上海盐沼植被的多季相地面光谱测量与分析

遥感是大尺度生态研究的重要工具之一,而地面植物群落特征与其光谱特征之间的关系是解译遥感影像的关键.研究选择上海崇明东滩候鸟自然保护区的盐沼植被为研究对象,使用ASD便携式地物光谱仪测定芦苇、互花米草、海三棱藨草和糙叶苔草4类主要群落的春、夏、秋各季冠层反射光谱,并计算生成350～1000nm的反射率曲线的一阶导数曲线,在此基础上分析反射率与一阶导数曲线在可见光与近红外波段以及物候特征的“绿峰”和“红边”等波段的差异.分析显示,不同盐沼群落在各生长季都有较独特的光谱特征,四类盐沼群落的光谱特征在季相上表现各异.上海地区盐沼植被各类群落的遥感识别和分类的适宜季相不尽相同,应用多季相影像进行综合分类可取得较好的效果.研究结果可为遥感监测外来种互花米草的空间分布与动态提供技术支撑,为高光谱遥感的影像判读和解译分类以及盐沼植被制图提供科学依据.     

崇明东滩自然保护区盐沼植被的时空动态

盐沼植被是滩涂湿地的重要组成部分,其动态变化直接影响着湿地的生态服务功能和价值。通过对1998~2005年间4景不同时相的LandsatTM遥感影像的解译分析,结合历史资料数据和近年来的现场调查,分析了崇明东滩鸟类自然保护区自建立以来,盐沼植被的时空演替动态过程。结果显示,随着滩涂的淤涨,东滩盐沼植被的面积从1998年的2478.32hm2增加到2005年的4687.74hm2,而互花米草(Spartina alterniflora)自人为引入至2005年,其面积已增加到1283.4hm2,其增加速率显著高于土著种芦苇(Phragmites australis)和海三棱藨草(Scirpus mariqueter),并且已在东滩保护区相当区域内形成单优势种群落。受1998年和2001年两次高滩围垦和互花米草入侵影响,崇明东滩的芦苇群落面积大大减少,虽随着滩涂的淤涨,芦苇群落的面积逐年有所增加,但增加的速度缓慢。互花米草有着更广的生态幅和竞争优势,是滩涂中扩散最快的植被,而淤涨型滩涂为其提供了可扩张的空生态位,如不加以控制和治理,其快速扩散将会对崇明东滩保护区的生态系统造成更大的威胁和影响。     

大型沉水植物苦草的光谱特征识别

地物特征与其光谱特征的关系是解译遥感影像的关键.利用地物光谱仪在实验室和上海“梦清园”人工湿地中,分别实测了不同盖度沉水植物苦草的反射光谱特征.结果表明随着苦草盖度的增加,其光谱反射率也相应增加,不同盖度苦草的光谱反射率差异主要表现在500～650 nm和700～900 nm 波段范围.受水体环境影响,实验室模拟试验与室外控制试验测得的苦草光谱反射率差异主要表现在近红外波段（700～900 nm）.分别将苦草的不同盖度与其在QuickBird多光谱遥感影像4个波段与盖度相关性最大波段处的光谱反射率进行回归分析,得到了较好的线性关系.应用回归分析得到的线性方程,可以根据测定的光谱反射率定量反演水体中的苦草盖度.研究结果可为监测沉水植物的高光谱遥感影像判读和解译分类提供技术支撑,为大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态变化提供科学依据.     

崇明东滩南部河口盐沼植物群落种间关系的数量分析

对崇明东滩南部盐沼植物群落样方进行调查,基于现有17种高等植物,特别是8种常见植物的2×2联列表和植被盖度值,利用方差比率法、χ²检验以及Spearman秩相关分析对物种关联性和相关性进行分析.结果表明: 方差比率(VR=0.61)的检验统计量W=48.61,落在 χ² 2个临界值区间之外,因此该区域盐沼植物群落内植物整体关联度表现为显著负相关;依据各优势植物对环境的适应方式和生境的主导因素,参考Spearman秩相关分析的结果,将它们划分为4个生态种组: 芦苇、糙叶苔草-藨草-水莎草、互花米草-海三棱藨草、白茅-稗草.崇明东滩南部盐沼植物群落种间关系复杂,群落表现极不稳定,植物对于环境影响较为敏感.在明确物种之间关系的基础上,针对海三棱藨草的分布现状提出了相应种群的保护措施和建议.     

