無人機近景攝影技術(shù)在崖壁植物多樣性研究中的應(yīng)用

朱佳興,周 慧,熊育久,嚴恩萍,莫登奎,*

1 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院,長沙 410004 2 湖南省林業(yè)遙感大數(shù)據(jù)與生態(tài)安全重點實驗室, 長沙 410004 3 國家林業(yè)局南方森林資源管理與監(jiān)測重點實驗室, 長沙 410004 4 中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 510275 5 中山大學(xué)廣東省南方水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣州 510275

“世界自然遺產(chǎn)”武陵源地屬湘西北武陵山系,處于湘、黔、川、鄂交界山區(qū),是中國14個陸地生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域之一[1]。武陵源區(qū)內(nèi)植物多樣性豐富、植物垂直帶譜明顯、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬中國-日本植物區(qū)系的華中植物區(qū),是該植物區(qū)的核心地帶,蘊藏著眾多的古老珍貴植物和中國特有植物資源[2- 6]。在區(qū)域構(gòu)造體系中,武陵源處于新華夏第三隆起帶,印支運動塑造了其奇特的石英砂巖峰林地貌景觀[7- 11]。武陵源共有石峰3103座,峰體分布在海拔200—1200m,峰體高幾十米至幾百米不等,豐富的石英砂峰體上孕育了不同的植物群落[12]。自1959年至今,國內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)不同側(cè)重點采集調(diào)查了該區(qū)域的植物,但研究范圍均在人類足跡可以達到的地域,而生長于崖壁之上的植物一直未系統(tǒng)調(diào)查研究[13-14]。

植物多樣性及其動態(tài)一直是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的研究熱點之一[15-19]。國內(nèi)外學(xué)者對植物多樣性的調(diào)查研究結(jié)果表明,海拔梯度、光照、立地因子、濕度等環(huán)境因子是影響植物種群分布和生長的重要因素[20]。崖壁植物生存環(huán)境險惡,往往不可及或不易及,傳統(tǒng)調(diào)查方法,例如攀巖,危險性高,因此有關(guān)崖壁植物的多樣性研究分析并不常見。崖壁地勢陡峭,土層稀薄乃至缺失,且其保水及養(yǎng)分涵養(yǎng)能力差,惡劣的特殊生境造成崖壁植物除具有一般植物的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、生理學(xué)及遺傳學(xué)特性外,通常還具有強抗性、耐受性、生態(tài)適應(yīng)多重性等特性[21]。因此,崖壁植物的調(diào)查研究對于確定石漠化、干旱等極端立地條件下的先鋒植物,改善治理石漠化、干旱地區(qū)的生態(tài)條件意義重大。

崖壁植物研究最初采用攀爬和樣方調(diào)查方法,該方法危險性大、只能調(diào)查攀爬可達的植物群落,嚴重局限樣本代表性[21-24]。國外學(xué)者曾采用望遠鏡收集崖壁植物數(shù)據(jù),通過對監(jiān)測崖壁進行網(wǎng)格區(qū)劃,結(jié)合最佳函數(shù)開展崖壁物種研究,但該調(diào)查方法不具可重復(fù)性、物種識別受主觀因素影響大[25-28]。隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展,其起降時間靈活、成本低等優(yōu)點,使無人機在植被調(diào)查與監(jiān)測中獲得廣泛應(yīng)用[29-32]。針對崖壁特殊環(huán)境無人機植被調(diào)查研究較少,筆者提出一種基于無人機近景攝影的高效調(diào)查方法,為崖壁植物調(diào)查研究提供一種新方案,基于該調(diào)查方法采集的崖壁植物影像數(shù)據(jù),試圖解明以下4個科學(xué)問題：1)不同光照條件下崖壁植物數(shù)量隨海拔變化有何規(guī)律？2)崖壁植物多樣性與海拔、立地條件之間的關(guān)系？3)崖壁植物多樣性指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系如何？ 4)水汽條件是否影響崖壁植物多樣性？以期為崖壁植物調(diào)查提供一種有效的新方法,為研究極端生境下植物生態(tài)多樣性提供一種新思路。

