无人机在生物多样性遥感监测中的应用现状与展望

近十年, 无人机平台由于其灵活机动、成本低等优势在植被生态调查、资源环境监测、生物多样性保护等领域逐渐兴起。本文从生物多样性遥感监测应用角度首先介绍了无人机分类系统, 为具体工作开展过程中如何选择合适的载体和传感器提供了参考; 继而总结了不同类型无人机的适用性及其可搭载传感器的用途与区别。在此基础上, 针对无人机平台的高精度遥感信息具体应用案例, 就反映生物多样性变化并揭示其驱动机制方面的无人机遥感直接和间接指标的相关研究进展展开阐述。最后, 就目前无人机遥感技术在生物多样性监测领域的应用中存在的限制, 如软硬件结合匹配程度不够、部分设备过于昂贵、法律法规不完善、与传统生物多样性监测手段结合较弱等问题进行探讨。我们认为: 无人机遥感技术可以很好地弥补地面监测与航天、卫星遥感之间的尺度空缺, 更好地将监测点上的结果以准确、可靠的推绎方法扩展到区域尺度供决策分析使用。今后迫切需要进一步加大生物多样性近地面遥感监测项目建设的实施力度, 从整体上提高生物多样性热点区域应对变化的分析预警能力。     

基于红外增温的草地生态系统响应全球变暖的研究进展

为了更好地了解全球变暖对草地生态系统的影响机制, 该文介绍了红外加热技术的原理、增温效应及其优缺点, 重点从植物物候、光合生理、生长发育、群落结构和功能、土壤特性, 特别是植物群落地下过程方面, 系统综述了基于红外加热技术模拟气候变暖对草地生态系统影响的最新研究进展, 在此基础上探讨了未来草地生态系统响应全球变暖研究拟重视的研究领域。     

山西灵空山小蛇沟林下草本层植物群落梯度分析及环境解释

通过对山西灵空山小蛇沟集水区的林下草本层植物群落进行调查和多元分析——TWINSPAN分类、典范对应分析(CCA)与生境、生物因素变量分离, 探讨林分水平上草本层物种分布与环境因子之间的关系。结果如下: 1) TWINSPAN将26个调查样方划分为6种群落类型: 以辽东栎(Quercus wutaishanica)为主的辽东栎-油松(Pinus tabulaeformis)林型、辽东栎杂木林型、辽东栎林型、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林型、油松林和阔叶油松林型、油松-辽东栎均匀混交林型, 体现了该地区地带性植被类型为暖温带森林的特点。2)群落类型的划分与CCA的结果相吻合, 主要反映了CCA排序第一、二轴的环境梯度, CCA排序轴第一轴突出反映了林分类型与土壤养分梯度, 第二排序轴与坡度、坡位显著相关。Monte Carlo检验结果表明, 林分类型、土壤养分和坡度是影响小蛇沟集水区内林下草本物种分异的最主要的环境因子。3)生境因子与生物因子解释了物种格局变化的42.9%, 其中生境因子占31.8%, 生物因子占7.9%, 生境因子与生物因子交互作用解释部分占3.2%。良好的环境解释反映了调查取样和环境因子选取的合理性。对于50%以上未能被解释的变异部分, 可能归咎于未被选取的因子如干扰或者随机过程。4)在海拔梯度较小的山区, 坡向等小地形因子能较好地指示局部生境的小气候条件, 对林下植物的分布有较好的解释力。     

北京西北部山地两个垂直样带内主要植被类型的群落特征

样方数据是揭示植物群落物种组成和结构等群落特征的重要凭证,也是深入研究植物群落动态变化规律和植被志等植被专著编研的重要基础数据.前人对北京山地植物群落的研究工作多停留在文字描述阶段,缺乏附配翔实样方数据的凭证描述(任宪威等,1991;崔国发等,2000).仅有文字描述的文献限制了植物群落学研究成果在植被专著编研和群落动态研究中的应用.北京市喇叭沟门自然保护区和松山自然保护区是北京市自然植被保护最完好和生物多样性最丰富的两个地区,具有重要的生态屏障作用.量化描述这两个保护区内主要植物群落的组成和结构特征,对揭示北京乃至华北地区的植被特征、服务于生物多样性保育与管理等具有重要意义.我们在这两个自然保护区内设置了两条垂直样带,调查了样带中的主要植被类型,以样方数据为凭证,描述了主要植被类型的群落特征,为该地区植被研究提供基础数据.     

