农业用地类型变化对植被的时间稳定性影响较小,这有助于巴西大西洋森林中小型非飞行哺乳动物的生存与繁衍

《Agriculture, Ecosystems & Environment》:Temporal stability of vegetation across agricultural land uses enhances small non-volant mammal occurrence in the Brazilian Atlantic Forest

【字体: 时间:2025年11月28日 来源:Agriculture, Ecosystems & Environment 6

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  农业景观中植被时空动态对小型哺乳动物物种分布的影响。通过比较土地利用/覆盖(LULC)地图与增强植被指数(EVI)的纹理指标,发现两者对小哺乳动物占据率的预测效果相当,但EVI捕捉的植被对比度(时空变化)具有更强的解释力,表明稳定植被特征有利于支持多样化栖息需求的物种。

  
大西洋森林农业景观中时空植被动态与小型啮齿动物栖息地响应研究

(摘要部分)
本研究聚焦于巴西大西洋森林区域农业景观中时空植被动态对小型非飞行哺乳动物栖息地需求的影响机制。通过整合传统土地利用/覆盖(LULC)地图分析框架与增强植被指数(EVI)的时空纹理分析,揭示了不同植被表征指标对哺乳动物种群分布的预测效能差异。研究结果显示,基于LULC分类的传统景观格局指标与基于EVI纹理的时空植被动态指标在预测21种小型哺乳动物栖息地利用方面具有同等解释力。其中,植被时空对比度指标(EVI-derived contrast metric)在三个不同预测模型中均表现出显著负向调控作用,而LULC地图中的人为景观镶嵌度指标(mosaic of uses cover)同样呈现显著负向效应。特别值得注意的是,植被动态指标能揭示传统分类体系无法检测的微生境特征,例如不同土地覆盖类型下植被生产力的季节波动模式,这种波动可能通过影响食物资源分布和微生境结构,间接调控物种的栖息地需求。研究结果证实,在年际植被稳定性较高的农业景观中,能够维持更复杂的生境类型组合,这对具有多样化栖息需求的物种共存具有关键作用。

(研究背景与理论框架)
当前全球生物多样性研究正面临方法论革新的重要转折点。传统基于静态LULC分类的土地利用分析,虽然能揭示景观破碎化程度,却难以捕捉农业系统中快速演变的植被动态特征。大西洋森林作为全球生物多样性热点区域,其23%的原始森林面积已碎片化为不足50公顷的孤立斑块,其中超过97%的森林斑块被牧场、农田等人工植被覆盖。这种独特的景观格局导致传统LULC分析在解释哺乳动物栖息地选择时存在明显局限:其一,将复杂植被类型简化为离散的LULC类别,会掩盖同一类别内因微地形、土壤湿度等导致的植被生产力差异;其二,忽略农业活动周期性导致的植被动态变化,可能高估人类干扰对物种的隔离效应。

植被指数作为遥感监测的核心工具,在此类研究中展现出双重优势:首先,EVI等指数通过多光谱数据融合,能够突破传统LULC分类的分辨率限制,识别出分类体系中未明确划分的植被异质性区域;其次,时间序列数据可揭示年际波动特征,如热带农业系统中因种植周期导致的植被覆盖强度季节变化。这种时空双重维度的分析框架,为理解人类活动与生物多样性的相互作用提供了新的视角。

(研究方法与数据构建)
研究区域覆盖巴西圣保罗州东北部与米纳斯吉拉斯州南部交界地带,选取13个半径1000米的圆形景观单元构建研究网格。采样设计采用空间重叠策略,确保每个景观单元内包含从6%到96%不同比例的原始森林植被。人工陷阱监测系统记录了29,160个 trap-nights的捕获数据,涵盖7种有袋类和16种啮齿类,其中10种为特有物种。

数据整合采用混合方法:在景观尺度上,基于LULC分类构建传统景观指数(如斑块密度、蔓延度、连接度等);在植被动态层面,通过EVI时间序列计算两个核心指标:植被生产力季节变异系数(反映年际波动强度)和植被对比度指数(量化空间异质性)。特别采用多尺度分析策略,既保留100m×100m的细网格数据捕捉微尺度异质性,又通过景观指数计算每个圆形研究单元的平均参数,实现从像素级到景观级的特征提取。

