THE DYNAMICS OF LITTERFALL, THROUGHFALL AND STEMFLOW IN RADIOACTIVELY CONTAMINATED PINE STANDS

Наведено результати спостережень низхідних потоків речовини та вмісту у них 137Cs для радіоактивно забруднених деревостанів сосни звичайної, у вигляді опаду та дощових вод. Виділено такі компоненти опаду: хвоя, кора, гілки і генеративна частина (шишки, бруньки, насіння та їх частини). Дощові води, що проникають крізь крони дерев, класифіковано на такі групи: стовбурові та кронові. Відбір зразків здійснено рівномірно протягом періоду дослідження. Охарактеризовано помісячну динаміку структури і запасів елементів опаду на основі 2,5 років спостережень (2014-2016 рр.) за сосновим деревостаном. Виявлено закономірності помісячної динаміки та структури компонентів опаду. Наведено дані зміни питомої активності 137Cs та маси в перерахунку на 1 м3для компонентів опаду і дощових вод з 01.10.2015 р. по 05.10.2016 р. На основі отриманих вихідних показників за зазначений період розраховано річні середньозважені показники для досліджуваних елементів низхідного потоку: середньорічна питома активність 137Cs, сумарна маса в абсолютно сухому стані на 1 м2 та загальна активність 137Cs на 1 м2. Попередні дослідження низхідних потоків 90Sr у соснових деревостанах свідчать про значні відмінності порівняно із 137Cs у співвідношеннях питомої активності компонентів дощової води та опаду, що потребує детальнішого дослідження закономірностей динаміки формування опаду і дощових вод на біогеохімічний кругообіг 90Sr у насадженнях сосни звичайної.Представлены результаты наблюдений нисходящих потоков вещества и содержания в них 137Cs для радиоактивно загрязненных древостоев сосны обыкновенной, в виде опада и дождевых вод. Выделены следующие компоненты опада: хвоя, кора, ветви и генеративная часть (шишки, почки, семена и их части). Дождевые воды, которые проникают сквозь кроны деревьев, классифицированы на следующие группы: стволовые и кроновые. Отбор образцов осуществлено равномерно в течение периода исследования. Охарактеризована помесячная динамика структуры и запасов элементов опада на основе 2,5 лет наблюдений (2014-2016 гг.) по сосновым древостоям. Выявлены закономерности помесячной динамики и структуры компонентов опада. Приведены данные изменения удельной активности 137Cs и массы в пересчете на 1 м3 для компонентов опада и дождевых вод с 01.10.2015 г. по 05.10.2016 г. На основе полученных исходных показателей за указанный период рассчитаны годовые средневзвешенные показатели для исследуемых элементов нисходящего потока: среднегодовая удельная активность 137Cs, суммарная масса в абсолютно сухом состоянии на 1 м2 и общая активность 137Cs на 1 м2. Предыдущие исследования нисходящих потоков 90Sr в сосновых древостоях указывают на значительные различия по сравнению с 137Cs в соотношениях удельной активности компонентов дождевой воды и опада, что требует более детального исследования закономерностей динамики формирования опада и дождевых вод на биогеохимический круговорот 90Sr в насаждениях сосны обыкновенной.The authors present the data of the study of the downflow of a matter of small biological cycle in radioactively contaminated forest ecosystems of Scots pine (Pinus sylvestris L.) as a result of the Chornobyl accident. During the accident, a large number of radionuclides came into the surrounding environment. Currently, 90Sr and 137Cs are the most dangerous for forest phytocoenoses, so as they are included in the biogeochemical cycle through the trophic chains. In this research, the downfall of the matter of the tree stand was divided into two groups: solid parts (litterfall) and liquid fraction (rainwater). In turn, the structure of litterfall was classified as follows: needles, bark, branches and generative organs (cones, buds, seeds and their parts). Rainwater is separated as throughfall and stemflow. Using the obtained data from field observations for 2.5 years (2014-2016), we estimated the dynamics of the formation of litterfall components in calendar months. Experimental materials, collected in the interval from 01.10.2015 to 05.10.2016, are also used to represent the regularities of 137Cs activity concentration for downfall components. The analysis of field data confirmed the presence of a maximum values for litterfall formation at the end of the growing season (September-October) due to the drop of the needles from crown. For other components of litterfall, clearly expressed regularities are not revealed. We calculated summary annual parameters for the components of the downfall: the average 137Cs activity concentration, the accumulated weight and the total activity of 137Cs per 1 m2 of the investigated forest area. 137Cs activity concentration in litterfall samples (1287-6310 Bq·kg-1) is much bigger than in rainwater (1.28-11.2 Bg·kg-1). However, due to much larger amounts of throughfall per unit area of the surface of the site, it has a decisive role in the formation of the return of 137Cs from the elements of the pine stand to the soil (42.3 %). Other components of the downfall are characterized by a much lower percentage in the return of 137Cs to the forest soil: needles (25.7 %), generative organs (13.7 %), bark (12.2 %), branches (3.8 %), stemflow (2.2 %). Previous studies of 90Sr in components of downfall show that this radionuclide differs significantly from 137Cs: it is much more accumulated in the dead parts of pine stand and less washed away by rain than 137Cs. Therefore, the experimental data on the main depots and fluxes of 90Sr must be obtained very quickly for adequately predict the radiological condition in the forests of the Chоrnobyl exclusion zone

