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Vegetation Indices, CO2 Flux, and Biomass for Northern Plains Grasslands

A. B. Frank and J. F. Karn
Journal of Range Management
Vol. 56, No. 4 (Jul., 2003), pp. 382-387
DOI: 10.2307/4004043
Stable URL: http://www.jstor.org/stable/4004043
Page Count: 6
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Vegetation Indices,  CO2 Flux, and Biomass for Northern Plains Grasslands
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Abstract

Native grasslands are a sink for atmospheric CO2 sequestration, but ways for extending site-specific CO2 flux measurements to a regional scale are lacking. Objectives of this study were to determine the utility of using canopy radiometric reflectance for estimating CO2 fluxes for semiarid grasslands. The relationship between the normalized difference vegetation index (NDVI) calculated from spectral reflectance data obtained with hand-held radiometers was compared to CO2 flux calculated from Bowen ratio/energy balance measurements. Carbon dioxide flux was measured during the plant growing season over a nongrazed prairie, grazed prairie, and a shrub dominated prairie site near Mandan, N.D. Measurements were also made of evapotranspiration (ET), green biomass, and green leaf area index (LAI). Correlation coefficients of NDVI with vegetation parameters of biomass and LAI for each site and year exceeded 0.84 in 1999, 0.74 in 2000, and 0.91 in 2001; with CO2 flux correlations exceeded 0.63 in 1999, 0.68 in 2000, and 0.69 in 2001; with ET correlations exceeded 0.91 in 1999, 0.92 in 2000, and 0.90 in 2001. Regression analysis over all years and sites produced a nonlinear relation between NDVI and both biomass $({\rm R}^{2}=0.83)$ and LAI $({\rm R}^{2}=0.77)$ and a linear relationship between NDVI and both CO2 flux $({\rm R}^{2}=0.51)$ and ET $({\rm R}^{2}=0.81)$. The relationships between NDVI and biomass, LAI, CO2 flux, and ET for the 3 grassland sites, which differed in management and vegetation, were generally quite similar suggesting that NDVI has potential for use in predicting canopy CO2 flux rates for semiarid grasslands in the Northern Great Plains. /// Los pastizales nativos son un depósito de fijación de CO2 atmosférico, pero faltan maneras de extender los mediciones del flujo de CO2 realizadas en un sitio especifico a una escala regional. Los objetivos de este estudio fueron determinar la utilidad de usar la reflección radiométrica de la copa para estimar los flujos de CO2 de pastizales semiáridos. La relación entre el Índice de la Diferencia Normalizada de Vegetación (NDVI) calculada a partir de los datos de reflección espectral obtenidos con radiometros manuales se comparó con los flujos de CO2 calculado a partir de mediciones de la relación Bowen/balance de energía. El flujo de dióxido de carbono se midió durante la estación de crecimiento de las plantas en una pradera no apacentada, en una apacentada y en una pradera dominada por arbustos, situadas cerca de Mandan, N.D. También se hicieron mediciones de evapotranspiración (ET), biomasa verde índice de área foliar verde (LAI). Los coeficientes de correlación del NDVI con los parámetros de vegetación y LAI para cada sitio excedieron 0.84 en 1999, 0.74 en 2,000 y 0.91 en 2001, con coeficientes de correlación del flujo de CO2 mayores a 0.63 en 1999, 0.68 en 2000, y 0.69 en 2001; y correlaciones con ET superiores a 0.91 en 1999, 0.92 en 2000 y 0.90 en 2001. El análisis de regresión a través de todos los años y sitios produjo una relación no lineal entre NDVI y biomasa $({\rm R}^{2}=0.83)$ y LAI $({\rm R}^{2}=0.77)$ y una relación lineal entre NDVI y el flujo de ${\rm CO}_{2}\ ({\rm R}^{2}=0.51)$ y la ET $({\rm R}^{2}=0.81)$. Las relaciones entre NDVI y la biomasa, el LAI, el flujo de CO2 y la ET en los 3 sitios de pastizal, los cuales difirieron en el manejo y vegetación, fueron generalmente muy similares, sugiriendo que el NDVI tiene el potencial para ser usado en predecir las tasas de flujo de CO2 de la copa de la vegetación de los pastizales semiáridos de las Grandes Planicies del Norte.

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