The role of biotic and abiotic factors on treeline ecotone dynamics : studies using field observations and remote sensing

Abstract

With global warming, the forest extent is expected to change, and the transition zone between the upper forest boundary and treeless alpine landscape (i.e., the treeline ecotone) is expected to migrate to higher elevations. This will influence the coupling between the land and atmosphere by altering climate conditions and feedbacks. Climate, and especially temperature, is thought to be the main driver of treeline ecotone elevation. However, the factors affecting the treeline ecotone are complex and their relative roles in treeline ecotone dynamics are not fully understood. Remote sensing by airborne laser scanning (ALS) and unmanned aerial vehicles (UAVs) can be useful for acquiring data with complete coverage of various factors such as topography and vegetation for increasing our understanding of treeline shifts.

In this thesis, the main research objective was to investigate the relative role of climate, herbivory, topography, and vegetation on treeline ecotone dynamics. To do this, we used data acquired along an 1,100 km latitudinal transect covering 36 treeline ecotones in Norway (59.9–69.5 °N). In addition, we also used data from a treeline ecotone site in Norway with experimental herbivore density treatments. By using data recordings on trees acquired from the latitudinal transect and experimental site, we examined the relative role of temperature and herbivory on treeline ecotone dynamics. Using UAV survey imagery and ALS together with field observations on vegetation, we investigated the potential of using remote sensing for treeline ecotone land cover classification. Further, using the resulting land cover classification maps, we aimed to disentangle the roles of climate and herbivory in addition to site-specific factors such as topography and vegetation on tree establishment in the treeline ecotone.

We found that climate, and especially temperature, explained more of the variation in tree performance than herbivory along the latitudinal gradient. However, the roles were reversed at the experimental site, as the different herbivore density treatments clearly affected tree prevalence and annual radial growth. Thus, the role of temperature and herbivory seem to depend on the life stage class of the tree. The models for predicting land cover classes had overall high prediction accuracies, and field vegetation data can thus be upscaled using UAV imagery. The resulting land cover maps together with the ALS-derived topographic variables were also important in explaining the variation in tree establishment along the latitudinal gradient. However, considering on-site variations was not enough to predict treeline ecotone dynamics, thus suggesting context dependency. The findings presented in this thesis stress the importance of taking multiple factors into account when explaining variations in treeline ecotones. This can help explain differences in treeline ecotone migrations in the last decade.

The importance of both winter and summer precipitation and moisture availability together with temperature should be investigated further. More accurate herbivore data is needed to quantify the relationship between browsing and tree establishment along the latitudinal gradient. Even if predicting treeline ecotone dynamics is challenging, it is important to monitor the treeline ecotone. Detecting short-term changes across spatial scales can be done using various remote sensing platforms and sensors. It is also important to understand the consequences of upward treeline shifts, such as changes in albedo and carbon storage, which likely further will affect climate change.

Med global oppvarming forventes det at skogens utbredelse vil endre seg, og overgangen mellom den øvre skoggrensen og åpne fjellområder (dvs. tregrenseøkotonen) forventes å flytte seg oppover i fjellet. Dette vil påvirke koblingen mellom jorda og atmosfæren ved å endre på klimaets tilstand og tilbakekobling. Klima, og spesielt temperatur, anses som hovedpådriveren av tregrenseøkotonens høyde over havet. Til tross for dette, er faktorene som påvirker tregrenseøkotonen komplekse, og deres relative rolle for dynamikken i tregrenseøkotonen er ikke fullstendig forstått. Fjernmåling ved bruk av flybåren laserskanning (FLS) og droner kan være nyttige for å innhente data med heldekkende informasjon om ulike faktorer som terreng og vegetasjon, for å øke vår kunnskap om tregrenseforflytninger.

I denne avhandlingen var forskningsformålet å undersøke den relative rollen til klima, beiting, terreng og vegetasjon på dynamikken i tregrenseøkotonen. For å gjøre dette, brukte vi data samlet inn fra 36 lokaliteter langs en 1100-km lang breddegradient i Norge (59.9–69.5 °N). I tillegg brukte vi data fra én tregrenseøkotonlokalitet i Norge med eksperimentelle beitetetthets-behandlinger. Ved å bruke data samlet inn fra trær fra de ulike lokalitetene, undersøkte vi den relative rollen til temperatur og beiting for dynamikk i tregrenseøkotonen. Vi undersøkte også om data samlet fra droneflyvninger og FLS kunne oppskalere feltobservasjoner på trær og vegetasjon for å klassifisere naturtyper i tregrensa. Videre, ved å bruke de resulterende naturtypekartene, hadde vi som mål å identifisere betydningen av klima og beiting i tillegg til lokale faktorer som terreng og vegetasjon, for etablering av trær i tregrenseøkotonen.

Vi fant ut at klima, og spesielt temperatur, forklarte mer av variasjonen i trærnes utvikling enn beiting. Til tross for dette, var rollene byttet om på den eksperimentelle lokaliteten ettersom de ulike beitedyrtetthetene hadde klare påvirkninger på trærnes forekomst og årlige stammevekst. Resultatene tyder derfor på at effekten av temperatur og beiting avhenger av trærnes livsstadier. Modellene for å lage naturtypekart i tregrensa ga generelt sett presise prediksjoner, og feltobservasjoner av vegetasjon kan derfor oppskaleres ved å bruke dronebilder. Naturtypekartene, sammen med terrengvariabler fra FLS, var i tillegg til ulike klima- og beitevariabler viktige for å forklare variasjon i etablering av trær i tregrenseøkotonen. Til tross for dette, var ikke det å inkludere lokale faktorer nok til å predikere dynamikken i tregrenseøkotonen, og dette tyder derfor på at faktorenes påvirkning avhenger av kontekst. Resultatene i denne avhandlingen understreker viktigheten av å inkludere flere faktorer for å forklare forskjeller mellom ulike tregrenseøkotoner. Dette kan hjelpe med å forklare forskjellene i høydeforflytninger de siste tiårene.

Viktigheten av både vinter- og sommernedbør og tilgjengelighet av vann sammen med temperatur burde undersøkes videre. Mer presise beitedata trengs for å kunne kvantifisere forholdet mellom beiting og etablering av trær langs breddegradienten. Selv om det er utfordrende å predikere dynamikk i tregrenseøkotonen, så er det viktig å overvåke økotonen. Detektering av endringer over relativt kort tid over ulike romlige skalaer kan gjøres ved å bruke ulike fjernmålingsplattformer og -sensorer. Det er også viktig å undersøke konsekvensene av en forflytning av tregrenseøkotonen, som endringer i albedo og karbonlagring, som sannsynligvis vil videre påvirke klimaendringene.