Vegetation, klimat och satellitdata. Satellitdata Biom Årstidscykler. Ekosystem Biodiversitet Övningsintro: Kenya

Transkript

1 Vegetation, klimat och satellitdata Vegetation, klimat och satellitdata ANNA MARIA JÖNSSON, INST. FÖR NATURGEOGRAFI OCH EKOSYSTEMVETENSKAP, LU Satellitdata Biom Årstidscykler Ekosystem Biodiversitet Övningsintro: Kenya Reflectance (%) Varför använda satelliter för övervakning av vegetation? Landsat ETM wavebands 30 Senescent leaves Uppdatering med dagars intervall Yellowing leaves Green leaves Studera förändring av vegetation och markanvändning visible NIR MIR Wavelength (micro meter) Övervaka påverkan av ett varmare klimat UPPLÖSNING Spatial Studera effekter av extrema väderlekshändelser Spektral (radiometrisk) - bandbredd, antal band µm µm µm 7 Temporal - hur ofta satelliten återkommer µm µm µm Relative reflectance Clear water Vegetation Rocks Soil Water with phytoplankton nm Wavelength Band 1 Band 2 Band 3 (B) (G) (R) Band 4 (NIR) Band 5, 6, 7 Red (R) level RGB false-colour image Green (G) level Blue (B) level Landsat FCC Near Infrared ref. = Red color Red ref. = Green color Green ref. = Blue color 1

2 Spektral signatur för vatten, skog, jord, gräsvegetation och moln VI vegetationsindex VI=NIR-R NDVI normaliserat VI NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) - Kompenserar för skillnader i ljusförhållanden mellan olika tidpunkter och platser - Förstärker små skillnader, t.ex. mellan mark och vegetation NDVI tidsserie för en lokal NDVI Granskog, mellansverige year Kvalitetsflaggor = snö = moln NDVI = normalised difference vegetation index, ett mått på grönska NDVI nära 0 = sparsam vegetation, nära 1 = tät vegetation Växtsäsongens längd, övervakning av skogens utveckling Vintertid: stor effekt av snö = ok, klar sky Behöver kunskap om växtfysiologi och fenologi för att tolka tidsserier av satellitdata Förstå hur vegetationen reagerar på störningar och markanvändning klimatförändring ändrad tillgång på resurser som behövs för fotosyntes (t.ex. PAR, CO 2, H 2 O, N) Global vegetation pattern - map based on MODIS data Deciduous Needleleaf Less sensitive to frost damage Deciduous Needleleaf Evergreen Needleleaf Deciduous Broadleaf Evergreen Needleleaf Expensive in terms of carbohydrates Needles last for 4-12 years Winter dormancy Spring recovery onset of photosynthesis Deciduous Broadleaf High photosynthetic capacity Expensive in terms of nutrients vegetation period -at least 4 months Sulla-Menashe, D et al. (2011), Remote Sensing of Environment 115,

3 Biom Vegetationsområde Klimatet påverkar storskalig utbredning regional ansamling av växtsamhällen Skåne Årsmedeltemperatur C Årlig nederbörd mm Figur: wikipedia Biotemperature ( C) Latitudinal Belts Polar Subpolar Boreal Cool temperate 12 Warm temperate Subtropical 24 Tropical Holdridge (1947) Life Zones model Scrub Moist Ice Moist Wet Wet Altitudinal Belts Nival Alpine Subalpine 1.5 Moist Wet Steppe Scrub Montane Thorn 12 Steppe Lower montane Moist Wet Scrub Thorn Pre-montane Woodland 24 Very Thorn Moist Wet Scrub Woodland 3 6 Konvergent evolution Områden med liknande klimat, har ofta liknade växter och djur Växtstruktur bladtyp rumslig fördelning Fagus sylvatica Nothofagus Annual precipitation (mm) Norra hemisfären Södra hemisfären Temperature as a control on plant distributions Poleward and alpine biome limits often correspond to low temperature isotherms are often hard physiological limits result of processes that directly limit survival in a given environment Low-latitude and low-altitude biome limits are typically soft determined by competition between different plant types within their physiological niches Water availability as a control on plant distributions drier moister Potential evapotranspiration ratio (PET/precipitation) physiology determines limits competition determines limits Shrubs Needleleaf trees Summergreen broadleaf trees Evergreen broadleaf trees Absolute minimum temperature C Vegetation type forest savannah desert 3

