بررسی اثر روشنه‌ها بر رویش شعاعی تاج درختان توده‌های طبیعی جنگل‌های هیرکانی با استفاده از تصاویر دوربین رقومی هوایی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی جنگل-مدیریت جنگل، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 استاد، گروه جنگلداری، دانشکده علوم‌جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دکتری علوم و مهندسی جنگل-مدیریت جنگل، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: روشنه‌های تاج‌پوشش جنگلی، نقش مهمی در تنظیم ساختار و پویایی بوم­سازگان­های جنگلی ایفا می‌کنند. این روشنه‌ها با تغییر در الگوهای نور، رطوبت و رقابت فضایی، می‌توانند به‌طور مستقیم بر رشد تاجی درختان مجاور تأثیرگذار باشند. از آنجا که روشنه‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای در تنظیم پویایی فضایی و نوری جنگل دارند، کسب اطلاعات دقیق از وضعیت آنها و تحلیل اثراتشان بر رویش تاج‌پوشش درختان، به‌عنوان یکی از ارکان کلیدی در برنامه‌ریزی و اجرای راهبردهای مدیریت پایدار جنگل‌ها، اهمیت ویژه‌ای دارد. چنین اطلاعاتی می‌تواند در تدوین سیاست‌های مدیریتی، بازسازی ساختار توده‌ها و بهینه‌سازی شدت برداشت در جنگل‌ها مورد استفاده قرار گیرد. از این­رو، در این پژوهش، تأثیر روشنه‌های تاج پوشش درختان بر مقدار رویش گسترۀ تاج به‌صورت رویش شعاعی تاج درختان مجاور روشنه‌ها در مقایسه با رویش تاجی درختان غیر مجاور روشنه‌ها در بخشی از توده‌های طبیعی مدیریت‌شده و مدیریت­نشده جنگل آموزشی و پژوهشی شصت کلاته گرگان و با استفاده از تصاویر هوایی رقومی UltraCam مربوط به‌سا‌‌‌ل‌های 1390 و 1395 مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: برای این منظور، وضعیت گسترش و رویش تاج درختان اطراف روشنه‌ها و درختان غیرمجاور روشنه‌ها در دو بازۀ زمانی سال‌های 1390 و 1395 با استفاده از تصاویر دوربین هوایی رقومی UltraCam-D مورد تجزیه‌وتحلیل قرار گرفت. زمین مرجع‌سازی دقیق تصاویر و تهیه ارتوفتوموزاییک رقومی با دقت مکانی بالا در هر دو دوره انجام شد. در گام بعد، 20 روشنه تاج پوشش با پراکنش مناسب و با ابعاد کوچک (150-20 مترمربع)، متوسط (300-150 مترمربع) و بزرگ (بزرگتر از 300 مترمربع)، از روی تصویر ارتوفتوموزاییک سال 1390 و سال 1395 انتخاب شد (این روشنه‌ها در هر دو دوره مشترک بودند). سپس گسترۀ تاج درختان واقع در مجاورت و غیرمجاور روشنه‌ها در هر دو دوره با تفسیر چشمی برداشت و مساحت آنها محاسبه شد. برای آزمایش نرمال بودن داده‌ها و مقایسه مقدار رویش مساحت تاج ‌پوشش درختان (مجاور و غیر مجاور روشنه) در طول دو دوره موردبررسی از آزمون کولموگروف-اسمیرنوف و از آزمون t جفتی استفاده شد و همچنین برای مقایسه تفاوت بین مقدار رویش تاج درختان مجاور روشنه و غیر مجاور آن از آزمون t مستقل استفاده شد.
