_ De la bandă de măsură la lasere spațiale: cuantificarea biomasei celor mai înalte păduri din lume

În această eră a crizei climatice accelerate, contabilizarea tuturor aspectelor ciclului carbonului Pământului este o sarcină crucială. Amploarea poverii de carbon din atmosferă înseamnă că copacii și pădurile sunt instrumente limitate, dar importante printre o serie de opțiuni de atenuare.

Serviciile ecosistemice oferite de pădurile sănătoase se extind cu mult dincolo de capacitatea de stocare a carbonului. Pădurile primare rămase (vechi) sunt de neînlocuit valoroase atât ca depozite de carbon, cât și ca refugii biologice. Capacitatea pădurilor de a recrește după perturbări le permite să-și recapete semnificația ecologică în timp.

Înțelegerea rolului pădurilor necesită o cuantificare precisă a biomasei, din care aproximativ jumătate este carbon. Progresele tehnologice și urgența problemei au motivat eforturile internaționale de cartografiere a biomasei.

Scanarea laser aeropurtată și spațială este foarte promițătoare, iar teledetecția este tentantă să se bazeze, având în vedere eficiența sa în acoperirea unor zone mari. Cu toate acestea, aceste eforturi au o valoare îndoielnică până când estimările lor sunt validate prin măsurători directe. Un nou articol publicat în Forest Ecology and Management îmbrățișează această provocare pentru cele mai înalte păduri din lume.

Cei mai înalți copaci creează pădurile cu cea mai mare biomasă, dar sunt dificil de măsurat corect. Echipa noastră este specializată în cuantificarea copacilor exemplari prin cățărare, cartografiere a coroanei și tăierea trunchiului.

Ce măsurători sunt cele mai bune pentru estimarea biomasei arborilor? Diametrul la înălțimea sânului este o măsură familiară, dar un predictor slab pentru copacii înalți și mari.

Scanarea laser terestră permite acum cuantificarea cu ușurință a volumelor trunchiului de la sol. Combinând acest lucru cu măsurători ale mărimii coroanei și înălțimii totale, rezultă estimări precise la nivel de copac, capabile să calibra teledetecția biomasei forestiere. Luați în considerare pădurile dominate de Sequoia sempervirens (în continuare, sequoia) ca studiu de caz.

Pădurile primare de sequoia prezintă un interes deosebit ca vegetație terestră cea mai înaltă și mai grea. Aceste păduri pot stoca peste 2.000 de tone metrice pe hectar de carbon suprateran. Duramenul îmbogățit cu fungicide și coaja groasă fac sequoia extrem de rezistente la descompunere și la foc, astfel încât copacii individuali pot trăi peste 2.000 de ani.

Peste 95% din pădurile primare de sequoia au fost tăiate și 75% din arboretele rămase. apar în șapte parcuri naționale și de stat din județele Humboldt și Del Norte, California. Ce ne poate spune teledetecția despre aceste păduri excepționale și cum se leagă asta cu realitatea de pe teren?

Datorită Investigației Globale a Ecosistemului Dinamica (GEDI) de la bordul Stației Spațiale Internaționale, un set de date de scanare laser este disponibil cu hărți cu înălțimea copacului și biomasa supraterană estimată pentru pădurile din întreaga lume.

Echipa noastră a vizitat 200 de „pulsuri” GEDI distribuite în rezervele primare de sequoia. Fiecare puls a acoperit o amprentă de 25 de metri în diametru, iar copacii din acea zonă au fost măsurați pentru volumul trunchiului, dimensiunea coroanei și înălțimea, astfel încât biomasa pulsului să poată fi estimată cu precizie.

Măsurătorile noastre arată că GEDI adesea subestimează extrem de mult. biomasă cu până la jumătate. De ce? Valorile GEDI care prezic biomasa în aceste păduri se bazează pe înălțimea copacului, iar înălțimea singură este un predictor slab al biomasei arborilor înalți. Copacii de înălțimi similare pot avea trunchiuri de dimensiuni extrem de diferite.

Acest lucru nu indică o problemă pentru întreaga misiune GEDI. Înălțimea este un predictor adecvat al biomasei în pădurile mai scurte cu copaci mai mici (regenerarea terenurilor lemnoase în vestul Americii de Nord, de exemplu). Cu toate acestea, pentru pădurile primare de sequoia, GEDI nu este cel mai eficient instrument, iar acest lucru poate fi adevărat și în alte păduri înalte. Scanarea laser din spațiu este la fel de la distanță pe cât poate fi detectarea, dar un alt instrument promițător zboară mai aproape de casă.

