趙鳳杰,王正浩,王慧萍,吳惠惠,劉航瑋,王廣君*,張澤華
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所植物病蟲(chóng)害國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100193;2.農(nóng)業(yè)部錫林郭勒草原有害生物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,內(nèi)蒙古 錫林浩特026000;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,昆蟲(chóng)生態(tài)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730070;4.內(nèi)蒙古太仆寺旗草原工作站,內(nèi)蒙古 太仆寺旗027000)
本研究通過(guò)短期內(nèi)草地高光譜遙感數(shù)據(jù)的變化,建立草地高光譜與短星翅蝗密度之間的關(guān)系模型,推測(cè)蝗災(zāi)的發(fā)生程度和短星翅蝗(Calliptamusabbreviatus)危害造成的羊草(Leymuschinensis)產(chǎn)量損失。研究結(jié)果為深入開(kāi)展草原蝗蟲(chóng)的遙感監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ),對(duì)于提升蝗災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)水平具有重要意義。使用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)昆蟲(chóng)對(duì)植物的危害在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有廣泛的研究,盡管時(shí)空范圍上植被信息的有限使得識(shí)別環(huán)境變化對(duì)動(dòng)物數(shù)量的直接和間接影響變得十分困難,但是歸一化植被指數(shù)(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index)在生態(tài)領(lǐng)域的大量迅速的應(yīng)用改變了這一情況[1]。Qiao等[2]使用地物波譜儀監(jiān)測(cè)了煙蚜對(duì)植物的危害,結(jié)果發(fā)現(xiàn),煙蚜的危害使煙(Nicotianatabacum)的光譜降低,尤其是近紅外部分會(huì)降低。吳彤等[3]及Ni和 Wu[4]使用高光譜數(shù)據(jù)建立了東亞飛蝗危害的蟲(chóng)害光譜指數(shù)(DSI),通過(guò)DSI反映蘆葦(Phragmitescommunis)受蝗蟲(chóng)危害的程度,并使用DSI對(duì)研究區(qū)域內(nèi)蝗蟲(chóng)的危害程度劃分為未危害、輕度危害和重度危害三級(jí)。盧輝等[5]在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟對(duì)亞洲小車(chē)蝗進(jìn)行了高光譜遙感監(jiān)測(cè),也建立了蟲(chóng)害光譜指數(shù)(DI),對(duì)危害程度劃分為輕度發(fā)生和嚴(yán)重發(fā)生2級(jí)。Ji等[6]對(duì)蝗蟲(chóng)暴發(fā)前后的 MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn)NDVI減少的區(qū)域可以成功的制圖并且劃分成輕、中、重三級(jí)危害級(jí)別,鑒定暴發(fā)前后的精度可以達(dá)到88.8%,其他人也證明NDVI和蝗蟲(chóng)的數(shù)量有良好的負(fù)相關(guān)性[7]。在羊草草地尚未有人研究光譜變化與蝗蟲(chóng)密度之間的關(guān)系,本研究使用高光譜數(shù)據(jù)按短星翅蝗的危害時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)了不同蝗蟲(chóng)密度對(duì)羊草草地的危害程度,并建立了定量關(guān)系模型。使用高光譜遙感實(shí)現(xiàn)對(duì)蝗蟲(chóng)危害程度的監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量損失分析。
研究區(qū)域位于農(nóng)業(yè)部錫林郭勒草原有害生物科學(xué)觀測(cè)站附近,該區(qū)域位于內(nèi)蒙古高原中部的典型草原栗鈣土亞區(qū),其地理位置:N 43°14′-44°49′,E 115°28′-116°30′,海拔800~1400m。屬于溫帶半干旱氣候,冬季受蒙古高壓氣流控制,寒冷干燥;夏季受季風(fēng)影響,較為溫暖濕潤(rùn)。年均氣溫0.5~1.0℃,無(wú)霜期約為100d,年均降水350mm,降水集中在6-9月,地帶性植被為大針茅(Stipagrandis)-羊草草原。
