Οι επιπτώσεις της ξηρασίας στα αστικά δέντρα
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Monitoring drought impacts on street trees using remote sensing - Disentangling temporal and species-specific response patterns with Sentinel-2 imagery
Συγγραφείς: Leonie Leisenheimer, Thilo Wellmann, Clemens Jänicke, Dagmar Haase
Πηγή: Ecological Informatics, Volume 82, September 2024, 102659
Λέξεις κλειδιά: Πράσινες υποδομές (green infrastructure), υγεία αστικών δέντρων (urban tree health), χρονοσειρές παρατήρησης γης (earth observation time series), δείκτες βλάστησης (vegetation indices), φαινολογία επιφάνειας γης (land surface phenology), Πόλη της Λειψίας (Compact city of Leipzig).
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1574954124002012
Αντικείμενο έρευνας
Η παρούσα μελέτη εξετάζει πώς η χρήση εφαρμογών τηλεπισκόπησης θα μπορούσε να συμβάλει στην παρακολούθηση των επιπτώσεων της ξηρασίας, σε δέντρα που βρίσκονται εντός του αστικού ιστού, η οποία είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική διαχείρισή τους. Τα υγιή δέντρα του δρόμου λειτουργούν ως ασπίδα για το οικοσύστημα των πόλεων, καθώς παρέχουν σε αυτές σημαντικές οικοσυστημικές υπηρεσίες. Παράλληλα όμως, δέχονται αυξανόμενες πιέσεις από την αστικοποίηση και την κλιματική αλλαγή, συμπεριλαμβανομένης της ξηρασίας. Η πόλη της Λειψίας αντιμετώπισε παρατεταμένες περιόδους σοβαρής ξηρασίας από το 2018 έως το 2022. Η διατήρηση της υγείας των αστικών δέντρων, και συνεπώς της παροχής από αυτά υπηρεσιών οικοσυτήματος, υπό τέτοιες συνθήκες ξηρασίας αποτελεί σημαντική πρόκληση για πολλές αστικές περιοχές παγκοσμίως και αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής. Οι παραδοσιακές επιτόπιες παρατηρήσεις είναι περιορισμένες ως προς την ικανότητά τους να παρέχουν τακτική παρακολούθηση της αντίδρασης των αστικών δέντρων στην ξηρασία, σε όλη την έκταση μίας πόλης. Ως λύση σε αυτό, προτείνεται η χρήση δορυφορικών εικόνων Sentinel-2, για τον εντοπισμό των χρονικών και εξειδικευμένων, ως προς το είδος του δέντρου, προτύπων αντίδρασης των αστικών δέντρων, στην ξηρασία. Αξιολογείται η εφαρμογή της μεθόδου σε ένα δείγμα 2514 ώριμων αστικών δέντρων, από τα επτά πιο κοινά είδη δέντρων, στη Λειψία της Γερμανίας. Για κάθε δέντρο, δημιουργούνται χρονοσειρές οκτώ δεικτών βλάστησης από το 2017 έως το 2022. Οι δείκτες, αποτελούν τη βάση για μια ανάλυση συσχέτισης, με τον τυποποιημένο μετεωρολογικό δείκτη ξηρασίας βροχόπτωσης-εξατμισοδιαπνοής (SPEI) και για τα ετήσια ολοκληρώματα της αυξητικής περιόδου, τα οποία αφαιρούμε από εκείνα του έτους βάσης 2017.
Σκοπός εφαρμογής
O σκοπός της μελέτης είναι να προσφέρει επιστημονικά δεδομένα και εργαλεία για τη βελτίωση της διαχείρισης του αστικού πρασίνου, μέσω της χρήσης τεχνολογιών τηλεπισκόπησης, στοχεύοντας στη διαφύλαξη του πλέον ιδιαίτερα περιορισμένου αριθμού υγιών αστικών δέντρων που βρίσκονται στις Ευρωπαϊκές πόλεις και στη διασφάλιση της συντήρησης του πληθυσμού τους. Κύριος στόχος είναι να διερευνηθεί η δυνατότητα της τηλεπισκόπησης να παρέχει πληροφορίες, σχετικά με χρονικά και εξειδικευμένα στα είδη δέντρων, πρότυπα απόκρισης στην ξηρασία, αναπτύσσοντας και αξιολογώντας δύο μετρικές απόκρισης στην ξηρασία που προέρχονται από χρονοσειρές δεικτών βλάστησης, από δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 από το 2017 έως το 2022, για να αποτυπωθεί ο αντίκτυπος μιας πολυετούς ξηρασίας στα υφιστάμενα ώριμα αστικά δέντρα, στη Λειψία της Γερμανίας. Για την απόκριση και την ανοχή τους στην ξηρασία συγκρίθηκαν τα δέντρα Platanus x acerifolia (P. x acerifolia), Quercus robur (Q. robur), Tilia cordata (T. cordata), Fraxinus excelsior (F. excelsior), Aesculus hippocastanum (A. hippocastanum), Acer pseudoplatanus (A. pseudoplatanus) και Acer platanoides (A. platanoides).