Ідентифікація та оцінювання висот дерев сосни звичайної у насадженнях Чорнобильської зони відчуження стереофотограмметричним способом

The paper discusses the possibilities of identification of the tops of Scots pine (Pinus sylvestris L.) trees and the subsequent assessment of their heights in forest stands using aerial photographs made from an unmanned aerial vehicle and stereo photogrammetric processing. The research was carried out in a young forest stand composed of the trees of different ages (up to 30 year old) and growing within a circular plot with a radius of 12.6 m. Within the studied area we determined coordinates of all live pine trees and measured their heights using a laser-optical rangefinder. This field data was used for estimation of the inaccuracies of determination of the tree heights using the drone. The study confirmed applicability of the drone survey method for identification of the tops of the highest trees using the GIS filter tools for search local maxima in the output raster images of the canopy height model. Research results have confirmed the impossibility of detecting the stem tops of trees if they do not occupy the dominant position in the forest stands. We used three different search radiuses for detection of local maximum values for identifying the following tree tops: 0.5 m, 0.75 m and 1.0 m. Reduction of the search radius in order to identify the trees in the lower tier resulted in the false detection of a numerous local maxima (branch tops) as the separate trees. The best result was obtained with the largest search radius, since all the found maxima corresponded to the actual individual trees, and their heights were estimated with the smallest deviations from the values measured in field using a laser-optical rangefinder (the standard deviation was 0.44 m for 27 trees detected in the upper tier), although the number of detected trees was smaller comparing to those obtained with the shorter search radiuses. We have concluded that the above-mentioned remote detection approach has good prospects for application both in scientific researches and in forest inventory considering that the upper height of the forest stands is closely correlated with other forest parameters, especially since stereo photogrammetry methods are rapidly evolving and modified for solution increasingly complex problems.Розглянуто можливості використання аерофотозйомки за допомогою безпілотного літального апарату та подальшого оброблення отриманих зображень стереофотограмметричними підходами для ідентифікації дерев сосни звичайної та оцінки їх висоти у зімкнутих деревостанах способом порівняння даних, отриманих для кругової пробної площі внаслідок аерофотозйомки та в польових умовах лазерно-оптичними далекомірами, що використані як контрольні значення. Встановлено можливість ідентифікації верхівок стовбурів дерев сосни звичайної за допомогою алгоритмів пошуку максимумів растрів у програмних продуктах ГІС. Підтверджено неможливість детектування дерев нижніх елементів ярусу шляхом застосування радіусів пошуку максимумів малих розмірів (0,5 м), що спричиняє помилкову ідентифікацію значної кількості локальних максимумів (бокових гілок) як окремих дерев. Збільшення розмірів радіусу фільтрації виявлення максимальних значень растра цифрової моделі висоти крони досліджуваного деревостану до 1 м дало змогу з достатньою точністю оцінити висоту (стандартне відхилення 0,44 м) 27 дерев у верхній частині лісового пологу. Це свідчить про перспективність використання перелічених підходів для встановлення лісотаксаційних параметрів насаджень не лише з науковою метою, а й під час проведення лісовпорядкування і лісоінвентаризації, оскільки верхня висота деревостану має тісні функціональні зв'язки з іншими таксаційними ознаками

