A new method for quantifying treeline-ecotone change based on multiple spatial pattern dimensions

Birre, D., Feuillet, T., Lagalis, R., Milian, J, Alexandre, F, Sheeren, D, Serrano-Notivoli, R, Vignal, M, Bader,M.Y. (2023) A new method for quantifying treeline-ecotone change based on multiple spatial pattern dimensions. Landscape Ecology. https://doi.org/10.1007/s10980-022-01589-4

Abstact

Context : Treeline-ecotone spatial patterns and their dynamics reflect underlying processes. Changes in ecotone pattern may reflect changes in natural drivers or land-use practices. However, characterizing these dynamics presents a major challenge, limiting our ability to map, understand and predict changes in the upper limits of mountain forests.

Objective : This paper proposes a new method using multiple pattern dimensions to describe treeline-ecotone spatial pattern shifts. This standardized protocol should be able to (i) distinguish different types of treeline-ecotone patterns within a large study area, (ii) characterize temporal pattern shifts in spatial pattern between two or more dates.

Method : We mapped alpine treeline ecotones (ATE) at 648 sites in the eastern French Pyrenees using aerial images from ~ 1955 and ~ 2015, identifying forest and non-forest areas at the hillslope scale. Extracted patch metrics were summarized using a Principle Component Analysis (PCA) and spatial pattern change was quantified from the shift in the PCA space and compared to elevational shifts.

Results : Three clusters of patterns were distinguished: diffuse, discrete and island-forming ATEs. Between 1955 and 2015, about half of the sites changed from one pattern cluster to another. Shifts into discrete ATEs were associated with smaller and negative elevational shifts, while shifts into diffuse ATEs coincided with the highest positive elevational shifts.

Conclusion : The proposed method allows a standardized and repeatable quantification of vegetation pattern change in alpine treeline ecotones based on historical aerial imagery. Seeing the importance of treeline-ecotone shifts for alpine biodiversity, we encourage the use of this protocol to better understand treeline dynamics at treelines globally.

Résumé:

Contexte : Les configurations spatiales de l'écotone des arbres et leur dynamique reflètent les processus sous-jacents. Les changements dans la configuration des écotones peuvent refléter des changements dans les facteurs naturels ou les pratiques d'utilisation des terres. Cependant, la caractérisation de ces dynamiques représente un défi majeur, limitant notre capacité à cartographier, comprendre et prévoir les changements dans les limites supérieures des forêts de montagne.

Objectif : Cet article propose une méthode pour décrire les changements de motifs spatiaux d'arbres et d'écotones. Ce protocole standardisé devrait permettre (i) de distinguer différents types de motifs d'écotones dans une vaste zone d'étude, (ii) de caractériser les changements temporels du motif spatial entre deux ou plusieurs dates.

Méthode : Nous avons cartographié les écotones alpins (ATE) sur 648 sites dans les Pyrénées françaises orientales en utilisant des images aériennes de ~ 1955 et ~ 2015, en identifiant les zones forestières et non forestières à l'échelle du versant. Les métriques extraites ont été résumées à l'aide d'une analyse en composantes principales (ACP) et le changement de modèle spatial a été quantifié à partir du changement dans l'espace ACP et comparé aux changements d'altitude.

Résultats : Trois groupes de motifs ont été distingués : ATE diffus, discret et formant des îles. Entre 1955 et 2015, environ la moitié des sites sont passés d'un cluster de motifs à un autre. Les changements dans les ATE discrètes étaient associés à des changements d'altitude plus petits et négatifs, tandis que les changements dans les ATE diffuses coïncidaient avec les changements d'altitude positifs les plus importants.

Conclusion : La méthode proposée permet une quantification standardisée et répétable du changement de la structure de la végétation dans les écotones d'arbres, basée sur des images aériennes historiques. Compte tenu de l'importance des changements d'écotones d'arbres pour la biodiversité alpine, nous encourageons l'utilisation de ce protocole pour mieux comprendre la dynamique des écotones d'arbres au niveau mondial.