基于多源遥感数据的植物物种分类与识别: 研究进展与展望

物种分类与识别是生物多样性监测的基础, 明确物种的类别及其分布是解决几乎所有生态学问题的前提。为深入了解基于多源遥感数据的植物物种分类与识别相关研究的发展现状和存在的问题, 本文对2000年以来该领域的研究进行了总结分析, 发现: 当前大多数研究集中在欧洲和北美地区的温带或北方森林以及南非的热带稀树草原; 使用最多的遥感数据是机载高光谱数据, 而激光雷达作为补充数据, 通过单木分割及提供单木的三维垂直结构信息, 显著提高了分类精度; 支持向量机和随机森林作为应用最广的非参数分类算法, 平均分类精度达80%; 随着计算机技术及机器学习领域的不断成熟, 人工神经网络在物种识别领域得以迅速发展。基于此, 本文对目前基于遥感数据的植物物种分类与识别中在分类对象复杂性、多源遥感数据整合、植物物候与纹理特征整合和分类算法技术等方面面临的挑战进行了总结, 并建议通过整合多时相监测数据、高光谱和激光雷达数据、短波红外等特定波谱信息、采用深度学习等方法来提高分类精度。     

贵州梵净山国家级自然保护区鸟兽红外相机监测

红外相机监测是了解野生动物多样性现状、动态变化和面临威胁的重要手段。本研究采用网格抽样调查法, 在贵州梵净山国家级自然保护区内选取2个监测样区共40个监测位点布设红外相机, 对区内兽类和鸟类物种进行监测调查。2017年4月至2018年12月间, 红外相机累积监测14,808个相机工作日, 共收集有效照片14,119张, 独立有效物种照片3,199张。共鉴定野生动物9目22科61种, 其中兽类26种, 隶属于4目12科; 鸟类35种, 隶属于5目10科。记录到国家I级重点保护野生动物2种: 黔金丝猴(Rhinopithecus brelichi)和白颈长尾雉(Syrmaticus ellioti), 国家II级重点保护野生动物9种; 被IUCN红色名录评估为濒危(EN)的1种、易危(VU)的5种、近危(NT)的8种。物种的相对多度指数(relative abundance index, RAI)分析结果显示, 藏酋猴(Macaca thibetana, RAI = 28.23)、毛冠鹿(Elaphodus cephalophus, RAI = 15.46)、野猪(Sus scrofa, RAI = 11.82)、小麂(Muntiacus reevesi, RAI = 9.05)、黔金丝猴(RAI = 7.70)为相对多度最高的5种兽类; 紫啸鸫(Myophonus insularis, RAI = 10.33)、红腹角雉(Tragopan temminckii, RAI = 9.59)、红腹锦鸡(Chrysolophus pictus, RAI = 6.96)、白颈长尾雉(RAI = 3.71)、勺鸡(Pucrasia macrolopha, RAI = 1.55)为相对多度最高的5种鸟类。另外, 红外相机还监测到较多的家畜活动(RAI = 11.14)和人为活动(RAI = 12.90), 保护区管理部门仍需采取相应管理措施, 进一步提高周边居民的保护意识, 促进保护区与社区的协调发展。     

海南岛翼手目物种多样性现状与分布预测

海南岛位于我国南部, 地处热带北缘, 其独特的岛屿气候环境孕育了丰富的生物资源, 为我国生物多样性热点地区之一。为探究岛内的翼手目物种多样性状况, 本研究组使用雾网、蝙蝠竖琴网等工具, 于2002年至2016年先后对海南岛进行了15次翼手目多样性调查, 并根据其外形与头骨特征及系统发育学方法进行标本鉴定。共获取了1,025号标本, 隶属5科15属31种, 其中2016年12月21日在海南琼中捕获的艾氏管鼻蝠(Murina eleryi)为海南岛蝙蝠分布新记录。结合前人调查及发表结果统计, 岛内共有翼手类8科20属41种。同时基于本调查采集位点和前人调查位置信息(共计363个位点), 结合WorldClim 32种气候数据, 运用最大熵模型(MaxEnt)对海南岛翼手目物种的分布进行预测, 结果显示五指山、吊罗山、鹦哥岭、尖峰岭及海口火山口国家地质公园等地为翼手目物种多样性较丰富的区域, 而三亚、澄迈、屯昌、临高、琼海等地翼手目物种多样性较低。本研究结果为海南岛翼手目资源分布及多样性状况提供了基础资料, 也为岛内后续开展翼手目资源保护管理、蝙蝠疾病防控等提供了重要的参考依据。     

