Skogens ekosystems produktivitet och stabilitet är starkt beroende av växtsamhällenas funktionella mångfald. Forskare vid Zürichs universitet har utvecklat en ny metod för att mäta och kartlägga funktionell mångfald av skogar i olika skalor - från enskilda träd till hela samhällen - med hjälp av fjärranalys med flygplan. Deras arbete banar väg för framtida luftburna och satellituppdrag för att övervaka den globala anläggningens funktionella mångfald.

Ekologiska studier har visat positiva samband mellan växtmångfald och ekosystems funktion. Skogar med högre funktionell mångfald är generellt sett mer produktiva och stabila över långa tidsskalor än mindre mångfaldiga skogar. Olika växtsamhällen visar ökad resursanvändningseffektivitet och utnyttjande, ökad ekosystems produktivitet och stabilitet och bättre kan hantera förändrade miljöförhållanden - en försäkringseffekt av biologisk mångfald. De är också mindre sårbara för sjukdomar, insektsangrepp, eld och stormar.

Ny metod för att studera hela skogsekosystem uppifrån

Växtfunktionell mångfald kan direkt mätas genom att kartlägga utvalda morfologiska och fysiologiska egenskaper hos en skog från ovan. Förr, funktionella egenskaper hos växter måste mätas genom mycket arbetsintensivt fältarbete på marken. Detta fältarbete var antingen begränsat till mycket få mätbara egenskaper på större tomter eller många egenskaper på mycket små tomter eller enstaka träd. Forskare från UZH och California Institute of Technology/NASA Jet Propulsion Laboratory har nu utvecklat en ny fjärranalysmetod för att kartlägga funktionell mångfald av skogar från små till stora skalor, oberoende av eventuella fördefinierade vegetationsenheter eller artinformation och utan behov av markbaserad kalibrering.

Forskargruppen tillämpade sina metoder på Laegernberget, ett tempererat blandskogsekosystem som ligger nära Zürich, Schweiz. "Med fjärranalys, vi har den unika möjligheten att studera hela skogens ekosystem genom att kontinuerligt kartlägga deras funktionella egenskaper som ser uppifrån på skogens baldakins löv över mycket stora områden, säger Michael Schaepman från Remote Sensing Laboratories vid Institutionen för geografi.

Funktionella egenskaper indikerar trädens aktivitet och hälsotillstånd

Med luftburen laserskanning, forskarna mätte morfologiska egenskaper hos skogens trädkronor, såsom höjden på trädkronorna, blad- och grentätheter. Dessa mätningar indikerar hur solljuset tas upp av baldakinen för att tillgodogöra sig koldioxid från luften och använda kolet för att växa. I en baldakin med en mer varierad struktur, ljus kan bättre spridas mellan olika vertikala kapellskikt och mellan enskilda trädkronor, möjliggör en mer effektiv ljusfångning. Forskarna karakteriserade också skogen med avseende på dess biokemiska egenskaper med hjälp av luftburen avbildningsspektroskopi. Genom att mäta hur löv reflekterar ljuset i många spektralband, de kunde härleda fysiologiska egenskaper som innehållet i bladpigment (klorofyller, karotenoider) och bladvatteninnehåll. "Dessa fysiologiska egenskaper ger information om trädens aktivitet och hälsostatus. Vi kan se, till exempel, om ett träd lider av vattenstress, och vilken resursallokeringsstrategi ett träd följer eller hur det anpassar sig till miljön, " tillägger Schaepman.

Observerade mångfaldsmönster som överensstämmer med topografi och jordmån

Forskarna validerade sin metod genom att jämföra resultaten med fältmätningar på lövnivå, inventeringsdata och databaser på artnivå som tillhandahåller funktionella egenskaper. Med hjälp av datormodellering, de kunde bedöma mångfaldsmönster av morfologiska och fysiologiska egenskaper på en mängd olika skalor, från lokal mångfald mellan enskilda träd till storskaliga mönster av växtsamhällen som följer miljögradienter. Teamet fann ett starkt samband mellan de observerade funktionella mångfaldsmönstren och miljöfaktorer som jord och topografi, med lägre mångfald på bergsryggen under tuffare miljöförhållanden, där träden anpassade sig till det torra, brant, grunda och steniga jordar.

Möjlighet att bedöma funktionell mångfald från rymden

"Med fjärranalys, vi kan nu mäta och övervaka mångfalden av skogar, gör det möjligt för oss att observera förändringar i stor skala och tillhandahålla rumslig information för naturskydd och klimatförändringsstrategier, " betonar Michael Schaepman. Eftersom metodiken endast begränsas av tillgången på avancerade tekniska sensorer, detta arbete banar väg för framtida luftburna och satellituppdrag som syftar till att övervaka den globala anläggningens funktionella mångfald från rymden.