Botanica Pacifica

Biodiversity studies

Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation 2024. Preprint
Article first published online: 21 JAN 2024 | DOI: 10.17581/bp.2024.13109

Boreal to temperate forests transition within Kunashir Island (the Kuril Archipelago): Insights from the novel vegetation map

Kirill A. Korznikov 1,2 ORCID, Jan Altman 2,3 ORCID, Nadezhda G. Belyaeva 4 ORCID, Violetta D. Dzizyurova 1,5 ORCID, Dmitriy E. Kislov 1 ORCID, Elena V. Linnik 6 ORCID, Tatyana Ya. Petrenko 1 ORCID & Pavel V. Krestov 1 ORCID

1 Botanical garden-institute FEB RAS, Vladivostok, Russia
2 Institute of Botany CAS, Třeboň, Czech Republic
3 Faculty of Forestry and Wood Sciences, Czech University of Life Sciences Prague, Czech Republic
4 Institute of Geography RAS, Moscow, Russia
5 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
6 Kurilsky Nature Reserve, Yuzhno-Kurilsk, Russia


The vegetation of the Kuril Islands remains insufficiently explored due to their remote location and harsh environment. Understanding the factors that influence vegetation distribution in this extensive volcanic chain of islands, spanning over a thousand kilometers, is important for global biogeography. Our paper presents the first vegetation map of Kunashir Island from the Kuril archipelago, compiled using Sentinel-2 medium-resolution multispectral satellite imagery, incorporating original field research data and the Random Forest machine-learning algorithm. The temperate broad-leaved forests are mainly composed of Acer mono subsp. mayrii and Quercus mongolica, predominantly limited to the southwestern coast, and true-boreal dark-coniferous Abies sachalinensis–Picea jezoensis forests located in the northeast part of Kunashir. The vegetation distribution pattern is associated with the warming effect of the Soja current on the east coast of Kunashir Island and the cooling effect of the Kuril current on the west coast. Kunashir's vegetation displays features of an ecotone between temperate and boreal zones. Still, the boundary between these zones should be drawn within the island, rather than between Kunashir and Hokkaido or Kunashir and Iturup, as suggested in some previous biogeographic generalizations.

Линник Е.В., Петренко Т.Я., Крестов П.В. Переход от бореальных к умеренным лесам на острове Кунашир (Курильский архипелаг): Данные новой карты растительности. Растительность островов Курильского архипелага остается малоизученным ввиду удаленности региона, сложных природно-климатических условий и неразвитой инфраструктуры. Понимание факторов, определяющих закономерности распределения растительного покрова в пределах этой более чем тысячекилометровой вулканической островной дуги, крайне интересны с точки зрения глобальной биогеографии. В настоящей статье приведена информация о новом картографическом продукте, отражающем актуальный растительный покров Кунашира, самого южного из островов архипелага. Классификация пикселей мультиспектральных спутниковых снимков Sentinel-2 выполнена при помощи алгоритма Random Forest на основе оригинальных данных полевых исследований. Выделено 12 единиц растительности с минимальной площадью полигона 0.1 га. Выявлена пространственная неравномерность распределения на острове широколиственных (Acer mono subsp. mayrii–Quercus mongolica) лесов умеренной зоны, приуроченных к юго-западному побережью острова и бореальных елово-пихтовых (Abies sachalinensis–Picea jezoensis) лесов, характерных для северо-восточной части острова. Такое распределение лесной растительности связано с отепляющим эффектом течения Соя на восточном охотоморском побережье острова и охлаждающим эффектом Курильского течения на западном океаническом побережье. Границу между растительными зонами следует проводить внутри Кунашира, а не между островами Кунашир и Хоккайдо, или между Кунаширом и следующим к северу островом Итуруп, как это предложено в ряде существующих биогеографических обобщений.

