Biophysical and spectral responses to various burn treatments in the northern mixed-grass prairie

Abstract

Over the past century, environmental managers have worked to suppress fire throughout various biomes. Today, burning is generally considered beneficial to many ecosystems, though the precise effects are not entirely understood. This research aims to further our understanding of the biophysical effects of fire in C3 dominated mixed-grass prairies and to find an effective remote sensing approach for differentiating between burn treatments in late spring. Biophysical properties including vegetation cover, biomass, soil properties, canopy height, Leaf Area Index (LAI), and individual wavebands of the SPOT-5 sensor as well as two vegetation indices (Normalized Difference Vegetation Index and Normalized Burn Ratio Index) derived from SPOT-5 images were compared among unburned sites and sites with various burning treatments in Grasslands National Park, Canada. Results showed that significantly higher soil temperature and lower LAI were found in burned sites. Dead material biomass, total biomass, and percentage of standing dead cover were significantly lower in burned and grazed sites. The percentage of bare ground cover was the only biophysical variable to show significant changes in all burning treatments. Burned and unburned sites could not be distinguished based on assessing the changes of individual wavebands of the SPOT-5 sensor and the two vegetation indices. Models based on linear combinations of spectral indices were developed for biophysical properties that show significant changes in burned sites. The agreement between model simulated biophysical properties and field measured values suggest the feasibility of remote sensing to assess or monitor post-fire effects in mixed grasslands.

Au cours du dernier siècle, les gestionnaires de l'environnement ont travaillé pour supprimer les feux dans divers biomes. Aujourd'hui, le brûlage est considéré comme généralement bénéfique pour plusieurs écosystèmes, bien que les effets précis ne soient pas bien compris. L'objectif de cette recherche est d'approfondir notre connaissance des effets biophysiques des feux dans les prairies mixtes dominées par les espèces en C3 et de mettre au point une approche efficace de télédétection pour différencier entre les différents traitements par brûlage à la fin du printemps. Les propriétés biophysiques incluant le couvert de végétation, la biomasse, les propriétés du sol, la hauteur du couvert, l'indice de surface foliaire (LAI), d'une part, et les bandes individuelles du capteur de SPOT-5 de même que deux indices de végétation («Normalized Vegetation Index» (NDVI) et «Normalized Burn Ratio» (NBR)) dérivés des images de SPOT-5, d'autre part, ont été comparés entre les sites non brûlés et les sites ayant subi divers traitements par brûlage dans le Parc national des prairies, au Canada. Les résultats ont montré qu'une température significativement plus élevée du sol et un LAI plus faible sont observés sur les sites brûlés. La biomasse morte, la biomasse totale et le pourcentage de couvert de bois mort sur pied sont significativement plus faibles sur les sites brûlés et pâturés. Le pourcentage de sol nu est la seule variable biophysique à montrer des changements significatifs pour tous les traitements par brûlage. Les sites brûlés et non-brûlés ne peuvent être distingués sur la base de l'évaluation des changements entre les bandes individuelles de SPOT-5 et les deux indices de végétation. Les modèles basés sur des combinaisons linéaires d'indices spectraux ont été développés pour les propriétés biophysiques qui exhibent des changements significatifs sur les sites brûlés. La concordance entre les propriétés biophysiques simulées par les modèles et les valeurs mesurées sur le terrain montre la rentabilité de la télédétection pour l'évaluation ou le suivi des effets après brûlage dans les prairies mixtes.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgments

This research was funded through Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) and ISTPCanada. We would also like to thank the many helpful Parks Canada employees working at Grasslands National Park, Canada. Much appreciation goes to the three anonymous reviewers, without their valuable comments, this work would never be published.