植被功能多樣性是反映生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要指標(biāo),估測(cè)功能多樣性對(duì)于評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)成效和指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)工程具有重要意義。無人機(jī)遙感可以快速獲取精細(xì)的群落結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù),為生態(tài)修復(fù)成效評(píng)價(jià)和植被優(yōu)化提供可依據(jù)。

采用無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取地面數(shù)據(jù)，提取植物群落形態(tài)和生理參數(shù),反演功能多樣性,揭示修復(fù)模式對(duì)植物群落性狀及功能多樣性的影響，為礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供科技支撐。

01功能多樣性測(cè)度方法

植物群落性狀

功能多樣性的實(shí)質(zhì)是功能性狀的多樣性,功能性狀是指與植物定植、存活、生長(zhǎng)和死亡緊密相關(guān)的一系列核心植物屬性，且這些屬性能夠顯著影響生態(tài)系統(tǒng)功能。最顯著和易測(cè)量的性狀是形態(tài)性狀和生理性狀。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)主要目的是構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落、恢復(fù)生產(chǎn)力和碳固定功能,因此主要考慮與光合、生長(zhǎng)和資源競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)的形態(tài)或生理性狀。

在形態(tài)性狀方面，本文選取95%高度分位數(shù)(HP95)、間隙率(GF)、葉高多樣性(FHD)三個(gè)指標(biāo)來描述植物群落的垂直高度、水平開放度和冠層內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)性,計(jì)算見式(1)~式(3)。95%高度分位數(shù)是指植被到地面的垂直距離，其計(jì)算方法是將樣地內(nèi)所有歸一化的激光雷達(dá)點(diǎn)云按高度進(jìn)行排序，然后計(jì)算樣地內(nèi)95%的點(diǎn)所在的高度，95%高度分位數(shù)越大,植物群落能利用的垂直生長(zhǎng)空間資源更多。間隙率是指植被首次回波的比例,比例越高表明穿透率越大,間隙率越小,植物群落對(duì)水平空間資源利用程度越高。

02功能多樣性反演結(jié)果與分析

植物群落性狀提取精度

在六個(gè)植物群落性狀中,95%高度分位數(shù)和葉高多樣性是從激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中直接提取，無實(shí)測(cè)值。對(duì)于間隙率、植被含水量、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量四個(gè)性狀，采用回歸分析法計(jì)算性狀實(shí)測(cè)值與遙感提取值之間的相關(guān)性(圖3)。在形態(tài)性狀方面,間隙率估算精度較高,R’達(dá)到 0.898,均方根誤差為0.480。在生理性狀方面,植被含水量、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量估測(cè)的R’分別為0.629、0.6480.641,表明植物群落內(nèi)部生理性狀變異性大,生理性狀的遙感估測(cè)精度略低于形態(tài)性狀。

圖2 基于無人機(jī)遙感的植被功能多樣性測(cè)度方法

圖3 植物群落性狀反演精度

植物群落形態(tài)性狀與生理性狀

圖4為研究區(qū)及典型植物群落的形態(tài)性狀和生理性狀的遙感反演結(jié)果。

(1)-沙棘;(2)-楊樹;(3)-沙棘+檸條;(4)-刺槐;(5)-草本;(6)-紫穗槐;(7)-油松

圖4 研究區(qū)及典型植物群落的形態(tài)性狀和生理性狀

圖5 研究區(qū)及典型植物群落的功能多樣性

表1 不同植被重建初始優(yōu)勢(shì)種群落的功能多樣性

結(jié)合植物性狀及功能多樣性結(jié)果來看,初始生態(tài)修復(fù)引種植物為楊樹和油松的群落經(jīng)過10a的演替后,垂直和水平形態(tài)結(jié)構(gòu)豐富,但生理性狀一般且較為均一。刺槐、紫穗槐、檸條十沙棘群落在演替后,形態(tài)性狀和生理性狀均較為豐富,但類胡蘿卜素含量偏低;沙棘群落在演替后,形態(tài)性狀和生理性狀都較為單一,且植被紅邊脅迫指數(shù)高,面臨較大程度的水分脅迫。草本和裸地植物稀疏，形態(tài)性狀和牛理性狀及功能多樣性水平都較低。

這表明初始植被配置會(huì)對(duì)植物群落演替造成顯著影響,喬灌混合的植物群落在演替后的植物性狀和多樣性水平相對(duì)較高,垂直結(jié)構(gòu)豐富,水平開放度高,對(duì)光、熱、水分資源的利用更加有效,有利于形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)因此,在生態(tài)修復(fù)時(shí),應(yīng)注意對(duì)不同高度、光合能力,水分需求的植物進(jìn)行搭配,在生態(tài)修復(fù)后,可以依據(jù)植物性狀及功能多樣性實(shí)施間伐、補(bǔ)栽、修剪等群落優(yōu)化措施,增強(qiáng)群落的自維持能力。

03結(jié)論

1)無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)能夠有效反演植物群落的形態(tài)性狀和生理性狀,95%高度分位數(shù)、間隙率、葉高多樣性的反演精度 R’大于0.9,葉綠素、類胡蘿卜素、葉片含水量生理性狀的反演精度 R’大于0.6。基于形態(tài)性狀和生理性狀，可以有效地定量描述植物群落功能多樣性。

2)生態(tài)修復(fù)初期的植物配置會(huì)對(duì)演替后的植物群落功能多樣性造成顯著影響,喬灌混合的植物群落在演替后的植物性狀和多樣性水平相對(duì)較高垂直結(jié)構(gòu)豐富,水平開放度高,對(duì)光、熱、水分資源的利用更加有效,有利于形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。因此生態(tài)修復(fù)和后期管護(hù)時(shí),可將植被功能多樣性作為依據(jù)。

3)總體來看,無人機(jī)遙感可以獲取精細(xì)的植物群落結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù),提取高精度的植物性狀和功能多樣性信息,識(shí)別不同植物群落的形態(tài)性狀與生理性狀差異,從而為生態(tài)修復(fù)和成效評(píng)價(jià)提供可依據(jù)。無人機(jī)遙感在礦山生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中具有廣闊的應(yīng)用前。

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審核編輯 黃宇