Keywords: multispectral satellite data, Sentinel-2, Random Forest, vegetation mapping, vegetation zonation, Kuril Islands, мультиспектральные спутниковые данные, случайный лес, картографирование растительности, зонирование растительности, Курильские острова

PDF    


References

Altman, J., P. Fibich, J. Leps, S. Uemura, T. Hara & J. Dolezal 2016. Linking spatiotemporal disturbance history with tree regeneration and diversity in an old-growth forest in northern Japan. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 21:1-13. CrossRef

Barkalov, V.Y. 2002. Outline of vegetation. In: Flora and fauna of the Kuril Islands (Materials of the International Kuril Island Project) (S.Y. Storozhenko, V.V. Bogatov and A.S. Lelej, eds), pp. 35-66, Dalnauka, Vladivostok (in Russian). [Баркалов В.Ю. 2002. Очерк растительности // Растительный и животный мир Курильских островов (Материалы международного Курильского проекта) / под ред. С.Ю. Стороженко, В.В. Богатова, А.С. Лелея. Владивосток: Дальнаука. С. 35-66].

Barkalov, V.Y. 2009. Flora of the Kuril Islands. Dalnauka, Vladivostok, 468 pp. (in Russian). [Баркалов В.Ю. 2009. Флора Курильских островов. Владивосток: Дальнаука. 468 с.].

Belov, A.V., S.A. Grіbova, I.S. Iljіna, T.I. Isасhenко, N.M. Kalibernova, Z.V. Karamysheva, G.D. Katenina, T.V. Коtоva, G.M. Ladуgіnа, V.V. Lіpatоva, N.P. Lіtvinova, N.I. Nikolskaya, E.I. Rachkovskaya, I.N. Safronova & T.K. Yurkovskaya 1986. The new survey vegetation map of the USSR. Geobotanicheskoe kartografirovanie 1986:3-13 (in Russia) [Белов А.В., Грибова С.А., Ильина И.С., Исаченко Т.И., Калибернова H.М., Катенина Г.Д., Карамышева 3.В., Котова Т.В., Ладыгина Г.М., Липатова В.В., Литвинова Н.П., Никольская Н.И., Рачковская Е.И., Сафронова И.Н., Юрковская Т.К. 1986. Новая обзорная карта растительности СССР // Геоботаническое картографирование. С. 3-13]. CrossRef

Flood N., F. Watson & L. Collet 2019. Using a U-net convolutional neural network to map woody vegetation extent from high resolution satellite imagery across Queensland, Australia. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 82:101897. CrossRef

GitHub - sentinel-hub/custom-scripts: A repository of custom scripts to be used with Sentinel Hub. Available from: https://github.com/sentinel-hub/custom-scripts Last accessed 20.10.2023.

Grishin, S.Yu. 2009. Vegetation map (scale 1:500 000). In: Atlas of the Kuril Islands, pp. 286-292 (in Russian). [Гришин С.Ю. 2009. Растительность. Карта масштаба 1:500 000 // Атлас Курильских островов. С. 286-292].

Hämet-Ahti, L., T. Ahti & T. Koponen 1974. A scheme of vegetation zones for Japan and adjacent regions. Annales Botanici Fennici 11:59-88.

Kattenborn, T., J., Eichel & F.E. Fassnacht 2019. Convolutional Neural Networks enable efficient, accurate and finegrained segmentation of plant species and communities from high-resolution UAV imagery. Scientific Reports 9:17656. CrossRef

Kislov, D.E., K.A. Korznikov, J. Altman, A.S. Vozmischcheva & P.V. Krestov 2021. Extending deep learning approaches for forest disturbance segmentation on very high-resolution satellite images. Remote Sensing in Ecology and Conservation 7(3):355-368. CrossRef

Kislov, D.E. & K.A. Korznikov 2020. Automatic windthrow detection using very high-resolution satellite imagery and deep learning. Remote Sensing 12(7):1145. CrossRef

Kolesnikov, B.P. 1963. Geobotanical subdivision of the Far East and the patterns of plant resources allocation. Voprosy geografii Dal'nego Vostoka (6):158-182 (in Russian). [Колесников Б.П. 1963. Геоботаническое районирование Дальнего Востока и закономерности размещения его растительных ресурсов // Вопросы географии Дальнего Востока. Вып. 6. С. 158−182].