生物多样性相关传统知识的国际保护及中国应对策略

数个国际多边协定、政府间组织和机构都涉及生物多样性相关的传统知识, 包括《生物多样性公约》(CBD)、关于遗传资源获取与惠益分享的《名古屋议定书》(NP)、《粮食和农业植物遗传资源国际条约》(ITPGRFA)、世界知识产权组织(WIPO)、世贸组织下的《与贸易相关的知识产权协定》(WTO/TRIPS)以及生物多样性与生态系统服务政府间科学-政策平台(IPBES)等。然而, 各个国际文书所界定的传统知识内涵和外延却有所区别和侧重。中国是生物多样性极为丰富的多民族大国, 各族人民在数千年的生产和生活实践中创造了丰富的与保护和持续利用生物遗传资源相关的传统知识、创新和实践做法。作为多个相关国际公约或协定的缔约方, 中国应厘清各相关国际公约或协定中生物多样性相关传统知识的内涵、保护目标及国际义务, 加强国家在履行相关国际公约或协定过程中的协同增效, 从而在相关传统知识的国际谈判中统一立场, 维护国家及地方社区利益。本文系统梳理了各相关国际多边协定、组织和机构对于传统知识的界定, 以及国际多边体系在保护遗传资源相关传统知识方面的工作, 根据中国遗传资源相关传统知识的现状和已有的措施, 结合当前履行国际多边协定的大背景, 提出了促进中国生物多样性相关传统知识保护的5项具体建议, 包括: (1)采取立法、行政和政策措施; (2)加强相关研究, 强化技术支撑; (3)加强传统知识保护的能力建设; (4)在国内履约过程中, 强化传统知识相关工作的协调; (5)在国际层面上加强中国传统知识的宣传力度。     

土族生物资源利用相关的传统知识多样性

生物资源利用相关的传统知识是对生物资源进行识别和利用的传统知识系统。随着现代生物技术的发展, 这类传统知识显示出其在科学、经济、文化乃至粮食安全战略方面的价值。本研究根据《生物多样性相关传统知识分类、调查与编目技术规定(试行)》, 对我国青海省土族聚集区的土族生物资源利用相关的传统知识进行了系统调查与编目, 并借鉴生物多样性测度方法, 创建了传统知识多样性指数计算方法, 对土族生物资源利用相关传统知识多样性进行分析。结果如下: (1)编目现存的土族生物资源利用相关的传统知识词条共424条; (2)土族传统知识的α多样性指数D_TK = 0.67, 表明其传统知识多样性较高; 土族传统知识的β_wtk多样性指数在不同的县域差异较大, 表明其在县域之间存在差异, 在空间上分布不连续、不均匀。本研究利用生物多样性指数验证了传统知识的定量研究方法, 说明传统知识多样性指数不仅可用于定量研究表征区域传统知识的多样性, 揭示不同空间区域内的分布特征, 还可为未来构建传统知识的定量研究体系提供重要的参考依据。     

利用红外相机公里网格调查钱江源国家公园的兽类及鸟类多样性

2014年5月至2019年4月, 作者采用红外相机技术调查了浙江省钱江源国家公园的兽类及鸟类多样性。将整个国家公园划分为267个1 km × 1 km的调查网格, 每个网格内设置3个固定调查位点, 使用1台红外相机定期在同一网格内的位点之间进行轮换。其中, 古田山片区在5年内共完成14轮次调查, 古田山以外的区域自2018年7月纳入调查范围, 何田、长虹片区完成2次轮换, 齐溪片区完成1次轮换。在253个网格内的741个有效位点上共获得140,413个相机工作日的数据, 采集兽类和鸟类的照片和视频268,833份, 有效探测数74,368次, 鉴定出21种野生兽类, 72种野生鸟类, 5种家畜及家禽。包括国家一级重点保护野生动物2种, 即黑麂(Muntiacus crinifrons)、白颈长尾雉(Syrmaticus ellioti); 国家二级重点保护野生动物17种, 合计占野生物种总数的20.4%。被IUCN物种红色名录评估为易危(VU)的5种, 近危(NT)的4种, 合计占物种总数的9.7%。被中国脊椎动物红色名录评估为濒危(EN)的1种, 易危(VU)的9种, 近危(NT)的10种, 合计占物种总数的21.5%。相对多度指数最高的大中型兽类为小麂(Muntiacus reevesi), 鸟类为白鹇(Lophura nycthemera)。本次调查获得了国家公园内兽类和鸟类的多样性组成、空间分布和相对多度, 为长期科研监测和科学管理提供了基础数据。     