崇明东滩盐沼植被扩散格局及其形成机制

长江河口盐沼植被的形成和演化是生物与其生长环境相互作用的结果。以崇明东滩盐沼植被典型扩散前沿为研究对象,2011至2012年期间调查了盐沼植被扩散前沿实生苗扩散、定居以及形成的扩散格局,同时测定了盐沼植被扩散前沿的潮滩冲淤动态和水文动力条件。研究结果表明,崇明东滩盐沼植被在扩散前沿形成了互花米草-光滩(Spartina alterniflora-Mudflat,SM)和互花米草-海三棱藨草-光滩(Spartina alterniflora-Scirpus mariqueter-Mudflat,SSM)两种典型的扩散格局。冲淤动态和水文动力条件是影响盐沼植被扩散格局的重要因子,尤其是在4—6月盐沼植物实生苗传播和定居的关键阶段。在此基础上,分析了东滩盐沼植被扩散前沿的生物-物理相互作用以及盐沼植被扩散格局的形成机制。研究结果不仅有助于理解长江河口地区盐沼植被扩散的生物物理过程,并对全球气候变化和海平面上升条件下滨海生态系统动态预测与湿地保护与管理具有重要的意义。     

崇明东滩湿地不同盐沼植物群落土壤碳储量分布

海岸带盐沼植被的高生产力对湿地土壤碳库的形成具有重要意义.本文研究了长江口崇明东滩湿地3种主要盐沼植物(芦苇、互花米草和海三棱藨草)群落生物量差异、土壤碳储量时空动态和垂向分布特征.结果表明： 湿地盐沼植被总生物量表现为互花米草群落(5750.7 g·m^-2)>芦苇群落(4655.1 g·m^-2)>海三棱藨草群落(812.7 g·m^-2),且地上生物量在夏、秋季最高,地下生物量在冬季最高.湿地土壤碳储量(0～50 cm)在春季最低,随后逐渐增加,至冬季达到最大值.土壤碳储量年增量从高潮滩向低潮滩递减,表现为芦苇群落(711.8 g·m^-2)>互花米草群落(646.2 g·m^-2)>海三棱藨草群落(185.3 g·m^-2)>光滩(65.6 g·m^-2).光滩土壤碳储量在25～30 cm处最高,海三棱藨草、互花米草和芦苇群落土壤碳储量分别在10～15、30～35和30～40 cm处达到最大值,且不同群落土壤碳储量与植被地下生物量具有显著的线性关系.     

崇明东滩盐沼植被变化对滩涂湿地促淤消浪功能的影响

30年来在海平面上升、人类围垦、自然保护、外来物种入侵等自然与人为作用共同影响下,崇明东滩盐沼植被群落结构发生了巨大变化。基于长江口四期遥感影像解译结果,得到盐沼植被群落结构变化,结合对盐沼植被促淤消浪功能已有研究成果,量化崇明东滩盐沼植被促淤消浪功能潜力及其变化。研究表明:1980、1990、2000和2010年崇明东滩芦苇、互花米草、藨草群落面积比例分别为23∶0∶77、73∶0∶27、33∶9∶58、34∶34∶32,同期总植被覆盖面积分别为51、83、37、44 km2。30年来滩涂湿地促淤消浪能力均有下降,1990—2000年变化最大。其中,植被黏附悬浮颗粒物量分别为1976、4645、2192、4695 t;沉积量分别为960、1579、195、286万m3;常规波高情况下堤外没有足够植被保护的岸段长度分别为5、0、7、6 km;风暴潮情况下堤外没有足够植被保护的岸段长度分别为19、5、26、20 km。因此保护堤外盐沼植被对消浪促淤,特别是抵御风暴潮等恶劣气候灾害的影响具有重要意义。     

