Χωρικά και χρονικά πρότυπα της αποκατάστασης βλάστησης μετά από ακολουθία δασικών πυρκαγιών σε ένα μεσογειακό τοπίο, όρος Carmel- Ισραήλ

Από RemoteSensing Wiki

Spatial and temporal patterns of vegetation recovery following sequences of forest fires in a Mediterranean landscape, Mt. Carmel Israel

Συγγραφείς:Lea Wittenberg , Dan Malkinson , Ofer Beeri , Alon Halutzy , Naama Tesler

Εισαγωγή

Οι πυρκαγιές στα μεσογειακά οικοσυστήματα έχουν μια σύνθετη επίδραση στις γεωμορφολογικές διαδικασίες και την αναγέννηση βλάστησης λόγω της πολυπλοκότητας των δομών των τοπίων καθώς επίσης και των διαφορετικών αποκρίσεων τέτοιων συστημάτων στους διάφορους τύπους καθεστώτων πυρκαγιάς. Στο επίπεδο τοπίων, η αναγέννηση της βλάστησης μετά την πυρκαγιά εξαρτάται κυρίως από την αρχική βλάστηση και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες - κλιματολογικούς και τις παραμέτρους εκτάσεων της περιοχής. Η κάλυψη βλάστησης παίζει έναν από τους βασικούς παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στις διαδικασίες εδαφολογικής διάβρωσης και υποβάθμισης εδάφους. Θεωρώντας μια γρήγορη και ιδιαίτερη ενδυνάμωση των διαβρωτικών διαδικασιών μετά από πυρκαγιές η αποκατάσταση βλάστησης οδηγεί κανονικά σε μια πτώση στα ποσοστά απορροών μετά την πυρκαγιά και διάβρωσης χώματος.

Στόχος

Ο στόχος της μελέτης που παρουσιάζεται ήταν να αξιολογηθούν τα ποσοστά αποκατάστασης βλάστησης κάτω από τα διαφορετικά περιστατικά πυρκαγιάς και σε διαφορετικά είδη κλίσεων.

Μέθοδοι προσδιορισμού της δυναμικής της βλάστησης

Δύο κύριες μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως για να υπολογιστεί η δυναμική της βλάστησης μετά από πυρκαγιά – πειραματικές, διαγράμματα βλάστησης/απορροών και ανάλυση βάσει τηλεπισκόπησης. Η χρησιμοποίηση των διαγραμμάτων επιτρέπει σχετικά ακριβείς και λεπτομερείς μετρήσεις της κάλυψης βλάστησης και τις ιδιότητες των συστάδων των φυτών, καθώς επίσης και τα ποσοστά απορροών και διάβρωσης, μέσα όμως σε περιορισμένες περιοχές και χρονικά διαστήματα. Η εφαρμογή των δεικτών τηλεπισκόπησης είναι πιο κατάλληλη μέθοδος στην κλίμακα τοπίων, έχοντας όμως πολλούς περιορισμούς. Διάφοροι δείκτες βλάστησης έχουν αναπτυχθεί και έχουν χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της δομής και της λειτουργίας της βλάστησης. Μεταξύ αυτών, είναι ο NDVI, που χρησιμοποιεί τις φασματικές πληροφορίες στην ερυθρή και την εγγύς υπέρυθρη ζώνη, και χρησιμοποιείται συνήθως για να υπολογίσει τα καθαρά αρχικά αποτελέσματα παραγωγής και πυρκαγιάς στη βλάστηση. Εντούτοις, ο NDVI έχει διάφορους περιορισμούς, συμπεριλαμβανομένης της ευαισθησίας στις ατμοσφαιρικές συνθήκες και της ευαισθησίας στο εδαφολογικό υπόβαθρο. Ο δείκτης EVI ρυθμίζει άμεσα την ανάκλαση στην περιοχή του ερυθρού ως συνάρτηση της ανάκλασης στη ζώνη του μπλε.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή που μελετάται βρίσκεται στο βορειοδυτικό μέρος της κορυφογραμμής του βουνού Carmel. Το όρος Carmel είναι μια απομονωμένη κορυφογραμμή, που ξεκινάει από την βόρεια Μεσογειακή ακτή του Ισραήλ (Εικόνα 1). Το μεσογειακό κλίμα στο όρος Carmel χαρακτηρίζεται από τα ξηρά και καυτά καλοκαίρια και τους βροχερούς χειμώνες. Οι μέσες ετήσιες βροχοπτώσεις στο όρος Carmel κυμαίνονται από 550mm ως 750mm. Για να αξιολογηθούν τα ποσοστά αναγέννησης της βλάστησης εντοπίστηκαν περιοχές που είτε καήκαν μια φορά, τρεις φορές, είτε δεν είχαν καεί καθόλου κατά τη διάρκεια της περιόδου 1985-2002 Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου οι τρεις πυρκαγιές έκαψαν μερικώς την περιοχή, τον Σεπτέμβριο του 1989, τον Οκτώβριο του 1998 και τον Δεκέμβριο του 1999. Τα φατνία με τιμές 135°–225° ταξινομήθηκαν στην κατηγορία (SFS-προσανατολισμός προς Νότο), και τα φατνία με τις τιμές που κυμαίνονται από 3150-450 ταξινομήθηκαν ως (NFS-προσανατολισμός προς Βορρά). Τα φατνία που δεν εμπίπτουν σε αυτές τις περιοχές τιμών αποκλείστηκαν από την ανάλυση. Δύο πρόσθετες περιοχές ελέγχου επιλέχτηκαν για λόγους βαθμονόμησης, μια περιοχή με αειθαλή βλάστηση τοποθετημένη σε ένα κατώτατο σημείο ρευμάτων που χρησιμοποιείται για τις ανώτατες τιμές της ανάπτυξης της βλάστησης, και ένα λατομείο για τις ελάχιστες τιμές.