秦岭南坡陕西洋县辖区哺乳动物物种多样性的空间分布格局

物种多样性的空间分布格局一直是生态学和生物地理学研究的一个热点问题。山地生态系统的生境异质性和物种多样性高, 适合研究物种多样性空间分布格局及其相关机制。2016年11月至2017年11月, 本研究选取秦岭南坡陕西洋县辖区作为研究区域, 采用样线法、红外相机法和笼捕/夹捕法, 系统分析了8目21科48种哺乳动物物种多样性的空间分布格局。研究结果发现秦岭南坡洋县辖区哺乳动物物种丰富度的空间分布格局大致是中南部低, 北部和东部高; 物种多样性指数大致是中南部和北部低, 东部高。啮齿类动物和非啮齿类动物的空间分布格局存在差异。哺乳动物物种丰富度和多样性指数的垂直分布格局都符合中峰模式, 但啮齿类动物和非啮齿类动物间存在差异。最优线性模型结果表明, 研究地区哺乳动物物种多样性的空间分布格局受到多种环境因素的共同影响。其中, 年均温与物种多样性的相关性最强, 在6个最优线性模型中贡献都是最大。综上, 秦岭南坡洋县辖区中高海拔区域的物种多样性较高, 应加强对中高海拔地区的保护, 以维系该区域较高的生物多样性。     

大小兴安岭可培养细菌的资源多样性

细菌作为微生物中的重要组成部分, 在有机质的形成与分解、维持生态系统平衡、促进动植物发育等多方面都有着重要作用。2014-2017年, 我们采用常见培养基分离纯培养法及16S rRNA基因序列分析方法对大小兴安岭地区土壤可培养细菌的群落结构和多样性进行了调查研究。结果表明: 从大小兴安岭地区的17个自然保护区内不同生境的土壤中分离获得3,180个菌株, 隶属于24属120种。其中, 芽孢杆菌属(Bacillus)的种数和株数最多, 分别为38种和2,419株, 是大小兴安岭地区可培养细菌的绝对优势类群(占总株数的76.1%); 其次是短杆菌属(Brevibacterium)(13.0%)。大兴安岭地区的物种数、Simpson多样性指数和Shannon-Wiener指数高于小兴安岭地区。优势类群芽孢杆菌属的枯草芽孢杆菌(B. subtilis)、苏云金芽孢杆菌(B. thuringiensis)、巨大芽孢杆菌(B. megaterium)等有重要的生产及科学研究价值。     

未来气候变化对不同国家茶适宜分布区的影响

茶是对气候变化敏感的重要经济作物, 评价全球气候变化对茶分布和生产的影响对相关国家经济发展和茶农的生计至关重要。本研究基于全球858个茶分布点和6个气候因子数据, 利用物种分布模型预测全球茶的潜在适宜分布区及其在2070年的不同温室气体排放情景(RCP2.6和RCP8.5)下的变化。结果表明: 当前茶在五大洲均有适宜分布区, 主要集中在亚洲、非洲和南美洲, 并且最冷季平均温和最暖季降水量主导了茶的分布。预计2070年, 茶的适宜分布区变化在不同的大洲、国家和气候情景间将存在差异。具体来说, 茶的适宜分布区总面积将会减少, 减少的区域主要位于低纬度地区, 而中高纬度地区的适宜分布区将扩张, 由此可能导致茶的适宜分布区向北移动; 重要的产茶国中, 阿根廷、缅甸、越南等茶适宜分布区面积会减少57.8%-95.8%, 而中国和日本的适宜分布面积则会增加2.7%-31.5%。未来全球新增的适宜分布区中, 约有68%的地区土地覆盖类型为自然植被, 因此可能导致新茶树种植园的开垦和自然植被及生物多样性保护产生冲突。     

橄榄种质资源花序表型性状遗传多样性研究

为了解橄榄[Canarium album(Loureiro)Raeuschel]花序表型性状的遗传多样性,对90份橄榄种质资源的花序性状进行观测分析。结果表明,橄榄花序的类型、支轴紧密度、着生位置和花性等表现出较丰富的多样性;从数量性状看,花序花朵数的变异系数最大,其次为支轴花朵数,变异系数最小的是花蕾直径,此外橄榄雄花花序的多样性较雌花丰富。花蕾直径与花瓣长度呈极显著正相关关系,与花序长度、花序支轴数、花序花朵数和支轴花朵数呈极显著负相关。聚类分析结果表明,橄榄种质资源的花序类型可分为3类,大部分雄花和雌花类群间差异较明显。因此,橄榄花序表型性状存在多样性和复杂性,且花序重要单一性状可能影响整体表型。