（植物营养学专业论文）利用高光谱数据监测酸雨胁迫对马尾松针叶光谱特征的影响.pdf

两南大学硕十学位论文摘要 利用高光谱数据监测酸雨胁迫对马尾松 针叶光谱的影响 植物营养学专业硕士研究生王博 指导教师黄云教授 江洪教授 摘要 酸雨对生态系统的危害是全球性的环境问题。传统的酸雨监测多以点为基础，采取化学分析手 段来获取数据，要得到大范围内酸雨的空间分布状况需要耗费大量的人力及物力。酸雨的长期胁迫 会改变森林土壤的营养状况及植被的叶绿素含量，并进而影响植被在可见光、近红外部分的光谱反 射率。本研究的目的是利用高光谱数据研究对酸雨敏感树种在不同程度的酸雨长期胁迫下的光谱反 射率间的差异，希望能找到一条研究酸雨问题的新途径。 本实验方案主要分为室内实验及野外实验两大实验体系。室内实验主要在浙江林业大学的实验 大棚内进行，分别对5 个酸雨梯度的马尾松样本进行光谱曲线及叶绿素值的测定。对收集到的2 5 0 0 条光谱曲线及叶绿素值进行分类、均差处理，分别得到不同酸雨梯度胁迫下马尾松的特征光谱曲线 及叶绿素差异值。野外实验主要选择在重庆江北区的铁山坪及重庆石柱县的黄水，主要由于铁山坪 平均酸雨p h 值为4 5 及石柱平均酸雨p h 值为5 0 可以构成两个酸雨梯度下的马尾松生理生长样本。 我们分别收集到1 2 0 0 条光谱曲线和叶绿素值，并对其进行分类处理及均差处理，得到在不同酸雨梯 度胁迫下马尾松生长光谱曲线的差异性及叶绿素值的差异性。表明酸雨对马尾松的影响在光谱特征 值上能够有所反应。最后我们对室内实验及野外实验数据进行了对比分析，取室内实验与野外实验 酸雨胁迫梯度相关的两组数据与之匹配分析，在蓝边、蓝区、绿区、黄区、红光吸收谷、近红外及 可见光区8 个区域进行了相关性分析及主成分分析，希望能够在此基础上建立关于酸雨对马尾松胁 迫的光谱特征模型。 我们从两个实验的数据分析结果得到以下三点结论： l 、不同室内酸雨梯度处理下的马尾松样本，在经过三月的生理生长过程中，叶面反射的光谱曲 线数据产生了不同的差异性表象，经相关性分析得出，在可见光区域p h 值为3 5 、4 5 、5 0 、5 6 、 7 0 五个酸雨梯度淋溶处理下的马尾松植被样本，只有p h 3 5 在2 5 0 n m - 7 5 0 n m 处出现特异反应，其 他区域5 条曲线都呈现差异性相同趋势变化的梯度特征。我们可以认为，在强酸( p h 3 5 ) 的处理下， 马尾松叶面光谱特征在近蓝区出现变异表象，在中酸到中心溶液处理下的马尾松样本都呈现良好的 两南大学硕十学何论文摘要 光谱曲线梯度； ， 2 、对黄水和铁山坪的野外实验中可以看到，两地不同酸雨( 黄水为p h 5 0 、铁山坪为p h 4 5 ) 胁迫条件下，马尾松叶面的光谱数据呈现差异性。虽然在不同光谱区域有着不同的显著性差异，但 是我们可以定性的断定，酸雨胁迫强度与光谱值成反相关趋势。强酸胁迫下的马尾松样本其光谱值 越低，反之则高。 3 、我们把室内光谱曲线p h 4 5 和p h 5 0 两种处理数据抽出与野外数据比较可以看出，两组数 据具有高度的相关性。我们可以认为，在相关酸雨梯度处理下的样本光谱值可以对应相关野外光谱 数据值，从而我们也可以推断，经过室内处理的标准样本光谱体系可以作为野外监测实验的数据模 型，我们对酸雨监测的遥感渠道则可以建立在我们对不同样本的光谱模型上进行，同时配以地面监 测点的数据矫正系数，我们将会找到一个对酸雨监测的新方法。 关键词：酸雨梯度野外实验室内实验特征光谱曲线光谱曲线模 i l 西南大学硕+ 学仲论文a b s t r a c t 曼量皇曼o 一一 n m m ；m 一一一；i m m ；m 曼m 寡曼曼皇曼曼皇 a bs t r a c t t h ea c i dr a i nt oh a r mt ot h en a t o l 面s y s t e mi sab i gp r o b l e mt ot h ew o r l d i i la c t u a l l y ，t h em o n i t o r sf o r a c i dr a i nb a s e do ne a r t hp o i n t s ，a n db yt h ew a yo fc h e m i s t r ya n a l y s i s ，w e r eo i ls e a r c hf o rt h ed a t a b u t t h ef a c tt h a ts e a r c hf o rav a s ta r e ad a t an e e dag r e a to fh u m a nl a b o ra n dw e a l t h t h ea c i dr a i ne f f e c t so nt h e f o r e s tb yt h ec o u r s ef r o mc h a n g e st h es o i ln u t r i t i o u sa n dt h ep l a n tc h l o r o p h y l lt oc h a n g e st h ev i s i b l el i g h t a n dt