Ecoregionalization assessment: Spatio-temporal analysis of net primary production across Ontario

Abstract

An ecoregionalization can be defined as a partitioning scheme that captures landscape patterns by dividing an area into hierarchically nested ecounits based on similar physiographic and ecological characteristics. In this paper, we introduce new spatio-temporally explicit methods to characterize spatio-temporal variability of static, a priori defined, ecounits by their dynamic “spatio-temporal signatures” (STSs) and assess the strength of the ecoregionalization boundaries using this information. To analyze the spatial and temporal patterns of net primary productivity (NPP) at the ecozone, ecoregion, and ecodistrict levels of the National Ecological Framework of Canada (NEF) ecoregionalization, we compute a 15-year monthly series of NPP for Ontario at 8-km by 8-km resolution based on satellite images (NOAA-AVHRR) and a light-use efficiency model. At each level of the NEF hierarchy, within-unit homogeneity of the monthly, annual, and 15-year average NPP of ecounits is characterized by the Getis statistic, and between-unit heterogeneity of these variables is characterized by the boundary contrast (squared difference across the boundary). Similarities across the levels of the hierarchy are assessed by the sum-of-squared differences of monthly, annual, and 15-year average NPP of nested ecounits. Temporal trends of NPP per ecounit are measured using Kendall’s correlation coefficient. The seasonal and annual variations in the growing season, as captured by a time series of NPP aggregated to the ecodistrict, ecoregion, and ecozone level, are shown to vary across Ontario. These results indicate the potential of our spatio-temporal approach for ecoregionalization assessment based on dynamic and spatially distributed data.

Résumé:

L’écorégionalisation peut être définie comme un processus qui circonscrit l’hétérogénétié spatiale d’un paysage en créant des éco-unités emboîtées hiérarchiquement en fonction de leurs caractéristiques physiographiques et écologiques similaires. Dans cet article, nous présentons de nouvelles méthodes pour caractériser la variabilité spatio-temporelle d’éco-unités statiques (définies a priori ) grâce à leurs signatures spatio-temporelles. Nous testons aussi la validité des frontières créées par la méthode de l’écorégionalisation. Pour analyser les patrons spatiaux et temporels de la productivité primaire nette (PPN) du Cadre écologique de référence du Canada, et ce, au niveau des écozones, écorégions et écodistricts, nous avons calculé des séries mensuelles de PPN pour l’Ontario sur une période de 15 ans. Pour les calculs, nous avons utilisé des images satellitaires (NOAA-AVHRR) dont la résolution est de 8 km par 8 km, ainsi qu’un modèle d’utilisation efficace de la lumière. À chaque niveau hiérarchique du cadre écologique de référence, l’homogénéité de la PPN moyenne au sein des éco-unités, calculée sur une base mensuelle, annuelle ou sur une période de 15 ans, a été caractérisée par la statistique de Getis. L’hétérogénéité de la PPN entre les unités a, pour sa part, été caractérisée par le calcul du contraste des frontières (soit la différence au carré de chaque côté de la frontière). Les similitudes entre les niveaux hiérarchiques sont évaluées par la somme des différences au carré des valeurs moyennes de PPN des éco-unités emboîtées, somme calculée sur une base mensuelle, annuelle ou sur une période de 15 ans. Les tendances de la productivité primaire nette qui s’expriment dans le temps ont été mesurées à l’aide du coefficient de corrélation de Kendall. Les variations saisonnières et annuelles de la saison de croissance, telles que définies par des séries temporelles de PPN réalisées au niveau de l’écodistrict, de l’écorégion ou de l’écozone, ne sont pas partout les mêmes en Ontario. Ces résultats donnent une bonne idée du potentiel de notre approche spatio-temporelle pour évaluer la pertinence des écorégionalisations fondées sur des données de nature dynamique et spatiale.

Key Words:

• Ecoregionalization
• Spatio-temporal analysis
• Getis statistic
• Boundary contrast
• cNPP
• Ontario

Mots-clés::

• écorégionalisation
• analyse spatio-temporelle
• statistique de Getis
• contraste des frontières
• productivité primaire nette
• Ontario