NEE | 利用遥感成像光谱检测生物多样性对森林生产力的影响

背景

为实现全球生物多样性目标，需要量化生物多样性是如何在大尺度范围内随时间影响生态系统的功能。来自于美国明尼苏达大学圣保罗分校的Williams等人，使用全球最大的生物多样性实验网络（TreeDivNet）中IDENT的部分数据，提出了一种利用机载成像光谱评估幼龄林中的生物多样性效应的方法。该方法通过利用林分之间的光谱差异来量化净生物多样性效应对茎生物量和冠层氮的影响，揭示了光谱主导效应与光谱可塑性效应两种不同的过程是如何通过物种多样性的变化引起林分水平的光谱、化学性质和生物量之间的差异。

图1  模拟评估光谱多样性效应。使用两种方式模拟混交林分来划分光谱主导效应（sDE）和光谱可塑性效应（sPE）对净生物多样性效应（sNBE）的贡献：1）根据混交林分中每个物种树木（T）的数量（SimT）；2）根据混交林分中每个物种的上部冠层叶面积(L)（SimL）。图中的圆形和三角形树冠代表两个物种，被用来示意纯林、模拟的混交林分和实际观察到的混交林分。

结果

研究发现，生物多样性对生物量的作用主要受光谱检测到的林分之间生物量的差异的影响（图2）。另外，光谱预测的净生物多样性效应（NBE）可以解释实地测量的NBE的54-69%（图3a, d）。通过将光谱预测的NBE划分为光谱主导效应(sDE)和光谱可塑性效应(sPE)（图1），发现林分多样性增加的茎生物量最有可能归因于上冠层优势物种的变化，而不是叶片性状或冠层结构的可塑性变化（图4）。

研究还评估了混交林分和纯林林分之间冠层氮的差异是否与多样性增加的茎生物量相对应。结果表明，光谱预测的冠层氮的NBE与实地测量的茎生物量的NBE呈正相关，且可以解释每年林分之间近三分之一的变化（图4a，d）。另外，实地测量的茎生物量的NBE与冠层氮的sDE（R2≥0.33）（图4b，e）更相关。

最后，研究还发现物种多样性增加的茎生物量是由纯林和混交林分间的光谱信号差异驱动的，这种差异源自物种冠层的优势或冠层结构或叶性状的种内变化。且这些驱动因素对多样性影响的相对贡献取决于林分的物种组成。例如，sDE在被子植物的混交林分中普遍存在，这些物种对应于资源经济学谱中的“进取型”。sPE在裸子植物混交林分中的贡献表明冠层的种内变化与群落驱动的物种冠层叶片性状变化一致。此外，生物多样性对茎生物量影响的光谱信号与冠层氮制图的结果是一致的，这有助于我们对森林生产力驱动因素的理解，即生产力的增加、光捕获增加与吸收碳的能力之间的功能联系。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41559-020-01329-4

转自：“数字生态GuoLab”微信公众号

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