Characterizing spatial and temporal variability in plant functional traits with vegetation spectroscopy

Abstract

陆地生态系统碳循环的强度既受制于外在的环境因子也受制于内在的植物生理性状参数（如光合作用潜力、水分利用效率）。准确刻画植物关键生理性状参数的时空变异对于陆地生态系统碳循环机理的准确理解和建模至关重要。近年来，高光谱遥感技术正逐渐成为植物生理性状参数刻画的最重要手段之一。其背后的原理是因为植物叶片、冠层的高光谱光学特性与它们的生化、生理性状紧密关联，因而可以利用高光谱遥感技术帮助高效、精确地刻画植物生理性状参数。目前，相关研究的主要争论集中在基于高光谱遥感技术的植物生理性状刻画是否具有时空普适性，如1）在时间维度上，高光谱遥感技术是否可以帮助高效捕捉生理性状随叶片年龄的季节动态，以及2）在空间维度上，是否具有跨生态系统类型使用的统一模型。 为解决时间维度上的普适性问题，我们在三个热带森林站点进行季节采样，分别采集了叶片高光谱反射率和叶片光合作用潜力（Vcmax）数据, 并对两者进行了严格的统计建模。研究结果表明，基于高光谱反射率的Vcmax模型可以高精度地刻画Vcmax (R2=0.89), 并且该模型可适用于刻画由不同物种、森林站点以及叶片年龄引起的Vcmax动态变化。此外，我们将这个基于高光谱的Vcmax模型同先前已发表的基于高光谱的叶片年龄模型相结合，结果表明通过耦合这两个模型，高光谱数据可以高效、精确地刻画Vcmax随叶片年龄呈现的季节动态，从而证明了基于高光谱反射率的Vcmax模型具有时间尺度上的普适特性。 为检验空间维度上的普适性问题，我们在我国三个具有不同森林类型的塔吊站点（吉林长白山、广东鼎湖山以及云南西双版纳）分别采集了叶片高光谱反射率和Vcmax数据，发现无论是站点内部还是站点之间，叶片高光谱反射率均可高精度地预测Vcmax以及其他相关的植物功能性状 (R2=0.77-0.94)。这项研究成果证明了植物生理性状-高光谱反射率关系具有跨生态系统类型的普适性，从而为利用高光谱遥感技术在定量刻画植物功能性状间的关联以及生态系统建模的参数化等方面提供了重要的经验事实。 综上，这些研究结果表明了高光谱遥感可以作为一种新型的技术来帮助刻画和理解植物生理性状的时空动态，并为陆地生态系统碳循环模型提供重要的参数和机理。