Είδη δορυφόρων, δεκτών καναλιών

Για την ανάλυση της κάλυψης της βλάστησης χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες Landsat που ελήφθησαν τις ημερομηνίες τις 8 Αυγούστου 1985, στις 26 Μαΐου του 1990, 21 Σεπτεμβρίου 1995, 22 Ιουνίου 2000 και 18 Οκτωβρίου 2002. Οι εικόνες του 1985 και του 1995 είναι από Landsat 5. η εικόνα του 1990 είναι από Landsat 4, και οι εικόνες του 2000 και 2002 είναι από Landsat 7.

Προεπεξεργασία εικόνων

Η προεπεξεργασία των δορυφορικών εικόνων συνεπάγεται τρία βήματα: γεωαναφορά, υπολογισμό του επίγειου συντελεστή ανάκλασης και «απόκρυψη» (masking) των σύννεφων και της σκιάς των σύννεφων. Οι εικόνες Landsat καλύπτουν μια περιοχή 22*24Κm. H διαδικασία της γεωαναφοράς ολοκληρώθηκε με τη χρήση ενός μοντέλου ψηφιακής ανύψωσης της περιοχής με ARC/GIS έκδοσης 9.1. Στο δεύτερο στάδιο, εφαρμόσθηκε το πακέτο ERDAS imagine ATCOR 2.1 για να διορθωθούν οι ατμοσφαιρικές παρεμβάσεις. Επειδή αυτό δεν παρήγαγε ικανοποιητικά αποτελέσματα, εφαρμόστηκε περαιτέρω διόρθωση. Εφαρμόστηκε μια εμπειρική τεχνική, χρησιμοποιώντας τους σκοτεινότερους και φωτεινότερους στόχους σε κάθε εικόνα, τη θάλασσα και το λατομείο αντίστοιχα, ως χαμηλότερα και ανώτατα φάσματα για να ενισχυθούν περαιτέρω οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις. Δεδομένου ότι η εικόνα του 2002 περιλαμβάνει μικρά σύννεφα και σκιές χρησιμοποιήθηκαν δύο μέθοδοι για να τα «αποκρύψουν»: (1) για να προσδιοριστεί η κάλυψη σύννεφων, εφαρμόστηκαν κριτήρια που χρησιμοποίησαν το μπλε και το θερμικο φάσμα του Landsat, με λιγότερο από 20 0C και κανάλι 1 συντελεστή ανάκλασης μεγαλύτερο από 0,19. (2) Για να απεικονίσουν τις σκιές σύννεφων, αθροίστηκαν οι υπέρυθρες περιοχές, τα κανάλια 4, 5 και 7, και όλα τα φατνία με τιμές μικρότερες από 0,24 αποκρύφτηκαν. Για κάθε περιοχή, και για κάθε εικόνα, υπολογίστηκαν οι τιμές του EVI καθώς αυτός είναι λιγότερο ευαίσθητος στις ατμοσφαιρικές παρεμβάσεις. Μετά εκτελέστηκε MANOVA για να αξιολογήσει τις σημαντικές διαφορές μεταξύ των διαφορετικών διαγραμμάτων χρησιμοποιώντας την διόρθωση Bonferroni. Ανάλογα με το έτος, εκτελέστηκε 1Χ2, 2Χ2 ή 2Χ3 MANOVA, όπου οι δύο προσανατολισμοί ( Βορράς, νότος) ελήφθησαν υπόψη. Ο δεύτερος παράγοντας που αναλύθηκε είναι ο αριθμός των φορών που μια περιοχή κάηκε.