h ep l a n ts p e c t r u m t h ep a p e ri sa i mt om a k eu s eo ft h ep r i n c i p l eo fp l a n ts p e c t r u mv a r yw i t ha c i d g r a d i e n tt or e s e a r c hf o ran e ww a yt oa c i dr a i n w es e p a r a t e dt h ee x p e r i m e n tt ot w op a r t s ，o n ei si nt h el a bf o r5a c i dg r a d i e n t sa n dt h eo t h e ri so u tf o r t w oa c i dg r a d i e n t sa b o u tt h em a s o np i n es p e c t r u md a t a o u re x p e r i m e n ta d d r e s s e do nt h ez j f u ，a n dh a v e c o l l e c t e df o r2 5 0 0s p e c t r u ml i n e s w e g e tt h er e s u l tt h a te a c ha c i dg r a d i e n t sg e tas p e c t r u ml i n e c o n c o m i t a n t o u ro u te x p e r i m e n tc h o s ec qa n ds za so u rd a t ap l a c e f o rt h er e a s o nt h a tw ec a ng e tp h 4 5 a n dp h 5 0a c i dr a i ng r a d i e n t s ，a n dw eh a dr e s e a r c h e d1 2 0 0s p e c t r u ml i n e s w ec h e c ki tw i t hs t a t i s t i c sw a y f o rf i n a ld a t a ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i f f e r e n ta c i dg r a d i e n t se f f e c t so nt h em a s o np i n ec o n c l u d e d i f f e r e n ts p e c t r u ml i n e s a tl a s t ，w ep i c kt h el a bd a t ac o n c o r dt ot h eo u td a t a ， c h o s er e 、y e 、n t 、 b e 、r w 、b r 、v r 、g ra n da br a n g e st od e t e c t ，i no r d e rt os e tam o d e lf o rt h ea c i d - m a s o np i n es y s t e m w ec a nd r a wt h r e er e s u l t so no u re x p e r i m e n t ： 1 、u n d e rd i f f e r e n ta c i dg r a d i e n t s ，t h em a s o np i n el e a v e ss h o wd i f f e r e n ts p e c t r u ml i n e s ，i nv r t h ep h 3 5 、p h 4 5 、p h 5 0 、p h 5 6a n dp h 7 0a c i dr a i ne f f e c t , o n l yt h e p h 3 5s h o ws p e c i a ld a t a f r o m2 5 0 h mt o7 5 0 h m , t h eo t h e r sh a v et h es a l n ev a r i o u sp r i n c i p l e w ec a nc o n c l u d et h a t , i n s t r o n ga c i de f f e c t ( p h 3 5 ) ，t h em a s o np i n es h o ws p e c i a ld a t ai nb e ，a n di nt h en o r m a la c i d g r a d i e n t s ，t h e ys h o wt h es a i l l ep r i n c i p l e 2、to a n a l y s i st h es za n dc qd a t a ，w ef i n dt h et w oa r e a ss h o wd i f f e r e n ts p e c t r u ml i n e su n d e r