The use of ground penetrating radar for remote sensing the organic layer – mineral soil interface in paludified boreal forests

Abstract

Black spruce forests that are located in the Clay Belt, within the boreal region of eastern North America, are prone to paludification. Paludification is a natural process where organic layer accumulates on the forest floor, leading to substantial decreases in forest productivity. This study assessed the ability of using ground penetrating radar (GPR) to remotely sense the organic layer – mineral soil (OL–MS) interface (representing organic layer thickness (OLT)), which has a major influence on the occurrence of paludification in this region. The two chosen sites for this study represented different types of soil and organic layer thicknesses that are linked to different degrees of paludification: low to moderately paludified (site A) and highly paludified (site B). At each site, GPR measurements were collected along three 40 m parallel transects at 20 cm intervals with 200 MHz antenna. GPR interpretations were compared with field manual probing measurements. Detection of this continuous interface was successful at site A (r = 0.93, P < 0.001), but mesic and humic horizon clay content limited radar depth penetration, rendering the OL–MS undetectable at site B. However, we found that GPR data, coupled with ground truth information, were effective in mapping the thickness of the organic fibric horizon (r = 0.79, P < 0.001) at site B, which could be considered as an indicator of the OLT in highly paludified areas. Overall, GPR appeared effective for mapping the OL–MS interface in the low to moderately paludified site, which is attractive for implementing forest management strategies that will help to stop the advance of paludification.

Les forêts d’épinettes noires situées dans la Ceinture d'Argile, une région boréale de l'est de l'Amérique du Nord, sont sujettes à la paludification. Ce phénomène est un processus naturel par lequel une couche organique s'accumule sur le sol forestier, conduisant à une diminution importante de la productivité de ces forêts. Cette étude a évalué l'aptitude du radar-sol (géoradar, ou GPR «Ground Penetrating Radar») à cartographier l'interface «OL–MS» constituée entre la couche organique et le sol minéral (la profondeur de cette interface correspond de fait à l’épaisseur de la couche organique (OLT «Organic Layer Thickness»), paramètre clef de l'apparition de la paludification dans cette région. Deux sites ont été choisis pour cette étude; ils représentent différents types de sol et d'OLT, associées à différents degrés de paludification, soit faible à moyennement paludifié (site A) ou fortement paludifié (site B). Trois profils radar-sol parallèles d'une longueur de 40 m chacun ont été acquis sur chaque site selon un pas d’échantillonnage de 20 cm et une fréquence de 200 MHz. L'interprétation des données GPR a été comparée avec les sondages manuels de l'OLT effectués sur le terrain. La détection de cette interface continue a été fait avec succès sur le site A (r = 0,93; P < 0,001); sur le site B, la forte teneur en argile des horizons mésiques et humiques a limité la pénétration en profondeur des ondes radar, en rendant le sol minéral indétectable. Cependant, nous avons découvert que l'utilisation des données de radar-sol combinée à des mesures de l'OLT sur le terrain du site B, a permis de cartographier l’épaisseur de l'horizon fibrique (r = 0,79; P < 0,001), ce qui pourrait être considéré comme un indicateur de l'OLT dans les zones fortement paludifiées. Cette étude montre ainsi que, le radar-sol apparaît l'instrument efficace pour cartographier l'interface OL–MS dans un site faiblement à modérément paludifié. Ce résultat apparaît prometteur pour la mise en æuvre de stratégies de gestion forestière qui permettront de stopper la progression de la paludification.

Acknowledgements

The authors thank Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Regional conference of elected representatives of James Bay, NSERC-UQAT-UQAM Chair in Sustainable Forest Management, Centre for Forest Research – Centre d'Étude de la Forêt (CER-CEF), and Tembec Inc. for their financial support. The authors are especially thankful for the constructive discussions with colleagues on several occasions during the data processing at UMR 7619 Sisyphe, University of Paris 6. Special thanks are owed to Dr. Michel Chouteau from the Ecole Polytechnique de Montréal, for excellent technical assistance with his GPR system and for his comments, which improved this manuscript. Dr. W.F.J. Parsons from the CFR-CEF revised the English.