The Return of Nature to the Chernobyl Exclusion Zone: Increases in Forest Cover of 1.5 Times since the 1986 Disaster

For 34 years since the 1986 nuclear disaster, the Chernobyl Exclusion Zone (ChEZ) landscapes have been protected with very limited human interventions. Natural afforestation has largely occurred throughout the abandoned farmlands, while natural disturbance regimes, which dominantly include wildfires, have become more frequent and severe in the last years. Here, we utilize the dense time series of Landsat satellite imagery (1986–2020) processed by using the temporal segmentation algorithm LandTrendr in order to derive a robust land cover and forest mask product for the ChEZ. Additionally, we carried out an analysis of land cover transitions on the former farmlands. The Random Forest classification model developed here has achieved overall accuracies of 80% (using training data for 2017) and 89% on a binary “forest/non-forest” validation (using data from 1988). The total forest cover area within the ChEZ has increased from 41% (in 1986) to 59% (in 2020). This forest gain can be explained by the afforestation that has occurred in abandoned farmlands, which compensates for forest cover losses due to large fire events in 1992, 2015–2016, and 2020. Most transitions from open landscapes to dense forest cover occurred after the year 2000 and are possibly linked to past forest management practices. We conclude that a consistent forest strategy, with the aid of remote monitoring, is required to efficiently manage new forests in the ChEZ in order to retain their ecosystem functions and to ensure sustainable habitats

⁹⁰Sr Content in the Stemwood of Forests Within Ukrainian Polissya

The consequences of the Chernobyl disaster continue to threaten humans and ecosystems across fallout gradient in Northern Ukraine and nearby. Forest ecosystems contain substantial stocks of long-lived radionuclide 90Sr which was leached from the fuel matrix during the disaster. Nowadays, there is a lack of information about current transfer factors (TF) of this radionuclide from soil to the stemwood of native tree species. We have estimated 90Sr content in the forest stemwood of three tree species utilizing models of their growth and yield and collected woody samplings. TFs provided here vary greatly across studied tree species (18.0 × 2.1±1, 8.7 × 2.8±1, and 10.4 × 6.0±1 n×10−3 m2·kg−1 (geometrical mean (GM) ± geometrical standard deviation, GSD) for the above species, respectively) and together with indicators of soil contamination allow us to reliably assess local stocks in the stemwood. Silver birch stands are estimated to deposit the highest 90Sr stocks. Herewith, at 25 years old Black alder stands could accumulate higher stocks (up to 35 MBq·ha−1) under rich growth conditions. TFs obtained in this study substantially exceed values provided by the International Atomic Energy Agency for studied tree species and thus could entail respective restrictions on use of firewood across large areas in Ukrainian Polissya. Data provided here may be harnessed to support decisions of respective stakeholders to provide credibly safe management of the contaminated forest ecosystems

Impact of Disturbances on the Carbon Cycle of Forest Ecosystems in Ukrainian Polissya