d i f f e r e n ta c i dg r a d i e n t s ( s zp h 5 0a n dc qp h 4 5 ) w ec a nd r a wt h er e s u l tt h a tt h e r ei sa p r i n c i p l et h ea c i dg r a d i e n t sv a r i o u so p p o s i t ew a yw i t ht h es p e c t r u ml i n e s 3 、w ed r a wt h ep h 4 5a n dp h 5 0s p e c t r u ml i n e sc o m p a r ew i t ht h eo u td a t a , t h e 他i ss 锄es a m e p r i n c i p l e w ec a nc o n c l u d et h a tt h e r ei st h es p e c t r u ml i n ec o m p a r ew i t hac e l - t a i na c i dg r a d i e n t w ec a na l s od e 衙t h a tw ec a ns e ta s p e c t r u mm o d e lf o rt h ea c i dg r a d i e n tb a s eo nt h ed a t a i n a d d i t i o n a l w ec a nf i n dan e ww a yt oa n a l y s i st h ea c i dr a i nu s es p e c t r u ma n ds o m em a t hw a y s k e yw o r d s ：a c i dg r a d i e n t s o u te x p e r i m e n t l a be x p e r i m e n t f e a t u r es p e c t r u ml i n e sf e a t u r es p e c t r u ml i n e sm o d e l i i i 独创性声明 学位论文题目：型周齑光谱数量鳖趔酸匝丛垫挝璺屋坠鱼吐挂征光谱鲍显 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者： a 了瓯 签字日期：妒7 年 6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，、旅密 期限至? 口前8 年b 月止) 学位论文作者签名： 衫孑冯 导师签名： 签字日期： 沙。7 年纱月7 日 签字日期： 秒7 年6 月7 日 萼一 西南大学硕士学位论文第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 酸雨的定义 在没有大气污染物存在的情况下，降水酸度主要由大气中的二氧化碳所形成的碳酸组成，其p h 值大约在5 6 - 6 0 之间。大气酸沉降是指p h 3 0 的模拟酸雨对 马尾松和杉木单株净光合速率没有影响i 垌。但f e r e n b a u g h 报道模拟酸雨增大菜豆的净光合速率。l e e 也发现十星期的p h 3 模拟酸雨处理显著增大了松树幼苗的净光合速率和蒸腾速率鲫。谢田等报道， 在酸雨胁迫下，菠菜光合作用下降不一定以叶绿素下降为前提，在酸度较小的酸雨作用下，光合下 降先于叶绿素下降，若将菠菜置于极端酸性的环境，这时光合下降以叶绿素下降为前提，还指出光 合放氧下降和希尔反应下降有同步的趋。s i n o 等发现模拟酸雨能够显著降低黄瓜( c u c u m i ss a t i v u sl c v j i n g c h u nn o 4 ) 幼苗的净光合速率，并认为主要是由非气孔因素导致的，而且p n 的降低伴随着 f 训p m 和p s i 的降低【2 舯。v e l i k o v a 等发现一次酸雨( p h l 8 ) 处理就能够减少菜_ 豆( p h a s e o l u s v u l g a r i sl ) 的气体交换参数、最大优化效率和光化学淬灭，并且增大c 0 2 补偿点和非光化学淬灭；气孔因素和非 气孔因素共同导致了光合速率降低，但它们对光合速率降低的贡献比例伴随光合装置的恢复时间变 化而变化。 酸雨也通过对叶绿素含量的影响来影响植物光合作用。许多试验表明，酸雨中的h + 浓度达到一 定值时，就阻碍了叶绿素的合成，叶绿素含量的减少和叶绿素a 与叶绿素b 的比率的变化直接影响 了植物的光合作用。张耀明等测定了大豆、油菜、青菜、葛首、萝卜和花菜受不同p h 酸雨胁迫后 叶绿素含量的变化，结果表明，叶绿素含量随着酸雨p h 值的降低下斟2 引。在小麦( t r i t i c u m a e s t i v u m l ) 和白菜p 0 1 腊梅【3 l 】、芒果( m a n g i f c ml ) 【3 2 】、大豆【3 3 】也有类似的报道。严重玲等报道叶绿素含量与 p h 成正相关【列。但也有试验表明酸雨能够使叶绿素含量增加或无变化。