Orientadores do Corpo Docente:
Lisa Haber, Virginia Commonwealth University
Brandon Alveshere, Virginia Commonwealth University
Mentor de Pós-graduação:
Kayla Preisler, University of Arizona
Quinn Koch, University of California, Los Angeles
O fogo é uma perturbação ecológica comum em ecossistemas florestais, levando a mudanças na estrutura e função das florestas que têm implicações para o balanço de carbono da Terra. Observações dos fluxos de carbono pós-incêndio fornecem insight sobre a trajetória de recuperação das florestas e seu futuro como sumidouro de carbono. Torres de fluxo por covariância de turbulência (eddy-covariance) medem a troca de gases de efeito estufa entre florestas e a atmosfera em alta frequência, fornecendo medidas de Troca Líquida do Ecossistema (NEE), Produtividade Primária Bruta (GPP) e Respiração do Ecossistema (Reco). Embora as torres de fluxo sejam o padrão-ouro para quantificar fluxos em escala de ecossistema, índices de vegetação derivados de sensoriamento remoto são altamente correlacionados com dados das torres e podem oferecer uma compreensão em escala espacial mais ampla de como os fluxos de carbono variam após incêndios e outras perturbações. O objetivo do nosso estudo é examinar a relação entre dados de fluxo de carbono de torres e índices espectrais derivados do Landsat da NASA em cinco locais nos Estados Unidos e na Austrália que foram perturbados por incêndios severos. Especificamente, avaliamos mudanças após o fogo em dois índices espectrais derivados do Landsat, o Índice de Diferença Normalizada da Vegetação (NDVI) e o Índice Normalizado de Queimadas (NBR), verificando se os índices espectrais acompanharam a variação temporal em NEE, GPP e Reco. Encontramos que a recuperação dos índices espectrais superou a recuperação de NEE e GPP em locais que sofreram incêndios severos, destacando como defasagens nas respostas estruturais e funcionais à perturbação podem desacoplar índices de vegetação dos fluxos de carbono. Isso sugere que uma defasagem temporal deve ser considerada ao usar índices de vegetação como proxy para fluxos de carbono em ecossistemas pós-incêndio em comparação com sistemas não queimados. Esta análise representa um pequeno recorte de ecossistemas em todo o mundo; portanto, continuar a monitorar essas tendências em futuros locais de torres de fluxo queimadas será crucial para aprofundar a compreensão dessa relação.
Sara Typrin, Carleton College
As florestas costeiras ao longo da Baía de Chesapeake estão se tornando rapidamente pântanos devido à elevação do nível do mar e eventos climáticos extremos. Prever essas mudanças de ecossistema é essencial para respostas de adaptação climática. Estudos anteriores empregaram séries temporais do Índice de Diferença Normalizada da Vegetação (NDVI) para caracterizar a resiliência de ecossistemas costeiros; no entanto, poucos avaliaram as tendências de variação do NDVI dentro da região costeira da Baía de Chesapeake, onde as taxas de elevação do nível do mar superam em muito a média global. Este estudo investiga a distribuição espacial de trajetórias de resposta florestal em relação à elevação dentro do Blackwater National Wildlife Refuge (BNWR) em Maryland e da região costeira da Eastern Shore. Usamos o registro do Landsat 8 (2014-2024) para extrair valores de NDVI para áreas classificadas como florestas em terra alta. Calculamos tendências no NDVI e na variação do NDVI usando τ de Kendall (correlação por postos) para caracterizar cada pixel de 30 m em uma das quatro trajetórias de mudança de ecossistema: transição abrupta, transição gradual, recuperação ou estável. Encontramos que 14.7% da área de estudo está em transição abrupta, 27.4% em transição gradual, 17.3% em recuperação e 40.6% está estável. O mapeamento qualitativo dessas regiões mostra que, no BNWR, áreas mais próximas à costa tendem a experimentar transições abruptas ou graduais, enquanto áreas mais afastadas da costa são tipicamente estáveis ou em recuperação. Florestas em recuperação apresentam elevações mais altas e mais variáveis do que outras trajetórias em um subconjunto da região sudoeste do BNWR. Trabalhos futuros podem examinar como a elevação e a distância até a costa se relacionam com as trajetórias de resposta florestal em escala regional.
