Climate-Triggered Drought as Causes for Different Degradation Types of Natural Forests: A Multitemporal Remote Sensing Analysis in NE Iran

Climate-triggered forest disturbances are increasing either by drought or by other climate extremes. Droughts can change the structure and function of forests in long-term or cause large-scale disturbances such as tree mortality, forest fires and insect outbreaks in short-term. Traditional approaches such as dendroclimatological surveys could retrieve the long-term responses of forest trees to drought conditions; however, they are restricted to individual trees or local forest stands. Therefore, multitemporal satellite-based approaches are progressing for holistic assessment of climate-induced forest responses from regional to global scales. However, little information exists on the efficiency of satellite data for analyzing the effects of droughts in different forest biomes and further studies on the analysis of approaches and large-scale disturbances of droughts are required. This research was accomplished for assessing satellite-derived physiological responses of the Caspian Hyrcanian broadleaves forests to climate-triggered droughts from regional to large scales in northeast Iran. The 16-day physiological anomalies of rangelands and forests were analysed using MODIS-derived indices concerning water content deficit and greenness loss, and their variations were spatially assessed with monthly and inter-seasonal precipitation anomalies from 2000 to 2016. Specifically, dimensions of forest droughts were evaluated in relations with the dimensions of meteorological and hydrological droughts. Large-scale effects of droughts were explored in terms of tree mortality, insect outbreaks, and forest fires using field observations, multitemporal Landsat and TerraClimate data. Various approaches were evaluated to explore forest responses to climate hazards such as traditional regression models, spatial autocorrelations, spatial regression models, and panel data models. Key findings revealed that rangelands’ anomalies did show positive responses to monthly and inter-seasonal precipitation anomalies. However, forests’ droughts were highly associated with increases in temperatures and evapotranspiration and were slightly associated with the decreases in precipitation and surface water level. The hazard intensity of droughts has affected the water content of forests higher than their greenness properties. The stages of moderate to extreme dieback of trees were significantly associated with the hazard intensity of the deficit of forests’ water content. However, the stage of severe defoliation was only associated with the hazard intensity of forests’ greenness loss. Climate hazards significantly triggered insect outbreaks and forest fires. Although maximum temperatures, precipitation deficit, availability of soil moisture and forest fires of the previous year could significantly trigger insect outbreaks, the maximum temperatures were the only significant triggers of forest fires from 2010‒2017. In addition to climate factors, environmental and anthropogenic factors could control fire severity during a dry season. The overall evaluation indicated the evidence of spatial associations between satellite-derived forest disturbances and climate hazards. Future studies are required to apply the approaches that could handle big-data, use the satellite data that have finer wavelengths for large-scale mapping of forest disturbances, and discriminate climate-induced forest disturbances from those that induced by other biotic and abiotic agents.Klimagbedingte Waldstörungen nehmen entweder durch Dürre oder durch andere Klimaextreme zu. Dürren können langfristig die Struktur und Funktion der Wälder verändern oder kurzfristig große Störungen wie Baumsterben, Waldbrände und Insektenausbrüche verursachen. Traditionelle Ansätze wie dendroklimatologische Untersuchungen könnten die langfristigen Reaktionen von Waldbäumen auf Dürrebedingungen aufzeigen, sie sind aber auf einzelne Bäume oder lokale Waldbestände beschränkt. Daher werden multitemporale satellitengestützte Ansätze zur ganzheitlichen Bewertung von klimabedingten Waldreaktionen auf regionaler bis globaler Ebene weiterentwickelt. Es gibt jedoch nur wenige Informationen über die Effizienz von Satellitendaten zur Analyse der Auswirkungen von Dürren in verschiedenen Waldbiotopen. Daher sind weitere Studien zur Analyse von Ansätzen und großräumigen Störungen von Dürren erforderlich. Diese Forschung wurde durchgeführt, um die aus Satellitendaten gewonnenen physiologischen Reaktionen der im Nordosten Irans gelegenen kaspischen hyrkanischen Laubwälder auf klimabedingte Dürren auf lokaler und regionaler Ebene zu bewerten. Auf der Grundlage der aus MODIS-Daten abgeleiteten Indizes wurden die 16-tägigen physiologischen Anomalien von Weideland und Wäldern in Bezug auf Wassergehaltsdefizit und Grünverlust analysiert und ihre Variationen räumlich mit monatlichen und intersaisonalen Niederschlagsanomalien von 2000 bis 2016 bewertet. Insbesondere wurden die Dimensionen der Walddürre in Verbindung mit den Dimensionen der meteorologischen und hydrologischen Dürre bewertet. Großräumige Auswirkungen von Dürren wurden in Bezug auf Baumsterblichkeit, Insektenausbrüche und Waldbrände mit Hilfe von Feldbeobachtungen, multitemporalen Landsat- und TerraClimate Daten untersucht. Verschiedene Ansätze wurden ausgewertet, um Waldreaktionen auf Klimagefahren wie traditionelle Regressionsmodelle, räumliche Autokorrelationen, räumliche Regressionsmodelle und Paneldatenmodelle zu untersuchen. Die wichtigsten Ergebnisse zeigten, dass die Anomalien von Weideland positive Reaktionen auf monatliche und intersaisonale Niederschlagsanomalien aufweisen. Die Dürren in den Wäldern waren jedoch in hohem Maße mit Temperaturerhöhungen und Evapotranspiration verbunden und standen in geringem Zusammenhang mit dem Rückgang von Niederschlägen und des Oberflächenwasserspiegels. Die Gefährdungsintensität von Dürren hat den Wassergehalt von Wäldern stärker beeinflusst als die Eigenschaften ihres Blattgrüns. Die Stufen mittlerer bis extremer Baumsterblichkeit waren signifikant mit der Gefährdungsintensität des Defizits des Wassergehalts der Wälder verbunden. Das Ausmaß der starken Entlaubung hing jedoch nur mit der Gefährdungsintensität des Grünverlustes der Wälder zusammen. Die Klimagefahren haben zu deutlichen Insektenausbrüchen und Waldbränden geführt. Obwohl Maximaltemperaturen, Niederschlagsdefizite, fehlende Bodenfeuchte und Waldbrände des Vorjahres deutlich Insektenausbrüche auslösen konnten, waren die Maximaltemperaturen die einzigen signifikanten Auslöser von Waldbränden von 2010 bis 2017. Neben den Klimafaktoren können auch umweltbedingte und anthropogene Faktoren den Schweregrad eines Brandes während einer Trockenzeit beeinflussen. Die Gesamtbewertung zeigt Hinweise auf räumliche Zusammenhänge zwischen aus Satellitendaten abgeleiteten Waldstörungen und Klimagefahren. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um Ansätze anzuwenden, die mit großen Datenmengen umgehen können, die Satellitendaten in einer hohen spektralen Auflösung für die großmaßstäbige Kartierung von Waldstörungen verwenden und die klimabedingte Waldstörungen von denen zu unterscheiden, die durch andere biotische und abiotische Faktoren verursacht werden