Scanarea cu laser aeropurtată (ALS) folosește instrumente LiDAR (detecție și măsurare a luminii) montate pe avioane pentru a caracteriza topografia și vegetația. În mod convenabil, 37.000 de hectare de pădure primară de sequoie au fost cercetate recent folosind ALS. Aceste date au fost importante în colocarea impulsurilor GEDI în timpul lucrului nostru de teren și în dezvoltarea de noi ecuații predictive pentru estimarea biomasei folosind ALS în loc de metrici GEDI.

Pădurile de sequoia scanate de ALS au fost segmentate în 2,5 milioane de obiecte constând din dominante. și coroane subordonate de copac pentru a produce un inventar cuprinzător al copacului. Fiecare obiect a fost punctat pentru înălțime și dimensiunea coroanei pentru a calcula volumul. Ecuațiile predictive au fost dezvoltate prin legarea a 500 de obiecte la copaci măsurați cu atenție distribuiți în zona de studiu.

Predicțiile ALS sunt o îmbunătățire față de GEDI, dar biomasa copacilor cu trunchi gigant (>5 metri diametru la înălțimea sânului) este din nou substanțial subestimată. Acest „efect de copac gigant” înseamnă că estimările biomasei ALS la nivelul parcului sunt încă conservatoare. În ciuda acestui neajuns, ALS poate cuantifica în mod eficient biomasa arborilor vii pe suprafețe mari de pădure.

Hărțile noastre de biomasă dezvăluie punctele forte ale stocării pe termen lung a carbonului și pot ajuta la informarea managementului. Zonele cu biomasă foarte mare (> 3.000 de tone metrice pe hectar, pixeli violet) sunt rare. Pe întreaga zonă de studiu, aceste arborete excepționale reprezintă doar 1% din pădurea primară. Concentrațiile de biomasă atinge vârful de-a lungul planurilor aluviale joase ale Bull Creek și confluența acestuia cu Eel River în Humboldt Redwoods State Park. Acesta este exact contextul peisagistic care facilitează exploatarea forestieră timpurie și extinsă.

Pădurile primare cu biomasă scăzută (< 1.000 de tone metrice pe hectar, pixeli verzi) apar, de asemenea, în mod previzibil – lângă granițele parcurilor cu terenuri forestiere private, de-a lungul marginilor tăierilor libere. în parcuri și la altitudini mai înalte, cu prerii intercalate. Aceste distribuții de biomasă pot ajuta la stabilirea țintelor specifice contextului pentru recuperarea pe termen lung a marginilor pădurilor primare și regenerarea pădurilor în interiorul (zonele albe) și în afara (zone gri) limitelor parcurilor.

Dincolo de biomasa arborilor vii, teledetecție are o capacitate limitată de a cuantifica vegetația subterasului, copacii morți în picioare, buștenii și caracteristicile structurale ale copacului. De exemplu, coroanele mari de sequoia au adesea acumulări enorme de ferigi epifite, arbuști și sol arboricol care susțin multe specii suplimentare. Scanarea cu laser terestră cu rezoluție mai mare are un potențial mare de a surprinde caracteristicile pădurii trecute cu vederea de teledetecție și este cel mai bun instrument pentru cuantificarea precisă a copacilor individuali, fără a se cățăra în ei.

ALS combinată cu scanarea laser terestră țintită și directă judicioasă. măsurătorile pot fi folosite pentru a cartografi cu precizie biomasa pădurilor, dar acest lucru necesită oameni care lucrează în pădure. Efortul suplimentar pare justificat, având în vedere lipsa pădurilor primare, potențialul plin de speranță al silviculturii de restaurare și capacitățile uimitoare ale tehnologiei actuale.

Articolul nostru se încheie cu o notă reconfortantă: „În timp ce progresele tehnologice continuă să îmbunătățească domeniul de aplicare al cercetării forestiere, măsurătorile pe teren rămân esențiale și vor oferi o muncă semnificativă pentru generațiile viitoare.”

Această poveste face parte din Science X Dialog, unde cercetătorii pot raporta descoperirile publicate de ei. articole de cercetare. Vizitați această pagină pentru informații despre Science X Dialog și despre cum să participați.

Marie Antoine și Steve Sillett și-au dedicat cariera științifică cățărării, măsurării și înțelegerii celor mai înalți și mai mari copaci din lume. Din 2001, au cățărat împreună peste o mie de copaci. Munca lor a fost prezentată în National Geographic Magazine (coast Redwood, octombrie 2009; giant sequoia, decembrie 2012), iar aventurile lor timpurii în explorarea coronamentului pădurilor au fost documentate în The Wild Trees (2007) de Richard Preston. Ambii sunt membri ai Departamentului de silvicultură, incendiu și management al pășurilor de la Cal Poly Humboldt din Arcata, California. Steve este profesor, Catedra Kenneth L. Fisher în Ecologia pădurilor Redwood și autor sau coautor a 60 de articole științifice.

(Fluierul)