野鸭湖典型湿地植物光谱特征

遥感技术已成为湿地植被识别和分类的重要手段,而深入研究地面植物群落光谱特征对于利用遥感影像的湿地植被分类具有指导意义。以典型淡水湿地——野鸭湖湿地为实验区,测定其典型湿地植物群落的反射光谱,并重采样以模拟OMIS机载成像光谱仪红-近红外的50个波段。在此基础上应用二阶导数的方法得到湿地植物识别的9个最佳波段:515.3,553.1,626.5,687.5,733.9,810.6,821.1,833.0,966.8nm。这些波段可以很好的识别湿地植物类型:沉水植物在810.6,821.1,833.0nm存在独特的吸收/反射特征,与其他湿地植物类型相区别。浮水、挺水、湿生、中生植物相比,浮水植物在515.3nm的吸收特征和553.1nm的反射特征较为突出;浮水、湿生、中生植物在687.5nm的吸收特征与挺水植物相比更为显著,但挺水植物在733.9nm的反射特征尤为明显;湿生植物在626.5nm的吸收特征比浮水、挺水、中生植物更加显著;中生植物缺少在626.5nm的吸收特征,但在966.8nm的吸收特征最为明显。研究成果不仅可以为野鸭湖湿地植被的高光谱遥感数据处理及湿地植被制图提供一定的科学依据,而且可以为淡水湿地植被的遥感识别和分类提供一定的参考、借鉴。     

崇明东滩南部盐沼植被空间分布及影响因素分析

崇明东滩南部滩面高程、土壤盐度在空间上呈明显的梯度变化规律。高程整体西高东低、北高南低, 盐度东北高、西南低, 两者共同限制着盐沼植物在空间上的分布。该文围绕崇明东滩南部主要植被类群及其空间分布, 探讨了土壤盐度、潮滩高程两大环境因子与植物种群分布的对应关系。基于2013年夏、秋季植被空间网格采样和空间插值, 分析了东滩南部植物的空间分布现状, 发现不同植物类群在高程和土壤盐度上存在极显著的差异(p < 0.01)。高程差异: 莎草科类群主要分布于高程区间2.93-4.07 m的低潮滩, 禾本科主要集中分布在高程3.13-4.31 m的中、高潮滩; 盐度差异: 海三棱藨草(Scirpus mariqueter)和互花米草(Spartina alterniflora)优势种群植被覆盖区表层30 cm的平均土壤盐度为(3.2 ± 0.6) g·kg^-1, 显著高于其他类群植物分布区的平均土壤盐度(2.0 ± 0.3) g·kg^-1 (p < 0.01)。崇明东滩湿地生态系统的关键种兼先锋种——海三棱藨草, 分布高程介于2.53-3.97 m, 而互花米草能适应海三棱藨草80%的高程区间, 两者在高程上存在竞争关系。统计数据显示, 研究区域中近90%的海三棱藨草分布在研究区东北部, 土壤盐度范围为1.6-4.5 g·kg^-1, 海三棱藨草、互花米草能较好地适应该空间内的盐度胁迫, 两种植物在此交替出现。但是在高程和土壤盐度的综合作用下, 互花米草的生长状况更好, 因此该区的海三棱藨草很可能会被互花米草逐步取代。对各类群植被分布和优势面积的研究发现, 海三棱藨草总分布面积为294 hm², 优势群落面积120 hm², 海三棱藨草仅占莎草科植物总优势面积的15.7%, 占研究区总面积的6.9%, 在6种主要植物(芦苇(Phragmites australis)、白茅(Imperata cylindrica)、互花米草、糙叶薹草(Carex scabrifolia)、藨草(Scirpus triqueter)、海三棱藨草)中比重最小, 这给保护区内海三棱藨草种群的恢复和保护带来极大的挑战。     

