光谱多样性在植物多样性监测与评估中的应用

光谱多样性是一种基于植物反射电磁辐射光谱的生物多样性维度, 反映了不同波段光谱反射率在植物种内与种间个体之间的变异程度。由于植物反射光谱特征的差异可以综合地反映植物间生化组分和形态特征的差异, 光谱多样性成为植物多样性监测和评估的重要技术手段。该文介绍了光谱多样性的概念及其生态学意义, 比对了多源、多平台光谱数据各自的技术优势和局限性, 并概述了基于光谱多样性的植物多样性监测和评估方法及其应用, 探讨了光谱多样性整合不同维度生物多样性的能力, 展望了光谱多样性在生物多样性研究中的发展前景。光谱多样性能在多空间尺度服务于植物多样性的监测与评估, 特别是依托基于无人机技术的近地面遥感, 可以实现精细尺度植物多样性的监测与评估, 在生物多样性的保护和管理中具有广阔的应用前景。     

云南纳板河热带季节雨林20 ha动态监测样地的树种组成与群落分类

大型森林动态监测样地是研究物种共存、群落演替等生态学核心问题的重要平台。纳板河流域国家级自然保护区管理局与中国科学院西双版纳热带植物园合作, 于2016-2017年参照美国史密森热带森林科学中心的技术标准, 在纳板河流域国家级自然保护区内建立了一块热带季节雨林20 ha动态监测样地。本研究分析了该样地的树种组成特征, 并进行了群落数量分类。结果表明: 该样地中DBH ≥ 1 cm的木本植物个体共有59,498株, 分属63科197属296种; 个体数超过1,000株的常见物种有15个, 个体数小于20株的稀有物种有126个。科的区系分布型以热带成分为主, 占总科数的65.08%, 温带成分占17.46%。属的区系分布型以热带成分为主, 占总属数的88.32%, 温带成分占10.66%。该样地群落类型的形成主要受海拔和凹凸度这两个地形因子的影响, 500个20 m × 20 m的样方可以分为4个群丛, 分别为: (1)灰毛浆果楝 + 粗糠柴 - 假山萝 + 番龙眼群丛(Cipadessa baccifera + Mallotus philippensis - Harpullia cupanioides + Pometia pinnata Association); (2)长梗三宝木 + 腋球苎麻 - 顶果木 + 番龙眼群丛(Trigonostemon thyrsoideus + Boehmeria glomerulifera - Acrocarpus fraxinifolius + Pometia pinnata Association); (3)云南银柴 + 大果山香圆 - 湄公锥 + 普文楠群丛(Aporusa yunnanensis + Turpinia pomifera - Castanopsis mekongensis + Phoebe puwenensis Association); (4)歪叶榕 + 密花火筒树 - 毒药树 + 番龙眼群丛(Ficus cyrtophylla + Leea compactiflora - Sladenia celastrifolia + Pometia pinnata Association)。     

中国森林生物多样性监测网络: 二十年群落构建机制探索的回顾与展望

中国森林生物多样性监测网络(CForBio)目前已经沿纬度梯度从寒温带到热带布设23个大型森林动态样地, 监测1,893种木本植物, 代表我国木本植物种类的近1/6。CForBio的主要目标之一是研究森林群落的构建机制。本文综述了近20年来CForBio在群落构建机制探索方面取得的进展, 包括生物多样性时空格局、生境过滤、生物相互作用、局域扩散和区域因素以及利用新技术取得的新认知等。CForBio研究发现: (1)生境过滤和扩散限制共同决定种-面积关系及β多样性等多样性格局, 但二者的相对作用在不同样地及不同尺度存在差异; (2)生境过滤对局域群落构建的作用广泛存在, 但很难量化其对群落构建的重要性; (3)同种负密度制约在不同气候带样地普遍存在, 负密度制约的强度主要由植物菌根类型介导, 并随植物生活史类型、功能性状及环境变化而变化; (4)扩散限制在局域群落构建中发挥关键作用, 而区域因素如区域地质历史、区域物种库大小等塑造不同生物地理区群落之间的生物多样性差异; (5)宏观和微观两个方面的新技术促进群落构建机制的研究。在宏观方面, 遥感技术以低成本使大范围、多尺度的连续群落生物多样性监测和时空比较研究成为可能; 另一方面, 叶绿体基因技术和代谢组学等微观技术能促进推导群落构建的分子机制。同时, 本文还总结了以往研究的不足, 并展望了基于森林动态样地开展群落构建机制研究的未来发展, 特别强调了: (1)关注群落构建研究中的尺度问题; (2)深入开展多维度(物种、功能和系统发育)、多营养级生物互作相关的研究; (3)拓展全球变化对群落构建影响的研究; (4)融合观测-实验-模型多种手段开展群落构建机制的研究; (5)连结“群落构建理论研究”和“森林管理实践”。总之, 中国森林生物多样性监测网络的长期监测和联网研究是森林群落构建机制研究的重要基础, 也是推动群落构建理论、解决森林管理难题的重要平台。     