4 Anpassning till vinterkyla Bladfällande Vintergrön, invintring Annuell Anpassning till (sommar)torka Bladfällande Suckulent Djupt rotsystem Kort livscykel under regnperiod Anpassning till konkurrens om ljus Tidigt på plats Investering i stam Ice Lian, slingerväxt Skuggföredragande Moist Wet 3 Moist Wet Scrub 6 Steppe Moist Wet Scrub 12 Thorn Steppe Moist Wet Scrub Woodland 24 Thorn Very Moist Wet Scrub Woodland Klimatfaktorer kan vara begränsande Liebligs minimum lag Ekologiskaprocesser styrsaven, ellerettfåtal, faktorer som det råder brist på. De resurserochråmaterialsomdetfinnsgott om förblir delvis outnyttjade. Utbredningenaven art bestämsavden faktor som organismen har minst anpassning för eller minst kontroll över. 4

5 Allokering ett sätt att balansera tillgång och behov Allocation of biomass in relation to climate Leaves Rot-skott kvoten påverkas av tillgång på bl.a. vatten och kväve Roots Drought index (PET/precipitation) Stems % Sammanfattning Grimes triangel: olika arter dominerar i olika miljöer klimatförhållanden Artspecifik respons störningståliga Stressfaktor För lite ellerförmycket? Undvika/Tolerera icke-optimala förhållanden Mellanartskonkurrens Dominerande växtsamhälle Temperatur Tungmetaller Syre Vatten Salt Ljus Luftföroreningar Lövfällande Anpassning (rot skott) Härdighet Annuell konkurrens tolerans Förekomst av ogynnsamma miljöfaktorer Naturlig succession Växtsamhällen långt ifrån alltid i jämvikt med klimatet Klimaxsamhälle - Succession -Ekotoner Naturlig störning - Mänsklig påverkan En förändring i artsammansättning över tid riktad kolonisering och utrotning av populationer i ett samhälle Primär succession (efter istid, vulkanutbrott) jordmånsbildning Sekundär succession(efter brand, storm) finns jordmån och arter i närheten som kan kolonisera 5

6 Växtfenologi Årstidväxlingar Knoppsprickning Blomning Lövfällning Mänsklig påverkan- markanvändning Växtsäsongens längd Hur påverkar klimatet växternas fenologi? Temperatur Vinterhärdighet hos gran Inte härdad Initialt härdad Härdad, tåler vinterkyla Nederbörd Daglängd Kloroplasterna längs cellväggen, Aktiva fotosyntes Kloroplasterna hopklumpade, ej fotosyntetiskt aktiva Fotosyntes Autotrofer: gröna växter, alger Klyvöppningarna reglerar växtens gasutbyte Källan till i stort sett all biomassa och energi för levande organismer Producerar syre(restprodukt) H 2O H 2O CO2 + H2O + PAR CH2O + O2 CO 2 CO 2 Gross primary production (GPP) = summan av all fotosyntes i ett ekosystem (under ett år) Netto primary production (NPP) = GPP - autotrof respiration Upptag av koldioxid leder samtidigt till avdunstning av vatten WUE - water use efficiency Kolhydrat+ syre-> energi+ koldioxid+ vatten 6

7 Tre olika system för fotosyntes C3 C4 CAM Hos alla levande organismer Respiration Autotrof respiration ~ 50% av GPP ingen separation rumslig separation separation över dygnet Stomata öppen under dagenförco 2 fixering och kolhydratproduktion Stomata stänger vid brist på vatten CO 2 fixering och kolhydratproduktion skeri olika cellvävnader Lägre fotorespiration Tåler vattenstress bättre Stomata öppen under natten/stängd under dagen CO 2 fixeringunder natten, kolhydratproduktion under dagen Mindre vattenförlust Heterotrof respiration (djur, svampar, bakterier) Nedbrytare står för den största delen Den totala respirationen över tid är ungefär GPP Finns ekosystem där kolinlagringen domnierar Changes in Terrestrial Net Primary Production Sammanfattning Increased NPP from 1982 to Temperatur Vatten Ljus CO 2 Calculated from GIMMS and PAL data sets. Årstidsberoende Fotosyntes Stomata Gasutbyte R. R. Nemani et al., Science 300, 1560 (2003). Växternas kolbalans WUE C3 C4 CAM Drought-Induced Reduction from 2000 to 2009 NPP Respiration underhåll tillväxt Satellite data from MODIS M. Zhao, et al. Science 329, 940(2010) herbivorer förna O 2 Energi Livsform, olika strategier encellig annuell perenn vedartad Vegetation, klimat och satellitdata Satellitdata Biom Årstidscykler Ekosystem Biodiversitet Övningsintro: Kenya Ekologi: läran om hur organismer påverkas av omgivande abiotiska(icke-levande) och biotiska(levande) faktorer. Atmosfär Abiotiska faktorer Rumslig miljö Hydrosfär EKOSYSTEM Litosfär Pedosfär Växter Rhizosfär Rötter, bakterier, svamp Biotiska faktorer Biosfär Djur Interaktioner mellan arter 7

