Arthropod biomass is a key element in ecosystem functionality and a basic food item for many species. It must be estimated through traditional costly field sampling, normally at just a few sampling points. Arthropod biomass and plant productivity should be narrowly related because a large majority of arthropods are herbivorous, and others depend on these. Quantifying plant productivity with satellite or aerial vehicle imagery is an easy and fast procedure already tested and implemented in agriculture and field ecology. However, the capability of satellite or aerial vehicle imagery for quantifying arthropod biomass and its relationship with plant productivity has been scarcely addressed. Here, we used unmanned aerial vehicle (UAV) and satellite Sentinel-2 (S2) imagery to establish a relationship between plant productivity and arthropod biomass estimated through ground-truth field sampling in shrub steppes. We UAV-sampled seven plots of 47.6–72.3 ha at a 4-cm pixel resolution, subsequently downscaling spatial resolution to 50 cm resolution. In parallel, we used S2 imagery from the same and other dates and locations at 10-m spatial resolution. We related several vegetation indices (VIs) with arthropod biomass (epigeous, coprophagous, and four functional consumer groups: predatory, detritivore, phytophagous, and diverse) estimated at 41–48 sampling stations for UAV flying plots and in 67–79 sampling stations for S2. VIs derived from UAV were consistently and positively related to all arthropod biomass groups. Three out of seven and six out of seven S2-derived VIs were positively related to epigeous and coprophagous arthropod biomass, respectively. The blue normalized difference VI (BNDVI) and enhanced normalized difference VI (ENDVI) showed consistent and positive relationships with arthropod biomass, regardless of the arthropod group or spatial resolution. Our results showed that UAV and S2-VI imagery data may be viable and cost-efficient alternatives for quantifying arthropod biomass at large scales in shrub steppes. The relationship between VI and arthropod biomass is probably habitat-dependent, so future research should address this relationship and include several habitats to validate VIs as proxies of arthropod biomass.

中文翻译：

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基于卫星和无人机的植被指数预测灌木草原节肢动物生物量的比较评估

节肢动物生物量是生态系统功能的关键要素，也是许多物种的基本食物。它必须通过传统的昂贵的现场抽样进行估算，通常只在几个抽样点进行。节肢动物生物量和植物生产力之间的关系应该很窄，因为绝大多数节肢动物是草食性的，而其他节肢动物则依赖于这些。使用卫星或飞行器图像量化植物生产力是一种简单快捷的程序，已经在农业和田间生态学中进行了测试和实施。然而，卫星或飞行器图像量化节肢动物生物量的能力及其与植物生产力的关系几乎没有得到解决。这里，我们使用无人驾驶飞行器 (UAV) 和卫星 Sentinel-2 (S2) 图像来建立植物生产力与节肢动物生物量之间的关系，这些生物量是通过灌木草原的实地实地采样估计的。我们用无人机以 4 厘米的像素分辨率对 7 个 47.6–72.3 公顷的地块进行了采样，随后将空间分辨率缩小到 50 厘米的分辨率。同时，我们以 10 米空间分辨率使用来自相同和其他日期和位置的 S2 图像。我们将几个植被指数 (VI) 与节肢动物生物量（附生、粪食和四个功能性消费者群体：捕食性、食腐性、植食性和多样性）相关联，估计在无人机飞行地块的 41-48 个采样站和无人机飞行地块的 67-79 个采样站S2。来自无人机的 VI 与所有节肢动物生物量组一致且呈正相关。七分之三和七分之六的 S2 衍生 VI 分别与表生节肢动物和粪食性节肢动物生物量呈正相关。蓝色归一化差异 VI (BNDVI) 和增强归一化差异 VI (ENDVI) 显示与节肢动物生物量一致且正相关，无论节肢动物组或空间分辨率如何。我们的结果表明，无人机和 S2-VI 图像数据可能是量化灌木草原中大规模节肢动物生物量的可行且具有成本效益的替代方案。VI 和节肢动物生物量之间的关系可能取决于栖息地，因此未来的研究应该解决这种关系并包括几个栖息地以验证 VI 作为节肢动物生物量的代理。蓝色归一化差异 VI (BNDVI) 和增强归一化差异 VI (ENDVI) 显示与节肢动物生物量一致且正相关，无论节肢动物组或空间分辨率如何。我们的结果表明，无人机和 S2-VI 图像数据可能是量化灌木草原中大规模节肢动物生物量的可行且具有成本效益的替代方案。VI 和节肢动物生物量之间的关系可能取决于栖息地，因此未来的研究应该解决这种关系并包括几个栖息地以验证 VI 作为节肢动物生物量的代理。蓝色归一化差异 VI (BNDVI) 和增强归一化差异 VI (ENDVI) 显示与节肢动物生物量一致且正相关，无论节肢动物组或空间分辨率如何。我们的结果表明，无人机和 S2-VI 图像数据可能是量化灌木草原中大规模节肢动物生物量的可行且具有成本效益的替代方案。VI 和节肢动物生物量之间的关系可能取决于栖息地，因此未来的研究应该解决这种关系并包括几个栖息地以验证 VI 作为节肢动物生物量的代理。我们的结果表明，无人机和 S2-VI 图像数据可能是量化灌木草原中大规模节肢动物生物量的可行且具有成本效益的替代方法。VI 和节肢动物生物量之间的关系可能取决于栖息地，因此未来的研究应该解决这种关系并包括几个栖息地以验证 VI 作为节肢动物生物量的代理。我们的结果表明，无人机和 S2-VI 图像数据可能是量化灌木草原中大规模节肢动物生物量的可行且具有成本效益的替代方法。VI 和节肢动物生物量之间的关系可能取决于栖息地，因此未来的研究应该解决这种关系并包括几个栖息地以验证 VI 作为节肢动物生物量的代理。