崇明东滩盐沼土壤重金属含量的高光谱估算模型

高光谱遥感技术现已被广泛应用于地表矿物成份的识别以及它的含量、植物化学成份的估测,土壤调查等方面的研究。利用地物光谱仪测定了长江口崇明东滩盐沼土壤的光谱信息,根据EO-1卫星Hyperion高光谱仪的波段设置,提取各波段平均波长的光谱反射率,并结合实验室实测的土壤重金属含量,应用偏最小二乘法(PLS),预测盐沼土壤重金属含量。结果表明,盐沼土壤重金属Zn、Cr、Cu预测值与实测值相关系数分别达到0.822**、0.761**和0.775**,均为极显著相关,其实测值与预测值的平均相对误差为4%、3%和4%。研究结果可以为高光谱遥感技术反演盐沼土壤重金属含量,进一步应用空间或航空遥感进行大尺度环境污染遥感、遥测信息提取和反演提供技术支撑。     

水位调控措施治理互花米草对大型底栖动物群落的影响

采用物理控制措施治理崇明东滩自然保护区外来入侵植物互花米草(Spartina alterniflora)的蔓延和扩散,对保护该地区的生物多样性具有重要的意义.研究跟踪了崇明东滩治理互花米草示范样地内水位调控措施对大型底栖动物群落的影响.结果显示,潮间带大型底栖动物的密度和生物量具有显著的季节性波动,实施持续水位调控措施样地中大型底栖动物的密度、生物量和丰富度指数均显著低于同时期对照样地.破堤排水后的恢复样地中,随着恢复时间延长,大型底栖动物密度、生物量和丰富度指数均有不同程度的恢复.应用DCA排序方法有助于进一步分析大型底栖动物群落与水位调控措施强度之间的相互关系.研究结果表明,水位调控措施会对盐沼植被中大型底栖动物的密度、生物量和多样性产生负面影响,但这种影响在治理互花米草水位调控措施结束后可逐渐自然恢复.     

上海崇明东滩互花米草种子产量及其萌发对温度的响应

外来物种互花米草通过快速的无性和有性繁殖,已在崇明东滩形成了大面积的单优势种群。研究了崇明东滩互花米草入侵区种子产量及温度对其萌发的影响。结果表明,互花米草在潮间带的中潮间带种子产量最高,为44523粒/m²,高潮间带次之,为31150粒/m²,低潮间带最低,为17250粒/m²。各潮间带的种子在10 30℃范围内均能萌发,而且随着温度的升高,萌发率和萌发速度总体呈现先增大后减小的趋势。互花米草种子在25℃恒温与20/30℃变温处理下的萌发率最高和萌发速度最快,而且互花米草种子在变温环境下的萌发率高于恒温处理。研究表明,崇明东滩中潮间带互花米草的种子产量和活性最高,是提供有性扩散种源的主要区域,适合种子萌发温度的4-5月是互花米草进行有性扩散的主要季节。研究结果对了解互花米草有性繁殖扩散的时空格局和入侵生态学过程,以及有效控制和管理入侵物种互花米草提供了科学依据。     

Forecasting the effects of sea-level rise at Chongming Dongtan Nature Reserve in the Yangtze Delta,Shanghai, China

Located at the mouth of the Yangtze Estuary, the Chongming Dongtan Nature Reserve is extremely vulnerable to climate change and especially to accelerated sea-level rise. We use a variety of data from remote sensing, an in situ global positioning system (GPS), tidal gauges, nautical charts, geographic spatial analysis modeling and IPCC sea-level rise scenarios to forecast the potential impacts of increased sea level on the coastal wetland habitat at Chongming Dongtan Nature Reserve. The results indicate that around 40% of the terrestrial area of the Dongtan Reserve will be inundated by the year 2100 due to an estimated 0.88 m increase in sea level. In particular, the Scirpus mariqueter communities and bare tidal flats are more vulnerable to sea-level rise. The limitations of this approach and the implication of the results for wetland and ecosystem conservation as well as management are discussed.     