1 研究地概況

武陵源世界自然遺產(chǎn)位于中國中部、湖南省西北部,地處東經(jīng)110°20′30″—110°41′15″、北緯29°16′25″—29°24′25″之間,區(qū)內(nèi)石英砂巖形狀豐富多樣,峰柱高聳孤立,其上土層貧瘠,保水能力極差。加之石英砂巖峰常年暴露在陽光下,夏季峰柱表面溫度極高,水分蒸發(fā)快,對植物生存生長極為不利,因此峰柱上的植被在物種組成及生物多樣性、植物生存策略多樣性等方面均表現(xiàn)出十分強烈的特殊性。武陵源世界自然遺產(chǎn)地屬中亞熱帶山原型季風性濕潤氣候,區(qū)內(nèi)年平均降水量1380—1450mm。境內(nèi)年平均無霜期274d。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 The study area

2 材料和方法

2.1 實地調(diào)查

考慮植物的物侯性(例如開花、結(jié)果或落葉)和天氣情況,無人機數(shù)據(jù)采集于2019年7—9月。實地調(diào)查前,在谷歌地球中按不同海拔高度,隨機挑選出覆蓋整個研究區(qū)的150組崖壁樣本,后經(jīng)實地考查和飛行試驗,受航拍高度、GPS信號和崖壁可達性等因素限制,剔除了預(yù)先篩選的部分崖壁、沿調(diào)查路線補充了部分崖壁樣本,最終實地調(diào)查了197座崖壁。

無人機近景攝影時,使用DJI Mavic 2 PRO無人機從平坦開闊的道路、廣場或林窗等地起飛和降落。首先,無人機起飛后,在飛行員可視范圍內(nèi)飛向選定崖壁,緩慢靠近壁面,從崖壁底部垂直自下而上每間隔10m(保證崖壁植物在同一壁面上的連續(xù)性)采集一組崖壁照片。無人機拍攝時距離崖壁面3—6m(保證照片清晰展示崖壁植物特征),每次10m間隔平穩(wěn)停頓后拍攝2—3張崖壁植物照片,在后期處理中擇優(yōu)保留照片。

2.2 植物鑒定

全面收集、整理武陵源世界自然遺產(chǎn)地的植物資源文獻,由3名以上經(jīng)驗豐富的植物分類專家對照片上的植物(僅喬木、灌木、藤本)展開“背靠背”鑒定工作,交叉驗證植物鑒定結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)入庫

將崖壁植物鑒定結(jié)果輸入Excel表格,建立崖壁植物數(shù)據(jù)庫,每條崖壁植物與無人機拍攝圖片時的經(jīng)緯度、海拔高度、拍攝角度和拍攝時間相對應(yīng)。根據(jù)無人機拍攝角度來劃分崖壁植物所處陰陽面,同時記錄每種植物的科屬和立地條件。

2.4 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域的最低海拔約為400m,最高海拔約為1100m?？紤]到研究區(qū)地形的險峻和采集難度,將海拔按100m間隔劃分梯度,并統(tǒng)計崖壁植物數(shù)量沿海拔梯度的變化規(guī)律。每一海拔梯度,對崖壁除草本植物外的其它植物進行出現(xiàn)頻數(shù)計數(shù),以確定物種的豐富度。

根據(jù)物種鑒定結(jié)果,計算背陽面和向陽面植物群落多樣性指數(shù),包括Margalef豐富度指數(shù)(DMa) 、Simpson指數(shù)(D) 和 Pielou均勻度指數(shù)(J),具體計算公式如下:

Margalef 豐富度指數(shù)

DMa=(S-1)/lnN

Simpson 指數(shù)

Pielou 均勻度指數(shù)

J=(-∑pilnpi)/lnS

式中,S代表物種數(shù)目,pi=ni/N,表明第i個物種的相對多度,ni為第i個種的個體數(shù)目,N為群落中所有種的個體總數(shù)。

運用Excel 2013、SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析。對崖壁陰陽面、不同立地條件和水汽條件下的植物科屬種數(shù)量與植物相關(guān)關(guān)系進行統(tǒng)計和顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)267種崖壁植物,分屬58科和140屬。其中出現(xiàn)頻數(shù)最多的科為杜鵑花科(Ericaceae,s=2077)、其次有殼斗科(Fagaceae,s=1299)、松科(Pinaceae,s=1042),出現(xiàn)頻率分別為22.2%、13.9%和11.1%。物種數(shù)量最高科的為薔薇科(Rosaceae,n=27),其次為杜鵑花科(Ericaceae,n=17),樟科(Lauraceae,n=14),茜草科(Rubiaceae,n=12),豆科(Fabaceae,n=12)。巴山松(Pinustabuliformisvar.henryi)、烏岡櫟(Quercusphillyreoides)、虎皮楠(Daphniphyllumoldhamii)等植物分布范圍較廣,且在所有植物中頻數(shù)占據(jù)最高比例。