单运峰发现随模拟酸雨p h 值下降，杉木、马尾松、水杉、擦木、火力楠、青冈和油茶叶绿素( a + b ) 含量增加1 3 5 1 。s h a n v o 等发现 3 两南大学硕+ 学伶论文第1 章文献综述 酸雨能够使松树( p i n u sa r m a n df r a n c h ) 的叶绿素含量增加【36 。r o c h e f o r t 等发现p h 3 5 的模拟酸雨显 著增加了阔叶树( t o m e n t h y p n u mn i t e n s ) 的叶绿素b 的含量，但对阔叶树( s c o r p i d i u ms c o r p i o i d e s ) 的叶 绿素含量没有影响【3 7 1 。张耀明等也发现p h 4 2 的酸雨对小麦、大豆、油菜、棉花叶绿素含量没有影 响，但蔬菜类作物萝卜和葛芭却下降了1 0 以上，说明酸雨对葛芭和萝卜叶绿素含量的影响比较明 显3 耵。曹洪法等测定小麦和白菜叶片叶绿素含量在p h 3 5 就产生影响，大豆叶片叶绿素含量在p h 3 0 明显降低，而水稻在p h 2 5 叶绿素含量变化仍然很小。 ( 3 ) 酸雨对植物抗氧化系统的影响 许多试验发现，酸雨胁迫和其他胁迫一样能够激活植物的抗氧化系统，而过氧化物酶( p o d ) 、过 氧化氢酶( c a t ) 、超氧化物歧化酶( s o d ) 等抗氧化酶的酶活性也被认为是污染胁迫的指示剂p 1 1 。严 重玲报道酸雨胁迫后菠菜s o d 活性变化呈单峰曲线，总体水平下降m l 。束良佐等发现酸雨胁迫下， 叶片s o d 活性先升高，而在p h 值2 5 的酸雨胁迫下转而下降，c a t 活性水平下降，p o d 活性明显 增加，脂质过氧化加剧【4 孙。v c l i k o v a 等发现酸雨能够诱导菜豆蹴o l 惦v u l g a r i sl “c h e r e n s t a r o a a g o r s k y ) 叶片脂过氧化并增加i - 1 2 0 水平，在酸雨处理后的最初时刻p o d 活性显著增加，c a t 活性显著降低，此后两种酶活性均升高并发挥清除活性氧的作用4 4 1 。y u 0 等发现酸雨能够显著增加 黄瓜( c u c u m i ss a t i v u sl c v j i n c h u nn o 4 ) 的g p x 和s o d 活性，但会降低c a t 的活性并增加m o a ( 丙 二醛1 的含量【4 5 1 。 ( 4 ) 酸雨对植物生长发育和生物量的影响 目前研究普遍认为酸雨能够抑制植物的生长，降低植物的生物量。s i n g h 研究发现p h 3 0 酸雨处 理后，两个品种小麦( t r i t i c u ma e s t i v u m ，m a l v i y a2 1 3 cm 2 1 3a n ds o n a l i k a ) 茎和根的长度、叶面积都 显著减小，p h 4 5 、p h 4 0 和p h 3 0 酸雨处理的m 2 1 3 生物量显著减小，p h 4 0 和p h 3 0 酸雨处理的 s o n a l i k a 生物量显著减小，p h 4 0 、p h 3 0 处理的m 2 1 3 和p h 3 0 处理的s o n a l i k a 产量均显著降低嗍。 n e u f e l d 发现p h 2 0 酸雨处理显著降低了p l a t a n u 和r o b i n i a 高度的生长，对l i q u i d a m b a r 影响不显著， p h 2 0 酸雨使p l a t a n u 和l i q u i d a m b a 。的总生物量显著减少，主要是茎和根生物量减少，酸雨对叶生 物量没有显著影响m 。 但也有试验发现酸雨能够刺激植物生长，增加植物的生物量。单运峰研究发现p h 2 0 的模拟酸 雨使马尾松、黄樟、木荷、青冈、杉木和火力楠幼苗根生物量显著减少，而p h 3 0 和p h 4 5 的模拟 酸雨使幼苗根生物量增加，但未达到统计显著水平【4 8 1 。樊后保等也发现p h 2 模拟酸雨显著降低了樟 树( c i n n a m o m u mc a m p h o r al i m a ) 、女贞( l i g u s t r u ml u c i d u ma i t ) 、闽粤拷( c a s t a n o p s i s s s a ( c h a m p ，驭 b e n t h ) r e h a e tw i l s ) 、苦楠( m e l i aa z e d a r a c h l i n n ) 和复叶栗树c g o e l r e u t c r i ab i p i n n a t af r a n c h ) 韵单株生 物量，而p h 3 5 模拟酸雨则促进了除女贞外其他树种根茎叶的生产。 4 两南大学硕十学何论文第1 章文献综述 1 3 高光谱遥感的基本概念及对植被研究的进展 1 3 1 高光谱遥感的基本概念 高光谱分辨率遥感( h y p e r s p e c t r a lr e m o t es e n s i n g ，简称高光谱遥感) 是指利用很多很窄的电磁波 波段( 一般光谱分辨率在n m 级) 从感兴趣的物体获取有关光谱数据，其基础是光谱学。