Austin Jeffery, The University of Texas at Austin
Os pântanos florestados são importantes para a regulação do clima terrestre, o ciclo de nutrientes e a provisão de habitats vitais, mas são muito menos estudados que florestas em terra alta. Trabalhos anteriores em florestas de terra alta demonstraram que traços estruturais do dossel variam amplamente dentro e entre tipos de floresta, e que esses traços afetam funções e serviços essenciais do ecossistema, como produção primária e sequestro de carbono. No entanto, como a estrutura do dossel varia dentro e entre pântanos florestados não foi explorado a fundo. Este estudo utiliza dados de lidar waveform coletados durante as campanhas de voo SARP East de 2024 sobre a região da Baía de Chesapeake com a plataforma aérea LVIS (Land, Vegetation, and Ice Sensor). Os Produtos LVIS Facility L2 Geolocated Surface Elevation and Canopy Height foram usados para investigar como a estrutura do dossel varia em pântanos florestados e para comparar a variação estrutural do dossel entre pântanos florestados e florestas de terra alta. Para analisar os dados, cada grânulo de lidar foi primeiro dividido em florestas de terra alta e pântanos florestados sobrepondo os grânulos a um mapa de uso do solo NLCD do USGS e a um mapa de tipos florestais do USFS. Em seguida, foram criadas 20 parcelas de 100 grânulos cada com base em quatro espécies arbóreas e se tratava de uma parcela de floresta de terra alta ou de pântano florestado. Duas espécies de terra alta e duas espécies de pântano foram usadas, com 5 parcelas cada. Depois, os dados foram usados para avaliar a variação em características estruturais, incluindo altura do dossel e complexidade vertical, entre pântanos florestados e florestas de terra alta. A análise resultou em uma diferença estatística significativa entre as características estruturais de pântanos florestados e florestas de terra alta. Além disso, os pântanos florestados mostraram, em geral, maior variância na complexidade estrutural do dossel, sugerindo variação na altura do dossel, densidade do dossel, estratificação e idade da floresta. Este estudo serve como referência para caracterização estrutural baseada em LiDAR de pântanos florestados e informa o manejo e a conservação desses ecossistemas na região do meio-Atlântico.
Ellery Moore, Colby College
À medida que as temperaturas globais continuam a subir, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) chamou a atenção para o degelo do permafrost como um potencial ponto de inflexão que pode levar a mudanças “irreversíveis” nos ecossistemas da Terra. Atualmente, o permafrost retém um estimado de 1.400 Pg de carbono, que será liberado principalmente como gases de efeito estufa (GEE), metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), por meio da atividade microbiana à medida que as temperaturas aumentam, exacerbando o efeito dos GEE na atmosfera e o aquecimento subsequente. No Alasca e no Norte do Canadá, o permafrost subjaz à maior parte do solo, com regiões determinadas pela porcentagem de solo congelado: contínuo (90–100%) e descontínuo (50–90%). Ao examinar mapas espaciais, a região contínua tende a corresponder ao ecossistema de tundra, e a região descontínua ao ecossistema de floresta boreal. Nós quantificamos as regiões de permafrost usando o Índice de Diferença Normalizada da Vegetação (NDVI) derivado do Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) e a temperatura da superfície terrestre (LST). Neste estudo, objetivamos determinar se as medições de concentração de CO2 e CH4 diferem entre os dois ecossistemas usando amostras de frascos atmosféricos coletadas durante o Arctic Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) em 2017. De modo geral, os resultados mostraram correlação positiva entre NDVI e LST, com a floresta boreal caracterizada por NDVI e LST mais altos que a tundra. Adicionalmente, concentrações mais altas de CO2 foram associadas a NDVI e LST mais baixos. Contudo, ao separar as amostras nos dois ecossistemas, não foi observada diferença em seus ciclos diurnos. De modo geral, as medições de CH4 não apresentaram relação clara com NDVI e LST, mas, ao separar as amostras por ecossistema, foram observadas concentrações predominantemente mais altas na tundra. As diferentes concentrações de CH4 podem ser influenciadas por outras fontes ambientais não consideradas neste estudo, como lagos termocársicos e fatores antrópicos. Trabalhos futuros para diferenciar os ecossistemas e confirmar achados podem examinar amostras de umidade do solo e comparar espessuras da camada ativa do permafrost. Além disso, para entender melhor as taxas de liberação de carbono, medições por covariância de turbilhão (eddy covariance) poderiam ser examinadas entre a tundra e a floresta boreal ao longo do tempo.
