柽柳灌丛关键物候参数多种植被指数遥感提取的适用性——基于CO2通量观测和Sentinel-2数据

本研究以额济纳绿洲四道桥超级站为研究区,结合2018—2019年涡度通量、气象数据和2017—2020年Sentinel-2遥感影像,分析通量塔总初级生产力(GPP)与环境因子的关系,评估12种遥感植被指数对柽柳灌丛长势模拟和关键物候参数提取的适用性。采用7参数双逻辑斯蒂函数(DL-7)+全局模型函数(GMF)拟合GPP和各植被指数生长曲线,并逐年提取生长季始期(SOS)、生长季峰期(POS)和生长季末期(EOS)3种关键物候参数。结果表明: 有效积温(GDD)和土壤含水量是影响柽柳灌丛物候动态的主要环境因子。与2018年相比,2019年由于气温较低,SOS前的积温累积速率较慢,柽柳灌丛需要更长时间的热量积累来进入生长季,从而导致2019年SOS比2018年晚。在SOS与POS之间,2018和2019年水热条件相似,但2019年POS比2018年晚8 d,可能是2019年SOS较晚所致。POS以后,2019年较高的GDD和较低的土壤含水量使柽柳灌丛遭受水分胁迫,导致其生长季后期时间缩短。标准化的Sentinel-2植被指数与10:00—14:00 GPP均值的线性回归结果表明,宽波段植被指数中的增强型植被指数和窄波段植被指数中的叶绿素红边指数、倒红边叶绿素指数、红边归一化植被指数(NDVI705)能够较好地反映与柽柳灌丛GPP具有较高的一致性。柽柳灌丛SOS和EOS的遥感提取结果表明,Sentinel-2窄波段植被指数比宽波段植被指数的准确性更高,尤其是修正叶绿素吸收反射率指数提取SOS最准确,MERIS陆地叶绿素指数提取EOS最准确;Sentinel-2宽波段植被指数提取POS的准确性更高,尤其是两波段增强型植被指数和植被近红外反射率指数最准确。综合所有物候参数来看,NDVI705综合表现最佳。     

半干旱矿区侵蚀营力对黑沙蒿根系生长特性的影响及其自修复

以半干旱矿区典型分布的黑沙蒿为研究对象,通过野外原位不离体试验,模拟侵蚀拉拔破坏对黑沙蒿根系生长特性的影响,并分析其受损自修复能力,旨在揭示植物根系在脆弱生态区中抵御外力侵蚀的生存策略。结果表明,拉拔破坏形成机械损伤后,根系生长速率和活性均明显降低,持续拉拔对二者的抑制作用显著大于瞬时拉拔,重度损伤产生的负反馈显著大于轻度损伤。黑沙蒿根系在拉拔破坏后,会出现大量死亡的现象,造成活根数量锐减,瞬时和持续拉拔分别可造成活根减少60.6%和66.9%,轻度和重度损伤后活根分别减少59.7%和67.8%。黑沙蒿根系生长速率和活性修复率均随修复时间的推移而逐渐增大,但自修复能力有限,无法有效消除侵蚀破坏造成的负反馈,生长修复率平均仅为56.8%,活性修复率为70.5%。综上所述,在侵蚀多发区进行植被恢复时,应充分考虑植物根系应对外力破坏时的生长特性和受损自修复能力,以保证植物对逆境的适应并发挥有效固土抗蚀等生态功能。     

白音华矿区土壤重金属含量的空间异质性

为探讨开矿对白音华矿区土壤重金属空间分布的影响, 本研究以内蒙古西乌珠穆沁旗白音华煤矿区周边土壤为对象,分析了距离矿区8 km内的重金属Cu、Cr、Pb和Mn含量的空间异质性。结果表明: 土壤重金属Cu、Cr、Pb和Mn的平均含量分别为12.7、32.6、29.9和201.3 mg·kg^-1,其变异系数分别为26.8%、33.9%、27.1%和45.7%。采用半方差函数进行模型拟合, Cu、Cr、Pb和Mn空间分布分别符合高斯模型、高斯模型、高斯模型和线性模型。对其空间分布格局分析发现,Mn、Cr 和 Cu的空间自相关水平较高,主要受结构性因素影响,受随机性因素影响很小,Pb的空间相关性水平适中,同时受结构性因素和随机性因素影响。分形维数分析表明,4种土壤重金属含量空间分布简单,结合2D及3D图看,4种土壤重金属均呈现梯度分布,随着距离增加其含量逐步降低,Cu和Mn主要集中分布在距离矿区1.5 km内,Cr与Pb则分别集中分布在距离矿区2.0与3.0 km内。     

内蒙古植被枯黄期变化及其与气候和植被生产力的关系

基于2001—2018年MODIS NDVI数据,采用累计归一化植被指数(NDVI)的Logistic曲线曲率极值法,识别内蒙古植被枯黄期及其时空变化特征,并在生态区尺度上分析枯黄期对气候因子和NDVI的响应特征。结果表明: 研究期间,内蒙古植被平均枯黄期主要集中在第260～280天。森林生态区枯黄期为第270～280天,从南向北推迟;草原生态区枯黄期最早,介于第257～273天,从东北向西南逐渐推迟;荒漠生态区枯黄期为第270～283天,东北向西南呈推迟态势。2001—2018年间,3个生态区植被枯黄期均呈不显著推迟趋势。植被生产力从东北向西南逐渐降低,在时间上呈增加趋势的面积大于呈减小趋势的面积。全内蒙古和各生态区植被枯黄期受季前2～3个月降水量的正面影响较大,与季前平均温度、最高温度和最低温度均呈正相关关系。全内蒙古和各生态区,8和9月植被生产力的增加(或减少)将推迟(或提前)植被枯黄期,而6和7月植被生产力的增加(或减少)将提前(或推迟)草原和荒漠生态区植被枯黄期。     