地物波譜儀,AvaSpec-2048×14-2,Avantes公司。技術(shù)參數(shù)為,探測(cè)器:薄型背照式CCD探測(cè)器,2048×14像素陣列;波長(zhǎng)范圍:200~1160nm;積分時(shí)間:2.24ms~10min;采樣速度:2.24ms/每次采樣;波長(zhǎng)精度:±0.1 nm;光譜采樣間隔:0.5nm;光譜分辨率:2.4nm;外形尺寸及重量:175mm×110mm×44mm,720g;工作溫度:0~55℃。
選擇生長(zhǎng)狀況良好且一致的禁牧區(qū)羊草草地200m2,拔除雜草,將蓋度處理到50%左右,羊草平均高度為40cm,在上面建規(guī)格是1m×1m×1m的籠罩30個(gè),籠罩共3排,每排10個(gè),籠罩的間距為1m左右。籠罩共分為6組,即1個(gè)對(duì)照組和5個(gè)處理組,5個(gè)處理分別放入5,10,20,40和60頭/m2密度的短星翅蝗,對(duì)照組不放入蝗蟲(chóng),每個(gè)對(duì)照和處理都有5個(gè)重復(fù)。每天檢查籠罩的完整度和籠罩內(nèi)短星翅蝗數(shù)量,及時(shí)補(bǔ)充死亡和缺失蝗蟲(chóng),使其保持在設(shè)定的密度。在放入蝗蟲(chóng)后的當(dāng)天中午以及第5,10,15和20天的中午依次采集30個(gè)籠罩內(nèi)羊草和蝗蟲(chóng)的混合光譜。
在籠罩中的短星翅蝗危害實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,使用對(duì)照組籠罩,在晴朗的中午采集籠罩內(nèi)羊草的反射光譜,然后依次放入20,40,60,80和100頭短星翅蝗,在每次放入短星翅蝗后立即采集草地的光譜,得到不同密度短星翅蝗與健康羊草的混合光譜,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后迅速將蝗蟲(chóng)取出。
依據(jù)禁牧區(qū)羊草+雜類(lèi)草型草地的生物量與高光譜NDVI的一次項(xiàng)線性相關(guān)模型y=614.15x-119.28(R=0.9992,P<0.0001)[8],得到NDVI變化量/校正變化量所對(duì)應(yīng)的生物量,獲得不同危害密度和危害時(shí)長(zhǎng)短星翅蝗危害造成的羊草產(chǎn)量損失。
光譜采集時(shí)間安排在2013年7-8月的10:30-14:30進(jìn)行,傳感器采用25°視場(chǎng)角探頭,置于冠層上方1.53 m處,與冠層面保持垂直;每一樣本重復(fù)測(cè)量10次,且每隔0.5h用參考板對(duì)儀器進(jìn)行一次校正[9]。每隔5d采集一次籠罩試驗(yàn)的高光譜數(shù)據(jù),使用光譜儀自帶數(shù)據(jù)處理軟件Viewer中的數(shù)據(jù)分析模塊(NDVI.mod),對(duì)反射光譜進(jìn)行分析。
歸一化差異植被指數(shù)NDVI,是植被光譜所特有的紅光吸收谷和近紅外反射峰肩部特征經(jīng)比值歸一化得到[10]。其計(jì)算公式如下[11]:其中,NDVI為歸一化植被指數(shù);ρRED為紅光波段的反射率;ρNIR為近紅外波段的反射率。
NDVI增量(ΔNDVI),即第5,10,15,20天時(shí)的實(shí)測(cè)值NDVI與最初未放入短星翅蝗(第1天)時(shí)測(cè)量的NDVI的差值。即:
其中,NDVI(nd)表示第n天時(shí)的實(shí)測(cè)NDVI值。
NDVI校正值(NDVIs),即處理組NDVI增量與對(duì)照組NDVI增量的差值。公式如下:
其中,NDVI處理初/終表示處理組最初/最終的 NDVI值,NDVI對(duì)照初/終表示對(duì)照組初/終的NDVI值。
未危害時(shí)蝗蟲(chóng)密度對(duì)高光譜植被指數(shù)的影響試驗(yàn)采用多重比較方法分析,不同危害時(shí)長(zhǎng)、不同齡期蝗蟲(chóng)密度和植被指數(shù)的關(guān)系試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單相關(guān)方法分析。
本文數(shù)據(jù)皆使用Origin 9.0和SAS 8.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。
研究結(jié)果表明,在羊草植被上(植被平均高度40 cm、平均目測(cè)蓋度40%)短星翅蝗密度低于60頭/m2時(shí),植被指數(shù)NDVI與對(duì)照組的沒(méi)有顯著性差異變化,但當(dāng)短星翅蝗密度達(dá)到80和100頭/m2時(shí),NDVI之間有顯著性差異,與空白對(duì)照差異顯著(P<0.05)。在使用高光譜遙感時(shí)可以對(duì)短星翅蝗的數(shù)量進(jìn)行粗略的評(píng)估,即不大于60,80和100頭/m2三類(lèi),NDVI值越小,短星翅蝗的密度越大(表1)。