Αποτελέσματα

Λόγω των περιορισμών της σύγκρισης των εικόνων μεταξύ των ετών, η ανάλυση έγινε μεταξύ τιμών του EVI που συγκρίθηκαν κατά τη διάρκεια του ίδιου έτους. Η κάλυψη και η αναγέννηση της βλάστησης όπως φανερώνεται από τις τιμές EVI δείχνει ότι οι EVI πριν από την πυρκαγιά για όλες τις περιοχές κυμαίνονται μεταξύ 0,65 στο NFS και του 0,82 στο SFS. Το MANOVA αποκάλυψε ότι ο μέσος όρος των τιμών EVI ήταν σημαντικά διαφορετικός γενικά, αλλά καμία προφανής τάση δεν υπήρξε, καθώς μερικοί SFS απέδωσαν υψηλότερες τιμές EVI έναντι των NSF και αντίστροφα. Οκτώ μήνες μετά από την πυρκαγιά του 1989, οι τιμές EVI των (NFS) (0.58-0.62) ήταν σημαντικά υψηλότερες έναντι των SFSκαμένων περιοχών (0.43-0.51). Οι καμένες περιοχές και των δύο προσανατολισμών είχαν τις χαμηλότερες τιμές έναντι των μη-καμένων περιοχών. Δεν υπήρξε καμία σημαντική αλληλεπίδραση, μεταξύ του προσανατολισμού και των συνθηκών καύσης. Πέντε έτη αργότερα, και 6 έτη μετά από την πρώτη πυρκαγιά οι τιμές του EVI κυμάνθηκαν (0.64-0.71), και δε βρέθηκε καμία σημαντική διαφορά μεταξύ των περιοχών.

Η εικόνα του 2000 περιλαμβάνει εκτός από τις περιοχές πυρκαγιάς του 1989 τις περιοχές που καήκαν το 1998 και το 1999, ως εκ τούτου τρεις φορές εντός μιας περιόδου 10 ετών. Στις τιμές EVI του Ιουνίου 2000 στις 3 φορές καμένες περιοχές ήταν σημαντικά χαμηλότερες έναντι των μη-καμένων περιοχών . Οι καμένες SFS πλαγιές είχαν τις χαμηλότερες EVI τιμές (0.24) έναντι των 3 φορές καμένο NFS (0.44). Οι τιμές EVI στις 3 φορές καμένες περιοχές ήταν σημαντικά χαμηλότερες μέσα στις πτυχώσεις και μεταξύ αυτών. Οι SFS που κάηκαν τρεις φορές είχαν τις χαμηλότερες τιμές EVI -- 0,27, ενώ η μια φορά καμένη περιοχή στα SFS ήταν 0,65, Μέσα στο NFS, EVI για τις 1 και 3 φορές καμένες ήταν 0,70 και 0,41 αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι η αποκατάσταση της βλάστησης στις NFS που καίγονται συχνά ήταν πολύ πιο αργή. Το 2002 καμία σημαντική διαφορά δεν ήταν προφανής μεταξύ των προσανατολισμών. Οι διαφορές στις τιμές EVI δεν ήταν προφανείς πλέον, φανερώνοντας ότι τουλάχιστον η συνολική κάλυψη βλάστησης επέστρεψε στις τιμές πριν την πυρκαγιά.