یافته‌ها: آمار توصیفی وضعیت گسترۀ تاج درختان اطراف روشنه‌های منتخب نشان داد که در دورۀ 1395 نسبت به 1390، هم درختان مجاور روشنه و هم درختان غیر مجاور روشنه افزایش قابل‌توجهی در کمینه، بیشینه و میانگین گستره تاج داشته‌اند. نتایج بررسی معنی‌داری اثرات روشنه بر رویش تاج پوشش درختان با استفاده از آزمون t جفتی بیانگر آن بود که مقدار رویش شعاعی درختان مجاور روشنه با میانگین 811/20 متر‌مربع و درختان غیرمجاور با روشنه با میانگین 703/14 متر‌مربع در طی پنج سال و در سطح اطمینان 99 درصد معنی‌دار است. همچنین بررسی معنی‌داری و مقایسۀ میان مقدار رویش شعاعی تاج درختان مجاور روشنه و غیر مجاور آن با استفاده از آزمون t مستقل نشان داد که تفاوت میانگین رویش شعاعی تاج درختان مجاور روشنه نسبت به درختان غیر مجاور با آن، از نظر آماری در سطح اطمینان 99 درصد معنی‌دار است و درختان نزدیک به روشنه، از مقدار رویش شعاعی بیشتری در دوره زمانی مورد بررسی (1395-1390) برخوردار هستند. همچنین، متوسط رشد سالانه به­ترتیب برای درختان مجاور و غیرمجاور برابر با 16/4 و 94/2 مترمربع برآورد شد.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که روشنه‌های تاج‌پوشش جنگلی، به‌واسطۀ افزایش نفوذ نور خورشید به لایه‌های زیرین، موجب بهبود شرایط فتوسنتزی و در نتیجه افزایش رشد تاجی درختان مجاور می‌شوند. مقایسه بین درختان مجاور روشنه‌ها و درختان واقع در توده‌های متراکم بدون روشنه، بیانگر تفاوت معنی‌دار در الگوی رویش شعاعی تاج و بهره‌وری نوری بود. این یافته‌ها اهمیت روشنه‌ها را در تنظیم رقابت فضایی و ارتقای پویایی ساختاری جنگل‌ها برجسته می‌سازد. افزون بر این، بهره‌گیری از تصاویر هوایی با وضوح بالا مانند UltraCam، امکان پایش دقیق تغییرات ساختار تاج درختان را در مقیاس‌های زمانی و مکانی گسترده فراهم کرده و ابزار مؤثری برای تحلیل روندهای بوم­شناسی و ارزیابی پاسخ توده‌های جنگلی به مداخلات مدیریتی محسوب می‌شود. چنین داده‌هایی می‌توانند در طراحی راهبردهای مبتنی بر مدیریت پایدار منابع جنگلی و بهینه‌سازی تصمیمات مدیریتی نقش کلیدی ایفا کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of canopy gaps on the radial growth of trees crown of the Hyrcanian natural forest stands using digital aerial camera images

نویسندگان [English]

  • Omid Amiri Karbandi 1
  • Shaban Shataee 2
  • Mohammad Hassan Naseri 3
1 MSc Student in Forest Science and Engineering-Forest Management, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
2 Professor, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
3 Ph.D. in Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Forest canopy gaps play a crucial role in regulating the structure and dynamics of forest ecosystems. By altering light patterns, moisture levels, and spatial competition, these gaps can directly influence the crown growth of adjacent trees. Since gaps are decisive factors in regulating the spatial and light dynamics of the forest, obtaining precise information regarding their status and analyzing their impact on canopy growth is a key pillar in planning and implementing sustainable forest management strategies. Such data can be utilized in formulating management policies, restoring stand structures, and optimizing harvest intensity. Therefore, this study investigated the impact of canopy gaps on crown expansion, specifically the radial crown growth of trees adjacent to gaps compared to those not adjacent to gaps. The research was conducted in sections of both managed and unmanaged natural stands within the Shast-Kalateh Research and Educational Forest in Gorgan, utilizing UltraCam digital aerial imagery from 2011 and 2016.