林冠结构是局域尺度木本植物功能性状beta多样性形成的重要驱动力

功能性状beta多样性反映了群落间功能性状组成的差异, 解析其形成机制是群落生态学研究的核心内容之一。本研究以云南西双版纳热带季节雨林20 ha动态监测样地为研究对象, 测定木本植物11个重要的功能性状, 采用多度加权的平均最近邻体性状距离度量不同取样尺度的功能性状beta多样性, 基于距离矩阵的多元回归方法解析林冠结构差异、环境异质性、空间距离在功能性状beta多样性格局形成中的相对作用。结果表明, 对于所有木本植物个体(DBH ≥ 1 cm)而言, 同时考虑林冠结构、环境和空间距离的模型为解释功能性状beta多样性格局的最优模型; 在3个不同取样尺度上, 林冠结构差异和环境距离都对功能性状beta多样性具有较大的解释力, 且随着取样尺度的增大而上升, 空间距离的作用基本可以忽略。本研究证实了林冠结构是局域尺度木本植物功能性状beta多样性格局形成的重要驱动力, 这一发现更新了环境异质性和空间距离是驱动功能性状beta多样性格局形成的主要因素的传统认知, 为将来研究功能性状beta多样性形成机制提供新的视角, 并证实了取样尺度在解析木本植物功能性状beta多样性格局形成机制中的重要性。     

热带季节雨林多花白头树年内径向生长动态及其对环境因子的响应

为了解热带地区树木的季节性生长动态和规律,在西双版纳热带季节雨林利用高精度生长仪和微树芯法对落叶树种多花白头树的径向生长季节动态进行监测。结合木质部非结构性碳水化合物和环境因子的监测,分析其形成层活动和径向季节动态的生理生态驱动因子。结果表明: 在2020年,生长仪的监测显示,多花白头树于5月底(儒略日DOY:149.3±7.2)开始生长,8月底(DOY:241.0±14.7)生长结束,年生长量为3.12 mm,最大生长速率为0.04 mm·d^-1。而微树芯法显示,扩大细胞3月9日(DOY:69.2±6.2)开始出现,9月19日(DOY:262.8±2.8)细胞加厚结束,木质部生长量为1.76 mm,最大生长速率为0.009 mm·d^-1。多花白头树径向日生长量与生长季的降水、相对湿度、日最低气温、深度为20 cm的土壤含水量和温度呈显著正相关,而与日最高气温、水汽压亏缺、最大风速和水汽压呈显著负相关。多花白头树边材淀粉含量和可溶性糖含量均在生长季开始之前保持较高水平,淀粉含量在3月底达到最低,而可溶性糖含量5月中旬达到最低,随着生长季的结束淀粉和可溶性糖的含量分别在10月中旬和12月底达到最高。     

轻小型无人机航摄技术辅助的热带森林样地测量精度问题探讨

准确的样地坐标位置是无人机航摄数据与地面调查数据融合使用的必要前提, 但是在森林样地的具体实践中, 会有许多因素制约着样地位置的测量精度, 这有可能影响后期的数据融合过程甚至得出错误的结论, 研究者们需要对此予以足够的重视。本文通过对比西双版纳地区10个热带森林样地及周围区域无人机航摄过程中的地面控制点测量精度、Photoscan摄影测量软件所得点云解算精度和照片曝光点重投影精度, 发现: (1)即使使用性能相对较好的实时差分(real time kinematic, RTK)式GNSS系统进行定位, 在林内也很难获得很好的定位精度, 林窗处的地面控制点均方根误差(root mean square error, RMSE)在水平和垂直方向分别为0.167 ± 0.158 m和0.297 ± 0.170 m, 林下样地顶点桩处分别为0.392 ± 0.368 m和0.657 ± 0.412 m; (2)软件的全局解算精度主要受控制点地面测量精度和控制点数量的影响; (3)若仅依托普通的单站式GPS对无人机位置进行定位, 则照片曝光点的重投影坐标位置可能存在较大误差(RMSE在水平和垂直方向上分别为18.434 ± 5.252 m和34.042 ± 6.920 m); (4)估测地形与实测地形间的高差标准差与林冠平均高度正相关(r = 0.713, P < 0.05), 估测地形模型在20 ha样地尺度下的验证结果优于1 ha样地。基于以上结果, 我们建议: (1)在对热带森林进行无人机航摄的过程中, 必须有足够数量和质量的分布相对均匀的地面控制点对测量误差进行控制; (2)摄影测量法的优势在于能够以相对简单的前端设备建立数字表面模型, 但该方法可能很难在森林样地中建立准确的数字地形模型。在使用无人机获取数据之前, 研究者应预先考虑到适合自己的恰当方法以应对以上的精度控制问题。     

