内蒙古温带典型草原植被和土壤碳氮磷定量反演研究

碳氮磷（C、N、P）循环是当今陆地生态系统领域研究的热点。遥感技术和模型相结合已成为生态系统养分循环宏观研究的手段。模型的建立和应用需要大量的元素信息输入，而传统的地球化学分析花费高效率低，可供适用的元素信息远远不足。因此，利用高光谱遥感技术和方法反演植被-土壤信息无疑是一个具有广阔应用价值的研究领域。本项目拟以内蒙古温带典型草原为研究对象，通过室内和野外光谱测定，建立植被叶片、冠层和土壤C、N、P光谱反射模型，探讨卫星（Hyperion、TM和MODIS）遥感反演植物组分的实用性。基于点上实验对模型和反演理论进行推导，结合面上实验分析遥感实测的可行性。采用地统计学（Kriging）与遥感相结合的方法，对比土壤属性的VIS Map和NIR Map空间格局的保真度。通过遥感填图进行大尺度快速评判，揭示我国典型草地生态系统重要生命元素的时空变异规律。

生态系统的复杂性及空间信息的获取困难严重制约宏观生态研究的发展。因此，利用高光谱遥感技术和方法反演植被-土壤信息大大提高了生态系统模型输入参数的类型和精度，具有重要的理论和实践意义。本项目主要开展了以下几个方面的研究：第一，土壤属性空间格局的保真度研究。通过反射光谱的偏最小二乘方法预测出土壤属性的空间格局保持很高的相似度，进而推断出在景观尺度上土壤属性可以通过可见光-近红外波谱数据进行预测。第二，土壤属性遥感填图研究。应用多元逐步回归分析方法，建立了土壤属性的高光谱预测模型，进行高光谱遥感填图，在大尺度空间上能实现其预测估算，达到快速评判的目的。第三，点上实验研究。以内蒙古典型草原氮添加实验平台开展以下研究：①地上生物量和多度分析。氮添加促进禾草生长，增加禾草地上相对生物量，降低杂草相对生物量。禾草的相对多度增加，杂草的相对多度降低。②叶片尺度上元素化学计量分析。结果表明氮添加显著降低叶片的碳浓度，增加氮浓度；随着氮添加的增加，C:N降低，N:P增加；证明P限制不是导致杂草丢失的关键因素。③植被和土壤属性空间格局分析。结果表明随着氮水平的增加植物物种数减少、冷蒿生物量减少、针茅生物量出现先增加后减少的分布格局；土壤pH不断降低、有效磷、铁和锰含量逐渐增加；土壤全氮没有表现出明显的规律性。土壤金属离子空间变异格局与地上物种分布格局的相似性，发现土壤Mn离子是物种多样性变化的关键因子。第四，面上实验研究。在时间尺度上，对不同草地类型的样带上（草甸草原、典型草原、荒漠草原，东西跨度1200 km，2013年和2014年）进行植物冠层和土壤反射光谱的测定，构建高精度草地生物量监测反演模式和不同草原类型土壤属性含量反演模型，揭示植被与土壤属性的时空变异规律，为宏观生态研究提供重要技术支撑。