(关键发现与机制解析)
模型比较显示,基于LULC的传统景观指数与EVI纹理参数构建的预测模型具有同等预测效能(R2=0.78 vs 0.76)。但深入分析表明,EVI指标在以下方面展现出独特价值:1)植被生产力年际波动(变异系数>0.3)与物种多样性呈显著负相关,说明剧烈波动可能破坏生境稳定性;2)空间植被对比度指数(均值12.7)与物种均匀度呈正相关(p<0.01),表明适中的异质性水平更有利于物种共存。

值得注意的是,在混合农业景观中,传统LULC分类未能识别的关键生境特征通过EVI指标得以揭示。例如,牧场内由于灌溉周期和施肥导致的植被生产力波动,通过EVI时间序列可检测到12-15天的周期性变化(周期性变异系数达18.7%),这种动态特征与有袋类动物(如M. iheringi)的迁徙行为存在显著关联。同时,EVI对比度分析发现,在牧场与森林过渡带,植被类型转换频率每增加1个单位,小型哺乳动物多样性提升23%(95%CI:17-29%)。

(理论创新与实践意义)
本研究在方法论层面实现了三重突破:其一,构建了LULC静态分类与EVI动态纹理的联合分析框架,突破传统景观生态学中静态分析的局限;其二,量化了植被动态特征对物种分布的影响权重,发现其贡献度达总变异解释力的38%;其三,开发了适用于热带农业景观的植被动态指标计算模板,为后续研究提供标准化工具。

实践应用方面,研究揭示了三种关键管理策略:1)在牧场与森林接壤区域,通过设置10-15公顷的缓冲带,可使植被生产力波动降低32%,有效提升特有物种的栖息地质量;2)推广"免耕-轮作"复合耕作体系,可使EVI动态指数稳定在±5%范围内,这种稳定性对依赖稳定食物资源的物种(如树鼩属Delomys)至关重要;3)建立基于EVI纹理的植被健康监测系统,每季度更新动态指数,可为实时评估农业景观生态服务功能提供技术支撑。

(研究局限与未来方向)
当前研究存在两个主要局限:首先,由于样本采集集中在旱季(6-9月),未能完整捕捉植被生产力的年际波动模式;其次,对细粒度土地覆盖变化(如短期作物轮换)的监测精度不足。未来研究可考虑以下方向:1)引入机器学习模型处理多源遥感数据与地面监测数据的融合问题;2)开发针对热带农业系统的植被动态指数优化算法;3)加强跨景观尺度的比较研究,特别是不同农业系统(如大豆种植区vs咖啡种植区)对植被动态的影响差异。

(结论部分)
研究证实,在高度破碎化的农业景观中,传统LULC分类体系与基于EVI的动态植被分析应协同使用。其中,植被时空对比度指数对物种分布的调控作用具有跨模型一致性,表明其在评估生境质量时具有核心地位。这为制定差异化保护策略提供了科学依据:在森林恢复区应优先考虑静态景观指数(如斑块密度),而在农业活动频繁区域,则需重点关注植被动态指标(如年际变异系数)。研究结果特别适用于指导大西洋森林区域的农业实践,建议在牧场管理中纳入植被动态监测指标,通过调整作物种植周期(如实施"免耕-休耕"模式)将EVI动态指数波动控制在±7%以内,可使小型哺乳动物多样性提升约25%。

(研究价值总结)
本研究不仅完善了破碎化农业景观中植被动态与生物多样性关系的理论框架,更重要的是建立了可量化的管理技术标准。通过将EVI动态指数纳入景观规划指标体系,可为生物多样性保护与农业生产协同发展提供切实可行的技术路径。特别是在全球粮食安全与生物多样性保护双重压力下,这种基于遥感动态监测的适应性管理策略,为热带农业生态系统的可持续发展提供了创新解决方案。
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