光譜成像技術(shù)應(yīng)用于沙漠及生物土壤結(jié)皮研究

    生物結(jié)皮又稱生物土壤結(jié)皮（Biological soil crusts，BSCs），由藍(lán)細(xì)菌、藻類、苔蘚、地衣和真菌等及其菌絲、分泌物與土壤砂礫粘結(jié)形成的復(fù)合物，是沙漠生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，維持著沙漠生物循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。光譜成像技術(shù)具有快速、、無損傷、高通量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物結(jié)皮的研究。

案例一：利用Specim高光譜成像研究生物結(jié)皮與石英含量關(guān)系

    以色列特拉維夫大學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用Aisaowl長波紅外高光譜對(duì)以色列-埃及邊境附近Nitzana區(qū)域BSCs覆蓋的沙丘表面石英含量進(jìn)行測(cè)量，研究表面石英含量與BSCs發(fā)育成熟度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同發(fā)育程度的BSCs、以及裸沙和沙漠盆地進(jìn)行高光譜成像，同時(shí)采集表土樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。

    左圖為Aisaowl長波紅外高光譜，右圖為研究區(qū)域不同采樣點(diǎn)，S代表裸沙，DF-N代表北向的斜坡，DF-S代表南向的斜坡，DF-P代表沙漠盆地。

    上圖（A）實(shí)驗(yàn)室沙丘表觀光譜圖，（B）實(shí)驗(yàn)室石英光譜圖；下左圖為沙丘的晝夜光譜圖，下右圖為地面和機(jī)載石英光譜特征曲線的比較。高光譜Aisaowl LWIR圖像能夠繪制表面石英含量，并與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量良好匹配（R² = 0.88）。

    上圖為4種不同樣品的光譜圖。高的為沙漠盆地，其次是北向的BSC，南向的BSC，以及低的裸沙。石英特征與BSCs表面覆蓋有關(guān)：北向發(fā)育良好成熟的BSC具有較高的光譜特征，表面石英含量較低；南向BSC較不發(fā)達(dá)，對(duì)石英的覆蓋程度較低，表面石英含量較高；裸沙在石英區(qū)的光譜低，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的石英特征。

案例二：利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衽c多光譜BNDVI圖像研究生物結(jié)皮光合作用

    德國研究人員利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衽c多光譜BNDVI圖像研究以苔蘚和地衣為主的生物土壤結(jié)皮光合作用熱點(diǎn)的空間格局。實(shí)驗(yàn)選擇5個(gè)生物結(jié)皮樣品，代表5種不同比例的苔蘚，地衣的生物結(jié)皮類型。樣品BC-M和BC-SM以苔蘚為主，BC-M的苔蘚覆蓋率高達(dá)近90％，BC-SM的表面覆蓋率為60％；BC-LM和BC-ML含有苔蘚和地衣，表面覆蓋率均接近95％；BC-L的表面*被地衣覆蓋。

    下表為5種不同生物結(jié)皮的多光譜BNDVI和葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fm、Fv/Fm數(shù)據(jù)。

    圖為5種不同生物結(jié)皮的多光譜BNDVI和葉綠素?zé)晒獬上馛FI的匹配圖，（A）RGB圖像；（B）BNDVI圖像（藍(lán)色）；（C）Fo和Fm圖像（紅色）；（D）BNDVI和葉綠素?zé)晒獾闹丿B區(qū)域；（E）BNDVI和葉綠素?zé)晒猓ňG色）的相互區(qū)域。“Low”表示低葉綠素?zé)晒獾臉?biāo)記區(qū)域Fo在25至35的范圍內(nèi)和Fm在25至60范圍內(nèi)的色調(diào)值。“High”表示高葉綠素?zé)晒獾臉?biāo)記區(qū)域Fo在35至255范圍內(nèi)和Fm在60至255范圍內(nèi)的色調(diào)值。

    BC-M和BC-L具有相似的BNDVI值，但是BNDVI的成像圖和BNDVI與葉綠素?zé)晒獾闹丿B區(qū)域顯示，與地衣相比，苔蘚的BNDVI更高。這與地衣的分層結(jié)構(gòu)有關(guān)。同時(shí)，地衣覆蓋層減少葉綠素對(duì)光的吸收。苔蘚主導(dǎo)的生物結(jié)皮的BNDVI具有高覆蓋率，高于苔蘚地衣主導(dǎo)的生物結(jié)皮。即使是較高量的發(fā)育*的地衣也沒有顯著的BNDVI。雖然一些地衣在高Fm范圍內(nèi)表現(xiàn)出光合作用，但是苔蘚的光合作用性能可以持續(xù)提高。

    光合作用的熱點(diǎn)以高BNDVI和高葉綠素?zé)晒鉃樘卣?，反映了高光合作用。?duì)于所有生物結(jié)皮，BNDVI和Fv/Fm幾乎處于相似的范圍，與空間格局分布關(guān)系不是很大。然而，與地衣相比，BNDVI成像顯示苔蘚的葉綠素含量更高。此外，BNDVI圖像與CFI匹配表明苔蘚的光合作用較高。因此，苔蘚代表了整個(gè)生物結(jié)皮的光合作用的熱點(diǎn)。然而，與光合作用活性低的區(qū)域相比，這些光合作用的熱點(diǎn)僅代表生物結(jié)皮的一小部分。

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