内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算

以内蒙古锡林郭勒盟典型草原围封和放牧对照的实测数据为基础,比较了不同植物群落类型的碳储量和固碳量,并估算了重度退化草地完全恢复后的土壤固碳潜力.结果表明: 在局地尺度上,以羊草、大针茅和克氏针茅为优势种的3种植被类型的年均固碳量均随着围封年限的增加而减少.羊草和大针茅草原群落的碳储量显著高于克氏针茅草原群落,而在过牧导致的退化过程中,后者流失了更多的土壤有机碳,其固碳潜力高于前两者.在区域尺度上,内蒙古典型草原土壤表层0～20 cm的固碳潜力在-0.03×10⁴～3.71×10⁴ kg C·a^-1范围内变化,总固碳潜力为12.1×10⁸kg C·a^-1.不确定性分析发现,忽略石砾含量不会造成土壤固碳潜力估算值的较大偏差,而气象数据空间插值造成的误差为±4.7×10⁹ kg C·a^-1.假设未来生长季降水的平均变化值为-3.2 mm·(10 a)^-1时,土壤固碳潜力将减少1.07×10⁸ kg C·(10 a)^-1.     

内蒙古鄂尔多斯市城市化时空格局变化及其驱动力

城市化是最极端的人为土地覆盖的转变,对生物多样性和生态系统功能与服务的影响远超出城市本身的范围.基于3个时段土地利用数据,本研究利用景观格局分析方法分析了不同空间幅度下鄂尔多斯东四旗城市化景观时空格局的变化特征.结果表明:城市化对地区生态、社会、经济产生了深刻影响,整体景观的破碎化和复杂性程度增大,各斑块类型表现出独特的空间特征并受到不同程度的影响.沙地和城市用地变化幅度最大,耕地受城市化的影响最严重.从驱动力的定性分析看,资源因素、城市人口增长和经济发展是驱动地区城市化景观时空格局变化的重要驱动因子.     

黄花苜蓿与蒺藜苜蓿对土壤低磷胁迫适应策略的比较研究

土壤有效磷(P)含量低是限制植物生长的主要因素之一。根形态变化和根系大量分泌以柠檬酸为主的有机酸是植物适应土壤P素缺乏的重要机制。以广泛分布于我国北方的重要豆科牧草黄花苜蓿(Medicago falcata)和豆科模式植物蒺藜苜蓿(M. truncatula)为材料, 采用砂培方法, 研究了低P胁迫对其植株生长、根系形态和柠檬酸分泌的影响, 对比了两种苜蓿适应低P胁迫的不同策略。结果表明: 1)低P处理显著抑制了蒺藜苜蓿与黄花苜蓿的地上部生长, 而对地下部生长影响较小, 从而导致根冠比增加。2)低P胁迫显著降低黄花苜蓿的总根长和侧根长, 而对蒺藜苜蓿的上述根系形态指标没有显著影响。3)低P胁迫促进两种苜蓿根系的柠檬酸分泌, 无论是在正常供P还是低P胁迫条件下, 黄花苜蓿根系分泌柠檬酸量显著高于蒺藜苜蓿根系。上述结果表明, 黄花苜蓿和蒺藜苜蓿对低P胁迫的适应策略不同, 低P胁迫下, 黄花苜蓿主要通过根系大量分泌柠檬酸, 活化根际难溶态P来提高对P的吸收, 而蒺藜苜蓿维持较大的根系是其适应低P胁迫的主要策略。     

不同去趋势方法对树轮年表气候信号的影响——以卧龙地区为例

基于川西卧龙地区林线位置岷江冷杉(Abies faxoniana)的树轮宽度数据, 结合地面气象站和空间网格化气象数据, 对不同去趋势年表对气候条件的响应特征进行了比较分析。研究表明: 不同去趋势年表的气候响应特征具有很大的相似性, 具体表现为前一年9月份、当年3月份和7月份的气温, 以及前一年10-12月份的降水、当年4月份和7月份的降水对树木生长的正影响作用; 前一年11月份到当年3月份的相对湿度, 以及当年2-3月份和7-8月份的霜冻频率对树木生长的负影响作用。从不同去趋势方法对气候响应的异质性特征来看, 保守曲线、67%样芯长度步长、60年步长和90年步长的平滑样条函数去趋势年表间具有很强的相关性, 对气候响应也最明显, 特征基本一致。30年步长的平滑曲线去趋势年表与其他去趋势年表的相关性较弱, 与气候要素的相关性也明显较小。另外, 未经去趋势处理的树轮宽度年表统计参量数值要明显高于去趋势年表, 它与气候要素的相关特征也基本反映出川西卧龙地区树木生长对气候响应的基本特征。     

