Εποχιακή αποδοτικότητα του φωτός σε εύκρατα βαλτώδη οικοσυστήματα με χρήση Τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Εποχιακή αποδοτικότητα του φωτός σε εύκρατα βαλτώδη οικοσυστήματα με χρήση Τηλεπισκόπησης
Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing of seasonal light use efficiency in temperate bog ecosystems
Συγγραφείς: R. Tortini, N. C. Coops, Z. Nesic, A. Christen, S. C. Lee & T. Hilker
Δημοσιεύθηκε: Sci Rep. 2017 Aug 17;7(1):8563. doi: 10.1038/s41598-017-08102-x.
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
Λέξεις-Κλειδιά: εύκρατο, βαλτώδες οικοσύστημα, AMSPEC-III, PAR, αποδοτικότητα φωτός, τηλεπισκόπηση
Εισαγωγή
Αν και καλύπτουν μόνο το 3% της επιφάνειας της γης, οι υγρότοποι διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον παγκόσμιο κύκλο του άνθρακα, αποθηκεύοντας περισσότερο άνθρακα από οποιοδήποτε άλλο χερσαίο οικοσύστημα. Πράγματι, χαρακτηριζόμενη από μέτρια πρωτογενή παραγωγή και αργούς ρυθμούς αποσύνθεσης, τα υγροτοπικά οικοσυστήματα αποθηκεύουν περίπου το ήμισυ του άνθρακα της ατμόσφαιρας. Ωστόσο, εξαιτίας των συχνά απομονωμένων τοποθεσιών τους και του χωροταξικού τους χαρακτήρα, ο προσδιορισμός των ροών άνθρακα μεταξύ υγροτόπων και ατμόσφαιρας είναι δύσκολος. Επιπλέον, παραμένει πρόκληση ο προσδιορισμός των ανθρωπίνων επιπτώσεων στο καθαρό ισοζύγιο των αερίων θερμοκηπίου των υγροτόπων σε παγκόσμια κλίμακα.
Υλικά και Μέθοδοι
Περιοχή μελέτης
Το Burns Bog είναι ένα ομβροτροφικό οικοσύστημα που έχει έκταση περίπου 20 τετραγωνικά km και βρίσκεται μεταξύ του νότιου βραχίονα του ποταμού Fraser και του Boundary Bay στο Βανκούβερ της Βρετανικής Κολομβίας (Εικόνα 1). Εκεί υπάρχουν μοναδικές κοινότητες βαλτώδους βλάστησης με σπάνια και απειλούμενα φυτά και είδη άγριας ζωής, πράγμα που το καθιστούν περιβαλλοντικά μοναδικό και με παγκόσμια σημασία. Το Burns Bog περιέχει περίπου 14 τετραγωνικά km διαταραγμένα βαλτώδη οικοσυστήματα με προηγούμενες χρήσεις γης, συμπεριλαμβανομένης της εξόρυξης τύρφης, γεωργίας ή αναψυχής. Παρόλα αυτά, η περιοχή έχει διατηρήσει αρκετά στοιχεία, τα οποία επιτρέπουν την αποκατάστασή της με την πάροδο του χρόνου. Το 2005, το μεγαλύτερο μέρος του οικοσυστήματος χαρακτηρίστηκε ως προστατευόμενο (Burns Bog Ecological Conservancy Area, BBECA). Για να επιτραπούν οι συνεχείς μετρήσεις των ροών του CO2 με τη χρήση EC, εγκαταστάθηκε στο BBECA το καλοκαίρι του 2014 ένας πύργος εκσκαφής σε μια πλωτή πλατφόρμα. Η βλάστηση αποτελείται κυρίως από Sphagnum, διασκορπισμένα πεύκα (Pinus contorta) και δέντρα σημύδας (Betula pendula).
Η περιοχή μελέτης χαρακτηρίζεται από στάσιμες υδατοσυλλογές αναμειγμένες με βλάστηση για το μεγαλύτερο μέρος του έτους. Η κάλυψη της βλάστησης είναι σχεδόν πλήρης το καλοκαίρι, οπότε η επιφάνεια ήταν λιγότερο έντονη το καλοκαίρι σε σύγκριση με την άνοιξη και το φθινόπωρο. Κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης (14 Μαΐου έως 6 Νοεμβρίου 2015), ο υδάτινος πίνακας καλύφθηκε μεταξύ + 15 cm (πάνω από την επιφάνεια) και -22 cm (κάτω από την επιφάνεια). Το καλοκαίρι του 2015 ήταν ασυνήθιστα ξηρό (βροχόπτωση από τον Μάιο έως τον Ιούλιο: 36 χιλιοστά, σε σύγκριση με 154 χιλιόμετρα σε 30ετές κλίμακα κανονικής περιόδου 1981-2010, στο Διεθνές Αεροδρόμιο του Βανκούβερ). Συνεπώς, ο πίνακας νερού το καλοκαίρι του 2015 στην περιοχή μελέτης ήταν χαμηλότερος σε σύγκριση με τα προηγούμενα 7 έτη (έναρξη μετρήσεων).
