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(cè)量。例如，植物進(jìn)行光合作用的能力受到葉片氮濃度等特性的影響。

但是測(cè)量這些特征可能非常耗時(shí)，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(gè)研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，通過(guò)新的統(tǒng)計(jì)模型繞過(guò)這些限制，該模型可以快速估計(jì)來(lái)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(xiàng)研究中，研究人員討論了反射光譜(測(cè)量數(shù)百種波長(zhǎng)的光反射率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼所能看到的)如何用于快速、無(wú)損地估計(jì)特征，無(wú)論是逐葉還是使用安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的復(fù)雜相機(jī)遠(yuǎn)程覆蓋整個(gè)景觀。

“通過(guò)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(cè)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(shuō)。“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(yùn)作的生態(tài)相關(guān)信息。

每個(gè)特征的模型

從反射光譜估計(jì)功能性狀需要為每個(gè)性狀建立一個(gè)模型，但大多數(shù)性狀的合適模型要么不可用，要么被開(kāi)發(fā)為僅對(duì)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(tuán)隊(duì)使用反射光譜數(shù)據(jù)集和近二十個(gè)特征來(lái)構(gòu)建并驗(yàn)證一組性狀估計(jì)模型，這些特征是在加拿大機(jī)載生物多樣性天文臺(tái)收集的近2，000個(gè)葉子樣本上測(cè)量的，其中包括100多種樹(shù)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(shù)稀樹(shù)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(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Shan Kothari在進(jìn)行研究時(shí)說(shuō)。“我們使用一種稱為部分最小二乘回歸的統(tǒng)計(jì)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(cè)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(cè)的準(zhǔn)確性差異很大;色素和主要營(yíng)養(yǎng)素等性狀的預(yù)測(cè)表現(xiàn)中等，而許多微量營(yíng)養(yǎng)素只能預(yù)測(cè)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(cè)量許多功能性狀是多么耗時(shí)，這是發(fā)現(xiàn)植物群落如何工作的主要限制，”Kothari說(shuō)。“我們希望反射光譜可以減輕這種負(fù)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(bǔ)充說(shuō)：“反射光譜是寶貴的信息來(lái)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(kāi)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(yùn)作，從而更好地管理和保護(hù)生物多樣性。

更通用的型號(hào)

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(huì)使研究人員能夠開(kāi)發(fā)更通用的模型 - 研究人員可以用來(lái)估計(jì)任何植物的特征，而無(wú)需進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證。

“訓(xùn)練這樣的模型需要來(lái)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(shuō)。“這將使生態(tài)學(xué)家更容易快速和更大規(guī)模地測(cè)量植物功能，使我們能夠檢測(cè)植物群落如何應(yīng)對(duì)全球變化。

他補(bǔ)充說(shuō)：“最近在蒙特利爾舉行的COP15會(huì)議吸引了全世界對(duì)生物多樣性喪失的關(guān)注，其中功能多樣性是其中一個(gè)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(wèn)題。

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