光谱学起源于 2 0 世纪2 0 年代，在分子、原子结构理论和量子力学基础上发展起来的，是用于识别分子、原子类 型及其结构的实验科学( 浦瑞良，宫鹏等2 0 0 0 ) 。2 0 世纪8 0 年代建立起来的成像光谱学( i m a g i n g s p e c t r o s c o p y ) ，是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域获得许多非常窄且光谱连续的 图像数据的技术，这种记录的光谱数据能用于多学科的研究和应用之中，它奠定了高光谱遥感的技 术基础，也是高光谱遥感建立的标志( 陈述彭等，1 9 9 8 ) 。 高光谱遥感具有光谱分辨率高( 波段宽度 ，混合像元分解( 将多波段反演成单波段) 、光谱匹配、导数光谱技 术( d e m e t r i a d e s s h a h ，1 9 9 0 ) 等，这样可方便、快捷、有效、准确地提取有用的信息( v a n e ，1 9 9 3 ) 。 使用高光谱分辨率遥感数据来估测植被的植被参数主要有两类方法：一是通过多元回归方法建 6 两南大学硕+ 学位论文第1 章文献综述 立光谱数据或由此衍生的植被指数与植物学参数据之间的关系( g i b a e r t 等，1 9 9 6 ；l e e 等，2 0 0 0 ；唐延 林等，2 0 0 3 ) ；二是通过植物的红边参数来估计植物的物候性状及其农学参数t ( m i l l e r 等，1 9 9 0 ；f i l e l l a 等，1 9 9 4 ) 。通过分析高光谱植被指数与样本特征的关系，我们可以选定表征植物特征的特定波段 ( 1 h e n k a b a i l 等，2 0 0 0 ) ，在这些特定波段，植被具有一些明显的、独特的吸收特征。 目前，国内外植被高光谱遥研究与应用正方兴未艾( 陆登槐，1 9 9 8 ：唐延林等，2 0 0 1 ) 。m a l t h u s ( 1 9 9 3 ) 等用高分辨率遥感分析大豆受蚕豆斑点葡萄抱感染后的反射光谱，发现其一阶导数反射率比 原始的反射率要高，可用来监测病虫害的感染情况；s h i b a y a m a ( 1 9 9 3 ) 等利用分辨率为5 r i m 和1 0 h m 的光谱仪从4 0 0 r i m 至1 9 0 0 r i m 范围分析了受水胁迫的水稻的反射能力，发现在近红外和中红外波段 的反射率及其一阶导数可以用来探测早期水稻冠层的水胁迫作用；t h o m a s ( 1 9 7 7 ) ，p e n u e l a s ( 1 9 9 5 ， 1 9 9 8 ) 等认为可从叶片反射光谱来评估其叶绿素、类胡萝卜素状况；c u r r a n ( 1 9 8 9 ) 、g r o s s m a n ( 1 9 9 6 ) ， f o u r t y ( 1 9 9 6 - - 1 9 9 8 ) 等认为可通过叶片的反射光谱谱信息用多元逐步回归法来估测其化学组分； a l d a l d a e e l ( 1 9 9 7 ) ，c e c c a t ( 2 0 0 2 ) ，d a n i e l ( 2 0 0 2 ) 等通过反射光谱数据来估测植被水分含量；k o k a l y ( 1 9 9 9 ) 等运用基于连续统去除的光谱吸收特征法来估算干叶片中氮、纤维素和木质素的积累量，然后得出 回归方程用以估测其含量。该方法经实验验证，效果较好，且可运用于不同植被；g e b b i n g ( 1 9 9 9 ) 等 通过反射光谱来预测小麦中蛋白质和碳水化合物的积累；t r e i t z ( 2 0 0 0 ) 等利用高空间分辨率遥感数据 在大比例尺范围内进行森林生态系统分类；w h i t e ( 2 0 0 0 ) 等用g e r 2 6 0 0 遥感仪以1 0 r i m 分辨率在 3 0 0 - 2 6 0 0 n m 范围内来测定植物冠层的反射能力，通过分析相关系数，确定了一些区别干燥与新鲜样 本的波段。 用高光谱分辨率数据能够较好地估计叶片色素含量( j o h n s o n 等，1 9 9 4 ；k o k a l y ，1 9 9 9 ；牛铮等， 2 0 0 0 ) ，它与作物的叶绿素密度有较好的相关性( b l a c k b u r n ，1 9 9 8 ；m a d e i r a 等，2 0 0 0 ；吴长山等，2 0 0 i f , 刘伟东等，2 0 0 0 ：t i a n 等，2 0 0 1 ：b r o g e 等，2 0 0 2 ) l e e ( 2 0 0 0 ) 等利用反射光谱来预测棉花叶片了氮素 含量；c u t r a n ( 2 0 0 1 ) 等根据反射光谱数据用三种方法经逐步回归估测干叶片中的生化组分，结果表明 估测精度依次为：总叶绿素、氮、糖、叶绿素a 、纤维素、叶绿素b 、木质素、水分、磷、蛋白质、 氨基酸、淀粉；王纪华( 2 0 0 2 ) 等等研究反射光谱与小麦叶片生化成分及籽粒品质之间的关系；薛利红 ( 2 0 0 3 ) 等利用作物冠层反射光谱来诊断作物水分和氮素含量；唐延林( 2 0 0 3 ) 等利用高光谱方法来诊断 大麦的氮素营养状况；e d m e t r i a d s 等发现高分辨率遥感的导数光谱能获得更多植被的化学成分的信 息，其导数光谱，尤其是二阶导数光谱能较好地消除土壤背景因素的影响和重叠光谱的影响，导数 光谱也可部分消除大气的影响。 