基于無人機遙感的礦山重建植被功能多樣性研究

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,估測功能多樣性對于評價生態(tài)恢復成效和指導生態(tài)修復工程具有重要意義。無人機遙感可以快速獲取精細的群落結構和功能數(shù)據(jù),為生態(tài)修復成效評價和植被優(yōu)化提供可依據(jù)。

采用無人機攝影測量系統(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,揭示修復模式對植物群落性狀及功能多樣性的影響，為礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測與評價提供科技支撐。

01功能多樣性測度方法

植物群落性狀

功能多樣性的實質是功能性狀的多樣性,功能性狀是指與植物定植、存活、生長和死亡緊密相關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。最顯著和易測量的性狀是形態(tài)性狀和生理性狀。礦區(qū)生態(tài)修復主要目的是構建穩(wěn)定的植物群落、恢復生產力和碳固定功能,因此主要考慮與光合、生長和資源競爭相關的形態(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)三個指標來描述植物群落的垂直高度、水平開放度和冠層內部競爭性,計算見式(1)~式(3)。95%高度分位數(shù)是指植被到地面的垂直距離，其計算方法是將樣地內所有歸一化的激光雷達點云按高度進行排序，然后計算樣地內95%的點所在的高度，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,植物群落對水平空間資源利用程度越高。

02功能多樣性反演結果與分析

植物群落性狀提取精度

在六個植物群落性狀中,95%高度分位數(shù)和葉高多樣性是從激光雷達點云數(shù)據(jù)中直接提取，無實測值。對于間隙率、植被含水量、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量四個性狀，采用回歸分析法計算性狀實測值與遙感提取值之間的相關性(圖3)。在形態(tài)性狀方面,間隙率估算精度較高,R’達到 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的R’分別為0.629、0.6480.641,表明植物群落內部生理性狀變異性大,生理性狀的遙感估測精度略低于形態(tài)性狀。

圖2 基于無人機遙感的植被功能多樣性測度方法

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)勢種群落的功能多樣性

結合植物性狀及功能多樣性結果來看,初始生態(tài)修復引種植物為楊樹和油松的群落經過10a的演替后,垂直和水平形態(tài)結構豐富,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對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較高,垂直結構豐富,水平開放度高,對光、熱、水分資源的利用更加有效,有利于形成穩(wěn)定的群落結構因此,在生態(tài)修復時,應注意對不同高度、光合能力,水分需求的植物進行搭配,在生態(tài)修復后,可以依據(jù)植物性狀及功能多樣性實施間伐、補栽、修剪等群落優(yōu)化措施,增強群落的自維持能力。

03結論

1)無人機機載激光雷達和高光譜數(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?；谛螒B(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)修復初期的植物配置會對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較高垂直結構豐富,水平開放度高,對光、熱、水分資源的利用更加有效,有利于形成穩(wěn)定的群落結構。因此生態(tài)修復和后期管護時,可將植被功能多樣性作為依據(jù)。

3)總體來看,無人機遙感可以獲取精細的植物群落結構和功能數(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)修復和成效評價提供可依據(jù)。無人機遙感在礦山生態(tài)監(jiān)測與評價中具有廣闊的應用前。

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審核編輯 黃宇