基于地面高光谱的鄱阳湖湿地优势植物的生态对策研究

It is evident that trait combinations and trade-offs may reflect plant ecological strategies that have adapted to different environments, while many of traits are supposed to have a causal relation with spectral signatures. This led us to suppose that spectral signatures could reflect plant ecological strategies determined by trait combinations. Based on the CSR classification scheme developed by Pierce et al., the research uses in situ hyperspectral data of canopy of four dominant wetland plants in southern Poyang Lake, and sets out to (ⅰ) analyze interspecific variations of seven leaf functional traits, including leaf thickness, leaf area, leaf dry matter content, specific leaf area, leaf nitrogen concentration, leaf phosphor concentration and leaf water content, using the principal component analysis (PCA), for identifying the characteristic spectral variables that are sensitive to the main axes of variability in leaf traits, (ⅱ) build the Competitor-Stress tolerator-Ruderal CSR model based on the spectral variables to determine the optical CSR strategies of different wetland plants, and (ⅲ) determine the source and consistency of variation between the spectral variables and leaf traits, by analyzing the correlations between the characteristic spectral variables and leaf traits and its relation with environmental factors, in order to explore the formation mechanism of optical CSR strategies and realize the effect factors of model application. The findings will provide theoretical basis and technical support for further exploration of remote sensing technologies in identification of plant ecological strategies and its dynamic monitoring at a larger scale in Poyang Lake.

叶功能性状之间的权衡可以反映植物适应不同生境的生态对策，而许多叶性状都与光谱特征存在因果联系。由此推测光谱特征能反映由叶性状组合决定的生态对策。本项目基于Pierce等建立的CSR分类系统，以鄱阳湖南部典型湿地的4个优势植物为研究对象，基于地面冠层高光谱，选取叶片厚度、叶面积、叶干物质含量、比叶面积、叶氮含量、叶磷含量和叶片含水量7个叶性状，采用主成分分析解析叶性状种间变异的主导维度，通过多种光谱特征提取技术筛选出对性状变异主轴敏感的光谱参数，建立基于光谱参数的CSR模型，分析不同植物光学型CSR类型的特征；通过分析敏感光谱参数与叶性状的相关性，结合叶性状种间变异及其与环境因子的关系，解析叶性状和冠层光谱变异的来源和一致性，探究光学型植物生态对策的形成机制，明确对光学型CSR模型应用的影响因素。本研究有望为利用遥感技术进行鄱阳湖湿地植物生态对策的识别及其动态监测提供理论指导和技术支撑。

叶功能性状之间的权衡可以反映植物适应不同生境的生态对策，而许多叶性状都与光谱特征存在因果联系。本项目以鄱阳湖湿地5种优势植物为研究对象，以地面冠层高光谱和叶性状为数据源，研究建立光学型CSR生态对策模型。通过本项目实施，发现：1) 叶干物质含量(LDMC)与比叶面积(SLA)存在显著负相关，与叶面积(LA)存在显著正相关，而SLA与LA存在显著负相关性。2) 对5种植物的叶性状种间分异进行主成分分析，前两个主成分累计解释方差达77.74%，其中第一主成分与LDMC、LA正相关，而与SLA负相关，第二主成分则与叶氮含量(LNC)和叶磷含量(LPC)正相关，表明鄱阳湖湿地植物的经济型谱和大小谱都集中在叶性状变异的一条主轴上，而另一条主轴则表现为叶片养分轴。3) 筛选出了高光谱归一化植被指数(RVIh)、冠层结构不敏感色素指数(SIPI)和归一化叶绿素比值植被指数(NPCI)作为对叶性状种间分异敏感的光谱特征参数，其中RVIh与LA存在显著正相关，与LDMC也存在正相关，SIPI则与LDMC存在负相关，NPCI与LNC和LPC存在负相关。4) 基于这3个光谱参数，通过将叶性状变异空间转换为CSR三角空间，构建了光学型CSR模型。5) 利用该模型确定了5种植物的CSR对策以SC/CSR为主，包括SC、SR/CSR和S/CSR类型，表明鄱阳湖湿地的优势植物主要为竞争型耐胁迫植物，总体上又可分为两类，第一类为典型的竞争型耐胁迫植物，包括芦苇和南荻，这类植物具有较大的LA和LDMC而较小的SLA，表现出对环境资源的保守性；另一类为杂草型竞争植物，包括苔草、虉草和藜蒿，这类植物具有较小的LA和LDMC而较大的SLA，表现出对环境资源的积极获取性。6) 结合生境条件和物种生活史，认为鄱阳湖独特的水文过程导致的土壤水分不确定性促使湿地植物表现出明显的耐胁迫性，同时又需要在淹水导致的不确定性生长期内为完成生活史而积极获取环境资源又表现出竞争性，而生态位重叠和普遍的克隆繁殖方式又促使植物为抢先占有生境而表现出一定杂草性。本研究有望为利用遥感技术进行鄱阳湖湿地植物生态对策的识别及其动态监测提供理论指导和技术支撑。