光譜成像技術應用于沙漠及生物土壤結皮研究

    生物結皮又稱生物土壤結皮（Biological soil crusts，BSCs），由藍細菌、藻類、苔蘚、地衣和真菌等及其菌絲、分泌物與土壤砂礫粘結形成的復合物，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。光譜成像技術具有快速、高效、無損傷、高通量等優(yōu)點，廣泛應用于生物結皮的研究。

案例一：利用Specim高光譜成像研究生物結皮與石英含量關系

    以色列特拉維夫大學遙感實驗室的研究人員利用Aisaowl長波紅外高光譜對以色列-埃及邊境附近Nitzana區(qū)域BSCs覆蓋的沙丘表面石英含量進行測量，研究表面石英含量與BSCs發(fā)育成熟度的關系。實驗對不同發(fā)育程度的BSCs、以及裸沙和沙漠盆地進行高光譜成像，同時采集表土樣品進行實驗室測量進行對比。

    左圖為Aisaowl長波紅外高光譜，右圖為研究區(qū)域不同采樣點，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）實驗室沙丘表觀光譜圖，（B）實驗室石英光譜圖；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，并與實驗室測量良好匹配（R² = 0.88）。

    上圖為4種不同樣品的光譜圖。最高的為沙漠盆地，其次是北向的BSC，南向的BSC，以及最低的裸沙。石英特征與BSCs表面覆蓋有關：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，對石英的覆蓋程度較低，表面石英含量較高；裸沙在石英區(qū)的光譜最低，表現(xiàn)出非常強的石英特征。

案例二：利用FluorCam葉綠素熒光成像與多光譜BNDVI圖像研究生物結皮光合作用

    德國研究人員利用FluorCam葉綠素熒光成像與多光譜BNDVI圖像研究以苔蘚和地衣為主的生物土壤結皮光合作用熱點的空間格局。實驗選擇5個生物結皮樣品，代表5種不同比例的苔蘚，地衣的生物結皮類型。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的表面完全被地衣覆蓋。

    下表為5種不同生物結皮的多光譜BNDVI和葉綠素熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv/Fm數(shù)據(jù)。

    圖為5種不同生物結皮的多光譜BNDVI和葉綠素熒光成像CFI的匹配圖，（A）RGB圖像；（B）BNDVI圖像（藍色）；（C）Fo和Fm圖像（紅色）；（D）BNDVI和葉綠素熒光的重疊區(qū)域；（E）BNDVI和葉綠素熒光（綠色）的相互區(qū)域。“Low”表示低葉綠素熒光的標記區(qū)域Fo在25至35的范圍內和Fm在25至60范圍內的色調值。“High”表示高葉綠素熒光的標記區(qū)域Fo在35至255范圍內和Fm在60至255范圍內的色調值。

    BC-M和BC-L具有相似的BNDVI值，但是BNDVI的成像圖和BNDVI與葉綠素熒光的重疊區(qū)域顯示，與地衣相比，苔蘚的BNDVI更高。這與地衣的分層結構有關。同時，地衣覆蓋層減少葉綠素對光的吸收。苔蘚主導的生物結皮的BNDVI具有高覆蓋率，高于苔蘚地衣主導的生物結皮。即使是較高量的發(fā)育完全的地衣也沒有顯著的BNDVI。雖然一些地衣在高Fm范圍內表現(xiàn)出光合作用，但是苔蘚的光合作用性能可以持續(xù)提高。

    光合作用的熱點以高BNDVI和高葉綠素熒光為特征，反映了高光合作用。對于所有生物結皮，BNDVI和Fv/Fm幾乎處于相似的范圍，與空間格局分布關系不是很大。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，苔蘚代表了整個生物結皮的光合作用的熱點。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僅代表生物結皮的一小部分。

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