圖2 陽面、陰面植物分布科、屬、種分布 Fig.2 Sunny side, shady side plant distribution family, genus, species distribution

3.1 不同光照條件下植物分布變化規(guī)律

陽面擁有植物記錄5468條,分屬53科、126屬、236種,陰面擁有植物記錄3890條,分屬52科、116屬、187種。陰陽面物種分布存在差異,其中菝葜科(Smilacaceae)、省沽油科(Staphyleaceae)只在陰面分布,而胡頹子科(Elaeagnaceae)、馬鞭草科(Verbenaceae)、柿科(Ebenaceae)僅分布在陽面。崖壁陰陽面植物物種數(shù)目隨海拔高度的變化服從正態(tài)分布,陰陽面植物科屬種數(shù)目與Margalef指數(shù)均在海拔700—800m分段內(nèi)達到峰值(圖2、圖3)。陰陽面的崖壁植物在不同的海拔分段中出現(xiàn)不同的優(yōu)勢種(表1)。

崖壁陽面植被變化現(xiàn)象顯示：在低海拔區(qū)段,崖壁植物種類較少,各植物種類所出現(xiàn)的頻率無顯著差異,隨著海拔的升高,烏岡櫟(Quercusphillyreoides)、滿山紅(Rhododendronmariesii)、巴山松(Pinustabuliformisvar.henryi)逐漸成為明顯的崖壁植物優(yōu)勢物種。陽面崖壁植物的Simpson指數(shù)在低海拔500—600m達到峰值,隨海拔的變化未表現(xiàn)明顯規(guī)律,陽面植物Pielou指數(shù)變化趨勢與總Pielou指數(shù)變化趨勢相同,隨海拔呈“w型”變化。

陰面崖壁植物的Margalef指數(shù)在海拔400—500m區(qū)間達到最低,在900—1100m海拔區(qū)間出現(xiàn)回升現(xiàn)象(圖3)。陰面的Simpson指數(shù)峰值出現(xiàn)在400—500m低海拔區(qū)間,陰面崖壁植物的Pielou指數(shù)隨海拔的升高呈先下降后上升的變化趨勢,其最低值出現(xiàn)在海拔800—900m區(qū)間,隨著海拔的升高,巴山松(Pinustabuliformisvar.henryi)逐漸替代烏岡櫟(Quercusphillyreoides)成為陰面出現(xiàn)頻數(shù)最多的優(yōu)勢種。

圖3 陽面、陰面植物豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)垂直分布Fig.3 Plant richness index, diversity index and evenness index were distributed vertically on sunny and dark sidesDMa-T、DMa-Y、DMa-G 分別代表崖壁總?cè)郝洹㈥柮嫜卤谌郝浜完幟嫜卤谌郝?/p>

表1 不同海拔高度崖壁優(yōu)勢植物種分布

3.2 不同光照條件/不同立地條件下崖壁植物多樣性及均勻度的變化

將崖壁植物的生境記錄為石壁、臺階、臺階和石壁、崖頂四種類型(如圖4),共劃分為石壁、臺階、崖頂三種立地條件。其中巴山松(Pinustabuliformisvar.henryi)、白豆杉(Pseudotaxuschienii)、秤鉤風(Diploclisiaaffinis)、燈籠樹(Enkianthuschinensis)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、紅柄木犀(Osmanthusarmatus)、篌竹(Phyllostachysnidularia)、虎皮楠(Daphniphyllumoldhamii)、娥眉鼠刺(Iteaomeiensis)、老鼠矢(Symplocosstellaris)、滿山紅(Rhododendronmariesii)、密花樹(Myrsineseguinii)、南燭(Vacciniumbracteatum)、山櫻花(Cerasusserrulata)、鐵仔(Myrsineafricana)、烏岡櫟(Quercusphillyreoides)、無梗越橘(Vacciniumhenryi)、吳茱萸五加(Gambleaciliatavar.evodiifolia)、野漆(Toxicodendronsuccedaneum)、銀木荷(Schimaargentea),紫果槭(Acercordatum)這21種植物在3種立地條件中均有記錄。在不同的立地條件下,崖壁植物多樣性指數(shù)隨海拔的變化呈不同的趨勢。

