水体悬浮物浓度对大型沉水植物黑藻反射光谱的影响

1材料与方法

1.1供试材料

供试黑藻为水鳖科多年生沉水草本，茎圆柱形，表面具有纵向细棱纹，质较脆。叶多以3～8枚轮生，叶片绿色，线形或长条形，长7～17mm、宽约1～1.8mm，常具紫红色或黑色小斑点,先端锐尖，边缘锯齿明显，无柄，具腋生小鳞片和明显主脉1条。黑藻广布于亚欧大陆热带至温带大陆地区，常见于水沟、沼泽、池塘、湖泊、水库和河道等静水或缓流水环境中，适宜水深为0.5～3.0m。其耐污性和适应性强、繁殖快。相对于同类沉水植物苦草(Vallisneriaspiralis)，黑藻具有较强的竞争优势，在上海地区分布广泛，而且对水体环境具有很好的指示作用。黑藻目前已被用于富营养化水体的生态修复和水产养殖饲料的种植。

1.2试验方法

试验在华东师范大学校园丽娃河边空旷地进行。将黑藻移栽到装满河泥的圆柱形托盘(d=60cm,h=10cm)中，放入装有自来水的试验圆桶(d底部=123cm,d上部=138cm,h=95cm,V=1200L)中培养备用。15天后，托盘中黑藻群落平均高度为30cm，盖度为70%，鲜质量为2kg左右。将1个试验圆桶中全部注入洁净自来水，通过绳索固定托盘,放入试验圆桶水体中，调整托盘中黑藻群落冠层顶端距水面为30cm，测定黑藻群落光谱反射率，作为试验的对照。然后通过注入不同体积已测悬浮物浓度(suspendedmatterconcen-tration,SMC)的丽娃河水，人工调控水体中的悬浮物浓度。各处理按照悬浮物浓度顺序依次为SMC1、SMC2、SMC3、SMC4、SMC5和SMC6，其中SMC1为对照,不加含有悬浮物的丽娃河水。实验中实测的水体悬浮物浓度分别为2.0、26.7、34.7、42.0、54.0和72.0mg·L-1。

1.3光谱测定

使用便携式地物光谱仪，测定不同悬浮物浓度水体中沉水植物的光谱反射率。光谱仪的波段覆盖350～2500nm，其光谱分辨率在700nm为3nm，1400nm和2100nm为30nm，采样间隔在350～1000nm内为1.4nm，1000～2500nm内为2nm。传感器探头全视场角(FOV)为25°。测定沉水植物光谱反射率前，用黑色棉布贴在试验圆桶的底部和周壁，以消除试验圆桶底部和周壁对光的反射和吸收。在天空晴朗，气温14℃～25℃，阳光几乎直射的条件下，测定不同悬浮物浓度条件下的黑藻群落光谱反射率。测定时，将探头垂直置于水面1m之上进行光谱采集，每次测定10个光谱数据.每次测定前，使用白板(反射率为98%)作为漫反射参考板进行优化，并将光谱数据转化为反射率。

1.4悬浮物浓度测定

水体中悬浮物浓度的测定采用过滤重量法，滤膜直径47mm、孔径0.45μm。40℃条件下烘干过滤前后的滤膜至恒量，差量法计算悬浮物的质量，根据过滤水样的体积折算出水体中悬浮物浓度。

1.5数据分析

由于沉水植物反射光谱在< 400nm和>900nm所受干扰较大，本研究选择400～900nm波段范围的光谱数据，进行水体中不同悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率的相关分析。根据相关分析结果和4个波段范围(蓝光波段：430～470nm；绿光波段：500～560nm；红光波段：620～760nm；近红外波段:760～900nm，应用便携式地物光谱仪携带的光谱处理软件，对所测反射光谱进行截取与计算。通过计算黑藻群落在不同悬浮物浓度条件下的光谱反射率与在对照水体中光谱反射率的差值，分别得到水体中不同悬浮物浓度在4个波段的光谱反射率，并进一步对水体中不同悬浮物浓度与其在4个波段相应的光谱反射率进行回归分析。

2结果与分析

2.1不同悬浮物浓度条件下的黑藻反射光谱特征

从图1可以看出,在不同悬浮物浓度条件下,黑藻群落的反射率随着水体中悬浮物浓度的增加而上升.黑藻群落的光谱反射曲线显示,黑藻群落在蓝光波段和红光波段有较强的吸收,形成了两个吸收谷。

图1水体中不同悬浮物浓度条件下黑藻群落的光谱特征

在绿光波段则形成了明显的反射峰。与典型陆生植被的反射光谱曲线相比,沉水植物黑藻群落在近红外波段的光谱反射率比在可见光波段光谱反射率要低,没有形成类似陆生植被在近红外波段的反射高原区,而是在近红外波段演变为两个反射峰,分别位于712nm和815nm附近。

2.2水体中悬浮物浓度和悬浮物光谱反射率的回归分析

对水体中不同悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率的相关分析表明，在400～900nm范围内，两者之间均为显著相关(P< 0.05)，而在>450nm的波段，两者之间均为极显著相关(P< 0.01)；在450～ 700nm可见光波段的相关性最好，其中在672nm处的相关系数最大，为r= 0.980(P< 0.01)(图2)。因此，根据水体中悬浮物浓度对黑藻群落光谱反射率的影响，在蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段，截取并计算得到不同悬浮物浓度的光谱反射率，进一步对水体中不同悬浮物浓度与其在这4个波段相应的光谱反射率进行回归分析。结果表明，水体中不同悬浮物浓度与其在蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段相应的光谱反射率均可用线性关系来描述，其决定系数(R 2)分别为0.7397、0.9339、0.939和0.9217(图3)。