近地面激光雷达点云密度对森林冠层结构参数提取准确性的影响

基于激光雷达技术获取冠层结构为森林生态学研究增加了新的维度。搭载于多旋翼无人机的近地面激光雷达相比于固定翼有人机的机载激光雷达，能够更加灵活高效地获取森林群落样地高密度点云。但在实际操作中，往往出现局部低密度点云数据，影响了冠层结构参数提取的准确性。使用4块森林动态样地的近地面激光雷达点云数据；利用航带分解方法分析各样地低密度样方成因；采用点云抽稀模拟算法计算并拟合偏差曲线，对比不同样地、参数和取样尺度间的点云密度对冠层结构参数提取准确性的影响；根据偏差曲线计算各条件下保证参数提取准确性的最低点云密度。结果发现：1)低密度区域主要受地形或(和)近地面遥感设计规划的影响。地形复杂的测区(西双版纳和古田山样地),遥感规划难度大，整体难以获取高密度点云(在30点/m²左右),容易在沟谷和高海拔处出现低密度样方。平坦测区(长白山两块样地)虽可获取高密度点云(均超过150点/m²),但欠佳的遥感规划设计导致长白山1测区北部出现1hm²低密度区域。2)冠层参数提取准确性随点云密度减少而迅速降低，呈负指数幂函数关系。这一变化趋势在不同...     

西双版纳楝径向生长和木质部发生季节动态及其对环境因子的响应

热带森林在全球碳循环过程中起着重要的作用，研究热带树木的生长动态及其对环境因子的响应，有助于预测全球变化下热带森林固碳能力的变化。目前对热带树木径向生长以及木质部发生季节动态的研究相对较少。利用微树芯和生长环法对西双版纳热带植物园内的落叶树种楝(Melia azedarach)2021年的年内径向生长和木质部发生季节动态进行监测，结合环境因子的监测，分析了楝的径向生长过程的驱动因子。结果表明：2021年楝的扩大细胞在3月1日(年积日(DOY):60.2±1.6)开始出现，细胞壁加厚在12月11日(DOY:345.4±3.1)结束，年生长量为7.76 mm,最大生长速率为0.039 mm/d。生长环监测显示，楝在3月18日(DOY:76.6±8.6)左右开始生长，10月13日(DOY:286.4±6.8)生长结束，年径向生长量为(6.25±2.35)mm,最大生长速率为(0.056±0.02)mm/d。楝的径向生长速率与降水(r=0.77,P<0.001)、平均温度(r=0.61,P<0.05)和最低温度(r=0.67,P<0.001)均呈显著正相关，与风速(r=-0....     

普达措国家公园越冬期鸟类群落功能空间及驱动机制

解析群落中生物多样性维持的决定因素是生态学研究的一个重要目标。为了获得普达措国家公园碧塔海-属都湖片区鸟类物种多样性，2021年8月至2022年7月，设置8条总长17km的鸟类调查样线，并于2021年11月至2022年10月在片区24个位点布设红外相机进行辅助调查。为了重点研究越冬期鸟类群落功能多样性格局及其驱动机制，2021年11月至2022年3月，对碧塔海-属都湖片区内高原湖泊、高山草甸、针阔混交林和针叶林4种生境共30个样点进行了越冬期鸟类群落的调查。利用15个鸟类功能性状计算群落功能丰富度（FRic）和平均最近邻接功能距离（MNND），并构建零模型，探讨环境过滤和极限相似性作用对越冬期鸟类群落构建的相对重要性。结果表明，本研究在普达措国家公园碧塔海-属都湖片区共记录13目42科114种鸟类，与该区域前期野外记录相比新增了74个野外记录鸟种。该片区不同生境类型的鸟类物种组成差异明显，针阔混交林和针叶林物种组成相似，但未完全重合。在该区域高原湖泊和高山草甸越冬的16种鸟类显著扩大了越冬期鸟类群落的功能空间，但同时显著减小了功能空间中物种的平均最近邻接功能距离。4种生境鸟类群落功能空...