Значение экологического биоразнообразия для поддержания стабильности и функционирования экосистем хорошо известно, но недавнее исследование указывает на новый способ точной настройки нашей способности измерять его в более крупных масштабах. Исследование, опубликованное в журнале Nature Ecology and Evolution, показало, что использование инструмента визуализации для оценки биоразнообразия более эффективно, чем традиционные методы, основанные на кропотливой полевой работе.
Ведущий автор Анна Швайгер, научный сотрудник Колледжа биологических наук, и группа коллег-исследователей использовали спектры света, отраженного от растений, для оценки биоразнообразия и прогнозирования функций экосистемы.
«Мы десятилетиями знали, что химический состав растений можно оценить по спектрам отражения», - сказал Швайгер. «Мы обнаружили, что спектральное несходство или общие различия в спектральной отражательной способности среди видов растений увеличиваются с увеличением их функционального различия и времени эволюционного расхождения».
Для исследования команда сначала измерила коэффициент отражения света растений на 35 участках в научном заповеднике Cedar Creek Ecosystem Science Reserve - полевой станции к северу от Миннеаполиса, известной своими долгосрочными экологическими экспериментами - с помощью полевого спектрометра. Спектрометр позволяет исследователям оценить, сколько света растения отражают на уровне листа в диапазоне длин волн. Взяв данные на уровне листьев, команда обнаружила, что спектральное разнообразие растительного сообщества предсказывает надземную продуктивность, критическую функцию экосистемы, в той же или большей степени, чем меры функциональных различий видов, их филогенетические расстояния на древе жизни или количество видов в растительном сообществе.
Увидев, что влияние разнообразия растений на экосистему можно эффективно оценить с помощью спектрометрии, команда также хотела знать, смогут ли они масштабировать его. Используя визуализирующий спектрометр, установленный на высоте трех метров над землей на тех же 35 участках в Сидар-Крик, и запустив сканирование, они обнаружили, что их метрика спектрального разнообразия работает одинаково при расчете по спектральным изображениям.
«Результаты показывают, что спектральное разнообразие обеспечивает мощный комплексный метод оценки нескольких аспектов биоразнообразия, имеющих отношение к функционированию экосистемы», - говорит соавтор Джон Гэймон, преподаватель Университета Небраски-Линкольн.
Это исследование является частью более крупного проекта под руководством старшего автора Жаннин Кавендер-Барес, профессора кафедры экологии, эволюции и поведения Колледжа биологических наук. При финансировании из гранта «Измерения биоразнообразия» от NSF и НАСА команда стремится более полно понять, как прогнозировать экосистемные процессы при сравнении оптического разнообразия с генетическим, филогенетическим и функциональным разнообразием. Следующим шагом команды является запуск спектрометрического сканирования изображения с дрона. Возможность сканирования с неба предлагает исследователям новые возможности для дальнейшего понимания экосистемных преимуществ биоразнообразия, особенно в труднодоступных местах.
«Происходящие быстрые изменения в биоразнообразии Земли требуют новых средств непрерывного и глобального обнаружения», - говорит Кавендер-Барес. «Это исследование демонстрирует, что мы можем обнаруживать биоразнообразие растений, используя спектральные измерения листьев растений или с неба, что открывает целый ряд новых возможностей."