Analyzing spatial variation and change in the structure of boreal old-growth forests

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-663-2
Title: Analyzing spatial variation and change in the structure of boreal old-growth forests
Author: Kulha, Niko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Metsätieteiden osasto
Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources
Publisher: Unigrafia
Date: 2020-01-17
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Forestales - URN:ISSN:2323-9220
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-663-2
http://hdl.handle.net/10138/308779
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Global environmental change and other anthropogenic changes, such as changes in disturbance regimes alter the structure and dynamics of boreal old-growth forests. Changes in these forests greatly influence key ecosystem properties such as biodiversity and carbon cycle. Hence, understanding the development of the remaining natural boreal forests is particularly important. This thesis examines how boreal forest structure varies in space and changes over time. Forest structure was examined in three natural boreal forest landscapes in northern Fennoscandia and two landscapes in eastern North America. Canopy cover that was visually interpreted from stereopairs of aerial photographs taken between the years 1959 and 2011 was used as a surrogate measure of forest structure to quantify and examine spatial variation and/or temporal change, and Bayesian inference was used to separate credible ecological phenomena from the noise caused by visual interpretation error. This thesis presents and applies a novel methodology to study changes in forest structure. We calibrated visual canopy cover interpretations made from time series of aerial photographs with canopy cover reconstructions that were based on field- and tree-ring measurements. We successfully identified credible changes in forest structure in each studied landscape, but also noted that the visual interpretation of canopy cover was prone to systematic and random error that depended on, e.g., aerial photo quality. Due to this error, changes that occurred at the level of an individual tree could not be credibly discerned. Still, the methodology can be used to detect both abrupt and slow continuous changes in forest ecosystems. The methodology was extended to examine spatial variation in forest structure. The results revealed variation in forest structure at multiple spatial scales which showed similarities despite the differences in dominant tree species and disturbance regimes between the studied landscapes. The variability was connected with scale-dependent driving processes that also showed similarities among the landscapes. Last, the methodology was applied to study how varying scale of observation influences how changes in forest structure are perceived over different periods of time. This multi-scale change analysis revealed a synchronous and prevalent cover increase at large spatial scales in the majority of the studied landscapes, and canopy cover decrease and increase in areas that were subjects to disturbances. Changes of variable direction and magnitude were detected at smaller spatial scales in each studied landscape. The results indicated that historical aerial photographs are a valuable resource in studying how forest ecosystems develop, but the notable errors in their visual interpretation need to be taken into account in analysis of change. The results aligned with the hierarchy theory and the hierarchical patch dynamics concept by showing that the structure of natural boreal forests vary and change at discernible spatial scales, and showed that these scales can be identified and quantified objectively. While gap- and patch-scale changes were important, the most notable changes occurred at large spatial scales, contradicting the conventional view that changes in the structure of natural boreal forests are mostly due to gap dynamics. This suggests that the studied forests are currently responding to large scale drivers that cause trend-like increase in their canopy cover and consequently in biomass.Globaalimuutos muuttaa jäljellä olevien luonnontilaisten boreaalisten metsien rakennetta ja dynamiikkaa. Näiden metsäekosysteemien muutoksilla on suuria vaikutuksia esimerkiksi luonnon monimuotoisuuteen ja hiilen kiertoon. Siksi on keskeistä ymmärtää miten luonnontilaisten metsien rakenne ja dynamiikka muuttuvat. Tarkastelen luonnontilaisten boreaalisten metsien rakenteen vaihtelua tilassa ja muutosta ajassa kolmella Pohjois-Fennoskandiassa ja kahdella itäisessä Pohjois-Amerikassa sijaitsevalla tutkimusalueella. Hyödynnän ilmakuvilta visuaalisesti tulkittua latvuspeittävyyttä, maastomittauksia sekä puiden vuosilustoista saatavia kasvuhistoriatietoja metsärakenteen vaihtelun ja muutoksen tarkastelussa. Kolmelta ajanhetkeltä vuosien 1959 ja 2011 väliltä tehdystä visuaalisesta tulkinnasta laskettiin systemaattinen ja satunnainen tulkintavirhe, ja niitä hyödynnettiin Bayes-päättelyssä erotettaessa uskottavaa ekologista vaihtelua tai muutosta ilmakuvatulkinnan virheestä. Väitöskirjassani kuvaan uuden menetelmän ja käytän sitä metsärakenteen spatiaalisen vaihtelun ja muutoksen tarkasteluun. Menetelmää hyödyntäen havaitsimme uskottavaa spatiaalista vaihtelua ja muutosta jokaisen tutkimusalueen metsien rakenteessa. Sekä muutos, että vaihtelu ilmenivät useilla mittakaavatasoilla, jotka olivat samankaltaisia eri tutkimusalueilla. Vaikka eri prosessien havaittiin aiheuttavan metsärakenteen vaihtelua eri mittakaavatasoilla, vaihtelun mittakaavatasojen samankaltaisuus tutkimusalueiden välillä osoittaa, että boreaalisista luonnonmetsistä saatetaan tunnistaa luonteenomaisia metsärakenteen vaihtelun mittakaavatasoja, jotka ovat riippumattomia esimerkiksi valtapuulajista tai häiriökierroista. Metsärakenteen muutoksen monimittakaavainen tarkastelu osoitti huomattavimpien muutosten tapahtuneen suurilla, neliökilometrien mittakaavatasoilla. Väitöskirjani osoitan historiallisten kaukokartoitusaineistojen käyttökelpoisuuden sekä käytön haasteet metsätutkimuksessa. Havaintoni luonnonmetsien rakenteen monimittakaavaisesta vaihtelusta ja muutoksesta, näiden mittakaavatasojen tunnistettavuudesta, erotettavuudesta ja laskennallisesta määrityksestä sopivat hierarkiateorian ja hierakkisen laikkudynamiikan viitekehykseen. Toisaalta havaitsemani laaja-alainen muutos on ristiriidassa vallitsevan boreaalisten luonnonmetsien muutosta kuvaavan teorian, pienaukkodynamiikan, kanssa. Väitöskirjani tuloksista voidaan päätellä tutkimieni metsien muuttuneen ensisijaisesti laaja-alaisten kasvuympäristön muutosten, esimerkiksi häiriökierron tai kasvuolosuhteiden muutosten, vuoksi. Nämä laaja-alaiset muutokset ovat kasvattaneet tutkimieni metsien puuston biomassaa viimeisten vuosikymmenten aikana.
Subject: Metsäekologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
analyzin.pdf 845.5Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record