表1 未危害時(shí)不同密度短星翅蝗在羊草上的植被指數(shù)NDVI方差分析Table 1 The ANOVA analysis of vegetation indices NDVI of different density C.abbreviates on healthy plants
無(wú)論是在短星翅蝗危害后的第5,10,15或20天采集數(shù)據(jù),NDVI值在蝗蟲(chóng)密度為10頭/m2時(shí)都有一個(gè)輕微的上升然后迅速降低,可能是超補(bǔ)償作用所致。在蝗蟲(chóng)密度為60頭/m2時(shí)NDVI最低,最低可達(dá)到原來(lái)的2/3(圖1)。低密度蝗蟲(chóng)(10,20頭/m2)危害對(duì)植被指數(shù)的影響效果不顯著,當(dāng)蝗蟲(chóng)密度達(dá)到40頭/m2或危害時(shí)長(zhǎng)不小于15d時(shí),NDVI值發(fā)生明顯下降。但出現(xiàn)明顯下降后的NDVI數(shù)值間差異不顯著。
圖1 危害不同時(shí)長(zhǎng)后植被指數(shù)NDVI和短星翅蝗危害密度的關(guān)系Fig.1 The relationship between NDVI and C.abbreviatus density under different damage period
表2 危害不同時(shí)長(zhǎng)后植被指數(shù)NDVI和短星翅蝗危害密度的擬合方程Table 2 The simulating equation of NDVI and C.abbreviatus density under different damage period
對(duì)NDVI與蝗蟲(chóng)密度之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表2,其中y為NDVI,x是蝗蟲(chóng)危害密度。結(jié)果表明,植被指數(shù)NDVI與蝗蟲(chóng)密度呈現(xiàn)出二次相關(guān)的關(guān)系,尤其在危害5,10d時(shí)曲線的彎曲程度更加明顯,5 d時(shí)的擬合方程也是最理想的(R>0.99,P<0.01)。
研究 NDVI校正值(NDVIs,the standard Normalized Difference Vegetation Index)和蝗蟲(chóng)密度的關(guān)系圖2,發(fā)現(xiàn)除第10天測(cè)量的5頭/m2蝗蟲(chóng)危害后NDVI校正值大于0,其他的均小于0,說(shuō)明隨蝗蟲(chóng)密度增加,對(duì)羊草的取食量增大,羊草損失增加,NDVI值迅速降低,NDVI值的變化量減少。在第10天時(shí)5頭/m2蝗蟲(chóng)的危害造成NDVI值升高,可能是由于低密度短星翅蝗危害,羊草草地產(chǎn)生了的超補(bǔ)償作用,使植被增長(zhǎng)量大于對(duì)照組植被增長(zhǎng)量,所以NDVI校正值為正。在蝗蟲(chóng)密度達(dá)到40頭/m2時(shí),不同危害時(shí)長(zhǎng)的NDVI之間表現(xiàn)出較大的差異性,蝗蟲(chóng)危害密度為40頭/m2時(shí)的NDVI最大值與低于此密度時(shí)的NDVI最大值差異不大,但蝗蟲(chóng)危害密度為60頭/m2的NDVI最大值遠(yuǎn)小于低于此密度時(shí)的NDVI,因此根據(jù)草地的NDVI可以將蝗蟲(chóng)的危害程度分為三級(jí):連續(xù)采集的光譜NDVI值之間的差異性不顯著的表明蝗蟲(chóng)危害密度小于40頭/m2,這是第一類(lèi),記為輕度發(fā)生;NDVI值差異性顯著而且NDVI最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一類(lèi),表明蝗蟲(chóng)密度大于40頭/m2,是第三類(lèi),記為重度發(fā)生;連續(xù)采集的光譜NDVI值之間有顯著性差異,但是最小的NDVI與第一類(lèi)中最大的沒(méi)有差異,是第二類(lèi),蝗蟲(chóng)密度大約為40頭/m2,記為中度發(fā)生(圖3)。
使用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)NDVI校正值和蝗蟲(chóng)的密度進(jìn)行方程擬合(表3)。結(jié)果表明,在蝗蟲(chóng)危害第20天時(shí),方程模擬效果最好。在一定的危害時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi),蝗蟲(chóng)對(duì)草地的危害造成羊草的損失量大于自身的生長(zhǎng)量,所以蝗蟲(chóng)的危害時(shí)間越長(zhǎng),損失量越大,不同蝗蟲(chóng)密度的羊草植被指數(shù)NDVI之間差異越明顯。