圖4 崖壁植物立地條件區(qū)分示意Fig.4 Diagram of site conditions of cliff plants

在石壁中,崖壁植物的總Margalef豐富度指數(shù)與陽面植物的Margalef豐富度指數(shù)隨海拔的升高均呈先上升后下降的趨勢(圖4)。崖壁植物總Simpson指數(shù)和陰面植物的Simpson指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,而陽面植物的Simpson指數(shù)呈“W”變化趨勢(圖6)。崖壁植物的總Pielou指數(shù)均小于陰陽面植物的Pielou均勻度指數(shù)(圖7)。

在臺階中,植物陰陽面植物的Margalef指數(shù)在中海拔700—800區(qū)間最高,Simpson指數(shù)無明顯上升和下降趨勢。崖壁植物總Pielou均勻度指數(shù)與陰面植物的Pielou均勻度指數(shù)呈先下降后上升的趨勢,最高值和最低值分別出現(xiàn)在低海拔400—500m區(qū)間和中海拔800—900m區(qū)間,陽面植物Pielou均勻性呈“W”變化趨勢。

在崖頂中,植物的Margalef指數(shù)呈波浪型上升趨勢,總Margalef指數(shù)與陰面Margalef指數(shù)在高海拔1000—1100m達到最高值,植物Pielou指數(shù)與其余立地條件相比波動幅度最小,較其余立地環(huán)境而言更穩(wěn)定。

不同立地條件下,崖壁植物的物種組成、優(yōu)勢種類與出現(xiàn)頻率均有所不同,立地條件是影響崖壁植物多樣性的因素之一。

圖5 不同立地條件崖壁植物豐富度指數(shù)的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of plant richness index under different site conditions圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差：DMa-T、DMa-Y、DMa-G分別代表群落總體、陽面、陰面的Margalef豐富度指數(shù)

圖6 不同立地條件崖壁植物多樣性指數(shù)的垂直分布Fig.6 Vertical distribution of plant diversity index under different site conditions圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差：DMa-T、DMa-Y、DMa-G分別代表群落總體、陽面、陰面的Simpson指數(shù)

圖7 不同立地條件崖壁植物均勻度指數(shù)的垂直分布Fig.7 Vertical distribution of plant uniformity index under different site conditions圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差：DMa-T、DMa-Y、DMa-G分別代表群落總體、陽面、陰面的Pielou均勻度指數(shù)Pielou evenness index

3.3 植物多樣性指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明(表2),崖壁植物總Margalef指數(shù)與陽面植物Margalef指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；總?cè)郝銼impson指數(shù)與陰陽面植物Simpson指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與總?cè)郝浜完幟嬷参颬ielou均勻度指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面、陰面植物的Simpson指數(shù)與總?cè)郝浜完幟嬷参锏腜ielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),崖壁植物各相關(guān)性指數(shù)與海拔高度無顯著相關(guān)性。

相關(guān)分析結(jié)果表明(表3),在石壁立地條件中,植物總?cè)郝銶argalef指數(shù)與陽面植物的Margalef指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；植物總?cè)郝銼impson指數(shù)與陰陽面植物Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與植物總?cè)郝銹ielou均勻度指數(shù)和陰陽面植物Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陰面植物Simpson指數(shù)與陽面植物Simpson指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與總?cè)郝浜完幟嬷参锏腜ielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面植物多樣性指數(shù)與總?cè)郝浜完柮娴木鶆蚨戎笖?shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與陰面植物Pielou指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；植物總均勻度指數(shù)與陽面、陰面植物均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面與陰面植物Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

相關(guān)分析結(jié)果表明(表4),在臺階立地條件中,植物總?cè)郝銶argalef指數(shù)與陽面植物的Margalef指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與陽面植物Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；陰面植物的Margalef指數(shù)與陰面植物的Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；植物群落的Pielou均勻度指數(shù)與陰面、陽面植物的Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面植物Pielou均勻度指數(shù)與陰面Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