2.3水体中悬浮物浓度对黑藻群落反射光谱影响的修正

在蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段水体中，由于悬浮物浓度与其相应的光谱反射率之间均能建立较好的线性关系，因此可以利用这4个波段所建立的线性方程对水体中悬浮物浓度对黑藻群落的反射光谱影响进行修正。

图2水体中不同悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率的相关系数

图3水体中不同悬浮物浓度与反射光谱之间的回归分析

在实际测量中得到的黑藻群落光谱反射率包括了黑藻群落自身的光谱反射率和水体中悬浮物的光谱反射率两部分。因此可以利用上述水体中不同悬浮物浓度与其相应的光谱反射率的回归方程,分别修正水体中悬浮物浓度对黑藻群落反射光谱的影响。

yB=ym-(0.0004x-0.0056)(1)

yG=ym-(0.0009x-0.0119)(2)

yR=ym-(0.001x-0.0188)(3)

yNIR=ym-(0.001x-0.0259)(4)

式中：yB、yG、yR和yNIR分别为在蓝光、绿光、红光和近红外波段，修正后的水体中悬浮物对黑藻群落影响后的光谱反射率；ym为不同悬浮物浓度条件下黑藻群落在4个波段的实测光谱反射率；x为水体中悬浮物浓度。

3 讨论

3.1不同悬浮物浓度条件下的黑藻群落光谱特征

在可见光波段，与陆生植被的反射光谱特征相比，沉水植物黑藻群落在不同悬浮物浓度水体中的反射光谱具有与陆生植被反射光谱类似的光谱特征。其主要表现：在蓝光波段和红光波段，前者由于植物色素和水体黄色物质的吸收，后者由于叶绿素a较强的吸收，分别形成了一个吸收谷；在绿光波段，由于沉水植物光合色素弱吸收和水体中悬浮物质散射的共同作用形成了明显的绿峰现象。而在近红外波段，由于水体中悬浮物质可能吸附在叶片表面，改变了植物的结构，从而降低了黑藻群落在近红外波段的光谱反射率。黑藻群落在近红外波段的光谱反射率要低于可见光波段的反射率，没有表现出陆生植被反射光谱典型的近红外高原区这一独有的特征。在红光波段和近红外波段，由于水体本身和水体中悬浮物等物质对光的吸收和反射等作用，出现了双峰的现象。其中，在700nm附近的反射峰是由于水体和叶绿素a的吸收系数之和在该处为最小所形成的，而在800nm附近的反射峰则是由水体中悬浮物等物质对光的反射所引起的。

3.2不同悬浮物浓度对黑藻群落反射光谱的影响

专家学者在分析厦门近海岸悬浮物污染状况的研究中，利用红光波段与悬浮物浓度之间的线性关系，发现随着水体中悬浮物浓度的增加，水体的光谱反射率也会增大本。研究结果表明，随着水体中悬浮物浓度的增加，黑藻群落的光谱反射率也呈现相应的增加，在400～900nm范围内所有的波段都为显著相关(P< 0.05)，其中在>450nm的波段均为极显著相关(P< 0.01)，说明水体悬浮物对黑藻群落光谱反射率的影响是多波段的。但水体中悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率的相关系数在450～700nm之间要比其他波段高。因此在可见光波段，水体中悬浮物浓度对黑藻群落光谱反射率的影响要大于其它波段。水体中不同悬浮物浓度与其在蓝光、绿光、红光和近红外各波段相应的光谱反射率之间的回归分析表明，各波段均能建立较好的线性关系，因此可利用各波段所建立的回归方程修正水体中不同悬浮物浓度对沉水植物反射光谱的影响。

3.3不同悬浮物浓度对沉水植物反射光谱影响的修正

水体悬浮物浓度是影响沉水植物光谱特征和遥感监测的重要水环境因子之一。某学者利用便携式光谱辐射计的实测光谱数据，模拟建立了水体光谱反射率的分析模型，较准确地估算了水体的悬浮物浓度。利用地物光谱仪在巢湖进行了光谱测量和同步水质采样分析，发现利用单波段反射率建立回归方程可以估算内陆水体中的悬浮物浓度。上述研究探讨了水体悬浮物浓度与其对应的光谱反射率之间的定量关系，并较准确地估算了水体中悬浮物浓度。因此，利用遥感技术大尺度实时监测沉水植物的分布及动态，需要修正水体中悬浮物浓度对沉水植物反射光谱特征的影响，研究二者之间的定量关系。本研究通过实验分析了不同悬浮物浓度对黑藻群落反射光谱特征的影响，分别在蓝光、绿光、红光和近红外4个波段建立了水体中不同悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率之间的定量关系，从而可以修正水体中不同悬浮物浓度对沉水植物反射光谱的影响。在实际应用中,可利用地物光谱仪测定沉水植物盖度或生物量与其光谱特征的关系以及对富含悬浮物水体中沉水植物的反射光谱进行修正，消除水体中悬浮物对沉水植物反射光谱的影响。再结合遥感影像的解译、分析和反演,进而进行大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态变化。当然，在野外实际应用中，沉水植物的光谱特征往往还受到水体其他理化特性如水体深度、底质、叶绿素浓度等的影响,因此这些因素对沉水植物反射光谱所产生的影响还有待于进一步的研究。

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审核编辑：符乾江