戈壁区植被时空格局与形成机理研究

Most gobi desert is distributed in extremely arid region and its extreme and special environment made many endemic plant species evolved, which are precious genetic resources, but the current research on the gobi desert vegetation are rarely reported. The researches on the vegetable pattern and its formation mechanism in gobi desert region, will be of great importance in revealing the space-time evolution of gobi desert vegetation, in protecting biodiversity and in ensuring national ecology safety. Using the Gashun gobi desert as experimental plot and using hyper-spectral image as main data sources, combining with ground survey, and with the aid of the methods such as Remote Sensing, GIS and model simulation, the researches on the remote sensing information extraction, the spatio-temporal pattern and change rule, and the pattern formation mechanism of the sparse vegetation in the gobi desert, will be conducted. Based on the analysis for the spectral response characteristics of lignin and cellulose in the infrared band of short wave, the remote sensing information inversion model of sparse vegetation will be established, and the difficult problem on remote sensing information extraction of sparse vegetation will be solved. Based on the long time serial remote sensing data, the spatial distribution pattern of multiphase vegetation will be recognized and reconstructed, and the pattern change law of gobi desert vegetation will be clarified. The dynamic simulation model of vegetation will be established based on metapopulation dynamic theory, the vegetation pattern formation mechanism will be revealed in the gobi desert region. The above work will provide scientific proofs for the regional protection and utilization of plant resources.

戈壁多分布于极端干旱区，其极端而特殊的环境进化出很多特有植物种，他们是珍稀的基因资源，当前关于戈壁植被研究鲜有报道。开展戈壁植被时空格局与形成机理研究，对揭示戈壁植被变化规律，保护珍贵基因资源，保障国家生态安全具有重要意义。研究以嘎顺戈壁为实验区，以高光谱影像为主要数据源，借助遥感、GIS、模型模拟等手段，开展戈壁区稀疏植被信息遥感提取、植被格局时空变化规律以及植被格局形成机理研究。通过分析木质素、纤维素在短波红外波段的光谱响应特征，构建稀疏植被信息遥感反演模型，解决稀疏植被信息遥感提取难题；识别与重建多期植被空间分布格局，弄清植被时空变化规律；基于集合种群理论，建立植被格局动态模拟模型，揭示戈壁区植被格局形成机理，为区域植物资源保护与利用提供科学依据。

戈壁多分布于极端干旱区，其极端而特殊的环境进化出很多特有植物种，他们是珍稀的基因资源，当前关于戈壁植被研究鲜有报道。开展戈壁植被时空格局与形成机理研究，对揭示戈壁植被变化规律，保护珍贵基因资源，保障国家生态安全具有重要意义。研究以新疆天山南麓洪积扇堆积型戈壁为实验区，以无人机、高光谱、可见光等影像为主要数据源，结合地面样带与大样地调查，借助遥感、GIS、模型模拟等手段，开展戈壁区稀疏植被信息遥感提取、植被格局时空变化规律以及植被格局形成机理研究。主要结果如下：1）研究通过对植被冠层光谱的一般特征、光谱吸收特征及二阶导数光谱吸收特征进行分析，找到对荒漠稀疏植被较为敏感波段，构建了稀疏植被信息遥感反演模型，解决了稀疏植被信息遥感提取问题；2）以无人机高空间分辨率影像UAV RGB图像(1.5cm空间分辨率)为主要数据源，提出了一种将机器学习(随机森林模型)和基于对象的图像分析(OBIA)结合在一起的新方法，实现了采用RF对单株植被进行面向对象的分类。3）通过识别与重建多期植被空间分布格局，从土壤、地形、气候、人为干扰等方面分析区域植被格局驱动因子；4）采用空间点格局分析法中零模型（null models）理论，解读植被格局形成机理。发现：植被格局的成因是生境异质性和生态过程共同作用的结果，其中生境异质性起主导作用，主要对中、大尺度格局产生影响，生境因子能解释60%的物种空间分布原因。剩余40%未解释部分，主要与小尺度上生物学过程相关，种内关联和密度制约是戈壁区植物种间及种内共存的原因，而扩散限制是植物在小尺度显著聚集的主要原因。.连续多年在戈壁区进行地面样带、大样地调查，同时拍摄了大量无人机照片等，获得到一系列珍贵数据，为区域植物资源保护与利用以及进一步开展戈壁区后续研究提供了科学依据。