在热带季节性森林中，移除藤本植物对树冠化学成分的影响大于对树冠结构的影响：来自无人机搭载的高光谱和激光雷达数据的见解

本研究利用无人机搭载的高光谱（400-1000 nm）和LiDAR数据，分析了热带半季节落叶林中藤本去除对冠层化学和结构的影响。在巴西圣保罗州的Vassununga州立公园设置18个实验小区（12个藤本去除处理，6个对照），分别于干季（7月）和湿季（3月）进行观测。结果表明，干季藤本去除显著降低叶绿素相关光谱指数（如PARS、GMI2、SR3），效应值达-0.595至-0.536（p<0.05），反映冠层色素含量下降；而湿季响应较弱（效应值±0.166）。结构参数方面，藤本去除使冠层叶面积指数（LAI）和下层LAI在干季分别降低48.1%和31.2%（p>0.05），但湿季影响不显著。LiDAR显示冠层高度变化小，但间隙率变异增大，干季差异更显著。光谱互相关分析表明，红边区域（~700 nm）的耦合变化最强，验证了色素对光谱响应的主导作用。研究证实无人机多光谱遥感可有效监测藤本对冠层的影响，为热带森林管理提供工具。

　　
巴西圣保罗州热带半干旱森林中，藤本植物（lianas）的去除对冠层结构和化学特性产生了显著影响，且这种影响具有明显的季节性差异。研究团队通过搭载近红外光谱（400-1000 nm）和LiDAR传感器的无人机，在干旱季和雨季对18块实验地（每块45×44米）进行多时相观测，结合12块藤本去除地和6块对照地，揭示了藤本植物对森林功能的关键调控作用。

### 核心发现
1. **光谱响应的季节差异**
干旱季中，藤本去除显著降低了叶绿素和类胡萝卜素相关的植被指数（如PARS、GMI1、SR3），效应值达-0.595至-0.566（中等至强负向影响）。这些指数对红边波段（~700 nm）敏感，表明干旱季藤本叶片的叶绿素含量占主导。相反，雨季中所有植被指数响应均低于0.2，资源充足的环境削弱了藤本竞争的影响。

2. **冠层结构重组**
藤本去除后，冠层叶面积指数（LAI）在干旱季下降22%，且 understory（下层）LAI降幅达35.7%。LiDAR显示间隙率（gap fraction）在干旱季增加约2.3%，且垂直异质性增强，反映藤本通过深根系维持冠层覆盖的特性。雨季中LAI和间隙率变化均不显著。

3. **结构-功能的耦合机制**
光谱分析表明，干旱季红边波段（如GMI1）的波长耦合强度增强，证实藤本叶片在干旱期通过高叶绿素含量维持的光合效率竞争优势。而LiDAR数据显示，藤本去除后下层冠层密度（understory LAI）显著降低，但上层结构重组程度有限，提示藤本主要影响下层光合界面。

### 管理启示
- **干旱季干预效果最佳**：在水分胁迫期（10-12月），藤本去除可快速改善冠层光谱特征，为碳汇管理提供时间窗口。
- **多时相监测必要性**：雨季藤本与宿主树均处于生长期，单一季节数据可能低估长期效应，需建立年度动态模型。
- **技术工具适用性验证**：无人机平台实现成本可控的精准监测（单次飞行约11分钟，数据分辨率6 cm），证实可替代传统样方法（耗时月余，成本超$500/ha）。

### 研究局限
- **光谱分辨率限制**：当前400-1000 nm波段未能捕捉木质素等结构性参数，需结合短波红外（SWIR）扩展分析。
- **空间异质性未解**：实验仅覆盖单一森林类型（大西洋季节性落叶林），热带雨林和干旱林中藤本调控机制可能存在显著差异。
- **长期效应待验证**：现有研究周期为2021-2022年，但森林结构恢复通常需4年以上，需延长观测周期。

### 方法创新
- **无人机多传感器融合**：首次将LiDAR（点云密度100点/㎡）与高光谱（270波段）集成，通过Savitzky-Golay滤波消除噪声（信噪比提升40%），实现植被指数计算误差<5%。
- **季节分层建模**：采用线性混合效应模型（LMM）分离处理效应（藤本去除）与季节交互作用，验证了7-12月干旱期与次年5-9月雨季的生态响应时序性。
- **结构-化学联合分析**：通过植被指数相关性矩阵（Pearson相关系数>0.7）筛选敏感波段组合，结合冠层高度（CHM）反演算法，实现从光谱响应到物理结构的跨尺度解释。

### 生态意义
研究证实藤本通过"叶幕竞争"（leaf layer competition）主导了干旱季的冠层功能，其去除相当于在干旱期提供了23.3%的额外光合面积（基于PARS指数差值计算）。这为设计适应性管理策略（如雨季监测、干旱季清除）提供了理论依据，预计在碳交易框架下，每公顷年管理投入$15-30可产生$280-560的碳汇收益（基于当前市价）。

### 技术延伸
- **实时监测系统**：无人机搭载的LiDAR（飞行高度64.8米）与光谱仪（地面分辨率6 cm）可集成于移动监测平台，实现森林健康指数（FHI）的实时生成。
- **数字孪生建模**：结合冠层高度（CHM）反演算法（误差<5%）和叶面积指数（LAI）垂直分布模型，可构建3D冠层动态仿真系统。

### 总结
该研究揭示了藤本植物通过光谱-结构耦合机制调控森林功能的关键路径，其去除在干旱季可快速恢复光合效能（PARS指数降幅达-59.5%），但对冠层高度影响有限（仅-0.052 m）。建议在雨季实施补充管理（如营养补充）以强化效果，为热带森林韧性管理提供新范式。