Climate change continues to threaten forests and their ecosystem services while substantially altering natural disturbance regimes. Land cover changes and consequent management entail discrepancies in carbon sequestration provided by forest ecosystems and its accounting. Currently there is a lack of sufficient and harmonized data for Ukraine that can be used for the robust and spatially explicit assessment of forest provisioning and regulation of ecosystem services. In the frame of this research, we established an experimental polygon (area 45 km2) in Northern Ukraine aiming at estimating main forest carbon stocks and fluxes and determining the impact caused by natural disturbances and harvest for the study period of 2010–2015. Coupled field inventory and remote sensing data (RapidEye image for 2010 and SPOT 6 image for 2015) were used. Land cover classification and estimation of biomass and carbon pools were carried out using Random Forest and k-Nearest Neighbors (k-NN) method, respectively. Remote sensing data indicates a ca. 16% increase of carbon stock, while ground-based computations have shown only a ca. 1% increase. Net carbon fluxes for the study period are relatively even: 5.4 Gg C·year−1 and 5.6 Gg C C·year−1 for field and remote sensing data, respectively. Stand-replacing wildfires, as well as insect outbreaks and wind damage followed by salvage logging, and timber harvest have caused 21% of carbon emissions among all C sources within the experimental polygon during the study period. Hence, remote sensing data and non-parametric methods coupled with field data can serve as reliable tools for the precise estimation of forest carbon cycles on a regional spatial scale. However, featured land cover changes lead to unexpected biases in consistent assessment of forest biophysical parameters, while current management practices neglect natural forest dynamics and amplify negative impact of disturbances on ecosystem services

ФОРМИРОВАНИЕ СРЕДНЕГО ОБРАЗЦА И ОЦЕНКА ФИТОМАССЫ КОМПОНЕНТОВ СТВОЛА ДЕРЕВЬЕВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ МОБИЛЬНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

Проаналізовано найпоширеніші на теренах України методики оцінки надземної фітомаси дерев сосни звичайної у зімкнутих деревостанах. Виявлено значні відмінності у виділенні структурних елементів деревного стовбура в іноземних та вітчизняних дослідженнях під час вивчення біо(гео) хімічного кругообігу хімічних елементів у лісових екосистемах, зокрема і біологічно мобільних радіонуклідів. Спираючись на результати проведених камеральних робіт, встановлено, що використання лінійних вимірів для визначення об'єму компонентів кори стереометричним способом є обмеженим через неможливість забезпечити достатній рівень похибок вимірювань. Запропоновано використовувати лінійну щільність компонентів кори стовбура на локальних висотах для усунення необхідності обчислення чи вимірювання об'єму структурних елементів кори. Розроблено методику оцінки надземної фітомаси компонентів стовбура дерев: зовнішньої і внутрішньої кори, заболоневої і ядрової деревини, а також формування їх середнього зразка для вимірювання вмісту біологічно мобільних радіонуклідів (137Cs і 90Sr) та інших ізотопів, хімічних елементів і речовин. Порівняння результатів оцінок надземної фітомаси деревного стовбура та його компонентів, отриманих за допомогою розроблених підходів та за методикою П. І. Лакиди (2002), вказують на значні відносні відхилення фітомаси кори стовбура (22±18 %), однак сумарна фітомаса стовбура характеризується неістотним відхиленням (1,6±2,3 %).In the article is presented results study of vertical distribution of phytomass components in tree stems of Scots pine (Pinus sylvestris L.) for the purpose of formation in laboratory conditions theirs average samples for measurement of contents biologically mobile radionuclides (90Sr, 137Cs) and other chemical elements. The most common methods for estimating the above-ground phytomass of tree stem components in Ukraine selected next most important structural parts of stem for forestry: bark and wood, but for modern ecological researches of forest ecosystems, this division is not always suitable, because it does not detect parts of tree stem, which is characterized by significant differences in the localization of various chemical elements, including radionuclides. The study of the distribution of biologically mobile chemical elements allowed distinguishing four elements of the tree stem, which have significant differences in the chemical composition: outer bark, inner bark, sap wood and heart wood. However, this division of the stem requires the modification of existing methods for assessing its phytomass, as well as developing a method for forming the average sample for measuring the content of chemical elements. Classical stereometric methods for the estimation of phytomass for the proposed classification of the stem elements are inappropriate. Since, they do not allow a sufficient amount of precision to calculation of the volume for separate components. We propose to use parameter of local linear density for these purposes. Based on own experimental material, which derived from 9 model trees, found out possibility approximation of local density of stem components at different heights applying a polynomial function with certain restrictions, then resulting area of the curvilinear trapezium is the phytomass of certain component. The use of a definite integral allows calculating the mass fraction of the corresponding component, which is to be taken from the wood disks for the formation of the average sample to measure the content of chemical elements, including 137Cs and 90Sr. The estimation of activity concentration of radionuclides in the components of tree stem based on the formed average sample will allow more reliable prediction of the content of 137Cs and 90Sr in accordance with the hygienic norms of Ukraine. Проанализированы самые распространенные на территории Украины методики оценки надземной фитомассы деревьев сосны обыкновенной в сомкнутых древостоях. Выявлены значительные различия в выделении структурных элементов древесного ствола в иностранных и отечественных исследованиях при изучении био (гео) химического круговорота химических элементов в лесных экосистемах, в том числе биологически мобильных радионуклидов. Опираясь на результаты проведенных камеральных работ, установлено, что использование линейных измерений для определения объема компонентов коры стереометрическим способом ограничен из-за невозможности обеспечить достаточный уровень погрешностей измерений. Предложено использовать линейную плотность компонентов коры ствола на локальных высотах для устранения необходимости вычисления или измерения объема структурных элементов коры. Разработана методика оценки надземной фитомассы компонентов ствола деревьев: внешней и внутренней коры, заболонной и ядровой древесины, а также формирование их среднего образца для измерения содержания биологически мобильных радионуклидов (137Cs и 90Sr) и других изотопов, химических элементов и веществ. Сравнение результатов оценок надземной фитомассы древесного ствола и его компонентов, полученных с помощью разработанных подходов и по методике П.И. Лакиды (2002), указывает на значительные относительные отклонения фитомассы коры ствола (22±18 %), однако суммарная фитомасса ствола характеризуется несущественным отклонением (1,6±2,3 %)