长江口滨海湿地潮间带生态系统的多稳态特征

多稳态现象普遍存在于多种生态系统中,它与生态系统的健康和可持续发展密切相关,已成为生态学研究的热点与难点,但是目前有关滨海湿地生态系统多稳态的形成机制还缺乏深入研究.本文以崇明东滩鸟类自然保护区的潮间带生态系统为研究对象,通过以下内容,开展滨海湿地多稳态研究: 1)通过验证多稳态的判定依据“双峰”和“阈值”特征,证实长江口潮间带生态系统存在多稳态,并确定其稳态类型;2)通过监测潮间带生态系统水动力过程、沉积动力过程以及盐沼植物生长和扩散情况,分析盐沼植被与沉积地貌之间的正反馈作用,进而探讨潮间带生态系统多稳态的形成机制.结果表明: 1)潮间带生态系统的归一化植被指数(NDVI)频度分布存在明显的双峰特征,且盐沼植物成活存在生物量阈值效应,均证实潮间带生态系统存在多稳态,“盐沼”和“光滩”是潮间带生态系统的两种相对稳定状态;2)崇明东滩盐沼前沿的沉积地貌表现出泥沙快速淤积的趋势,显著促进了盐沼植物的生长,盐沼植物与泥沙淤积之间的这种正反馈作用是潮间带生态系统形成多稳态的主要原因;3)盐沼植被扩散格局监测结果在景观尺度上也表明,泥沙淤积作用促进了潮间带生态系统“盐沼”和“光滩”多稳态的形成.本研究既丰富了滨海湿地稳态转换的机理研究,也为我国开展海岸带保护、修复和管理提供了科学依据,具有重要的理论和实践意义.     

Evaluation of ecosystem health for the coastal wetlands at the Yangtze Estuary, Shanghai

Despite the growing awareness of the important ecological functions and values provided by coastal and estuarine wetlands, wetland degradation continues worldwide due to increasing anthropogenic disturbances. Chongming Dongtan wetlands, adjacent to Shanghai, the largest city and industrial and trading port in China in rapid urban expansion and socioeconomic development are currently threatened with biodiversity reduction, wetland loss, contamination, and invasion of exotic plant. Sustainable protection and management of Dongtan Nature Reserve necessitate research to develop diagnostic tools and indicators for a comprehensive and objective assessment of wetland ecosystem health condition. Based on the pressure-state-response framework and ecological and environmental surveys at the Dongtan wetlands, an indicator system was established for evaluating the coastal wetlands ecosystem health, using indicators detected from satellite imagery and current field surveys. Through the establishment of health assessment units and spatial quantification of the indicators, the spatial clustering analysis, integrated with remote sensing and geographic information system technique was applied to make an accurate diagnosis of ecosystem health for Chongming Dongtan wetlands and highlight the areas in subhealthy and unhealthy condition and urgent need of conservation and management. The results from this research indicated that the ecosystem health condition at the Dongtan wetlands showed spatial variation, to a certain extent, corresponding to the distributions of elevation and land cover types. More than 75 % of the total study area was at a relatively healthy level, with 34.19 km² for the very healthy zone and 41.08 km² for the healthy zone, while the subhealthy and unhealthy zones covered 18.23 and 4.76 km², respectively. This study demonstrated the potential for this integrated approach to give objective and effective evaluation of ecosystem health for the dynamic coastal and estuarine wetlands and provide up-to-date information to assist with early warning for ecological security and management decisions for Chongming Dongtan Nature Reserve.     

小陇山国家级自然保护区次生林分类、排序及演替

在野外调查基础上,采用TWINSPAN和DCA对小陇山林区次生林群落进行了数量分类和排序,从植物群系组成、植物群落与环境的生态关系方面,研究小陇山植被群落的分布格局,用以确定该区次生林演替,并给予合理的环境解释。结果表明:采用TWINSPAN数量分类方法,将植被划分为12个群落类型;DCA排序图明显反映出排序轴的生态意义,第一轴基本上突出反映了湿度变化,沿第一轴从左到右,湿度逐渐增大;第二轴主要表现了温度梯度,沿第二轴从下到上,温度逐渐降低;次生林的演替序列为山杨林→山杨+白桦林→锐齿栎混交林及锐齿栎纯林,其自然恢复演替以锐齿栎林为顶极群落。     