8 Ekologi solenergi - tidigare deskriptiv växtätare - nu vanligt med modeller, t.ex. för att förutse ekologiska konsekvenser av klimatförändring växter köttätare - biogeografiskt perspektiv, fokus på att beskriva generella mönster och samband nedbrytare näringsämnen Biom nettoprimärproduktion & water use efficieny NPP gram biomassaper kvadratmeter och år (torrvikt) regnskog > nemoboreal zon boreal zon WUE gramtorrviktper kg H 2 O öken < , CAM växter Spannmål WUE C3 växter C4 växter 3-5 Energiflöde mellan trofinivåer Toppredator 0.1% Köttätare 1% Växtätare 10% Växter 100% Larscher 2003 DDT Miljögifter och tungmetaller anrikas i näringskedjan Täthetsberoende faktorer Utrymme Födoresurser Predation Sjukdomar och parasiter Konkurrens: uppstår när en resurs är begränsande Bärkraft: antalet individer som områdets resurser räcker till Reproduktion Immigration Population Mortalitet Emigration 8

9 Nischseparation Ekoton en gradient i landskapet Resursutnyttjande Resursutnyttjande Resursgradient Resursgradient Ekologisk nisch = en arts totala omvärldsrelationer -två arter kan inte ha exakt samma ekologiska nisch -konkurrens leder till nischseparation habitat = adress nisch = yrke Successionsförloppet: Tid efter störning påverkar ekosystemets biomassa och antalet arter Medelklimat vs extrem väderlek Vad som är extremt beror på artens anpassnings- och toleransförmåga Mängd/ Antal Omloppstid Inkl. gallring ~100 Biomassa Arter Tid (år) Artens resursallokering optimalt Reproduktion Tillväxt Överlevnad Miljöfaktor Klimatindex som ofta används i relation till ekosystemegenskaper Prec nederbörd (mm/år) MATårsmedeltemperatur ( C) Elev höjd över havet (m) Biologiskt relevant temperatur MTCM mean temperature of the coldest month Ett mått på hur kall vintern är. Av betydelse för utbredningen av olika vegetationsklasser i framförallt nordliga bredgrader (t.ex. boreala skogar och tundra). GDD5graddagar, summan av antal grader över 5 C under året. Ett mått på hur mycket energi finns för att driva växtprocesser. 9

10 Modell över granbarkborrens årscykel - ett exempel på hur en GDD modell kan användas > Temperatursumma 120 graddagar (+5 o C) Uppvaknande från vinterdvala Dag nr Dygnsmedel o C Graddagar = =10 Summa 12 Uppvaknande från vinterdvala Augusti Juli Juni Maj April År Data för Växjö, RCA3-ECHAM5 A1B Modell över granbarkborrens årscykel April 1950 Utveckling av första generationen År 625 GDD (+5 o C) Augusti Juli Juni Maj > Två generationer granbarkborrar Vårsvärmning Uppvaknande från vinterdvala % av år Data från RCA3-ECHAM4 A1B Biologiskt relevant nederbörd PET/prec kvoten mellan den potentiella avdunstningen (mm/år) och nederbörd (mm/år). Högre värde motsvarar ökad risk för torka, lågt värde fuktiga områden AET/PET actualevapotranspiration/potential evapotranspiration, kvoten mellan den faktiska och potentiella avdunstningen (mm/år). Lågt värde motsvarar tendens till torka, högt värde riklig vattentillgång. Varför fler arter närmare ekvatorn än nära polerna? Längre evolutionär tid ingen nedisning Ekologisktid nyamiljöer Spatial heterogenitet Klimatstabilitet Högre produktivitet Stabil primärproduktion 10

11 Introduktion av arter Markanvändning Mänsklig påverkan Spridning av miljögifter Klimatförändring Varför bevara biodiversitet Ekosystemtjänster Artvariation - stabilitet, olika råmaterial Genetisk variation inom art Inte rätt att utrota andra arter 11