相關(guān)分析結(jié)果表明(表5),在崖頂立地條件中,植物群落的Margalef指數(shù)與陰陽面植物Margalef指數(shù)和海拔呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；陰面植物Margalef指數(shù)與陰面植物Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面植物Margalef指數(shù)與陽面植物Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與海拔呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；植物群落總Simpson指數(shù)與陰面植物Simpson指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陽面植物多樣性指數(shù)與海拔呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；植物群落總Pielou均勻度指數(shù)與陰陽面植物Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；陰陽面植物Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

在光照條件出現(xiàn)差異或立地條件不同時,崖壁植物各指數(shù)之間存在著不同的顯著性關(guān)系。這與其他植物群落研究[33-34]中總結(jié)的Margalef指數(shù)與Simpson指數(shù)顯著相關(guān),Pielou指數(shù)與各類多樣性指數(shù)不相關(guān)的結(jié)論不同。

表2 崖壁總植物物種多樣性相關(guān)關(guān)系

表3 石壁植被物種多樣性指數(shù)相關(guān)關(guān)系

表4 臺階植被物種多樣性指數(shù)相關(guān)關(guān)系

表5 崖頂植被物種多樣性指數(shù)相關(guān)關(guān)系

3.4 水汽條件對崖壁植物多樣性的影響

本次采集崖壁植物數(shù)據(jù)中包含1097條近水崖壁植物數(shù)據(jù)。為了探究水汽條件對崖壁植物多樣性有無影響,我們再隨機抽取三組各1097條非近水崖壁數(shù)據(jù)作為對照進行分析。近水崖壁植物集中出現(xiàn)在低海拔400—800m,海拔高于800m后植物科屬種呈直線下降趨勢,并在1000m海拔徹底消失(圖8)。同對照組數(shù)據(jù)相比,近水崖壁植物擁有更多的物種數(shù)量。其中防己科(Menispermaceae)、胡頹子科(Elaeagnaceae)、木通科(Lardizabalaceae)、清風藤科(Sabiaceae)、蕓香科(Rutaceae)僅出現(xiàn)在近水組中。

植物相關(guān)性指數(shù)表明(圖9),對照組的Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)隨著海拔的升高呈先上升后下降的趨勢,而近水崖壁植物的Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)隨海拔的升高而降低。在近水崖壁植物分布的海拔400—1000m區(qū)間內(nèi),崖壁植物的Pielou均勻度指數(shù)呈“V”字型變化,在900—1000m達到最大值。由該結(jié)果可知,水汽條件對于崖壁植物群落多樣性有重要影響：在水資源豐富、濕度較大的環(huán)境中,崖壁植物群落多樣性更高；隨著海拔的升高,水汽蒸騰作用的減弱,崖壁水汽條件逐漸變低,崖壁植物群落的豐富度和多樣性下降。

圖8 近水崖壁植物物種數(shù)量與對照組植物物種數(shù)量的垂直分布情況Fig.8 Vertical distribution of the number of plant species near the cliff and the control group圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差：D-W、C- 1、C- 2、C- 3分別代表近水崖壁數(shù)據(jù)、對照組1、對照組2、對照組3

圖9 近水崖壁植物多樣性指數(shù)垂直分布Fig.9 Vertical distribution of plant diversity index near the water cliff圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差：D-W、C- 1、C- 2、C- 3分別代表近水崖壁數(shù)據(jù)、對照組1、對照組2、對照組3

4 討論與結(jié)論

植物多樣性隨環(huán)境因子的變化規(guī)律一直是生態(tài)學(xué)家研究的熱點科學(xué)問題,其研究對象涉及森林、草地、灌叢等諸多植被類型[35-37]。受限于調(diào)查方法的可達性,現(xiàn)有的崖壁植物調(diào)查均限于單面崖壁的小規(guī)模研究,尚未開展過隨海拔梯度的崖壁植物群調(diào)查,崖壁植物多樣性隨環(huán)境因子的變化規(guī)律也尚無科學(xué)定論。根據(jù)以往查閱的資料,國內(nèi)外專家學(xué)者已利用小型無人機航拍開展過喜馬拉雅植被圖的繪制[38],也利用無人機進行過海岸崖壁植物的生境監(jiān)測和多光譜點云研究[39-40]。無人機技術(shù)為大規(guī)模的崖壁植物多樣性調(diào)查提供了可能。