圖2 危害不同時(shí)長(zhǎng)后NDVIs校正值和短星翅蝗危害密度的關(guān)系Fig.2 The relationship between NDVIs(the standard Normalized Difference Vegetation Index)and C.abbreviatus density under different damage period
圖3 依據(jù)NDVI對(duì)蝗蟲(chóng)危害程度的劃分流程Fig.3 The divided flowchart of locusts damage situation based on NDVI
表3 危害不同時(shí)長(zhǎng)后NDVI校正值和短星翅蝗密度的反演方程結(jié)果Table 3 The simulating and analysis result of corrected NDVI and C.abbreviates density
通過(guò)分析蝗蟲(chóng)密度恒定情況下,植被光譜隨蝗蟲(chóng)危害時(shí)間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),草地在沒(méi)有受到蝗蟲(chóng)危害時(shí)從7月26日到7月31日,NDVI有較大的增長(zhǎng),從8月初到8月中旬草地的NDVI保持穩(wěn)定的增長(zhǎng),但變化不大。在蝗蟲(chóng)危害密度為5,10,15頭/m2時(shí),不同的時(shí)期NDVI值呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì),但基本保持在平均位置左右,當(dāng)蝗蟲(chóng)的密度為40,60頭/m2時(shí),NDVI隨著危害的時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),在達(dá)到一定的最低值后,保持平緩的變化(圖4)。
依據(jù)禁牧區(qū)羊草+雜類(lèi)草型草地的生物量與高光譜NDVI的一次項(xiàng)線性相關(guān)模型y=614.15x-119.28(R=0.9992,P<0.0001)[8],得到 NDVI校正變化量所對(duì)應(yīng)的生物量(表4),計(jì)算之間的相關(guān)性及模擬變化趨勢(shì)(圖5)。
結(jié)合圖表的結(jié)果可以看出,由于NDVI與草地生物量是線性相關(guān)的關(guān)系,因此生物量與蝗蟲(chóng)密度關(guān)系的變化趨勢(shì)和NDVI與蝗蟲(chóng)密度的關(guān)系變化趨勢(shì)一致。生物量在蝗蟲(chóng)密度為10頭/m2時(shí)都有一個(gè)輕微的上升然后迅速降低,可能是超補(bǔ)償作用所致。在蝗蟲(chóng)密度為60頭/m2并于第15天后測(cè)量的草地NDVI最低。低密度蝗蟲(chóng)(10,20頭/m2)危害對(duì)草地生物量的影響效果不顯著,當(dāng)蝗蟲(chóng)密度達(dá)到40頭/m2且危害時(shí)長(zhǎng)不小于10d時(shí),NDVI值發(fā)生明顯下降。但出現(xiàn)明顯下降后的生物量間差異不顯著。
蝗蟲(chóng)危害第10,15和20天時(shí),低密度蝗蟲(chóng)(10和20頭/m2)危害后的生物量下降比較平緩,蝗蟲(chóng)密度達(dá)到40和60頭/m2時(shí)草地的生物量迅速下降?;认x(chóng)危害密度為40和60頭/m2時(shí),第5天測(cè)量的生物量與之后的生物量值之間差異性顯著。因此可以推斷,草地的生物量變化和蝗蟲(chóng)的危害總量(危害時(shí)長(zhǎng)×危害密度)正相關(guān)?;认x(chóng)的密度越大,危害時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),生物量減少得越多。
圖4 草地被蝗蟲(chóng)危害不同時(shí)長(zhǎng)后的光譜變化趨勢(shì)Fig.4 The spectra trend of grass after been damaged by C.abbreviates of different period
圖5 蝗蟲(chóng)危害后草地生物量與蝗蟲(chóng)密度的關(guān)系趨勢(shì)Fig.5 The trend of relationship between grassland biomass and locust density
表4 根據(jù)NDVI值計(jì)算出的生物量理論值Table 4 The theory value of biomass calculated by NDVI g/m2
