A history of habitat dynamics: Characterizing 35 years of stand replacing disturbance

Abstract

Landscape change, specifically habitat loss and modification, is thought to have an impact on the health, productivity, distribution, and survival of grizzly bears (Ursus arctos L.). Although grizzly bears may preferentially seek out areas of anthropogenic disturbances for foraging opportunities, research has found that grizzly bears experience greater mortality in these areas as a result of increased human access. Additional insights on the location and rates of anthropogenic-driven landscape change are required to better understand related impacts upon grizzly bears. In this study, a time series of 14 Landsat MSS, TM, and ETM+ images were used to retrospectively document and quantify the rate of landscape change over a 35-year period from 1973 to 2008 in a 13507km² analysis area in western Alberta, Canada. The study area is located within a larger region that contains the highest density of grizzly bears in Alberta and has experienced increasingly intensive forest harvesting and oil and gas exploration activities during this period. To accommodate the differing spectral channels from MSS to TM/ETM+ sensors, the arctangent of the angle of the Tasseled Cap greenness-to-brightness components was computed for each image year, with sequential image pairs differenced and a threshold applied to identify stand-replacing disturbance events.

Results indicated that 11% of the analysis area experienced some form of stand-replacing disturbance (e.g., cutblocks, roads, oil and gas well sites, seismic lines, power lines, pipelines, blowdown) between 1973 and 2008. The greatest proportion of this change (by area) occurred between 2004 and 2006 (24%), while the lowest proportion occurred between 2000 and 2001 (2%). Although the number of change events has fluctuated over time, with a minimum of 2888 change events between 1976 and 1978 (2%) and a maximum of 36623 change events between 2004 and 2006 (29%), the mean size of change events has decreased over time: prior to 1995, mean event size was greater than 1.5ha; after 1995, it was less than 1.5ha. The annual rate of change was greatest between 2004 and 2006 (−1.25%), and lowest between 1981 and 1990 (−0.04%). Consideration of changes within the context of units relevant to grizzly bear management (i.e., grizzly bear watershed units and core or secondary habitat areas) indicate that the amount and rate of change was not spatially or temporally uniform across the study area. While the average change event size has decreased over time, the increasing number of change events has resulted in a larger aggregate area of change in more recent years. Landsat imagery provided a large-area, synoptic, and consistent characterization of 35years of stand-replacing disturbance in our study area, providing information that enables an improved understanding of the complex interactions between grizzly bear distribution, abundance, health, survival, and habitat.

Les changements dans le paysage, en particulier la perte et la modification d'habitats, sont perçus comme ayant un impact sur la santé, la productivité, la distribution et la survie des grizzlys (Ursus arctos L.). Bien que les grizzlys aient tendance à rechercher de préférence des zones de perturbations anthropogéniques pour les opportunités de fourrage qu'elles offrent, la recherche a permis de découvrir que les grizzlys connaissent un taux de mortalité plus grand dans ces zones à cause de la présence plus généralisée d'humains. Il est nécessaire d'avoir une information supplémentaire sur la localisation et le taux des changements du paysage d'origine anthropogénique pour mieux comprendre les impacts associés sur les grizzlys. Dans cette étude, une série temporelle de 14 images de MSS, de TM et de ETM+ de Landsat a été utilisée pour documenter et quantifier rétrospectivement le taux de changement dans le paysage au cours d'une période de 35 ans, soit de 1973 à 2008, dans une zone d’étude couvrant 13 507 km² dans l'ouest de l'Alberta, au Canada. La zone d’étude s'inscrit dans une région plus vaste qui enregistre la plus haute densité de grizzlys en Alberta et qui a été soumise à des opérations forestières ainsi que des activités d'exploration pétrolière et gazière de plus en plus intensives au cours des 35 dernières années. Pour accommoder les bandes spectrales divergentes des capteurs MSS et TM/ETM+, l'arc tangente de l'angle des composantes de verdure par rapport à la brillance de l'espace indiciel a été calculée pour chaque année à partir des couplets d'images séquentiels différenciés et un seuil a été appliqué pour identifier les événements perturbateurs qui ont entraîné le remplacement du peuplement.

Les résultats ont montré que 11% de la zone d'analyse a connu une certaine forme de perturbation entraînant le remplacement du peuplement (p. ex. blocs de coupe, routes, sites de puits pétrolier ou gazier, lignes séismiques, lignes de transport d’énergie, pipelines, zone de chablis) entre 1973 et 2008. La plus grande partie du changement (en superficie) s'est manifestée entre 2004 et 2006 (24%), alors que la portion la plus faible a été observée entre 2000 et 2001 (2%). Bien que le nombre d’événements de changement ait fluctué dans le temps, avec un minimum de 2 888 événements entre 1976 et 1978 (2%) et un maximum de 36 623 événements entre 2004 et 2006 (29%), la dimension moyenne des événements a diminué dans le temps : avant 1995, la superficie moyenne des événements était supérieure à 1,5 ha; après 1995, celle-ci était inférieure à 1,5 ha. Le taux annuel de changement était à son maximum entre 2004 et 2006 (−1,25%) et à son plus faible entre 1981 et 1990 (−0,04%). La prise en compte des changements dans le contexte des unités pertinentes de gestion des grizzlys (c.-à.d., les unités de bassin-versant des grizzlys et les zones d'habitats principaux/secondaires) montre que le nombre et le taux de changements n’étaient pas uniformes spatialement ou temporellement sur l'ensemble de la zone d’étude. Bien que la superficie moyenne des événements de changement ait diminué dans le temps, le nombre croissant d’événements a résulté en une superficie globale de changement plus grande au cours des dernières années. Les images de Landsat ont permis d’établir une caractérisation à grande échelle, synoptique et cohérente de 35 années de perturbations entraînant le remplacement du peuplement dans notre zone d’étude, apportant ainsi une information qui permettra d'assurer une meilleure connaissance des interactions complexes entre la répartition, l'abondance, la santé, la survie et l'habitat des grizzlys.

[Traduit par le Rédaction]

Acknowledgements

This research was undertaken as part of the ‘‘BioSpace: Biodiversity monitoring with Earth Observation data’’ project, jointly funded by the Canadian Space Agency (CSA) Government Related Initiatives Program (GRIP), and the Canadian Forest Service (CFS) of Natural Resources Canada. Additional support of this research was generously provided by the Grizzly Bear Program of the Foothills Research Institute located in Hinton, Alberta, Canada, with additional information available at http://www.foothillsresearchinstitute.ab.ca.