Material and Methods: For this purpose, the expansion and growth status of tree crowns surrounding gaps, as well as those of non-adjacent trees, were analyzed for the periods of 2011 and 2016 using UltraCam-D digital aerial imagery. Precise georeferencing and the generation of high-spatial-resolution digital orthophotomosaics were performed for both periods. Subsequently, 20 canopy gaps with appropriate distribution and varying sizes, small (20–150 m²), medium (150–300 m²), and large (greater than 300 m²), were selected from the 2011 and 2016 orthophotomosaics (identifying gaps common to both periods). The crown extent of trees adjacent and non-adjacent to these gaps was then delineated via visual interpretation for both periods, and their areas were calculated. To test data normality and compare the crown area growth (for both adjacent and non-adjacent trees) over the study period, the Kolmogorov-Smirnov normality test and paired t-tests were employed. Furthermore, an independent t-test was used to compare the difference in crown growth rates between trees adjacent to gaps and those not adjacent to them.
Results: Descriptive statistics of the crown extent for trees surrounding the selected gaps revealed that in 2016 compared to 2011, both adjacent and non-adjacent trees exhibited significant increases in minimum, maximum, and mean crown areas. The results of the paired t-test indicated that the radial growth of trees adjacent to gaps (mean = 20.811 m²) and non-adjacent trees (mean = 14.703 m²) over the five-year period was significant at a 99% confidence level. Furthermore, the independent t-test used to compare the radial crown growth between the two groups showed that the difference in mean radial growth for trees adjacent to gaps versus non-adjacent ones was statistically significant at the 99% confidence level. Trees proximal to gaps exhibited higher radial growth rates during the study period (2011–2016). Additionally, the average annual growth was estimated at 4.16 m² for adjacent trees and 2.94 m² for non-adjacent trees.
Conclusion: This research demonstrates that forest canopy gaps, by increasing sunlight penetration to the lower strata, improve photosynthetic conditions and consequently enhance the crown growth of adjacent trees. The comparison between trees adjacent to gaps and those located in dense stands without gaps revealed significant differences in radial crown growth patterns and light productivity. These findings highlight the importance of gaps in regulating spatial competition and promoting the structural dynamics of forests. Moreover, the utilization of high-resolution aerial imagery, such as UltraCam, enables the precise monitoring of tree crown structural changes across broad temporal and spatial scales, serving as an effective tool for analyzing ecological trends and evaluating forest stand responses to management interventions. Such data can play a pivotal role in designing sustainable forest resource management strategies and optimizing managerial decision-making.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Canopy cover
  • Gap-adjacent trees
  • Hyrcanian forests
  • Phototropic crown growth
Amini, Sh.; Moayeri, M. H.; Shataee Jouibary, Sh.; Rahmani, R. Geometric indices and regeneration species diversity in natural and man-made canopy gaps. Journal of Wood & Forest Science and Technology 2023, 28 (1), 1–20. (In Persian)
Araujo, R. F.; Chambers, J. Q.; Celes, C. H. S.; Muller-Landau, H. C.; Santos, A. P. F. D.; Emmert, F.; Ribeiro, G. H.; Gimenez, B. O.; Lima, A. J.; Campos, M. A.; Higuchi, N. Integrating high-resolution drone imagery and forest inventory to distinguish canopy and understory trees and quantify their contributions to forest structure and dynamics. PLoS One 2020, 15 (12), e0243079.
Asadolahi, Z.; Salmanmahiny, A.; Sakieh, Y. Hyrcanian forests conservation based on the ecosystem services approach. Environmental Earth Sciences 2017, 76, 1–18.
Binkley, D.; Campoe, O. C.; Gspaltl, M.; Forrester, D. I. Light absorption and use efficiency in forests: Why patterns differ for trees and stands. Forest Ecology and Management 2013, 288, 5–13.
Canham, C. D. Growth and canopy architecture of shade-tolerant trees: Response to canopy gaps. Ecology 1988, 69 (3), 786–795.