隨著遙感傳感器技術(shù)的日益精確和光譜識(shí)別技術(shù)的逐漸發(fā)展,高光譜遙感對(duì)蝗蟲(chóng)危害的監(jiān)測(cè)從最初的在光譜曲線上尋找特征區(qū)域和特征值來(lái)判別研究區(qū)是否發(fā)生蝗蟲(chóng)危害[12],到構(gòu)建蝗蟲(chóng)危害指數(shù)對(duì)蝗蟲(chóng)的暴發(fā)進(jìn)行半定量的危害,已經(jīng)逐漸進(jìn)入到定量監(jiān)測(cè)的階段。國(guó)外使用遙感在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究主要集中在對(duì)樹(shù)種的鑒別[13-15],植被的定植[16-17],植被生產(chǎn)力的監(jiān)測(cè)[18-22]以及干旱監(jiān)測(cè)[23-28]等研究區(qū)域,國(guó)內(nèi)遙感在草地上也被廣泛用來(lái)監(jiān)測(cè)草地的生產(chǎn)力、蓋度[29]、草地類(lèi)型的高光譜特征研究[30-31]等。本研究建立了蝗蟲(chóng)密度和NDVI的反演模型,結(jié)合了半定量與定量遙感的探索,不同于只是對(duì)危害程度進(jìn)行級(jí)別分類(lèi)的研究。
在進(jìn)行蝗蟲(chóng)監(jiān)測(cè)研究時(shí),大都是直接監(jiān)測(cè)蝗蟲(chóng)生境[32-37],而不考慮蝗蟲(chóng)本身光譜,一是蝗蟲(chóng)自身反射光譜不影響試驗(yàn)結(jié)果的精度,據(jù)本試驗(yàn)研究所得,在蝗蟲(chóng)密度不大于60頭/m2時(shí),它自身的光譜不會(huì)影響植被指數(shù)NDVI;二是即使是高光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù),它的分辨率也無(wú)法直接識(shí)別蝗蟲(chóng)的光譜特征。本試驗(yàn)的結(jié)果也證明了當(dāng)蝗蟲(chóng)的密度在一般發(fā)生范圍內(nèi)(蝗蟲(chóng)密度≤60頭/m2)時(shí),使用本試驗(yàn)的地物波譜儀從1.50m的高度進(jìn)行光譜采集,蝗蟲(chóng)本身的光譜對(duì)羊草的植被指數(shù)NDVI沒(méi)有顯著性影響。本研究中后兩個(gè)研究?jī)?nèi)容的蝗蟲(chóng)密度都不大于60頭/m2,因此試驗(yàn)得到的植被指數(shù)和相關(guān)模型的精度受蝗蟲(chóng)自身光譜的影響可以忽略。
植被的反射光譜和植物的葉綠素A、B含量有關(guān),在紅光波段葉綠素和反射光譜之間負(fù)相關(guān),而在近紅外波段是正相關(guān),而且比值植被指數(shù)(RVI)和葉綠素A是正相關(guān)的關(guān)系[38],因此根據(jù)NDVI的算法可以推測(cè)出NDVI和葉綠素的含量也是呈正相關(guān)的關(guān)系。并且還有大量的研究結(jié)果表明NDVI和生物量是正相關(guān)的關(guān)系[39-41],本研究也發(fā)現(xiàn),不論危害時(shí)長(zhǎng)的長(zhǎng)短,蝗蟲(chóng)的密度和NDVI都是線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系,因?yàn)榛认x(chóng)密度越大,對(duì)羊草造成的破壞也就越嚴(yán)重,因此生物量和葉綠素的含量都會(huì)降低,這種結(jié)果和前人所做的研究結(jié)果是一致的[41]。
本研究?jī)H探究了蝗蟲(chóng)取食危害后與植被生物量有關(guān)的植被指數(shù)NDVI的變化情況,尚未對(duì)蝗蟲(chóng)取食后對(duì)植被的生化參數(shù)進(jìn)行研究,因此,有必要對(duì)植物的生化參數(shù)也進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)探索。
短星翅蝗的密度在0~60頭/m2時(shí),蝗蟲(chóng)自身的反射光譜不會(huì)影響植被指數(shù)NDVI。在蝗蟲(chóng)危害草地第5,10,15,20天時(shí),蝗蟲(chóng)密度和植被指數(shù)NDVI之間表現(xiàn)為拋物線的關(guān)系,隨蝗蟲(chóng)密度的增大,NDVI值先升高后降低,而且相關(guān)性和顯著性也都比較理想,適合在實(shí)際大面積的草地監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。當(dāng)對(duì)蝗蟲(chóng)的危害進(jìn)行快速粗略的估算時(shí)也可以根據(jù)蝗蟲(chóng)危害后的NDVI值判斷蝗蟲(chóng)的發(fā)生程度屬于輕度發(fā)生、中度發(fā)生或重度發(fā)生。通過(guò)NDVI和生物量的關(guān)系進(jìn)一步推出的蝗蟲(chóng)危害密度與草地生物量之間也是拋物線的關(guān)系,因此在進(jìn)行蝗蟲(chóng)監(jiān)測(cè)時(shí),可以根據(jù)草地的NDVI值和蝗蟲(chóng)的危害時(shí)長(zhǎng),估算出蝗蟲(chóng)的危害情況,及時(shí)進(jìn)行防治,這對(duì)草地蝗蟲(chóng)監(jiān)測(cè)有非常實(shí)用的意義。
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