遥感与GIS支持下的崇明东滩迁徙鸟类生境适宜性分析

崇明东滩鸟类自然保护区位于长江入海口,是国际迁徙鸟类重要的栖息地.受自然和社会因素影响,该地区鸟类栖息环境正处于快速变化.研究采用面向对象的图像分割方法提取鸟类生境适宜性多边形评价单元,根据近年来野外调查数据分析了影响迁徙鸟类生存的地类、植被、潮沟、底栖生物等关键环境因素,建立了鸟类与关键环境影响因素的定性定量关系.在此基础上利用GIS空间分析方法和技术,进行了崇明东滩鸟类保护区内主要四大鸟类种群雁鸭类、鸻鹬类、鹭类以及鸥类的生境适宜性分析.结果表明:(1)崇明东滩迁徙鸟类生境较适宜的面积占保护区总面积40%左右;(2)光滩区域、与光滩邻近的海三棱藨草带以及潮沟地带是鸟类生境适宜性较好的地理区域;(3)基于面向对象的遥感分析技术和GIS空间分析技术,能有效且简便地对生态环境处于快速动态变化中的物种生境适宜性进行快速、客观准确的分析评价,其结果可为崇明东滩鸟类种群及其生存环境规划、保护和管理提供基础科学依据.     

Spectral response characteristics and identification of typical plant species in Ebinur lake wetland national nature reserve (ELWNNR) under a water and salinity gradient

The spectral characteristics of variable selection are particularly important for wetland vegetation mapping. In the present study, we combined soil salt and water content with spectral data collected in the Ebinur Lake Wetland National Nature Reserve (ELWNNR) in Western China to understand the effects of soil salt and water content on plant spectra. The results showed the following: (1) the distribution of plants reflect the macroscopic response characteristics of plants on water and salt environment; (2) a certain response rule exists between the spectra of different plants under a water and salt gradient, e.g., with increase in water and salt gradient, the spectral reflectivity of salt-dilution plant decreases, and salt-exclusion plant increases; (3) a response pattern is formed between the “trilateral” characteristics of plant spectrum and water salt gradient. With the increase of salinity gradient, the “red edge”, “blue edge”, and “yellow edge” shows the most obvious changes in the 0.8 order derivatives, e.g., when the soil salt content was range from 4.2 to 8.8 g/kg, the spectral characteristics of the plants were the most obvious; (4) Fisher linear discriminant analysis found that during fractional order to integer promotion, classification accuracy of the 0.8 order derivative was higher than the integer order derivatives. Therefore, the “trilateral” characteristics of plants spectra in the 0.8 order derivatives were more accurate than the first derivative. The 0.8 order derivative was more advantageous to distinguishing plants, with a classification accuracy of 89.37%, indicating the potential of 0.8-order derivative for hyperspectral remote sensing of plants. This study introduced a fractional order derivative to hyperspectral remote sensing for the quantitative analysis of differences in the vegetation spectrum, provided new insights to the research and application of vegetation remote sensing.     

木论喀斯特峰丛洼地森林群落空间格局及环境解释

基于广西壮族自治区木论国家级自然保护区典型峰丛洼地景观尺度内不同微生境条件和植物群落类型50个样地 (20 m × 20 m)的系统取样调查, 用二元物种指示方法(TWINSPAN)对样地内胸径(DBH) ≥ 1 cm的木本植物进行分类, 选择10个土壤环境因子和5个空间因子, 利用除趋势典范对应分析(DCCA)研究了森林群落分布的土壤环境与空间格局, 并给予定量化的合理解释。结果如下: 1) TWINSPAN将森林群落划分为11组, 在三级水平上分为4类生态群落类型。2) DCCA第一排序轴集中了排序的大部分信息, 突出反映了各森林群落所在的坡向和土壤主要养分梯度, 沿第一轴从左到右, 坡向由阴转阳, 岩石裸露率越来越高, 土壤主要养分逐渐降低, 森林群落分别出现了由原生性和耐阴性强逐步向阳性先锋树种为主的次生林和人工林变化的格局。3)因子分离分析结果表明, 土壤环境因子对森林群落分布格局的解释能力为39.16%, 其中21.02%单纯由土壤环境因子所引起, 空间因子的解释能力为31.34%, 其中13.16%独立于土壤环境的变化, 18.15%是土壤环境和空间因子相互耦合作用的结果, 不可解释部分达47.66%, 表明喀斯特峰丛洼地森林群落的物种共存受生态位分化理论和中性理论双重控制。