Daniela Requena Suarez

Tropical and subtropical forests have many valuable roles, one of them within the carbon cycle. Within this cycle they are an essential terrestrial component, functioning as carbon reservoirs and sinks. The importance of (sub)tropical forests in climate change mitigation has been highlighted in recent climate change policies, such as the Paris Agreement, with signatory countries working towards a robust monitoring of their forest carbon stocks and sinks. Additionally, efforts to enhance forest carbon sinks through the restoration of degraded land has been highlighted by the Bonn Challenge, with currently more than 70 pledges in 60 countries underway.

Until recently, large-scale assessments and country-level reporting of forest carbon stocks and sinks have been relying on coarse estimates provided in 2006 by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). However, these estimates were based on a handful of studies per global ecological zone (also known as ecozone), did not provide methods for their derivation nor measures of uncertainty, and did not distinguish between forest successional stages.

Furthermore, little is known about the drivers of variations in carbon stocks and sinks across (sub)tropical forests, particularly in forests with limited forest plot data availability. In this respect, insights for variations in forests and woodlands in the African dry tropics and in forests recovering from recent disturbance remains limited. Understanding how forest carbon stocks and sinks vary is essential for monitoring greenhouse gas (GHG) fluxes as well as for improving forest conservation and restoration endeavours.

Over time, research on (sub)tropical forest carbon stocks and sinks has progressed, as well as country-level monitoring efforts to improve forest GHG reporting. This has led to the increase in availability of forest plot data. Simultaneously, large-scale remote sensing products have become available and region-specific methods for the monitoring of forest disturbance/recovery dynamics have improved over time. Thus, the opportunity to combine forest plot data with remote sensing to evaluate carbon stocks and sinks in (sub)tropical forests at different stages of recovery arises.

The overall aim of this thesis is to integrate forest plot data with remote sensing to contribute towards understanding and quantifying aboveground forest carbon stocks (aboveground biomass; AGB) and sinks (aboveground biomass change; ΔAGB) in (sub)tropical forests. More specifically, this thesis has the objectives of (1) improving estimations of (sub)tropical aboveground forest carbon stocks and sinks under varying disturbance types for GHG reporting and of (2) understanding the drivers of aboveground carbon stocks and sinks in recovering forests in the (sub)tropics.

Chapter 2 provides a refinement of the IPCC 2006 default aboveground biomass (AGB) estimates for natural forests in (sub)tropical forest ecozones. This chapter used forest plot data from over 25 thousand plots in natural forests as well as a global AGB map for areas where no forest plot data was available. AGB estimates were calculated per continent, ecological zone, and successional forest type (younger secondary, older secondary and old-growth forests), and provided a measure of uncertainty. Refined default values generally reflected the large-scale climatic gradients in the tropics, with higher AGB in wetter areas. Furthermore, as expected, AGB was generally higher in old-growth forests than in secondary forests, and higher in older secondary than in younger secondary forests. This chapter provides a reproducible approach to facilitate future refinement, and encourages targeted efforts to establish permanent plots in areas with data gaps.

Chapter 3 provides a refinement of the IPCC 2006 default aboveground biomass change (ΔAGB) rates for natural forests in (sub)tropical forest ecozones by incorporating available plot data in secondary, old-growth and managed/logged forests. This chapter incorporated ΔAGB data available from 2006 onwards, comprising 176 chronosequences in secondary forests and 536 permanent plots in old-growth and managed/logged forests located in 42 countries in Africa, North and South America and Asia. ΔAGB rates were generated for younger secondary forests, older secondary forests and old-growth forests, following the same definition as per Chapter 2. This chapter provides a traceable refinement of the IPCC 2006 default ΔAGB rates for (sub)tropical forests and identifies areas for which more research on ΔAGB is required.