Φασματικές παρατηρήσεις AMSPEC-III
Οι φασματικές μετρήσεις έγιναν τις 14 Μαΐου έως τις 6 Νοεμβρίου 2015 χρησιμοποιώντας το σύστημα AMSPEC-III (Εικόνα 2). Συγκεκριμένα, τα φάσματα καταγράφηκαν σε VZA ∈ {43 °, 53 °, 63 °} και VZA ∈ {48 °, 58 °, 68 °} κάθε 15 λεπτά και, για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση της συσκευής. Εκτός από την εικόνα που αποκτήθηκε αυτόματα και συν-καταχωρήθηκε στα ταυτόχρονα φάσματα, η ηλιακή ακτινοβολία και η ακτινοβολία του θόλου καταγράφηκαν ταυτόχρονα στους αισθητήρες που βλέπουν τη γεωμετρία. Οι διαφορές στην ευαισθησία στο φως διορθώθηκαν με μέτρηση της ανακλαστικότητας ενός διάχυτου στόχου αναφοράς (Labsphere Spectralon) και μέσω προσέγγισης διασταυρούμενης βαθμονόμησης της ανακλαστικότητας του θόλου.
Μετεωρολογικές και κλιματικές μετρήσεις
Μετρήθηκαν συνεχόμενα, ανά μισή ώρα οι ροές του CO2 χρησιμοποιώντας ένα σύστημα EC, το οποίο είναι εγκατεστημένο στον μικρομετεωρολογικό πύργο ροής. Ένα υπερηχητικό ανεμόμετρο-θερμόμετρο και ένας αναλυτής υπέρυθρων αερίων CO2 / Η2Ο τοποθετήθηκαν σε ύψος 1,8 μέτρων για τις μετρήσεις. Η συνολική πρωτογενής παραγωγή (GPP) ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της ανταλλαγής του καθαρού οικοσυστήματος (NEE) και της αναπνοής του οικοσυστήματος κατά τη διάρκεια της ημέρας (RD). Επιπλέον, οι κλιματολογικές και περιβαλλοντικές συνθήκες παρακολουθούνταν συνεχώς ανά 5 λεπτά. Αυτό περιελάμβανε θερμοκρασίες εδάφους / νερού που καταγράφηκαν σε βάθος 5 cm.
Αποτελέσματα
Η ετερογένεια του εδάφους της περιοχής μελέτης παρουσιάζεται στην Εικόνα 2. Αν και εμφανίζεται μια σαφή εποχιακή τάση (δηλαδή μείωση των τιμών PRI από τον Ιούνιο μέχρι τον Αύγουστο και αύξηση από τον Σεπτέμβριο έως τον Νοέμβριο), οι καθημερινές μετρήσεις PRI (Εικόνα 3), όπως αναμένεται, χαρακτηρίζονται από υψηλή μεταβλητότητα, λόγω της γεωμετρίας των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Αυτή η φασματική μεταβλητότητα είναι συνάρτηση της γεωμετρίας του ήλιου, καθιστώντας απαραίτητη τη μοντελοποίηση και τη διόρθωση του BRDF (Εικόνα 4). Ωστόσο, για τις ετερογενείς επιφάνειες, όπως είναι τα εύκρατα οικοσυστήματα, η συμπεριφορά αυτή οφείλεται, επίσης, στην μεγάλη χωρική μεταβλητότητα που συνδέεται με τους μεταβαλλόμενους τύπους χρήσης γης. Για να υπολογίσουμε το εποχικό LUE, διαμορφώθηκε η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR) χρησιμοποιώντας την μετρούμενη ηλιακή ακτινοβολία (SW ↓) στη θέση μελέτης. Η σχέση μεταξύ PRI που παρατηρήθηκε στο σημείο εστίασης και του σκοτεινού σημείου με το LUE μετρούμενη από την EC φαίνεται στην Εικόνα 5. Η σχέση μεταξύ LUE κάτω από διαφορετικές τιμές PAR και η θερμοκρασία του εδάφους καθ 'όλη τη διάρκεια της εποχής παρουσιάζεται στην Εικόνα 6. Οι χαμηλές τιμές PAR αντιστοιχούν σε χαμηλότερο επίπεδο τάσης (δηλαδή υψηλό LUE, πράσινο) και υψηλότερο PRI, ενώ υψηλή θερμοκρασία αντιστοιχεί σε χαμηλότερη τιμή LUE (κόκκινη).