应用叠加分析揭示四合木(Tetranea mongolica)、半日花(Helianthemum songaricum)的分布与地形土壤之间的关系

以鄂尔多斯市西鄂尔多斯国家级自然保护区为研究对象,在野外调查的基础上,对TM的多波段遥感影像图进行监督分类,获得保护区植被类型图,利用1∶5万地形图生成的DEM和1∶40万土壤图,应用叠加分析技术重点揭示了珍稀植物四合木(Tetranea mongolica)、半日花(Helianthemum songaricum)的分布与海拔、坡度和土壤之间的关系.结果证明,利用叠加分析能够很好的反映植物分布与其它的自然地理要素之间的关系,为珍稀植物的保护提供依据.     

温度植被干旱指数在蒙古高原干旱监测中的应用

以蒙古高原为研究区,选择2000—2019年植物生长季的MODIS归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST)构建NDVI-LST特征空间,由该特征空间计算蒙古高原温度植被干旱指数(TVDI);利用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验及Hurst指数方法分析蒙古高原TVDI的时空变化特征和未来的变化趋势,利用偏相关分析法探究气象因子与蒙古高原TVDI之间的关系。结果表明: 2000—2019年,蒙古高原TVDI以0.0001·a^-1呈增大趋势,期间,蒙古高原的干旱情况小幅加重,其中,草甸草原和典型草原干旱情况逐渐减轻,而荒漠草原和高山草地干旱情况加重。蒙古高原TVDI的Hurst指数均值为0.45,小于0.5的地区面积占比为71.5%,说明大部分地区2000—2019年的TVDI变化趋势与过去相反。中部的荒漠草原地区和东部的草甸草原地区未来干旱情况可能加重;典型草原的大部分地区以及内蒙古境内的荒漠草原未来干旱可能减轻;高山草地地区的干旱变化无法确定。蒙古高原有33.6%的地区TVDI与气温呈显著正相关,34.8%的地区TVDI与降水量呈显著负相关,其中,典型草原受气象因子的影响最显著。     

北方典型农牧交错带草地开垦对地表辐射收支与水热平衡的影响

以北方典型农牧交错带草原和农田生态系统的涡度相关数据为基础,对比分析了生长季两种不同土地利用类型的辐射和水热通量之异同,揭示了草地开垦影响地表辐射收支与水热平衡的机制。结果表明:在植被生长季(5月—9月),草地开垦引起太阳总辐射增加了10.74%,短波反射辐射减少了14.20%,净辐射增加了35.16%;在水热通量方面,草地开垦引起潜热通量日积分平均值增加了0.20MJ/m~2,同时显热通量减少了0.09 MJ/m~2;生长季内地表反照率减小,表征地表吸收太阳辐射增加,有升高气温的趋势;非生长季内地表反照率增加,有降低气温趋势,此外地表反照率与土壤湿度存在负指数关系;波文比在植被生长早期和末期增加,生长旺期减小,说明草地开垦与影响着近地表大气状态,从而改变了区域气候。     

基于高光谱特征的雅氏落叶松尺蠖虫口密度估算

【目的】多年来,蒙古高原典型落叶松害虫雅氏落叶松尺蠖Eeannis jacobsoni发生频繁,使森林生态系统遭到严重破坏。虫口密度可直接描述森林虫害严重程度,进而及时、快速获得害虫虫口密度信息显得极为重要。本研究旨在依据雅氏落叶松尺蠖暴发区的落叶松光谱实测数据和虫口密度数据,构建基于高光谱特征的虫口密度估算方法。【方法】以蒙古国后杭爱省和肯特省4个地点雅氏落叶松尺蠖暴发区为试验区。首先从这4个试验区选取不同程度受害的110株西伯利亚落叶松Larix sibirica样本树,调查虫口密度和测量冠层光谱反射率;其次通过光谱反射率数据获得微分光谱反射率(differential spectral reflectance, DSR)和计算改进型光谱指数(modified spectral index, MSI);再次运用多项式曲线拟合法,分析DSR和MSI对虫口密度的敏感性;然后借助连续投影算法(successive projection algorithm, SPA)提取敏感DSR和MSI;最后利用敏感DSR和MSI,结合多项式回归(polynomial regression, PR)和支持向量机回归(support vector machine regression, SVMR)算法,建立雅氏落叶松尺蠖虫口密度估算模型,并评定了其精度。【结果】DSR的敏感波段主要在黄边和红边波段内,其中572 nm的敏感性最显著(R²=0.5821,P<0.001),MSI的最敏感指数为TVI(R²=0.5386,P<0.001);TVI(R²_CV=0.6323,RMSE_CV=0.1513)比DSR₅₇₂(R²_CV=0.5581,RMSE_CV=0.1649)估算精度高,而多个DSR(R²=0.7309,RMSE_CV =0.1347)比多个MSI(R²_CV=0.6537,RMSE_CV=0.1453)更有估算潜力,其中SVMR模型性能始终优于PR模型,说明SVMR更加适用于虫口密度估算。【结论】MSI和DSR可作为虫口密度估算的敏感指标,多项式曲线拟合法能够挖掘MSI和DSR对虫口密度的敏感性;SPA是虫口密度敏感光谱特征提取的一种有效方法,其提取的DSR敏感指标和MSI敏感指数充分捕捉了针叶叶绿素吸收特征、水分吸收特征以及针叶细胞受损引起的反射特征。该研究不仅为利用航空航天遥感监测森林害虫虫口密度提供实验理论基础,而且为森林虫害遥感监测拓展了新途径。