Chapter 4 addresses the need for understanding variations of AGB in recovering tropical forests in the African dry tropics along gradients in environmental conditions and human use. For this purpose, AGB data from 1,958 National Forest Inventory (NFI) plots covering Tanzania’s forests and woodlands were integrated with spatial datasets and regional remote sensing analysis. For the latter component, Landsat-derived satellite time series of forest cover probability were used to divide NFI plots into recovering forests (areas recovering from deforestation for less than 25 years) and established forests (areas consistently defined as forests for at least 25 years), and to detect the year of forest establishment for recovering forests. In decreasing order of importance, AGB in recovering forests unexpectedly decreased with water availability, increased with surrounding tree cover and time since establishment, and decreased with elevation, distance to roads, and soil phosphorus content. AGB in established forests unexpectedly decreased with water availability, increased with surrounding tree cover, and soil nitrogen content, and decreased with elevation. AGB in recovering forests increased by 0.4 Mg ha −1 year −1 during the first 20 years following establishment. These results can serve as the basis of carbon sink estimates in south-eastern African recovering tropical forests and woodlands, and aid in forest landscape restoration planning.

Chapter 5 explores the degree of disturbance in Peru’s Amazonian forests; evaluates the effect of disturbance on AGB, tree species diversity and their recovery towards undisturbed levels; and identifies the main environmental and human use drivers of AGB, biodiversity and their recovery. This was done through the integration of AGB and tree species data from 1,847 NFI plots covering the Peruvian Amazonia with spatial datasets and regional remote sensing analysis. For the latter component, Landsat-derived Normalized Difference Moisture Index (NDMI) spatio-temporal cubes, in combination with a local phenological baseline were employed to distinguish time and intensity of disturbance for all NFI plot locations. Disturbance intensity had a negative effect on AGB and tree species diversity as well as their recovery. Time since disturbance had a positive effect on AGB and on similarity in species composition with undisturbed levels. While gradients in environmental conditions and human use affected AGB and its recovery, this was not evident for tree diversity and its recovery, nor its similarity in species composition. Following disturbance, forests in the Peruvian Amazonia can act as partial carbon sinks: during the first 20 years after disturbance AGB increases at an overall rate of 4.05 Mg ha −1 year −1. This chapter highlights the need to consider disturbance intensity and subsequent recovery in forest GHG reporting for forest-based mitigation endeavours.

The results of this thesis contribute towards improving estimations of forest carbon stocks and sinks under varying disturbance types and by evaluating the effects of gradients in environmental conditions and human use on aboveground carbon stocks and sinks in tropical and subtropical forests. Moving forward, conscientious collaborations that leverage available forest plot data and employ novel remote sensing techniques to monitor forest dynamics will be required to fill new and persistent knowledge gaps.

Resumen

Los bosques tropicales y subtropicales tienen muchos roles valiosos, uno de ellos dentro del ciclo de carbono. Dentro de este ciclo son un componente terrestre esencial, actuando como reservas y sumideros de carbono. La importancia de los bosques tropicales y subtropicales en la mitigación del cambio climático se ha destacado en políticas como el Acuerdo de París, con países signatarios trabajando para monitorear reservas y sumideros de carbono forestal. Adicionalmente, la mejora de los sumideros de carbono forestal mediante la restauración de tierras degradadas ha sido destacada en el Desafío de Bonn, con más de 70 compromisos en 60 países en curso.

Hasta hace poco, las evaluaciones a gran escala y los informes nacionales sobre las reservas y sumideros de carbono se basaban en estimaciones proporcionadas en 2006 por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés). Sin embargo, estas estimaciones se basaron en un número limitado de estudios por zona ecológica global (también conocida como ecozona), no proporcionaron métodos para su derivación ni medidas de incertidumbre, y no distinguieron entre etapas sucesionales del bosque.

Además, poco se sabe acerca de los factores que influyen las variaciones en las reservas y sumideros de carbono en bosques tropicales y subtropicales, particularmente en bosques con disponibilidad limitada de datos de campo. En este sentido, los conocimientos sobre las variaciones en los bosques secos africanos y en los bosques en proceso de recuperación de perturbaciones recientes siguen siendo limitados. Comprender cómo varían las reservas y los sumideros de carbono en zonas forestales es esencial para monitorear los flujos de gases de efecto invernadero (GEI), así como para mejorar los esfuerzos de conservación y restauración de bosques.