内蒙古典型草原4种优势植物凋落物的混合分解研究

混合凋落物的研究对预测生态系统群落水平的分解以及相应的养分释放和进一步的循环等生态学过程具有重要意义。该研究使用网袋法, 对克氏针茅(Stipa krylovii)、糙叶黄芪(Astragalus scaberrimus)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)和羊草(Leymus chinensis) 4种凋落物单种及其混合物的分解速率及分解过程中的养分动态进行了野外实验研究, 以探讨凋落物多样性对内蒙古典型草原生态系统分解速率和过程的影响。通过对凋落物分解速率和养分含量变化历时1年的实际测定, 得到下列研究结果(1)分解341天后, 单种凋落物的剩余重量与初始氮(N)含量呈显著负相关关系(p < 0.001, r = - 0.979)。混合凋落物中, 糙叶黄芪-星毛委陵菜组合剩余重量的实测值比期望值高7.5%, 表明凋落物混合具有显著的正效应, 但在其他几种组合中没有发现显著的凋落物混合效应; (2)在分解初期的N释放阶段, 克氏针茅-糙叶黄芪和克氏针茅-羊草组合的实测N剩余率分别比期望值低4.7%和10.0%, 表明混合凋落物对初期N元素释放具有显著的负效应。不同凋落物混合组合的磷(P)释放或累积在不同分解时期都得到了一定程度的促进, 尤其是星毛委陵菜-克氏针茅、克氏针茅-羊草和克氏针茅-糙叶黄芪组合, 它们在分解前期、中期和后期, 实测P剩余率与期望值的差异分别为31.1%、23.1%和21.8%。研究结果表明, 在内蒙古典型草原生态系统, 多数混合凋落物对分解速率不产生显著的混合效应; 相反, 大多数混合凋落物对分解过程中的养分动态, 尤其是P元素, 具有显著的混合效应, 而混合效应的方向(正或负)可能是十分复杂的。     

4种杂交杨对土壤水分变化的生态学响应

以田间持水量的100% (T1, 对照)、70% (T2)、50% (T3)和30% (T4)为4个水分处理梯度, 比较研究了4种不同品系的杂交杨(Populus)——15-29 (P. trichocarpa × P. deltoids)、DN-2 (P. deltoids × P. nigra)、DN-14274 (P. deltoids × P. nigra)和R-270 (P. deltoids × P. nigra)在不同水分处理和不同处理阶段对水分亏缺的反应。结果表明, 4种杂交杨品系对水分亏缺较敏感, 都通过关闭气孔、降低叶面积以有效地调节水分的散失, 降低光合速率、蒸腾、水势, 增加水分利用效率, 改变生物量的分配等一系列生理适应机制以及形态策略, 来应对不同程度的水分亏缺, 只是不同品系的适应程度不同。在生物量分配上, R-270主要降低叶干重, 而其它3个品系的叶、茎和根干重全部降低; 随着水分亏缺的加重, 15-29和R-270的根冠比增加, 根部获得更多的同化物分配, 从而有利于水分的吸收, 增加其抗旱性。DN-2的碳同位素组成δ¹³与水分利用效率呈显著正相关(r= 0.631, p<0.01)。而R-270的δ¹³与水分利用效率呈负相关, 但不显著, 只有在处理T4下呈显著负相关(r= -0.732, p<0.01), 表明土壤水分影响了碳同位素的分馏, 不同品系相反的结果表明同位素分馏的遗传变异。与T3和T4相比, T1和T2处理的苗木具有较高的生物量、叶面积、光合速率、蒸腾、水势以及气孔导度, 说明4个杂交杨品系在充足或适当的灌溉条件下具有较高的生产力。在T3和T4处理下, 4个品系表现出不同的生存策略, 但生产力均较低, 因此在干旱胁迫下很难形成高生产力。与DN-2和DN-14274相比, 15-29和R-270对水分胁迫表现出更强的适应性反应, 具有较强的抗旱性, 可用作防护林品种。