Collins, B. S.; Pickett, S. T. A. Influence of canopy opening on the environment and herb layer in a northern hardwoods forest. Vegetatio 1987, 70 (1), 3–10.
Denslow, J. S.; Ellison, A. M.; Sanford, R. E. Treefall gap size effects on above- and below-ground processes in a tropical wet forest. Journal of Ecology 1998, 86 (4), 597–609.
 
Echereme Chidi, B.; Mbaekwe Ebenezer, I.; Ekwealor Kenneth, U. Tree crown architecture: Approach to tree form, structure and performance: A review. International Journal of Scientific and Research Publications 2015, 5 (9), 1–6.
Goushehgir, Z.; Feghhi, J.; Innes, J. L. Challenges facing the improvement of forest management in the Hyrcanian forests of Iran. Forests 2022, 13 (12), 2180.
Hedayati Kaliji, S.; Hosseini, S. M.; Alavi, S. J.; Amiri, M. Current and future distribution modeling of oriental beech (Fagus orientalis Lipsky) in Hyrcanian forests. Forest Research and Development 2025, 10 (4), 527–543. (In Persian)
Hosseini, S. M. Outstanding universal values of the Hyrcanian Forest, the newest Iranian property, are inscribed in UNESCO’s World Heritage List. Tourism Research 2019, 1 (3), 1–17. (In Persian)
Khalili, Z.; Fallah, A.; Shataee, S. Canopy gap delineation using UAV data in coniferous forests (Case study: Arab Dagh Region in Golestan Province). Ecology of Iranian Forest 2023, 11 (21), 24–39. (In Persian)
Kozlowski, T. T. Light and water in relation to the growth and competition of Piedmont forest tree species. Ecological Monographs 1949, 19 (3), 207–231.
Lile, J. A.; Kelly, T. H.; Pinsky, D. J.; Hays, L. R. Substitution profile of Δ9-tetrahydrocannabinol, triazolam, hydromorphone, and methylphenidate in humans discriminating Δ9-tetrahydrocannabinol. Psychopharmacology 2009, 203, 241–250.
Mohabbati, F.; Eshaghi Rad, J.; Pahrizkar, P. The effect of gap size on herbaceous biodiversity and soil properties in the beech forest with different management background in Mazandran and Guilan provinces. Forest Research and Development 2024, 10 (3), 343–361. (In Persian)
Mohammadi, J.; Shataee, S.; Namiranian, M.; Næsset, E. Modeling biophysical properties of broad-leaved stands in the Hyrcanian forests of Iran using fused airborne laser scanner data and UltraCam-D images. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 2017, 61, 32–45.
Muscolo, A.; Bagnato, S.; Sidari, M.; Mercurio, R. A review of the roles of forest canopy gaps. Journal of Forestry Research 2014, 25 (4), 725–736.
Naseri, M. H.; Fassnacht, F. E.; Shataee, Sh. Upscaling UAV and LiDAR derived forest gap area and edge length extractions using radar and optical Sentinel images. International Journal of Remote Sensing 2025, 46 (10), 3913–3943.
Nelson, R. Modeling forest canopy heights: The effects of canopy shape. Remote Sensing of Environment 1997, 60 (3), 327–334.
Parhizkar, P.; Eshaghi Rad, J.; Ghorbani, H. The diversity indices of herbaceous species in the unmanaged and man-made forest gaps. Forest Research and Development 2024, 9 (4), 499–514. (In Persian)
Popescu, S. C.; Wynne, R. H.; Nelson, R. F. Measuring individual tree crown diameter with LiDAR and assessing its influence on estimating forest volume and biomass. Canadian Journal of Remote Sensing 2003, 29 (5), 564–577.
Poulson, T. L.; Platt, W. J. Gap light regimes influence canopy tree diversity. Ecology 1989, 70 (3), 553–555.