Συζήτηση
Μια τρίτη γενιά AMSPEC εγκαταστάθηκε σε έναν πύργο ροής στο Burns Bog (Εικόνα 1), σε βαλτώδες οικοσύστημα της Βρετανικής Κολομβίας, στον Καναδά. Το AMSPEC-III διαθέτει ένα φασματόμετρο JAZ-COMBO (Εικόνα 2) και απέδειξε ότι επιτυγχάνει αποτελέσματα σύμφωνα με τις προηγούμενες γενιές AMSPEC. Η απουσία βλάστησης (Εικόνα 2) σε συνδυασμό με την πιθανή παρουσία επιφανειακών υδάτων, δημιούργησαν μια χωρική διαστρωμάτωση των αναγκαίων φασματικών παρατηρήσεων. Πράγματι, αυτή η ανομοιογένεια επηρέασε σημαντικά την μετρηθείσα PRI, οδηγώντας σε υψηλή ημερήσια μεταβλητότητα PRI (Εικόνα 3) καθ 'όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, προσθέτοντας περαιτέρω πολυπλοκότητα στην ήδη αναγκαία μοντελοποίηση και διόρθωση BRDF (Εικόνα 4). Δεδομένης της χωρικής ετερογένειας της περιοχής, το hotspot και το σκοτεινό σημείο εμφανίζουν διαφορετική χρήση γης. Ωστόσο, και οι δύο δείχνουν καλή αντιστοιχία σε σύγκριση με το LUE (Εικόνα 5). Η σχέση μεταξύ PRI κάτω από διαφορετικές τιμές PAR και θερμοκρασία εδάφους (Εικόνα 6) δείχνει ότι οι βέλτιστες συνθήκες βλάστησης σε εύκρατα βαλτώδη οικοσυστήματα χαρακτηρίζονται από χαμηλό PAR (<500 μmol m-2 s-1) και η θερμοκρασία του εδάφους κυμαίνεται μεταξύ 15°C και 20°C.
Όπως ήταν αναμενόμενο, οι χαμηλές τιμές PAR αντιστοιχούν σε χαμηλότερο επίπεδο τάσης (δηλ. υψηλό LUE, πράσινο), ενώ η υψηλή θερμοκρασία σε υψηλότερη τάση (δηλ. χαμηλή LUE, κόκκινη). Ωστόσο, οι τιμές PRI φαίνεται να επηρεάζονται από την παρουσία επιφανειακών υδάτων. Στην πραγματικότητα, για υποτιθέμενες ξηρότερες συνθήκες (δηλ. υψηλό PAR και υψηλή θερμοκρασία εδάφους), το PRI παραμένει υψηλό και για χαμηλές τιμές LUE. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε συμφωνία με τα συμπεράσματα των παραγράφων 43 και 44, όπου η PAR και η θερμοκρασία του εδάφους υποδείχθηκαν ως βασικοί περιβαλλοντικοί παράγοντες που ελέγχουν τις ανταλλαγές αερίων στην περιοχή μελέτης το 2014 και το 2015 αντίστοιχα. Η παρούσα μελέτη αποδεικνύει την ευελιξία του AMSPEC-III για οικοσυστήματα που παρουσιάζουν πολλαπλές χρήσεις γης, όπως τα βαλτώδη. Οι ταυτόχρονες φασματικές παρατηρήσεις διαφορετικών τύπων βλάστησης από πολλαπλά συστήματα AMSPEC-III, μπορούν να βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της φυσιολογίας της βλάστησης και των φασματικών χαρακτηριστικών της. Το AMSPEC-III απέδειξε ότι είναι κατάλληλο για την ανάλυση του κύκλου του άνθρακα σε ένα περιβάλλον με ετερογενή χρήση γης, όπως το βαλτώδες οικοσύστημα της παρούσας μελέτης.
Συμβολή της Τηλεπισκόπησης
Η τηλεπισκόπηση κοντά στην επιφάνεια έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την αυτόματη ανάκτηση ποσοτικών δεδομένων φυσιολογικών διεργασιών και την μελέτη της σχέσης μεταξύ των φυτικών φυσιολογικών ιδιοτήτων και της βιοχημικής σύνθεσης του φύλλωματος. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται παρατηρώντας στενές φασματικές ζώνες κυμάτων στην περιοχή των 400-2500 nm με οπτικούς αισθητήρες υψηλής φασματικής και χωρικής ανάλυσης.
