Voortbouwend op methoden die ze gebruikten om de impact van orkanen zoals Katrina, Gustaaf, en Rita over bossen en boomsterfte, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) hebben met behulp van Google Earth Engine een snelle kaart gemaakt van de verstoringsintensiteit in de bossen van Puerto Rico.

Gehavend door twee intens krachtige stormen met aanhoudende windstoten van meer dan 240 kilometer per uur vorig jaar – eerst door orkaan Irma en vervolgens door orkaan Maria – leed Puerto Rico wijdverbreide en catastrofale schade aan de stedelijke infrastructuur. Door gebruik te maken van satellietbeelden in combinatie met beeldverwerkingstechnieken, een team onder leiding van Jeffrey Chambers, een expert in bosbiogeografie, vond ook grote ecologische schade.

De onderzoekers beoordeelden de schade door te kijken naar veranderingen in de oppervlaktereflectie van zowel zichtbaar als onzichtbaar licht. Terwijl het menselijk oog kleuren in het zichtbare spectrum kan onderscheiden, door ook de spectrale respons van het oppervlak in reflecterend infrarood licht te meten, wordt een veel nauwkeuriger beeld verkregen van effecten op bosvegetatie.

"We zoeken naar een verandering in de spectrale signatuur van voor en na de storm, " zei Chambers, een wetenschapper in Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area, evenals een universitair hoofddocent geografie aan UC Berkeley. "Als het zonlicht weerkaatst op groene vegetatie, lijkt het een kant op, en wanneer het weerkaatst van vegetatie waar alle bladeren zijn afgestroopt of bomen zijn omgevallen, is het heel anders. We vinden dramatische veranderingen in de spectrale signatuur van de bossen in verband met schade, boom sterfte, ontwortelde bomen, gestripte bladeren, en luifels."

Een voordruk van hun studie, "Orkaan Maria heeft gevolgen voor Puerto Ricaanse bossen, " is online gepubliceerd. "Het in kaart brengen van de gevolgen van verstoringen en het publiceren van resultaten kan jaren duren, " zei Yanlei Feng, een UC Berkeley afgestudeerde student aardrijkskunde die de eerste auteur van de studie is. "Deze nieuwe aanpak, waarbij gebruik wordt gemaakt van het Google Earth Engine-platform, maakt de levering van dataproducten mogelijk die tijdiger zijn; voor gebruik bij gevarenbeoordelingen, bijvoorbeeld."

De onderzoekers schatten dat 23 tot 31 miljoen bomen mogelijk zijn gedood of ernstig beschadigd door orkaan Maria, maar merken op dat veldonderzoek nodig is om nauwkeurigere schattingen te krijgen. Een vergelijkbare analyse die ze uitvoerden nadat de orkaan Katrina schatte dat 320 miljoen bomen stierven of ernstig beschadigd raakten in Mississippi en Louisiana.

Waarom tropische bossen bestuderen?

Bossen bedekken ongeveer 54 procent van Puerto Rico, en het zijn de enige tropische bossen in de Verenigde Staten buiten Hawaï. Echter, in tegenstelling tot Hawaï, die weinig inheemse boomsoorten heeft, De bossen van Puerto Rico zijn veel diverser, met honderden soorten.

Berkeley Lab bestudeert al enkele jaren de bossen van Puerto Rico als onderdeel van het Next Generation Ecosystem Experiments-Tropics (NGEE-Tropics) initiatief van het Department of Energy, een multi-institutioneel project gelanceerd in 2015 en geleid door Berkeley Lab. "Een van onze doelen is om aan te tonen dat tropische bossen belangrijk zijn voor de VS. ', aldus Chambers.

Het bestuderen en begrijpen van bosverstoringen is om vele redenen belangrijk, inclusief beheer van natuurlijke hulpbronnen, bescherming van stroomgebieden en effecten op bodemerosie, en het onderzoeken van de directe effecten van boomvallen op het energiedistributienet. Tropische bossen zijn vooral belangrijk omdat, ook al bedekken ze slechts 7 procent van het aardoppervlak, ze bevatten de grootste koolstofvoorraden in de vegetatie, en zijn ook belangrijke koolstofputten.

Als onderdeel van NGEE-Tropics, Berkeley Lab heeft de bossen in Puerto Rico bestudeerd als een pilot-studielocatie om de modellering van het aardsysteem te helpen verbeteren. "Waterstromen, energie, koolstof, en de biogeochemische kringloop van nutriënten is het hoogst in de tropen, "Zei Chambers. "Dus als je een nauwkeurig aardsysteemmodel wilt bouwen, je moet de tropen goed krijgen."

Geavanceerde beeldverwerking

De onderzoekers van Berkeley Lab keken naar afbeeldingen van Landsat 8, een satelliet die elke 16 dagen gedetailleerde beelden van de hele aarde maakt, beelden van voor en na de orkanen vergelijken en effecten van wolken en schaduwen elimineren.

Gegevens worden verzameld door Landsat 8 als afbeeldingen van 30 vierkante meter pixels. De onderzoekers kwantificeerden de spectrale signatuur van elke beboste pixel voor en na de stormen om de verandering te bepalen in de fractie van het oppervlak die als niet-fotosynthetische vegetatie wordt beschouwd. Ze ontdekten dat de schade niet gelijkmatig over de bossen van het eiland was verspreid.

"De intensiteit van de spectrale verschuiving varieerde sterk over het eiland, Chambers zei. "Nu willen we beter begrijpen waarom sommige bossen kwetsbaarder waren dan andere, en welke factoren de verschillen in de manier waarop bossen werden beïnvloed, bepaalden. Was het de soort, was het de helling, was het het aspect - of je nu aan de loefzijde of de lijzijde bent terwijl de storm tegen de klok in draait? Ook de grondsoort en de bewortelingsdiepte zijn belangrijke factoren."

Bijvoorbeeld, cipressen en tupelobomen in Louisiana hebben orkaan Katrina prima doorstaan. "De eiken naast de deur gingen allemaal naar beneden, " zei Chambers. "Cypressen hebben steun- en wortelstructuren die weerstand bieden tegen wind."

Koolstofbron of koolstofput?

Bossen verwijderen koolstofdioxide uit de atmosfeer door fotosynthese. Als het stormt, branden, of andere verstoringen doden een groot aantal bomen, de dode biomassa wordt afgebroken door schimmels, insecten, en dergelijke, waarbij koolstofdioxide vrijkomt in de atmosfeer. Wanneer de boomsterfte bijzonder hoog is, een bos kan veranderen van een koolstofput naar een koolstofbron.

Maar Chambers wijst erop dat het tientallen jaren kan duren voordat een boom is afgebroken en al zijn koolstof heeft uitgestoten. "Alle bossen worden elk jaar met een bepaalde achtergrondsnelheid verstoord; veranderingen in de koolstofcyclus treden op als deze achtergrondsnelheid toeneemt naarmate stormen frequenter of intenser worden, " zei hij. En Puerto Rico heeft eerder verwoestende orkanen meegemaakt, waaronder de orkaan San Felipe Segundo uit 1928, die zelfs sterker was dan Maria, evenals orkanen Georges in 1998 en Hugo in 1989.

Een ander recent NGEE-Tropics-onderzoek wees uit dat de subtropische droge bossen van Puerto Rico bestand zullen blijven tegen orkanen. Echter, als de orkaanfrequentie aanzienlijk toeneemt, bossen zullen niet genoeg tijd hebben om te regenereren. "Als de terugkeerfrequentie van een storing toeneemt, kunt u een langdurige afname van de totale koolstofopslag krijgen, ', aldus Chambers.