1.引言

草原火作为草原生态系统的重要干扰因子之一，在春秋季或干季频繁发生。枯草量及其空间分布对草原火发生的频率、过火面积、火强度等具有决定性作用。定量研究枯草可燃物量是进行草原火研究的必要条件之一。传统估算枯草可燃物量的方法是进行野外路线调查。随着遥感技术的发展，NDVI、LAI等指数被广泛用于植被生物量研究。但是，由于枯草（无叶绿素）在近红外、可见光部分的反射特征与绿色植被的差异大，与土壤的反射特征相似，导致这些方法不能直接用于枯草生物量反演。一些研究应用生长季生物量按枯草期时间依比例推算枯草生物量。这种方法无法解决因刈割、放牧等人为活动引起的生物量的变化。枯落植被和土壤在1400和1900nm的短波红外区域内具有相似的吸收特征。枯落植被在2100nm处由于纤维素、半纤维素和木质素的存在有显著的吸收特征。因此，研究开发基于纤维素、木质素光谱特性的光谱指数可能将枯落植被从土壤中分离出来，并能应用于枯落植被可燃物量空间分布的动态反演与监测。

2.研究区和实验方法

研究区位于东北松辽平原西部半干旱、半湿润温带草原区。采样地点位于吉林省西部长岭县 （东经123度45分，北纬44度45分）。采集当地优势植被，具体类型为羊草、虎尾草、朝鲜碱茅、芦苇、五脉山黎豆、兴安胡枝子、扁蓄豆。土壤样品为地带性黑钙土。所有的枯草样品在70 ^oC烘干，储存在室温下，直到光谱测量。土壤样品在70 ^oC烘干，研磨，过2mm的筛子，储存。设置样品托盘为黑色，长50cm、宽30cm、深4cm。其内放置土壤样品，并用直尺刮平，进行土壤光谱测量。在进行枯草与土壤混合光谱测量时，在样品托盘中放置3cm厚土壤，其上覆盖不同密度的枯草样品，要均匀放置。设置全覆盖状态下羊草、芦苇、朝鲜碱茅、五脉山黎豆、兴安胡枝子和扁蓄豆样品的枯草覆盖密度为480g/m²，密度梯度依次减少20%，直至0g/m²（裸土）。光谱测试采用美国分析光谱仪器公司（analytical spectral devices，ASD）生产的FieldSpec 3便携式光谱仪（波谱范围为350-2500nm）。光谱测量在室内进行，光纤与室内光源均放置于三脚架上固定，光源是功率为1000W的卤素灯，距托盘样品表面50cm，天顶角45°；采用25°视场角的传感器探头置于样本表面20cm的垂直上方。每个样品在测试时按照90°间隔旋转4次，以减小样品排列方式对测量结果产生的影响，每个方向测量五次，即每个样品获取20条反射率测量记录。

3.结果分析

土壤和7种枯草样品的平均反射光谱曲线如图1所示。与绿色植被相比，土壤和枯草光谱在可见光和近红外部分均缺少特征峰，光谱曲线特征非常相似，虽然枯草光谱曲线的倾斜角度比土壤的稍大一点，但是在这个波段范围内很难对二者进行区分。各个草类之间的光谱特征也同样没有显著差异。在短波红外波段，土壤和枯草波谱曲线的显著特征是在1400和1900nm处的水吸收带以及1650nm处的反射峰。土壤样品在2200nm处由于的矿质元素的作用产生的吸收峰在枯草样品中不显著。而2100nm处由纤维素和木质素引起的宽吸收带在枯草光谱曲线中非常显著，在土壤光谱曲线中不存在。枯草光谱曲线特征产生的原因主要是在可见光部分由于缺失绿色使反射率增加，近红外波段则是由于细胞间隙的增加使反射率增强，短波红外部分是由于水分的缺失而使反射率增强。枯草（扁蓄豆，其它略）在不同覆盖密度下的反射光谱特征。从样品光谱曲线中可以看到，随着枯草覆盖密度的增加，光谱反射率增强，而2100nm处的吸收特征（相对深度）相应增强。

图1：枯草和土壤的平均光谱反射特征曲线

枯草在不同覆盖密度下的反射光谱特征如图2所示。从样品光谱曲线中可以看到，随着枯草覆盖密度的增加，光谱反射率增强，而2100nm处的吸收特征（相对深度）相应增强。

图2：不同覆盖密度枯草（扁蓄豆，其它略）和土壤的平均反射光谱曲线

MODIS的7波段反映了枯草在2100nm处的吸收特征，MODIS的6波段是光谱曲线中的稳定的反射峰，因此构造基于MODIS影像的枯草植被指数能将枯草光谱特征从土壤光谱中区分出来，即通过该指数可以进行枯草生物量的反演、监测。枯草可燃物指数如下：

DGFI=(B6-B7)/(B6+B7)

将不同覆盖度的7种枯草光谱测量结果对应的B6、B7波段带入枯草可燃物指数模型，并与对应的枯草量进行回归分析。结果显示，无论是线性还是非线性回归的R²均大于0.825，相关性显著（表1）。

表1：枯草可燃物指数与不同种类枯草生物量的回归方程

基于研究区的MODIS影像，应用枯草可燃物指数模型进行枯草生物量反演，将可燃物量分为5级，枯草可燃物量从低到高所占比例依次为3.53%、26.00%、37.83%、24.86%和7.78%。通过与野外调查数据进行验证，估算的不同级别可燃物量与实际调查可燃物量在一个标准差范围内的的比例依次为66.67%、75.81%、84.71%、81.35%和72.73%，整体平均精度为79.42%。

图3：枯草可燃物量空间分布（松辽平原西部）

4.结论

本研究依据纤维素、木质素的在2100nm处的吸收特征，应用MODIS的6、7波段对应的光谱反射率构建的枯草可燃物指数与枯草量呈显著的正相关（非线性回归比线性回归的相关性更大）。应用本研究方法可以改进现有的草地枯落可燃物量的野外调查方法，提高了草地可燃物量估算的时效性，同时也为精确地进行枯落植被生物量等研究提供技术与理论支撑。

在今后的研究与实际应用中，需要引入枯落物分解时间、不同湿度梯度等信息并且结合野外实验，构建更加精确的枯草植被指数模型，提高枯草可燃物量和湿度的监测与反演精度。

文章链接：http://www.publish.csiro.au/wf/Fulltext/WF13149