一 前人实验表明，植物中生化组分对0 4 2 4 u m 范围内的光谱吸收有一些比较明显的特征，其中心 吸收波长分别为：水分9 7 0 n m ，1 1 8 0 n m ，1 4 5 0 n m ；叶绿素4 8 0 n m ，6 6 0 n m ；纤维素1 7 3 0 r i m ，2 1 0 0 h m 2 3 0 0 r i m ；氮7 6 0 r i m ，1 6 4 0 n m ，2 1 0 0 r i m ：木质素1 7 3 0 r i m ，2 3 0 0 r i m ：淀粉9 9 0 r i m ，1 4 5 0 n m ，1 5 3 0 r i m ， 19 0 0 r i m 。2 2 5 0 n m 。 7 西南大学硕十学位论文第1 章文献综述 利用高光谱遥感数据可以较好地描述植被的“红边”特性：红边位置和红边斜率及其变化( h o d e r 等，1 9 8 3 ；m i l l e r 等，1 9 9 0 ；d a n s o n 等，1 9 9 5 ) 。红边位置主要与叶片中叶绿素含量有关( r o c k 等， 1 9 8 8 ；p i n a r 等，1 9 9 6 ) i ) ，当叶片中叶绿素b 含量减少时，红边位置将发生“蓝移”，当因缺水而发生 叶子枯萎时，红边位置将发生“红移”；红边斜率与植被覆盖率或l a i 有关，覆盖率或l a i 越大，红 边斜率越大。h o d e r ( 1 9 8 3 ) 等发现受空气污染多年的叶簇的红边位置产生了5 n m 的蓝移：p i n a r ( 1 9 9 6 ) 研究表明作物群体植被光谱的“红边”位置能够很好地反映叶绿素密度信息：吴长山( 2 0 0 0 ) 等研究表 明，水稻、玉米在叶片水平上的反射光谱的导数光谱以及“红边”位置与叶片叶绿素浓度和叶绿素密 度都存在显著相关。 高光谱遥感的波段窄、数目大，以前的多光谱遥感数据一植被参数拟合方法已不适用，因此， 必须建立起一套高光谱植被指数( r e y e s 等。2 0 0 0 ) ，根据高光谱遥感特点来重新确定遥感信息与植被 参数之间的关系，建立新的冠层温度t s 、作物覆盖率f 、光合有效辐射a p a r 、光合速率p 、植株高 度h 及叶中生化成分等农学参数与光谱反射率r 的变化式i l r 1 0 9 r 及r 的导数、叶面积指数l a j 、 归一化植被指数n d v i 等遥感数据及其衍生指数之间的关系。由多元回归方法建立起不同农作物产 量、长势及其生化成分等与光谱参数之间的定量关系，促进高光谱遥感在植被研究上的实际应用。 8 两南大学硕+ 学位论文第2 章绪论 第2 章绪论 2 1 研究地区( 重庆) 状况 2 1 1 重庆基本概况 重庆是我国的历史文化名城和重要的工业城市，是长江上游的最大的经济中心、水陆交通枢纽 和对外贸易港口。也是我国面积最大，人口最多，最为年轻的直辖市。重庆地处北半球亚热带内陆 地区，处于北纬2 8 0 l o 3 2 0 1 3 ，东经1 0 5 0 1 1 ，11 0 0 11 ，= 艺间，幅员8 1 2 4 万平方公里。1 9 9 7 年末总人 口3 0 4 2 1 9 2 万人，其中农业人1 2 1 2 4 5 2 1 7 0 万人，占总人口的8 1 6 。全市有5 个少数民族自治县， 少数民族人口达1 7 8 1 0 万人，占5 1 8 ，有1 2 个国家贫困县，9 个省定贫困县，贫困人e 1 3 6 6 1 6 万 人，占1 2 1 0 。三峡库区8 5 左右的移民在重庆辖区内，涉及重庆1 8 个区( 自治县、市) ，最终动 迁人口达1 0 3 1 4 万人。重庆气候属亚热带湿润季风气候。冬季温暖，平均气温8 1 9 ，风小少雨，夏 季炎热，平均气温2 6 1 4 ，最高气温达4 0 1 0 ，是长江流域三大“火炉”城市之一。多年平均气温在 1 3 1 8 1 8 1 8 。多年平均降雨量1 0 0 0 m m 一1 4 0 0 m m 。无霜期2 l o _ 0 4 9 天。降水充沛，雨热同季。 气候资源优势突出，为发展农业生产提供了优越条件。同时灾害性气候亦十分明显：干旱、洪涝、 低温、寒霜、暴风雨、冰雹等灾害，每年均有不同程度发生。 境内生物资源种类繁多，主要自然植被类型为亚热带常绿阔叶林，多为天然次生林和人工针叶 林。土壤为中亚热带红壤与黄壤，平坝冲积土、丘陵紫色土、山地黄壤。一般呈弱酸性或中性，土 壤肥沃【5 们。 重庆市地处全国第二大酸雨区即西南酸雨区的中心地带，是国家酸雨重点控制区。1 9 9 8 年重庆 市酸雨频率为7 0 ，全年酸雨p h 平均值为4 6 f 5 l 】。 2 1 2 重庆市酸雨形成的原因 作为大气污染重灾区，重庆酸雨由来已久，已引起了国内外广大专家、学者和各级政府部门的 关注。