Distribution of 137Cs activity concentration in wood scots pine (Pinus sylvestris L.) of Zhytomyr Polissya after the Chernobyl accident

Using the calculated values for wood samples (relative diameter, height and relative activity concentration of 137Cs) selected in different parts of the profile tree stems, statistical and graphical interpretation of the regularity of the distribution of 137Cs in the wood of model trees of Scots pine were performed. In the research, detected observation uniformity of samples in the studied profiles stems for the relative activity concentration of 137Cs, calculated on the base of the ratio of the activity concentration of tree rings for certain years to their median at height of 1.3 m. Three intervals of the relative diameters for stem wood of model trees at height of 1.3 m of the study stand were obtained, that is characterized by significant difference on the activity concentration of 137Cs: d(ω)1.3m ≤ 0.55 (Am(ω) = 0.63 ± 0.08); 0.55 < d(ω)1.3m ≤ 0.95 (Am(ω) = 1.01 ± 0.04); 0.95 < d(ω)1.3m ≤ 1.0 (Am(ω) = 2.1 ± 0.5)

Mapping growing stock volume and forest live biomass: a case study of the Polissya region of Ukraine

Forest inventory and biomass mapping are important tasks that require inputs from multiple data sources. In this paper we implement two methods for the Ukrainian region of Polissya: random forest (RF) for tree species prediction and k-nearest neighbors (k-NN) for growing stock volume and biomass mapping. We examined the suitability of the five-band RapidEye satellite image to predict the distribution of six tree species. The accuracy of RF is quite high: ~99% for forest/non-forest mask and 89% for tree species prediction. Our results demonstrate that inclusion of elevation as a predictor variable in the RF model improved the performance of tree species classification. We evaluated different distance metrics for the k-NN method, including Euclidean or Mahalanobis distance, most similar neighbor (MSN), gradient nearest neighbor, and independent component analysis. The MSN with the four nearest neighbors (k = 4) is the most precise (according to the root-mean-square deviation) for predicting forest attributes across the study area. The k-NN method allowed us to estimate growing stock volume with an accuracy of 3 m3 ha−1 and for live biomass of about 2 t ha−1 over the study area