Stochastic rain events increase NDVI through moss water content: a High-Arctic field experiment

Abstract

Målinger av ”Normalized Difference Vegetation Index” (NDVI) gjennom fjernmålinger blir brukt til å indikere produktiviteten til vegetasjonen i Høyarktis, og hvordan den påvirkes av klimaendringer. Tolkningen av observerte variasjoner i tid og rom, og ”grønnere” trender er ofte basert på antagelser om at de hovedsakelig er påvirket av vaskulære planter, som også typisk er den hovedfunksjonelle gruppen for storskala studier av vegetasjonsendring. Likevel er vegeterte deler av Arktis i stor grad dekket med et moselag. Siden NDVI-verdier har vist seg å øke raskt med økt vanninnhold i moser, betyr det at storskala fjernmålinger kan være sterkt påvirket av moselaget og fuktighetsforhold. Dette kan muligens påvirke konklusjoner angående prosesser som oppstår i vaskulære planter. I denne studien ble målinger fra tre naturlige og to eksperimentelle regnhendelser kombinert for å teste for effekten av vanninnholdet til moser på NDVI-målinger, på den Høyarktiske tundraen på Svalbard (78°N), i løpet av sommeren 2018. Eksperimentelle regnhendelser ble indusert ved å tilføre vann (tilsvarende 12 og 24 mm regn) på halvparten av 24 plot (resten var kontrollplot), i to vegetasjonstyper dominert av henholdsvis mosene Sanionia uncinata og Tomentypnum nitens. Det skjedde en rask endring i vanninnholdet til mosene som et resultat av naturlige og eksperimentelle regnhendelser, og begge regnhendelser påvirket vanninnholdet til mosene og NDVI sterkt ved å øke verdiene. Videre, på tvers av plot og uansett behandling og tid på sesongen, ble variasjon i vanninnholdet til mosene funnet å forklare NDVI-verdiene, og mine analyser indikerer at det ikke var noen sterk langtidseffekt av regnhendelsene. Dette betyr at en endring i vanninnhold til moser, som følge av stokastiske kraftige regnhendelser, kan påvirke NDVI-målinger over en kortere periode (timer eller få dager), men ikke nødvendigvis over sesongen. Likevel indikerer resultatene mine at vanninnholdet til moser relatert til regnhendelser kan påvirke fjernmålingsdata, slik som topp eller maksimum NDVI-verdier, når man overvåker variasjoner i vegetasjonsproduktivitet i tid og rom i Arktis. Derfor burde det bli vurdert som en potensielt betydelig feilkilde.

Measurements of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) through remote sensing is being used to indicate the productivity of the vegetation in the High Arctic, and how it is affected by climate changes. The interpretation of observed spatiotemporal variation and “greening” trends is often based on the assumption that they are mainly influenced by vascular plants, which typically are the focal functional group for large-scale studies of vegetation change. However, vegetated parts of the Arctic are to a large degree covered with a moss layer. Since NDVI values have been shown to increase rapidly with increasing moss water content, large-scale remotely sensed measurements may be strongly affected by moss cover and moist conditions. This may possibly affect the conclusions regarding processes occurring in vascular plants. In this study, measurements from three natural and two experimental rain events were combined to test for effects of moss water content on NDVI measurements, on the High-Arctic tundra of Svalbard (78°N), during the summer of 2018. Experimental rain events were induced by adding water (equivalent to 12 and 24 mm rain) to half of 24 plots (other plots were controls), in two vegetation types dominated by the mosses Sanionia uncinata and Tomentypnum nitens, respectively. There was a rapid change in moss water content as a result of natural and experimental rain events, and both events strongly affected moss water content and NDVI by increasing the values. Further, across plots and regardless of treatment and time of season, variation in moss water content was found to influence the NDVI values, and my analyses indicates that there was no strong long-term effect of rain events. This implies that the change in moss water content, due to stochastic rain events, may affect NDVI measurements over a short time (hours or a few days), but not necessarily over the season. Still, my result indicate that moss water content related to precipitation events can be affecting remote sensing data, such as peak or maximum NDVI values, when monitoring spatiotemporal variation in vegetation productivity in the Arctic. Hence, it should be considered as a potential source of noise and error.