Γενικές πληροφορίες
Μια συνήθης αντίδραση των δέντρων στην ξηρασία είναι το κλείσιμο των στομάτων για να μειωθεί η απώλεια νερού, με αποτέλεσμα χαμηλότερους ρυθμούς φωτοσύνθεσης και μειωμένες υπηρεσίες οικοσυστήματος, όπως η πρόσληψη άνθρακα. Μεσοπρόθεσμα, τα δέντρα αντιδρούν παραμορφώνοντας τα φύλλα τους και ρίχνοντας φύλλα ή ολόκληρα κλαδιά. Μακροπρόθεσμα, η θνησιμότητα αυξάνεται, η ανάπτυξη μειώνεται και σχηματίζονται κοντύτεροι βλαστοί (Brune, 2016). Η αντίδραση των δέντρων στην ξηρασία εξαρτάται από τη διάρκεια και τη σοβαρότητα της ξηρασίας και διαφέρει μεταξύ των ειδών. Λόγω διαφορετικών μορφολογικών και φυσιολογικών χαρακτηριστικών, ορισμένα είδη είναι πιο ανθεκτικά στην ξηρασία από άλλα (Πίνακας 1). Γενικά, η διαθεσιμότητα του νερού της άνοιξης επηρεάζει έντονα την υγεία των δέντρων (Hirsch et al., 2023- Moser et al., 2017). Ορισμένα δέντρα, όπως το P. x acerifolia και το A. platanoides, ανταποκρίνονται στις ελλείψεις νερού με χρονική υστέρηση, με αποτέλεσμα την περιορισμένη ανάπτυξη στα έτη που ακολουθούν την ξηρασία (Gillner et al., 2014; Hirsch et al., 2023).
Περιοχή μελέτης
Η Λειψία είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη πόλη στην κεντρική Γερμανία με μέση ετήσια βροχόπτωση 611 mm (Deutscher Wetterdienst [DWD], 2023). Η πόλη αντιμετώπισε πολλαπλά φαινόμενα ξηρασίας τα τελευταία χρόνια, με τα έτη 2018, 2019, 2020 και 2022 να είναι τα θερμότερα που έχουν καταγραφεί (Fuchs, 2022; Imbery et al., 2023). Αν και το 2021 ήταν ελαφρώς υγρότερο και ψυχρότερο, η μετεωρολογική ξηρασία των προηγούμενων ετών είχε ως αποτέλεσμα την πιο σοβαρή ξηρασία υπόγειων υδάτων των τελευταίων 100 ετών (Fuchs, 2022). Προβλέπεται ότι οι ξηρασίες θα εμφανίζονται συχνότερα στη Λειψία, καθώς εκτιμάται ότι η μείωση των θερινών βροχοπτώσεων θα είναι 34% σε συνδυασμό με την αύξηση της ετήσιας θερμοκρασίας κατά 3,7 έως 5,4 °C έως το 2071 (Rumpf, 2021a, Rumpf, 2021b). Η στρατηγική της Λειψίας για την προσαρμογή στην κλιματική αλλαγή ορίζει τα αστικά δέντρα ως σημαντικό μέτρο για τον μετριασμό της θερμότητας, ιδίως μέσω της σκίασης (Stadt Leipzig, 2021). Ταυτόχρονα, η πόλη αναγνωρίζει τις πολλές απειλές για τα δέντρα του δρόμου, οι οποίες πλήττουν ιδιαίτερα τα παλαιότερα δέντρα, καθώς η παρατεταμένη ξηρασία των τελευταίων ετών έχει αποξηράνει τα βαθύτερα στρώματα του εδάφους (Stadt Leipzig, 2019a). Η άρδευση χρησιμοποιείται κυρίως για νεαρά δέντρα, ηλικίας έως δέκα ετών. Επιπλέον, οι πολίτες παρακινούνται να συμβάλλουν υιοθετώντας και ποτίζοντας νεαρά δέντρα (Stadt Leipzig, 2023). Η πόλη της Λειψίας στοχεύει στην ανάπτυξη επιπλέον 45.000 αστικών δέντρων, με στόχο τη φύτευση 1000 δέντρων ετησίως (Stadt Leipzig, 2019b).
