利用地基激光雷达评估大型食草动物对温带森林三维结构的影响

🌱文章简介

植被的三维结构对维持森林生态系统功能和物种多样性至关重要。东北亚的温带森林物种多样性丰富，但同时也受到大型食草动物干扰（如家畜放牧）的影响，导致许多地区生境出现不同程度的退化和破碎化现象。传统方法缺乏精细尺度下植被三维结构的精确量化，难以获得完整、准确的冠层以下多层次结构的详细数据，在很大程度上限制了我们理解干扰过程对生境质量和物种多样性的影响。本研究利用地面激光雷达扫描（Terrestrial Lanser Scanning，TLS）数据，量化不同食草动物干扰林型（梅花鹿啃食林、家畜放牧林、次生林和混交林）的三维生境结构特征。通过TLS获取的参数，揭示了冠层以下多层次的生境结构变化：1）家畜放牧林的冠层高度、乔木数和蓄积量明显低于其他林分类型；2）低冠层（0-5米）的家畜放牧林和梅花鹿啃食林的植被面积指数（VAI）显著低于干扰较小的次生林和混交林；3）密集的大型食草动物活动导致了林下层林冠间隙和视野能见度显著增加。本研究中提取的TLS参数与野生动物的生境需求和对环境的适应性密切相关，有助于揭示精细尺度上干扰对栖息地结构-物种多样性关系的影响。在森林管理中，利用TLS从一个新的视角量化栖息地的结构和功能属性，从而指导局部尺度的保护实践，平衡动植物之间的关系具有重要意义。

作者李顺

🌱研究背景

植被三维结构的变化是理解生物多样性以及野生动物行为和适应性的关键信息，并对随后的森林管理具有重要意义。然而，由于缺乏对林分水平上受不同管理和干扰的植被三维结构特征的详细量化和描述，在评估生境质量、物种分类和功能多样性方面存在诸多局限性和不确定性。东北亚温带森林经历了长期的森林开发和人为干扰过程。过度放牧不仅导致了大多数下层植被的消失，而且严重挤压了食草性猎物的栖息地，大量食草性猎物种群集中在中俄边境的保护区。虽然之前的研究利用光学遥感监测了该地区受干扰影响的森林覆盖和景观破碎化的变化，但对冠层以下林分受干扰的模式和程度并不十分明确。因此，有必要在更精细的尺度上来表征当地生境结构的异质性，从而深入了解对保护管理至关重要的干扰因素。TLS被越来越多地用于量化森林三维结构，并提供高分辨率的栖息地结构视图。本研究将TLS与实地测量相结合，对中国东北地区不同林分类型的植被结构进行量化，包括：1）森林基本参数（胸径、冠层高度、乔木数量和蓄积量）；2）不同林分类型的垂直和水平结构；3）林下结构，包括林下隙和能见度。

🌱研究方法

研究区域位于东北虎豹国家公园（图1）。通过多年的红外相机监测数据和占域模型分析，我们确定了近年来大型食草动物具有代表性和相对稳定的空间活动区域。我们选取具有代表性的4种林分类型：

（1）梅花鹿啃食的森林（deer-browsed forest，DBF）；

（2）过量家畜放牧的森林（livestock-grazed forest，LGF）；

（3）次生阔叶林（secondary forest，SF）：公园里主要的森林类型，大型食草动物的活性明显低于前2种森林类型；

（4）针阔混交林（mixed forest，MF）。

次生林和混交林没有明显的放牧和梅花鹿活动，只有少量的狍和野猪活动。我们在这4种林分类型中取样了47个样地（DBF 14个；LGF 11个；SF 12个；MF 10个），样地大小为20米×20米。

图1 研究区域及样地分布

🌱研究结果

（1）通过线性混合模型和多重比较方法，结果显示LGF林分的胸径、冠层高度、乔木数和蓄积量显著低于其他林分，相比之下，MF的各项参数指标最高。

（2）不同林分的植被面积指数VAI在不同高度层差异明显。在DBF和MF林分中，最大VAI分布在中层冠层，高度在5 - 10米之间，而下层和上冠层的VAI相对较低。在LGF中，VAI在不同高度的分布较为均匀，最大VAI分布在大约10米的高度。SF中，VAI最高在上层林冠层（从15 - 20米），紧随其后的是低冠层（0 - 2米），中间林冠层（5 - 10米）的VAI低于其他林分。

（3）通过TLS数据分析，LGF和DBF林分的林下植被间隙通常远高于SF和MF林分。LGF 的林下间隙高于DBF，但二者差异不显著。而SF和MF林分的间隙在分布上极为相似。在观测高度为1米和0.5米时，LGF林分的能见度明显高于其他林分，同时DBF与SF和MF的能见度也有具有显著差异（p = 0.03）。

图2 不同林分类型和高度间隔的VAI和冠层盖度

图3 最大及平均林下间隙分布

图4 不同林分可见度分布

🌱结论与展望

本研究主要目标是量化冠层以下详细的植被结构特征，并在精细尺度上为野生动物保护提供科学依据。我们利用TLS测量的林冠高度、垂直面积指数VAI、林下间隙和能见度分布指标，量化了温带森林大型食草动物干扰下各林分类型的结构和功能差异。TLS数据显示，LGF和DBF的林下植被受大型食草动物干扰明显，导致林下植被密度，林下间隙和能见度比其他林分类型更大。有研究表明，林下植被的大量清除和长期的大型有蹄类动物干扰，对地栖野生动物以及植被的更新十分不利。本研究通过TLS提取的参数可用于监测林下三维栖息地结构的细微变化，并进一步评估这些变化对野生动物行为、适应性和物种多样性的潜在影响。

随着我国自然保护地正在逐步解决放养牲畜和动植物的可持续保护问题。使用TLS数据能从新的视角指导管理者采取更有针对性的保护措施，有效地平衡植物和动物之间的关系。TLS可用于分析与野生动物生态需求相关的参数(如冠层高度、林下能见度)的阈值范围，为采取具体的保护措施提供精确的数据量化标准。此外，作为光学遥感或ALS监测的补充，基于TLS的数据量化冠层下植被的局部扰动过程，从而搭建不同生态尺度上生境结构-物种多样性关系过程的桥梁。TLS的测量范围与以保护物种为目标的局部尺度森林管理完全吻合。进一步的保护管理应结合TLS和其他多源遥感数据，如ALS和多光谱数据，将局部尺度的保护工作与区域保护计划结合起来。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.foreco.2021.119985