От рулетки до космических лазеров: как измерить биомассу самых высоких лесов мира

В эпоху климатического кризиса точный учёт углеродного цикла Земли критически важен. Леса — важный, хотя и ограниченный, инструмент среди мер по смягчению последствий.

Экосистемные услуги лесов выходят далеко за рамки хранения углерода. Оставшиеся первичные (старовозрастные) леса бесценны как хранилища углерода и биологические убежища.

Понимание роли лесов требует точного измерения биомассы, примерно половина которой — углерод. Технологический прогресс и срочность проблемы стимулируют международные усилия по картографированию биомассы.

Воздушное и космическое лазерное сканирование многообещающи, а дистанционное зондирование эффективно для больших площадей. Однако ценность этих методов сомнительна, пока их оценки не проверены прямыми измерениями. Новая статья в Forest Ecology and Management посвящена этой проблеме на примере самых высоких лесов мира.

Самые высокие деревья создают леса с наибольшей биомассой, но их сложно точно измерить. Наша команда специализируется на оценке выдающихся деревьев с помощью альпинизма, картографирования крон и взятия кернов.

Какие измерения лучше всего подходят для оценки биомассы дерева? Диаметр на высоте груди — привычный показатель, но плохой предиктор для высоких и крупных деревьев.

Наземное лазерное сканирование теперь позволяет легко определять объём ствола с земли. В сочетании с измерениями размера кроны и общей высоты это даёт точные оценки на уровне дерева, способные калибровать дистанционное зондирование биомассы леса. Рассмотрим в качестве примера леса, где доминирует Sequoia sempervirens (далее — секвойя).

Первичные леса секвойи представляют особый интерес как самая высокая и тяжёлая наземная растительность. Эти леса могут накапливать более 2000 метрических тонн углерода на гектар надземной биомассы. Пропитанная фунгицидами заболонь и толстая кора делают секвойи чрезвычайно устойчивыми к гниению и огню, поэтому отдельные деревья могут жить более 2000 лет.

Было вырублено более 95% первичных лесов секвойи, а 75% оставшихся насаждений находятся в семи парках штата и национальных парках округов Гумбольдт и Дель-Норте в Калифорнии. Что дистанционное зондирование может рассказать нам об этих уникальных лесах и как это соотносится с реальностью на земле?

Благодаря проекту Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) на борту Международной космической станции доступен набор данных лазерного сканирования с картами высоты полога и прогнозируемой надземной биомассы для лесов по всему миру.

Наша команда посетила 200 «импульсов» GEDI, распределённых по резерватам первичных лесов секвойи. Каждый импульс покрывал участок диаметром 25 метров, и деревья в этой зоне измерялись для точной оценки объёма ствола, размера кроны и высоты, чтобы можно было рассчитать биомассу на импульс.

Наши измерения показывают, что GEDI часто сильно занижает биомассу — до половины. Почему? Метрики GEDI, предсказывающие биомассу в этих лесах, основаны на высоте полога, а одна лишь высота — плохой предиктор биомассы высоких деревьев. Деревья одинаковой высоты могут иметь стволы совершенно разных размеров.

Это не указывает на проблему для всей миссии GEDI. Высота является адекватным предиктором биомассы в более низких лесах с меньшими деревьями (например, на восстанавливающихся лесных угодьях в западной части Северной Америки). Однако для первичных лесов секвойи GEDI — не самый эффективный инструмент, и это может быть справедливо для других высоких лесов. Космическое лазерное сканирование — это очень дистанционный метод, но другой перспективный инструмент летает ближе к дому.

Воздушное лазерное сканирование (Airborne laser scanning, ALS) использует лидары, установленные на самолётах, для характеристики рельефа и растительности. Удобно, что недавно с помощью ALS было обследовано 37 000 гектаров первичных лесов секвойи. Эти данные были важны для сопоставления импульсов GEDI во время наших полевых работ и для разработки новых прогнозных уравнений для оценки биомассы с использованием ALS вместо метрик GEDI.

Отсканированные леса секвойи были сегментированы на 2,5 миллиона объектов, состоящих из доминирующих и подчинённых крон деревьев, для создания полной инвентаризации полога. Для каждого объекта определялись высота и размер кроны для расчёта объёма. Прогнозные уравнения были разработаны путём привязки 500 объектов к тщательно измеренным деревьям, распределённым по всей исследуемой территории.

Прогнозы ALS лучше, чем у GEDI, но биомасса деревьев с гигантскими стволами (диаметр на высоте груди >5 метров) снова существенно занижается. Этот «эффект гигантских деревьев» означает, что оценки биомассы ALS для всего парка по-прежнему консервативны. Несмотря на этот недостаток, ALS может эффективно количественно определять биомассу живых деревьев на больших лесных территориях.

Наши карты биомассы выявляют оплоты долгосрочного хранения углерода и могут помочь в управлении. Области сверхвысокой биомассы (>3000 метрических тонн на гектар, пурпурные пиксели) редки. На всей исследуемой территории на эти исключительные насаждения приходится всего 1% первичного леса. Концентрации биомассы достигают пика на низкогорных аллювиальных равнинах Булл-Крик и его слиянии с рекой Ил в государственном парке «Хамбольдт Редвудс». Именно этот ландшафтный контекст способствовал ранним и обширным вырубкам.

Первичные леса с низкой биомассой (<1000 метрических тонн на гектар, зелёные пиксели) также встречаются предсказуемо — у границ парков с частными лесными угодьями, вдоль краёв сплошных вырубок на территории парков и на более высоких elevations с перемежающимися прериями. Это распределение биомассы может помочь установить конкретные цели для долгосрочного восстановления краёв первичных лесов и восстанавливающихся лесов внутри (белые области) и за пределами (серые области) границ парков.

Помимо биомассы живых деревьев, возможности дистанционного зондирования для количественной оценки подлеска, стоящих мёртвых деревьев, валежника и структурных особенностей полога ограничены. Например, крупные кроны секвойи часто имеют огромные скопления эпифитных папоротников, кустарников и почвы, которые поддерживают множество дополнительных видов. Наземное лазерное сканирование более высокого разрешения имеет большой потенциал для фиксации особенностей леса, упущенных дистанционным зондированием, и это лучший инструмент для точного количественного определения отдельных деревьев без их восхождения.

ALS в сочетании с целевым наземным лазерным сканированием и обоснованными прямыми измерениями можно использовать для точного картирования биомассы леса, но это требует работы людей в лесу. Дополнительные усилия кажутся оправданными, учитывая редкость первичных лесов, обнадёживающий потенциал восстановительного лесоводства и удивительные возможности современных технологий.

Наша статья заканчивается на утешительной ноте: «Хотя технологический прогресс продолжает расширять масштабы лесных исследований, измерения на местах остаются необходимыми и будут обеспечивать значимую работу для будущих поколений».