMSE)范围为40.14~59.7 t/ha, 其中基于SAR的模型反演精确度最低; 在多光谱波段中, 红色和红边(波段4,5和7)与生物量有很好的相关性; 叶面积指数(LAI)模型是生物量反演的最佳变量组合(r=0.84,RMSE=40.14); 基于Sentine 1/2影像数据反演滇池湖滨带湿地地上生物量具有可行性。
地上生物量 湿地 Sentinel遥感图像 滇池湖滨 Above-Ground Biomass wetland Sentinel imagery Kunming Dianchi lake 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(1): 142
1 福建农林大学林学院, 福建 福州 350002
2 闽江学院, 福建 福州 350108
3 福建农林大学自然生物资源保育利用福建高校工程研究中心, 福建 福州 350002
4 福建农林大学资源与环境学院, 福建 福州 350002
土壤有机质是湿地生态系统的重要元素, 利用多光谱遥感技术可大尺度、 快速获取其含量信息, 对保护湿地生态系统具有重要意义。 然而, 由于不同地物光谱混合给多光谱数据带来光谱畸变, 影响湿地土壤有机质含量的反演精度。 为了消除不同地物光谱混合, 实现湿地土壤有机质含量的准确、 实时监测, 以闽江鳝鱼滩湿地为研究区, 利用线性波谱分解技术对原始影像的像元进行分解, 重建土壤光谱, 分析原始光谱、 重建光谱与土壤有机质含量的相关性后, 建立土壤有机质含量的反演模型。 结果表明: 利用线性波谱分解技术可有效消除原始影像中的植被端元, 减少大部分道路及建筑物的反射干扰, 重建后的土壤光谱特征曲线更趋近于自然状态下土壤的光谱曲线, 重建效果显著; 通过两种光谱与土壤有机质含量的相关系数对比, 重建光谱更能准确的反映土壤光谱与土壤有机质含量的相关性; 运用重建光谱构建土壤有机质含量的反演模型, 其预测精度优于基于原始光谱的反演模型, R2和F分别提高0.124和2.223, RMSE则降低0.106, 1∶1线检验的预测值与实测值的拟合度更高, 模型可行且有效。 由此得出结论, 利用线性波谱分解技术消除不同地物光谱混合, 重建土壤光谱, 一定程度上可实现在自然条件下湿地土壤有机质含量的大面积、 准确检测, 具有较好的实际应用价值。
土壤 遥感 多光谱 线性波谱分解技术 光谱重建 湿地 Soil Remote sensing Multispectral Linear spectral unmixing Spectral reconstruction Wetland
1 辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心, 辽宁 大连 116029
2 辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室, 辽宁 大连 116029
3 辽宁师范大学城市与环境学院, 辽宁 大连 116029
氮循环是土壤生态系统元素循环的重要过程, 其中硝化作用对于土壤氮循环有重要影响。 硝化作用的主要完成者是硝化微生物群落, 土壤微生物是湿地生态系统的重要组成部分, 其可以指示湿地生态环境变化, 对正确认识湿地生态系统氮循环和湿地污染净化功能具有重要意义。 尝试从高光谱遥感技术角度, 基于土壤氮素光谱监测机理, 探索湿地土壤硝化微生物群落高光谱估算技术, 进而为估测其时空分布状况提供新技术途径。 研究对硝化作用中两个独立阶段的主要完成者氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌, 采用最大可能数法分别计数, 并以两者计数测量结果的合计, 作为各采样区域土壤硝化微生物的数量值。 采用光谱倒数的对数(LR)、 光谱一阶微分(FD)、 光谱二阶微分(SD)、 包络线去除(CR)和光谱波段深度(BD)光谱变换技术, 以及基于再抽样(bootstrap)技术的多元逐步回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)建模方法, 构建湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量估算模型。 研究结果表明: 在采用bootstrap SMLR建模方法时, 湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算波段位置存在一定的相似性(尤其对于原光谱实测数据R和SD光谱); 对于湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算, bootstrap PLSR相比于bootstrap SMLR建模方法, 具有较高的估算精度; 对湿地土壤硝化微生物数量的估算, 最高估算精度产生于SD光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模; 对湿地土壤全氮含量的估算, 最高估算精度产生于CR光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模。
高光谱模型 硝化微生物 湿地土壤 再抽样的多元逐步回归 Hyperspectral models Nitrification microorganism Wetland soils Bootstrap PLSR 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3254
1 中国科学院遥感与数字地球研究所，数字地球重点实验室，北京100094
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡453002
叶面积指数(LAI)是衡量湿地生态系统健康状况的重要指标.根据鄱阳湖湿地植被生长密集、LAI动态范围大的特点，针对雷达数据的复杂散射机制，利用Freeman-Durden极化分解技术，定义了一种雷达植被指数，并考虑光学植被指数的饱和性，尝试将光学植被指数和雷达植被指数相结合，构建融合植被指数来估算植被LAI.通过实测数据和理论模型模拟数据与LAI的相关性分析，表明融合植被指数能有效地提高与LAI的相关性.利用融合植被指数、光学植被指数、雷达植被指数与LAI构建最佳拟合模型得出：光学微波融合植被指数能更准确地估算鄱阳湖湿地植被LAI.
融合植被指数 叶面积指数 高分一号 Freeman-Durden极化分解 鄱阳湖湿地 integrated vegetation indices leaf area index (LAI) GF-1 Radarsat-2 Radarsat-2 Freeman-Durden Polarization decomposition Poyang lake wetland
1 广西大学农学院, 广西 南宁 530004
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 中国环境科学研究院地下水与环境系统创新基地, 北京 100012
联合三维荧光光谱、 紫外光谱和化学还原法, 对洨河人工湿地水体DOC与COD的变化特征以及溶解性有机物(DOM)的来源、 化学结构、 腐殖化程度与氧化还原性质进行研究, 以期为深入揭示DOM在人工湿地中的地球化学行为及其生态环境效应提供科学依据。 结果显示, 河流水体COD 60%以上来自DOC的贡献, 而其经过人工湿地后含量的降低则主要是由有机物中的N, H, S, P元素更容易被去除所导致的, 其贡献率可达65%。f470/520与BIX两种指数共同指示了水体DOM主要由微生物贡献, 表明水体DOM明显受到微生物的降解作用。 三维荧光光谱PARAFAC模型分析显示, 人工湿地水体DOM包含类蛋白和类腐殖质组分, 其中类富里酸和类胡敏酸组分比类蛋白质组分更容易被降解, 类富里酸与类胡敏酸组分具有相似的分解命运。 有色溶解性有机物(CDOM)与荧光溶解有机物(FDOM)具有共源性, 均主要由类腐殖质组成, 二者进入人工湿地后没有产生选择性降解。 水体进入人工湿地后E2/E3, A240～400, r(A, C)与HIX指标没有发生显著变化, 表明人工湿地对水体DOM的腐殖化程度不会产生显著影响。 然而, 人工湿地环境不仅有利于形成还原态的DOM, 促进水体三价铁的还原, 而且可以提高DOM作为电子穿梭体的能力, 这可能与DOM的芳香性碳在人工湿地中能够得以更好保存有关。
溶解性有机物 人工湿地 三维荧光光谱 紫外光谱 氧化还原 Dissolved organic matter Constructed wetland three-dimensional excitation-emission matrix fluor Ultraviolet spectroscopy Redox