Con el tiempo, la investigación sobre las reservas y sumideros de carbono en bosques tropicales y subtropicales ha progresado, así como las capacidades nacionales de monitoreo para la elaboración de informes de GEI. Esto ha resultado en un aumento de la disponibilidad de datos provenientes de parcelas forestales. Al mismo tiempo, se han puesto a disposición nuevos productos de sensoramiento remoto de gran escala y los métodos para el seguimiento de la dinámica de perturbación/recuperación de los bosques a nivel regional han mejorado. Por lo tanto, surge la oportunidad de combinar los datos de las parcelas forestales con sensoramiento remoto con el fin de evaluar las reservas de carbono y los sumideros en bosques tropicales y subtropicales bajo diferentes estados de recuperación.

El objetivo general de esta tesis es integrar los datos de las parcelas forestales con sensoramiento remoto para contribuir con la comprensión y cuantificación de los reservorios de carbono por encima del suelo (biomasa aérea; AGB, por sus siglas en inglés) y sumideros (cambio de biomasa aérea; ΔAGB) en bosques tropicales y subtropicales. Específicamente, los objetivos de esta tesis son (1) mejorar las estimaciones de las reservas y sumideros de carbono de los bosques tropicales y subtropicales bajo diferentes tipos de perturbaciones para la elaboración de informes de GEI y (2) comprender los factores influyentes de las reservas y sumideros de carbono en bosques bajo diferentes estados de recuperación.

El Capítulo 2 proporciona un refinamiento de las estimaciones de biomasa aérea del IPCC propuestas en el 2006 para bosques naturales en ecozonas forestales tropicales y subtropicales. Este capítulo utilizó datos de más de 25 mil parcelas en bosques naturales, así como un mapa global de biomasa aérea para áreas donde no se disponía de datos de parcelas forestales. Las estimaciones de biomasa aérea se calcularon por continente, ecozona y estado sucesional del bosque (secundarios jóvenes, secundarios viejos y maduros), y proporcionaron una medida de incertidumbre. Los valores refinados en este estudio reflejan los gradientes climáticos a gran escala en los trópicos, con mayores valores de biomasa aérea en zonas con mayor humedad. Además, como era de esperarse, la biomasa aérea fue generalmente mayor en bosques maduros que en bosques secundarios, y mayor en bosques secundarios viejos que en bosques secundarios jóvenes. Este capítulo proporciona una metodología reproducible para facilitar el refinamiento futuro, además de alentar esfuerzos dirigidos para establecer parcelas permanentes en zonas con información limitada.

El Capítulo 3 proporciona un refinamiento de las tasas de cambio de biomasa aérea (ΔAGB) propuestas por el IPCC en 2006 para bosques naturales en ecozonas de bosques tropicales y subtropicales mediante la incorporación de datos de parcelas provenientes de bosques secundarios, maduros y bajo uso forestal. Este capítulo incorporó datos de ΔAGB disponibles desde 2006 en adelante, que comprenden 176 cronosecuencias en bosques secundarios y 536 parcelas permanentes en bosques primarios y bosques bajo uso forestal ubicados en 42 países de África, América del Norte, América del Sur y Asia. Las tasas de ΔAGB se generaron para los bosques secundarios jóvenes, secundarios viejos y maduros siguiendo la misma definición del Capítulo 2. Este capítulo proporciona un refinamiento reproducible de las tasas de ΔAGB para los bosques tropicales y subtropicales e identifica áreas para las cuales se requiere más investigación sobre ΔAGB.