Rayyane Matonding, University of San Francisco
Compostos Orgânicos Voláteis Biogênicos (BVOCs) influenciam a qualidade do ar local, especialmente durante o verão, quando as emissões e a atividade fotquímica atingem o pico. BVOCs podem se oxidar formando ozônio ao nível do solo, o que representa riscos respiratórios à saúde. A formaldeído (HCHO), um produto-chave da fotooxidação de BVOCs, serve como um proxy útil para emissões biogênicas em estudos de sensoriamento remoto. Da mesma forma, o dióxido de nitrogênio (NO2) indica atividade relacionada à combustão e influência de VOCs antropogênicos. Este estudo examina a relação entre cobertura arbórea urbana e a formação de ozônio relacionada a BVOCs usando o regime fotoquímico HCHO/NO2, que reflete o equilíbrio entre fontes biogênicas e antropogênicas. Os dados de HCHO e NO2 foram obtidos do instrumento TEMPO da NASA, e os dados de cobertura arbórea do SF OpenData. São Francisco foi selecionada devido aos seus esforços de arborização urbana, altas emissões antropogênicas e prevalência de espécies arbóreas invasoras. Dois bairros foram selecionados, Sunnyside com aproximadamente 22 percent de cobertura de copa e Potrero Hill com aproximadamente 2 percent de cobertura de copa, para comparar tendências temporais nas razões HCHO/NO2 usando gráficos de séries temporais. Esses bairros foram escolhidos com base na disponibilidade de dados meteorológicos hiperlocais, o que permitiu uma análise atmosférica mais localizada. Não foi observada uma relação consistente entre cobertura arbórea e razões HCHO/NO2, exceto durante 15:11 e 18:11 em 18 de junho de 2024, o que pode estar associado a fotólise elevada. Quando variáveis meteorológicas como vento zonal, vento meridional e temperatura foram incluídas na análise, não foram encontradas correlações significativas. Pesquisas adicionais devem incluir outras cidades, períodos de tempo adicionais e informações sobre espécies arbóreas.
Emmanuel Kaiser-Veyrat, Cornell University
Os pântanos são a maior e mais incerta fonte biológica de CH4, um gás de efeito estufa com 56 vezes o forçamento radiativo do CO2 em um horizonte de 20 anos. Dadas as restrições espaço-temporais desses ecossistemas dinâmicos para observações consistentes in loco, índices de vegetação (VIs) obtidos por sensoriamento remoto oferecem uma abordagem escalável para capturar as condições biofísicas e bioquímicas que governam as trocas de CH4. Entretanto, sua confiabilidade em ambientes de pântano é desafiada pela saturação do sinal em vegetação densa, bem como pela mistura espectral de água, solo e plantas. Buscando quantificar essas limitações, empregamos o algoritmo de aprendizado de máquina Random Forest Regressor (RFR) para responder à pergunta: Traços de vegetação obtidos por sensoriamento remoto podem prever fluxos de CH4 em marismas de água doce e de água salgada? Índices de Vegetação do Index DataBase são derivados dos produtos Landsat Collection 2 Level-2 para Landsat-7 ETM+ e Landsat-8 OLI. O Produto Comunitário FLUXNET-CH4 fornece 17 sítios de pântano nos EUA contíguos com valores médios diários de fluxo de metano abrangendo parte ou todo o intervalo de 2011 a 2018. Pegadas generalizadas de fluxo foram computadas para cada sítio adotando uma abordagem uniforme que escala o fetch com o aumento da altura de medição. Extraindo importâncias de variáveis do RFR, encontramos que o Índice de Umidade da Vegetação Verde (GVMI) superou consistentemente todos os outros índices, incluindo duas covariáveis meteorológicas medidas em sítios de torre de fluxo: temperatura do ar e radiação de onda curta. Agrupando os VIs em cinco categorias (umidade e água, verdura e produtividade, estrutura e solo, pigmentos e queimadas), verificamos que índices de umidade e água pontuaram consistentemente mais alto na importância de variáveis do que todas as outras categorias combinadas.