Μέθοδοι
1. Τηλεπισκόπηση: Ως κύρια μέθοδος εφαρμογής της έρευνας χρησιμοποιείται η τηλεπισκόπηση, γίνεται χρήση ελεύθερα διαθέσιμων δορυφορικών εικόνων από την σειρά εικόνων του δορυφόρου Sentinel-2, ανάλυση αυτών και σύγκρισή τους για την παραγωγή δεικτών. 2. Δείκτες βλάστησης και ξηρασίας: Χρησιμοποιούνται δείκτες όπως ο ενισχυμένος δείκτης βλάστησης (EVI), ο κανονικοποιημένος λόγος καύσης (NBR) και ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI), ο καθένας χρησιμοποιώντας τη ζώνη εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας ανάλυσης 10 m και 20 m (EVI-10, EVI-20, NBR-10, NBR-20, NDVI-10, NDVI-20), καθώς και ο κανονικοποιημένος δείκτη διαφοράς βλάστησης κόκκινης ακμής (RENDVI) και ο δείκτης βλάστησης κόκκινου-πράσινου (RGVI). 3. Ανάλυση συσχέτισης: Εξετάζεται η σχέση μεταξύ των μετεωρολογικών συνθηκών ξηρασίας και των δεικτών βλάστησης χρησιμοποιώντας το συντελεστή συσχέτισης Pearson για τη σύγκριση οκτώ δεικτών βλάστησης και να προσδιοριστούν οι σωρευτικές επιπτώσεις της ξηρασίας σε διάφορα είδη δέντρων. Με βάση τη σύγκριση των δεικτών βλάστησης, επιλέγεται ο δείκτης με την υψηλότερη συσχέτιση. Παράγονται αποτελέσματα συσχέτισης μεταξύ των οκτώ δεικτών βλάστησης και του SPEI, με τον NBR-20 να έχει τους υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης. 4. Στατιστικός έλεγχος υποθέσεων: Χρησιμοποιούνται boxplots και στατιστικός έλεγχος υποθέσεων για να εξεταστούν οι διαφορές μεταξύ των ειδών δέντρων και κατά τη διάρκεια των ετών.
Αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα δείχνουν θετικές σχέσεις μεταξύ των οκτώ δεικτών βλάστησης και του SPEI, με τον NBR-20 να έχει τους υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης, άρα σχετίζεται περισσότερο με τον μετεωρολογικό δείκτη ξηρασίας. Και οι δύο δείκτες απόκρισης στην ξηρασία συνάδουν με τα χαρακτηριστικά των διαφόρων ειδών δέντρων που σχετίζονται με την ξηρασία. Διαπιστώνονται επίσης σημαντικές διαφορές στην αντίδραση αρκετών ειδών δέντρων στην ξηρασία, με την Quercus robur να ανταποκρίνεται περισσότερο στην ξηρασία και την Platanus x acerifolia να ανταποκρίνεται λιγότερο. Τα άλλα είδη δέντρων παρουσιάζουν θετικούς συντελεστές συσχέτισης για περιόδους ξηρασίας τριών έως εννέα μηνών, υποδεικνύοντας μια απόκριση στην ξηρασία εντός του ίδιου έτους ξηρών συνθηκών. Η παρατήρηση αυτή αντικατοπτρίζεται επίσης στα ολοκληρώματα της αυξητικής περιόδου, τα οποία είναι σημαντικά χαμηλότερα για τα περισσότερα είδη στα έτη ξηρασίας 2018 και 2020 από ό,τι στο μη ξηρό έτος 2017. Παρόλα αυτά οι επιπτώσεις δεν είναι τόσο έντονες στα ξηρά έτη 2019 και 2022. Οι συντελεστές συσχέτισης υπερέχουν στην αποτύπωση των διαφορετικών χρονικών χαρακτηριστικών των ξηρασιών, περιγράφοντας τις σωρευτικές επιπτώσεις τους στα δέντρα του δρόμου, ενώ τα ολοκληρώματα απόκλισης προσφέρουν ένα πλεονέκτημα στη διάκριση των δυνάμεων απόκρισης στην ξηρασία μεταξύ των ετών, επιτρέποντας έτσι την ανάλυση της επιμονής των ζημιών που προκαλούνται από την ξηρασία.
Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα της έρευνας παρουσιάζουν σημαντικές πληροφορίες για την απόκριση των διαφορετικών ειδών δέντρων στις περιόδους ξηρασίας. Αβεβαιότητες προκύπτουν από τις μεταβολές του φασματικού σήματος που προκαλούνται από τις παρακείμενες χρήσεις γης. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μέθοδος αποτελεί εν δυνάμει ολιστική λύση για τη διαχείριση του αστικού πρασίνου και για περαιτέρω έρευνα σχετικά με τα αίτια και τις συνέπειες των ζημιών που προκαλούνται από την ξηρασία στα αστικά δέντρα.