Pourbabaei, H.; Haddadi-Moghaddam, H. R.; Begyom-Faghir, M.; Abedi, T. The influence of gap size on plant species diversity and composition in beech (Fagus orientalis) forests, Ramsar, Mazandaran Province, North of Iran. Biodiversitas Journal of Biological Diversity 2013, 14 (2), 89–94.
Pretzsch, H. Tree growth as affected by stem and crown structure. Trees 2021, 35 (3), 947–960.
Runkle, J. R. Patterns of disturbance in some old-growth mesic forests of eastern North America. Ecology 1982, 63 (5), 1533–1546.
Sefidi, K.; Mohadjer, M. R. M.; Mosandl, R.; Copenheaver, C. A. Canopy gaps and regeneration in old-growth oriental beech (Fagus orientalis Lipsky) stands, northern Iran. Forest Ecology and Management 2011, 262 (6), 1094–1099.
Seyed Mousavi, S. Z.; Mohammadi, J.; Darvishzadeh, R.; Shataee, S.; Rahmani, R.; Gorbani, K. The effect of physiographic factors on the leaf area index in the broadleaf forests of Golestan Province. Journal of Wood & Forest Science and Technology 2024, 31 (1), 95–120. (In Persian)
Song, C.; Dickinson, M. B.; Su, L.; Zhang, S.; Yaussey, D. Estimating average tree crown size using spatial information from Ikonos and QuickBird images: Across-sensor and across-site comparisons. Remote Sensing of Environment 2010, 114 (5), 1099–1107.
Stenberg, P.; Kuuluvainen, T.; Kellomäki, S.; Grace, J. C.; Jokela, E. J.; Gholz, H. L. Crown structure, light interception, and productivity of pine trees and stands. Ecological Bulletins 1994, 43, 20–34.
Sterck, F. J. Crown development in tropical rainforest trees in gaps and the understorey. Plant Ecology 1999, 143, 89–98.
Valladares, F.; Niinemets, Ü. The architecture of plant crowns: From design rules to light capture and performance. In Functional Plant Ecology; CRC Press: Boca Raton, FL, 2007; pp 101–150.
Vepakomma, U.; St-Onge, B.; Kneeshaw, D. Response of a boreal forest to canopy opening: Assessing vertical and lateral tree growth with multi-temporal LiDAR data. Ecological Applications 2011, 21 (1), 99–121.
Waez-Mousavi, S. M.; Habashi, H.; Sajedi, T. The effect of forest treefall gap on humus forms in a mixed Fagus orientalis Lipsky (Oriental Beech) forest. Folia Forestalia Polonica, Series A – Forestry 2012, 54 (1), 1–9.
Wang, Y. Crown Structure, Radiation Absorption, Photosynthesis, and Transpiration; Ph.D. Thesis, Edinburgh University: Edinburgh, UK, 1988.
Watt, A. S. Pattern and process in the plant community. Journal of Ecology 1947, 35 (1/2), 1–22.
Yang, X.; Li, J.; Fan, N.; Wang, Y.; Zhang, Z. Effects of gap size on natural regeneration in Picea asperata forests of northern China. Forests 2023, 14 (10), 2102.
York, R. A.; Fuchs, D.; Battles, J. J.; Stephens, S. L. Radial growth responses to gap creation in large, old Sequoiadendron giganteum. Applied Vegetation Science 2010, 13 (4), 498–509.
Zarandian, A.; Baral, H.; Yavari, A. R.; Jafari, H. R.; Stork, N. E.; Ling, M. A.; Amirnejad, H. Anthropogenic decline of ecosystem services threatens the integrity of the unique Hyrcanian (Caspian) forests in northern Iran. Forests 2016, 7 (3), 51.
Zhao, Q.; Pang, X.; Bao, W.; He, Q. Effects of gap-model thinning intensity on the radial growth of gap-edge trees with distinct crown classes in a spruce plantation. Trees 2015, 29, 1861–1870.