Korznikov, K.A., V.P. Verkholat & Krestov P.V. 2021. Forests of Japanese alder in the Russian Far East: the new association of the class Alnetea japonicae Miyawaki et al. 1977. Botanica Pacifica 10(1):53−60. CrossRef

Krestov, P.V., Y. Nakamura & V.P. Verkholat 2003. Syntaxonomic diversity of forests of Picea glehnii - rare ecosystems of the island sector of East Asia. Botanicheskii Zhurnal 88(7):12-26 (in Russian). [Крестов П.В., Накамура Ю., Верхолат В.П. 2003. Синтаксономическое разнообразие лесов из Picea glehnii - редких экосистем островного сектора Восточной Азии // Ботанический журнал. Т. 88, №. 7. С. 12-26].

Miyawaki, A 1979. Vegetation und Vegetationskarten auf den Japanischen Inseln. Bulletin of Yokohama Phytosociological Society (Festschrift f. Prof. R. Tuxen) 16:49-70.

Miyawaki, A.A. 1984. Vegetation-ecological view of the Japanese Archipelago. Bulletin of the Institute of Environmental Science and Technology, Yokohama National University 11:85-101.

Popov, N.A. 1963. Japanese oak and its forests on the southern Kuril Islands. Voprosy geografii Dal'nego Vostoka 5:78-94 (in Russian). [Попов Н.А. 1963. Дуб курчавый и его леса на южных Курильских островах // Вопросы географии Дальнего Востока. Вып. 5. С. 78-94].

Qiu, B. 2001. Kuroshio and Oyashio currents. In: Encyclopedia of Ocean Sciences (J.H. Steele, S.A. Thorpe, K.K. Turekian, eds), pp. 1413-1425, Academic Press, London. CrossRef

Rozenberg, V.A., Y.I. Man'ko & N.G. Vasil'ev 1970. Results of forest vegetation studies of the Kuril Islands. Biologicheskie resursy ostrova Sakhalin i Kuril'skikh ostrovov, pp. 53-58 (in Russian) [Розенберг В.А., Манько Ю.И., Васильев Н.Г. 1970. Итоги изучения лесной растительности Курильских островов // Биологические ресурсы острова Сахалин и Курильских островов. С. 53-58].

Scikit-learn: machine learning in Python - scikit-learn 1.2.2 documentation. Available from: https://scikit-learn.org/stable/. Last accessed 20.10.2023.

Shafranovskii, V.A. 1987. Picea glehnii (Fr. Schmidt) Mast. on Kunashir Island (Kuril Islands). In: The spruce in the Russian Far East (Yu.I. Manko, ed.), pp. 15-58, DVO RAN, Vladivostok (in Russian). [Шафрановский В.А. Ель Глена Picea glehnii (Fr. Schmidt) Mast. на острове Кунашир (Курильские острова) // Ель на Дальнем Востоке / под ред. Ю.И. Манько. Владивосток: ДВО АН СССР, 1987. С. 15-58].

Takizawa, T. 1982. Characteristics of the Soya Warm Current in the Okhotsk Sea. Journal of the Oceanographical Society of Japan 38:281-292. CrossRef

Tatewaki, M. 1958. Forest ecology of the islands of the North Pacific Ocean. Journal of the Faculty of Agriculture, Hokkaido University 50(4):371-486.

Vasilyev, V.N. 1946. A brief review of the vegetation of the Kuril Islands. Priroda 46:40-54 (in Russian). [Васильев В.Н. 1946. Краткий очерк растительности Курильских островов // Природа. № 6. С. 40-54].

Vasilyev, N.G. 1979. Ash and elm forests of the Soviet Far East. Nauka, Moscow, 320 pp. (in Russian). [Васильев Н.Г. 1979. Ясеневые и ильмовые леса советского Дальнего Востока. М.: Наука. 320 с.].

Vorobyev, D.P. 1963. Vegetation of the Kuril Islands. AN SSSR, Moscow, Leningrad, 92 pp. (in Russian). [Воробьев Д.П. 1963. Растительность Курильских островов. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 92 с.].





© The Author(s). 2024 Open Access (CC) BY-NC license: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/