重庆酸雨的形成主要由以下原因引起： ( 1 ) 能源结构是酸雨形成的根本原因 重庆市酸雨污染与能源结构关系密切。重庆市作为全国的老工业基地，长期以来，能源消耗一 直以原煤为主，1 9 9 7 年全市能源结构中煤炭占7 7 9 、天然气1 2 8 、电力4 6 、成品油4 7 。根 据分部门燃料消耗统计，重庆市酸控区每年煤炭消耗量为1 5 5 2 5 4 万t ( 主城区4 4 0 万t ) ，其中电力行业 耗煤量5 6 3 5 4 万t 。而重庆本地煤炭中，9 1 以上为含硫量超过3 的高硫煤，含硫量低于3 的占钙仪其 中小于l 的低硫煤仅7 本地煤年产量3 0 0 0 万t ，约占全国产量的3 0 ，是全国高硫煤的主要产区。 高硫煤大量使用导致了大气中以s 0 2 为主的硫化物的迅猛增加。1 9 9 5 年，重庆市s 0 2 排放量9 5 万t ，煤 炭消费排放的s 0 2 占排放总量的9 8 ，其中燃煤直接排放占8 5 4 ，酸控区s 0 2 排放总量为7 6 0 5 3 万t ， 其中火电厂高架源为2 2 4 3 6 万t ，占2 9 5 ( 重庆发电厂、华能珞璜电厂1 7 9 2 万t ，占电力行业的 9 西南大学硕十学位论文 第2 章绪论 mmnmmmmm 7 9 8 7 ) t 5 2 1 。 以燃煤为主排放的大量s 0 2 ，在大气颗粒物中f e 、c u 、mg 、v 等成酸反应催化剂的作用下，通 过气相或液相氧化反应生成硫酸或亚硫酸及其盐类，是重庆酸雨污染的主要物质。 ( 2 ) 气象因素是酸雨形成的重要条件 特殊的地形和气象动力条件对大气污染物的扩散十分不利。重庆地处四川盆地东部，东及东北 临大巴山，南及东南靠贵州高原，呈三面闭合态势。域内山地面积占5 9 8 ，丘陵3 0 2 ，平坝和台 地1 0 o 。主城区位于长江与嘉陵江汇流地，东西两侧系低山，丘陵河谷占7 6 ，低山2 4 ，是有名 的“山城”。重庆主导风为偏北风( n n e ) ，特殊的地形条件对风的影响十分突出，常年平均风速界于 o 9 2 1 m 6 s ，冬季平均风速约1 m 6 s ，夏季1 5 m 6 s 左右，低洼槽谷地区及盛行风的背面全年平均风速 在l m 6 s 以下，全年微静风频率大于5 0 。重庆地区大气稳定度主要以中性为主，全年频率为6 7 ， 冬季达7 5 。城区出现逆温的频率一般在6 0 - - 8 0 ，接地逆温频率在3 5 _ 4 0 之间，冬季逆温持续时 间平均达1 0 h ，甚至全天不散。逆温强度0 6 c 6 1 0 0 m ，混合层厚度5 0 0 - - - 6 0 0 m ，逆温层下极易成雾， 致使近地面污染物难以向外扩散。重庆市域地面流场以辐合型为主，局地城市风、山谷风明显。由 于能流物流高度集中的城市活动所释放的热量较多，造成主城温度比周围农村年平均气温高 o 5 1 5 ，形成城市风，造成的局部地区气象的异常和大气污染物浓度在城区的增加。此外，重庆 地区峰谷相间，盆地丘陵交错，山谷风较为显著，白天与夜间山风、谷风交替，使大气污染物在区 内起伏宕荡，难以向外扩散，加剧了重庆酸雨污染的程度【5 3 1 ( 3 ) 汽车尾气成为人造酸雨的新来源 在发动机内，活塞频繁打出火花，如同天空中的闪电，将n 2 氧化成n o x 。近年来，重庆市汽车、 摩托车数量猛增，其尾气对酸雨的“贡献”率正在增加，成为酸雨形成的新特征类型。 2 1 3 重庆酸雨生态危害的研究状况及不足 重庆市环境科学研究院，西南师范大学生命科学院的孟小星，姜文华，张卫东根据东亚酸雨监 测网土壤、植被监测技术规范的方法，研究了酸沉降对森林生态系统土壤、地表水以及植被的影响 和危害。把重庆近郊的南山、缙云山和远郊四面山设为采样点，测定植物、土壤和地表水的一些特 征参数，分析了在不同污染水平下这些参数间的差异与酸性污染的可能关系，为酸沉降影响下森林 生态系统土壤、植被的研究提供了基础科学资料。 由于酸雨对重庆南山的危害表现明显，西南师范大学生命科学院和重庆市环境科学研究院的姜 文华，张晟，陈刚才，熊好琴，丁易，李旭光对南山监测点的土壤分层进行了分析，并对相对区域 的植被进行了取样化验。研究原理主要是根据东亚酸雨监测网土壤和植被监测技术规范方法。 重庆市环境科学研究所对重庆的能源利用与大气污染进行了长期的监测，对分析重庆能源结构 的发展变化提供了基础数据。 综合重庆各科研机构对酸雨的研究成果以及研究趋势，有以下两个特点： ( 1 ) 由于重庆酸雨研究在全国范围内的时间比较早，其较为充足的数据资源，所以各科研机构偏 1 0 两南大学硕十学何论文第2 章绪论 重与对重庆酸雨的纵向数据分析。用重庆前1 0 年，2 0 年的数据作为研究基础进行趋势化预测和报告。 ( 2 ) 由于技术限制，各科研机构的数据来源一般取于监测网站的常年监测和区域取样。以点及面 的概括重庆整个区域的酸雨发生发展危害的趋势。 2 1 4 重庆酸雨研究的建议 从以上两个特点可以看到，我们的研究尚缺乏两个较大的不确定因素： 动态性变化预测 由于我们的研究数据是基于往年的数据监测，而其监测的准确性和及时性有待考证。