El Capítulo 4 aborda la necesidad de comprender las variaciones de biomasa aérea en bosques tropicales en recuperación en los trópicos secos africanos a lo largo de gradientes en condiciones ambientales y actividad antrópica. Con este fin, los datos de biomasa aérea de 1,958 parcelas del Inventario Nacional Forestal de los bosques y zonas boscosas de Tanzania se integraron con datos espaciales y análisis regionales de sensoramiento remoto. Para este último componente, se utilizaron series de tiempo de probabilidad de cobertura forestal derivadas de imágenes Landsat para dividir las parcelas en bosques en recuperación (áreas que se establecieron durante menos de 25 años) y en bosques establecidos (áreas definidas consistentemente como bosques durante al menos 25 años), y para detectar el año de establecimiento de los bosques en recuperación. En orden decreciente de importancia, la biomasa aérea en bosques de recuperación disminuyó inesperadamente con la disponibilidad de agua, aumentó con la cobertura de arbórea circundante y con el tiempo desde el establecimiento, y disminuyó con la elevación, la distancia a los caminos y el contenido de fósforo del suelo. La biomasa aérea en los bosques establecidos disminuyó inesperadamente con la disponibilidad de agua, aumentó con la cobertura arbórea circundante y con el contenido de nitrógeno del suelo, y disminuyó con la elevación. La biomasa aérea en bosques en recuperación aumentó en 0.4 Mg ha −1 año −1 durante los primeros 20 años posteriores al establecimiento. Estos resultados pueden servir como base para las estimaciones de los sumideros de carbono en los bosques y zonas boscosas en recuperación de África del sudeste, y ayudar en la planificación de la restauración del paisaje forestal.

El Capítulo 5 explora el grado de perturbación en los bosques amazónicos de Perú; evalúa el efecto de la perturbación en la biomasa aérea y en la diversidad de especies arbóreas y su recuperación hacia niveles no perturbados; e identifica los principales factores ambientales y de actividad antrópica que influyen los niveles de biomasa aérea y biodiversidad y la recuperación de ambas. Este estudio se desarrolló mediante la integración de datos de biomasa aérea y especies arbóreas 1,847 subparcelas del Inventario Nacional Forestal y de Fauna Silvestre que cubren la Amazonía peruana en conjunto con datos espaciales y sensoramiento remoto. Para este último componente, se emplearon cubos espacio-temporales de Índice de Humedad de Diferencia Normalizada (NDMI, por sus siglas en inglés), derivados de imágenes Landsat, en combinación con una línea de base fenológica local para distinguir el tiempo y la intensidad de la perturbación para todas las ubicaciones de las subparcelas. La intensidad de la perturbación tuvo un efecto negativo en biomasa aérea y la diversidad de especies arbóreas, así como en su recuperación. El tiempo transcurrido desde la perturbación tuvo un efecto positivo en biomasa aérea y en la similitud de composición de especies en bosques no perturbados. Si bien los gradientes en las condiciones ambientales y de actividad antrópica influyeron en los niveles de biomasa aérea y su recuperación, no fue el caso para la diversidad de árboles y su recuperación ni para su similitud en composición de especies. Después de la perturbación, los bosques de la Amazonía peruana pueden actuar como sumideros parciales de carbono: durante los primeros 20 años después de una perturbación, la biomasa aérea aumenta en una tasa de 4.05 Mg ha −1 año −1. Este capítulo destaca la necesidad de considerar la intensidad de la perturbación y la posterior recuperación en la elaboración de informes de GEI para los esfuerzos de mitigación de cambio climático.

Los resultados de esta tesis contribuyen a mejorar las estimaciones de las reservas y sumideros de carbono forestal bajo diferentes tipos de perturbaciones y a evaluar los efectos de los gradientes en condiciones ambientales y de actividad antrópica en las reservas y sumideros de carbono sobre el suelo en zonas tropicales y subtropicales. En el futuro, se requerirán de colaboraciones que aprovechen la información disponible en parcelas forestales y empleen nuevas técnicas sensoramiento remoto para monitorear la dinámica forestal con el fin de llenar nuevas y persistentes brechas de conocimiento.