崖壁植物鑒定方法的選擇是本次研究的一個重點內(nèi)容。植物智能識別除了受照片拍攝的光線、姿態(tài)和方向變化的影響外,還會受植物年齡與葉片形狀的影響[41]。通過植物軟件識別崖壁植物照片的結(jié)果準確度較低,其識別精度無法滿足我們的鑒定需求。另外,此次調(diào)查是有關(guān)武陵源崖壁植物的第一次系統(tǒng)性調(diào)查,筆者在鑒定之初無法確定此次調(diào)查的崖壁植物中是否存在新種的出現(xiàn)。為保證鑒定的準確性,研究中采取植物學(xué)家“背靠背”專家鑒定、交叉驗證的方法。在未來的研究中,嘗試通過深度學(xué)習提取植物特征開展自動識別研究,以期提高崖壁植物計算機自動鑒定及其精度。

目前無人機和數(shù)字攝影測量設(shè)備可通過精確地傾斜攝影和水平攝影降低投影面積偏低的影響[42-43]。由于本次無人機調(diào)查的崖壁群數(shù)量多、范圍廣,還受電池續(xù)航有限等因素限制,我們無法對崖壁進行精確的傾斜攝影,崖壁的坡度在一定程度上會造成照片拍攝范圍的不一致[44-45]。本次調(diào)查崖壁的整體坡度都大于80度,因此我們忽略了坡度對崖壁的影響,將調(diào)查的重點放在了植物的物種組成和分布上,目前我們正在尋求解決該問題的新方法。后續(xù)我們將進行崖壁建模,對崖壁的坡度以及崖壁植物生長的微生境進行深入研究。

本次武陵源崖壁群植物調(diào)查研究表明,崖壁植物物種豐富度與優(yōu)勢物種會隨海拔高度的變化而變化,而崖壁植物群落的Simpson指數(shù)與Pielou均勻度隨海拔高度改變沒有表現(xiàn)出明顯變化規(guī)律。從陰陽面植物的分布特征來看,陽面較陰面擁有更高的物種豐富度。本在同一崖壁群類型中,崖壁植物數(shù)量的峰值普遍出現(xiàn)在中海拔地段,但崖壁植物的Simpson多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)往往在低海拔區(qū)間最高,該結(jié)論是基于我們首次對崖壁植物系統(tǒng)調(diào)查后的新發(fā)現(xiàn)。

立地條件是指與植被生長發(fā)育有關(guān)的環(huán)境因子的綜合[39],例如海拔、光照的不同會導(dǎo)致水熱條件的差異,影響微生物總體數(shù)量及其多樣性[46],進而微生物分解和土壤養(yǎng)分循環(huán),對植物生長產(chǎn)生顯著影響[47]。本研究中,各立地條件間植物種類以及出現(xiàn)頻率都存在一定的差異,因此,不同立地條件的崖壁植物有不同的組成特征。崖壁植物群落立地條件的特殊性使其在改善荒漠化和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力,在3種立地條件中均出現(xiàn)的21種植物,有可能是石漠化、干旱等極端立地條件下的先鋒植物。崖壁植物總?cè)郝?、陽面、陰面植物群落中不同立地類型的Marglef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)隨海拔的升高變化趨勢都存在明顯的差異,但其變化并未表現(xiàn)出明顯的特定規(guī)律,因此,崖壁植物的豐富度多樣性均勻度受立地條件的影響,但隨海拔高度的變化并無統(tǒng)一規(guī)律。

本次研究是利用無人機近景攝影技術(shù)系統(tǒng)調(diào)查崖壁植物的初次實踐,采樣范圍和調(diào)查規(guī)模都遠非已有崖壁植物調(diào)查研究可比。結(jié)果表明無人機近景攝影調(diào)查崖壁植物的方法可行,但無人機的等間隔垂直拍攝無法構(gòu)建崖壁三維模型,因此對崖壁坡度和植物的微生境以及覆蓋度等特征無法進行準確提取和分析。此外,本研究發(fā)現(xiàn)的崖壁植物多樣性隨海拔、光照、濕度等立地條件的變化規(guī)律和結(jié)論,是石英砂崖壁植物特有或是具有普適性,還需后續(xù)對不同巖石類型的崖壁植物群落調(diào)查研究。

致謝：張家界武陵源管理局給予支持,中南林業(yè)科技大學(xué)喻勛林教授、李家湘副教授、徐永福老師幫助植物鑒定，特此致謝。