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光谱成像技术应用于沙漠及生物土壤结皮研究

光谱成像技术应用于沙漠及生物土壤结皮研究


生物结皮又称生物土壤结皮(Biological soil crusts,BSCs),由蓝细菌、藻类、苔藓、地衣和真菌等及其菌丝、分泌物与土壤砂砾粘结形成的复合物,是沙漠生态系统的重要组成部分,维持着沙漠生物循环和生态系统的健康和可持续发展。光谱成像技术具有快速、高效、无损伤、高通量等优点,广泛应用于生物结皮的研究。

案例一:利用Specim高光谱成像研究生物结皮与石英含量关系

以色列特拉维夫大学遥感实验室的研究人员利用Aisaowl长波红外高光谱对以色列-埃及边境附近Nitzana区域BSCs覆盖的沙丘表面石英含量进行测量,研究表面石英含量与BSCs发育成熟度的关系。实验对不同发育程度的BSCs、以及裸沙和沙漠盆地进行高光谱成像,同时采集表土样品进行实验室测量进行对比。

图片1

左图为Aisaowl长波红外高光谱,右图为研究区域不同采样点,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。

上图(A)实验室沙丘表观光谱图,(B)实验室石英光谱图;下左图为沙丘的昼夜光谱图,下右图为地面和机载石英光谱特征曲线的比较。高光谱Aisaowl LWIR图像能够绘制表面石英含量,并与实验室测量良好匹配(R2 = 0.88)。

上图为4种不同样品的光谱图。最高的为沙漠盆地,其次是北向的BSC,南向的BSC,以及最低的裸沙。石英特征与BSCs表面覆盖有关:北向发育良好成熟的BSC具有较高的光谱特征,表面石英含量较低;南向BSC较不发达,对石英的覆盖程度较低,表面石英含量较高;裸沙在石英区的光谱最低,表现出最强的石英特征。

案例二:利用FluorCam叶绿素荧光成像与多光谱BNDVI图像研究生物结皮光合作用

德国研究人员利用FluorCam叶绿素荧光成像与多光谱BNDVI图像研究以苔藓和地衣为主的生物土壤结皮光合作用热点的空间格局。实验选择5个生物结皮样品,代表5种不同比例的苔藓,地衣的生物结皮类型。样品BC-M和BC-SM以苔藓为主,BC-M的苔藓覆盖率高达近90%,BC-SM的表面覆盖率为60%;BC-LM和BC-ML含有苔藓和地衣,表面覆盖率均接近95%;BC-L的表面完全被地衣覆盖。

下表为5种不同生物结皮的多光谱BNDVI和叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv/Fm数据。

图为5种不同生物结皮的多光谱BNDVI和叶绿素荧光成像CFI的匹配图,(A)RGB图像;(B)BNDVI图像(蓝色);(C)Fo和Fm图像(红色);(D)BNDVI和叶绿素荧光的重叠区域;(E)BNDVI和叶绿素荧光(绿色)的相互区域。“Low”表示低叶绿素荧光的标记区域Fo在25至35的范围内和Fm在25至60范围内的色调值。“High”表示高叶绿素荧光的标记区域Fo在35至255范围内和Fm在60至255范围内的色调值。

BC-M和BC-L具有相似的BNDVI值,但是BNDVI的成像图和BNDVI与叶绿素荧光的重叠区域显示,与地衣相比,苔藓的BNDVI更高。这与地衣的分层结构有关。同时,地衣覆盖层减少叶绿素对光的吸收。苔藓主导的生物结皮的BNDVI具有高覆盖率,高于苔藓地衣主导的生物结皮。即使是较高量的发育完全的地衣也没有显著的BNDVI。虽然一些地衣在高Fm范围内表现出光合作用,但是苔藓的光合作用性能可以持续提高。

光合作用的热点以高BNDVI和高叶绿素荧光为特征,反映了高光合作用。对于所有生物结皮,BNDVI和Fv/Fm几乎处于相似的范围,与空间格局分布关系不是很大。然而,与地衣相比,BNDVI成像显示苔藓的叶绿素含量更高。此外,BNDVI图像与CFI匹配表明苔藓的光合作用较高。因此,苔藓代表了整个生物结皮的光合作用的热点。然而,与光合作用活性低的区域相比,这些光合作用的热点仅代表生物结皮的一小部分。

 

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