而当前经 济和产业结构的快速变化，对酸雨的研究就有了准备性和及时性的要求。这就需要进行动态检测和 动态模拟，而这是重庆酸雨研究盼一大空白。 以点及面的互补监测 由于我们的监测数据来源往往是基于各研究站点进行取样得到。这样的优势是可以得到一定时 期一定范围内的准确反映。但是以点代面的研究趋势预测毕竟带有不可控性。运用相关数据进行研 究的结果也就带有一定的片面性和象征性。 美国俄勒冈州立大学的江洪教授，在重庆酸雨研究上提出了以点及面的互补监测方法。利用当 前的遥感和地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 以及计算机数据模拟处理系统进 行对酸雨的空间监测和地面监测的结合。虽然这项研究还处于和传统的定点监测默和取证阶段，但 其相关的研究成果让我们看到了重庆酸雨研究新的曙光。 两南大学硕十学位论文第3 章研究方案 曼曼曼鼍i i i 一一 i i i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇暑皇曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼量! 曼曼皇曼量 第3 章研究方案 3 1 研究目的及意义 本此实验是为结合遥感n d v 植被覆盖指数监测酸雨对植被影响的手段提供实验数据源而设计 的实验子系统于遥感影象与植被归一化覆盖指数n d v i 在宏观性和动态性上具有很大的监测优势， 利用这个方法监测酸雨对植被的危害情况是酸雨研究的一个新途径。但是我们同样可以看到，高光 谱在宏观尺度上的优势并没有多少微观实验数据的支撑，难以充分发挥其特长优势。所以我们要在 真正意义上把遥感监测运用到酸雨检测研究中，第一步就是需要获取大量的微观光谱信息，对大量 样本进行采集处理并建立光谱数据模型库。进而才能结合空间技术复合成大尺度、动态感官的图片 信息供科研单位甚至民用单位使用。 本文就是以马尾松为实验样本，结合室内实验和野外实验，对不同酸雨梯度胁迫下的样本光谱 反射情况进行采样、记录并分析。在室内实验中，我们力求得到不同酸雨梯度的样本生理光谱特征 反映，以求在横向研究方面得到样本特征数据；在野外实验中，我们力求得到在不同酸雨梯度下不 同生理年限上的样本生理光谱特征反映，以求在纵向研究方面得到样本特征数据。如果经统计检验， 野外酸雨梯度与室内酸雨梯度具有较强相关性趋势我们可以利用采集到的数据进一步建立关于马 尾松的光谱曲线模型，从而得到为遥感n d v 数据结合的数据源。 3 2 研究方案设计 实验方案主要分为室内实验及野外实验两发实验体系。室内实验主要在浙江林业大学的实验大 棚内进行，分别对5 个酸雨梯度的马尾松样本进行光谱曲线及叶绿素值的测定。对收集到的2 5 0 ( 条 光谱曲线及叶绿素值进行分类、均差处理，分别得到不同酸雨梯度胁迫下马尾松的特征光谱曲线及 叶绿素差异值。野外实验主要选择在重庆江北区的铁山坪及重庆石柱县的黄水，主要由于铁山坪平 均酸雨p h 值为4 5 及石柱平均酸雨p h 值为5 0 可以构成两个酸雨梯度下的马尾松生理生长样本。 我们分别收集到1 2 0 0 条光谱曲线和叶绿素值，并对其进行分类处理及均差处理，得到在不同酸雨梯 度胁迫下马尾松生长光谱曲线的差异性及叶绿素值的差异性。表明酸雨对马尾松的影响在光谱特征 值上能够有所反应。最后我们对室内实验及野外实验数据进行了对比分析，取室内实验与野外实验 酸雨胁迫梯度相关的两组数据与之匹配分析，在蓝边、蓝区、绿区、黄区、红光吸收谷、近红外及 可见光区8 个区域进行了相关性分析及主成分分析，希望能够在此基础上建立关于酸雨对马尾松胁 迫的光谱特征模型。 3 3 野外实验 3 3 1 研究地点选择 在重庆行政范围内，三峡库区自然生态圈影响下的具有酸雨胁迫代表性区域。我们选择重庆市主 城区铁山坪森林公园马尾松林及沿江而下的石柱县黄水森林公园马尾松林，其生态区域位置见图。 1 2 两南大学硕十学仲论文 第3 章研究方案 一 3 3 2 研究地点酸雨样本收集 2 0 0 5 年6 月开始，我们对重庆主城铁山坪( 以下简称c q ) 及石柱黄水( 以下简称s z ) 马尾松 酸雨测定林安置林冠及土壤酸雨收集瓶，每月测定其酸雨p h 值、主要离子成分及含量比。截止2 0 0 6 年n 月，我们共收集1 7 个月酸雨野外原始记录。记录显示，两地酸雨成分组成在s 0 4 2 - n 0 3 = 8 ：l 上下浮动，在对2 0 0 5 及2 0 0 7 年7 ，8 ，9 月酸雨成分记录数据做平均处理( 主要离子含量记录) ，结 果如下： ls 0 4 。n q c 1 n h + n a +k +m g z +i c a z + i l 7 7 81 0 7o 5 8 1 6 50 4 0o 0 20 0 6 【 2 3 6 i is 0 4 。n 0 3 f c 1 n h 4 + n a +k + m 矿i c 矿 l i 7 7 4 1 1 1 1 0 6 5 1 5 8 o 2 0 o 2 20 0 1 i 2 4 l i is 0 4 。 n 0 3 c 1 n h 4 + n a +k + m g z + c a ” l 7 7