為了了解植物如何響應(yīng)和影響其環(huán)境，生態(tài)學(xué)家經(jīng)常使用一系列稱為功能特征的標(biāo)準(zhǔn)化測量。例如，植物進行光合作用的能力受到葉片氮濃度等特性的影響。

但是測量這些特征可能非常耗時，這限制了生態(tài)學(xué)家可以獲得的信息量。

現(xiàn)在，蒙特利爾大學(xué)的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種方法，通過新的統(tǒng)計模型繞過這些限制，該模型可以快速估計來自各種景觀的許多植物的葉子性狀。

在今天發(fā)表在《新植物學(xué)家》(New Phytologist)上的一項研究中，研究人員討論了反射光譜(測量數(shù)百種波長的光反射率，遠遠超出人眼所能看到的)如何用于快速、無損地估計特征，無論是逐葉還是使用安裝在飛機或衛(wèi)星上的復(fù)雜相機遠程覆蓋整個景觀。

“通過像EnMAP和PRISMA這樣的新衛(wèi)星任務(wù)，我們現(xiàn)在能夠從太空測量全球廣大地區(qū)植被的光譜反射率，”資深作者，UdeM生物學(xué)教授Etienne Laliberté說。“我們的研究表明，如何將這些光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有關(guān)植物如何運作的生態(tài)相關(guān)信息。

每個特征的模型

從反射光譜估計功能性狀需要為每個性狀建立一個模型，但大多數(shù)性狀的合適模型要么不可用，要么被開發(fā)為僅對地球廣闊植物多樣性的一小部分和不具代表性的部分工作。

在他們的論文中，UdeM團隊使用反射光譜數(shù)據(jù)集和近二十個特征來構(gòu)建并驗證一組性狀估計模型，這些特征是在加拿大機載生物多樣性天文臺收集的近2，000個葉子樣本上測量的，其中包括100多種樹木，灌木，草和其他草本植物。

“這些樣本跨越了許多生態(tài)系統(tǒng)，包括沼澤和橡樹稀樹草原等受到氣候和土地利用變化威脅的生態(tài)系統(tǒng)，”Laliberté實驗室的博士后研究員Shan Kothari在進行研究時說。“我們使用一種稱為部分最小二乘回歸的統(tǒng)計技術(shù)構(gòu)建了模型，并在CABO數(shù)據(jù)集和其他科學(xué)家收集的外部數(shù)據(jù)集上測試了它們的性能。

相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果

在許多情況下，結(jié)果非常準(zhǔn)確。UdeM模型捕獲了許多重要葉片功能性狀中80%以上的變異，包括單位面積葉片質(zhì)量，纖維素濃度和含水量。除其他特征外，預(yù)測的準(zhǔn)確性差異很大;色素和主要營養(yǎng)素等性狀的預(yù)測表現(xiàn)中等，而許多微量營養(yǎng)素只能預(yù)測得很差。

“任何在該領(lǐng)域工作的植物生態(tài)學(xué)家都知道測量許多功能性狀是多么耗時，這是發(fā)現(xiàn)植物群落如何工作的主要限制，”Kothari說。“我們希望反射光譜可以減輕這種負擔(dān)，并使生態(tài)學(xué)家能夠更深入地了解植物與其環(huán)境之間的相互作用。

共同研究員Rosalie Beauchamp-Rioux補充說：“反射光譜是寶貴的信息來源 - 但首先你需要能夠破譯它們。我們的研究應(yīng)該幫助其他人開發(fā)利用植物遙感的技術(shù)，以更好地了解生態(tài)系統(tǒng)的運作，從而更好地管理和保護生物多樣性。

更通用的型號

盡管UdeM數(shù)據(jù)集主要限于加拿大植物，但研究人員表示，持續(xù)的數(shù)據(jù)收集和綜合有一天可能會使研究人員能夠開發(fā)更通用的模型 - 研究人員可以用來估計任何植物的特征，而無需進行廣泛的驗證。

“訓(xùn)練這樣的模型需要來自更多種類生物群落的特征和光譜數(shù)據(jù)，包括熱帶，沙漠和苔原生態(tài)系統(tǒng)，”Laliberté說。“這將使生態(tài)學(xué)家更容易快速和更大規(guī)模地測量植物功能，使我們能夠檢測植物群落如何應(yīng)對全球變化。

他補充說：“最近在蒙特利爾舉行的COP15會議吸引了全世界對生物多樣性喪失的關(guān)注，其中功能多樣性是其中一個方面。我們希望我們的模型能夠更好地了解加拿大植物群落功能多樣性的喪失或恢復(fù)力 - 這將有助于回答地球上任何地方的生物學(xué)問題。

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