Προσανατολισμοί

Και στους δύο προσανατολισμούς, επαναλαμβανόμενες πυρκαγιές μέσα σε 10 χρόνια μείωσαν τα ποσοστά αναγέννησης βλάστησης μετά από πυρκαγιές. Εντούτοις, αυτή η τάση είναι εντονότερη στα SFS, κατά τη σύγκριση τιμών του EVI μεταξύ των SFS και NFS .Χρησιμοποιώντας την αναλογία βορράς - νότος (SNR), συγκρίθηκαν τα ποσοστά αποκατάστασης σε συνάρτηση με το διαφορετικό αριθμό πυρκαγιών: Ένα επανειλημμένα καμένο SFS -- σε σχέση με NSF είχε μια χαμηλότερη αναλογία (0,54), έναντι των περιοχών που είχαν καεί μια φορά (0,69).

Τα χωρικά πρότυπα

Στα μεσογειακά συστήματα του βόρειου ημισφαιρίου, τα SFS χαρακτηρίζονται συνήθως από ξηρότερες συνθήκες λόγω της έκθεσης στην υψηλότερη ετήσια ακτινοβολία. Υπό αυτές τις συνθήκες η βλάστηση ανακτάται πιο αργά μετά από τη διαταραχή έναντι των NFS, και ως εκ τούτου η αναγέννηση είναι πιο αργή. Εξ αιτίας των περιβαλλοντικών διαφορών μεταξύ των προσανατολισμών τα ποσοστά αναγέννησης μετά την πυρκαγιά κυμάνθηκαν στα SFS και NFS, με πιο αργή αποκατάσταση σε SFS. Ο λόγος νότος/Βορράς προσδιορίστηκε για να αξιολογήσει τα ποσοστά επαναβλάστησης μεταξύ των πτυχών, και να εξετάσει αυτήν την υπόθεση. Τα αποτελέσματα - 0,69 το 1990 και 0,54 το 2000 δείχνουν ότι όχι μόνο η κάλυψη βλάστησης είναι χαμηλότερη, ένα χρόνο μετά από την πυρκαγιά στο SFS, αλλά ότι το επαναλαμβανόμενο κάψιμο μειώνει περαιτέρω τις τιμές EVI στις νότιες πλαγιές έναντι των NFS. Εντούτοις, σε 2002.13 έτη μετά από την πρώτη πυρκαγιά και 3 έτη μετά από το τελευταίο) η κάλυψη βλάστησης και στα δύο NFS ήταν παρόμοια με αυτήν του ελέγχου EVI και υψηλότερος έναντι των SFS.

Τα χρονικά πρότυπα

Οι επαναλαμβανόμενες πυρκαγιές μείωσαν περαιτέρω τα ποσοστά αποκατάστασης. Ο λόγος καμένο/μη καμένο δείχνει ότι οι χαμηλότερες τιμές λήφθηκαν στο τρεις φορές καμένο SFS (0,3). Επίσης, στο NFS η αναλογία μειώθηκε με τον αυξανόμενο αριθμό πυρκαγιών, αλλά σε μικρότερο βαθμό- 0,77 μετά από μια πυρκαγιά και 0,61 ακολουθώντας τρία γεγονότα. Τα χρονικά σχέδια της επαναβλάστησης συσχετίζονται έντονα με τα μέσα ετήσια ποσά βροχοπτώσεων

Η γρήγορη αναγέννηση της κάλυψης βλάστησης είναι ένας βασικός παράγοντας στη αποκατάσταση του τοπίου και ενός δείκτη για την ανθεκτικότητα του eco-geomorphic συστήματος. Η συνδεμένη επίδραση της καταστροφής και των αλλαγών βλάστησης στις εδαφολογικές ιδιότητες (Cerda και Doerr, 2005) αναπόφευκτα οδηγεί σε μια γρήγορη αύξηση στις διαδικασίες εδαφολογικής απώλειας και απορροών. Αυτή η αύξηση, εντούτοις, οξύνεται κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους μετά από μια πυρκαγιά. Η μείωση στα ποσοστά εδαφολογικής διάβρωσης μέσα σε 3-4 έτη αποδίδεται κατά ένα μεγάλο μέρος στη αναγέννηση της βλάστησης.

Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματά δείχνουν ότι τα μεσογειακά συστήματα είναι αρκετά ελαστικά, παρουσιάζοντας γρήγορη αντίδραση, τουλάχιστον από την άποψη της επιστροφής στις προηγούμενες καταστάσεις των ποσοστών εδαφολογικής διάβρωσης και της κάλυψης βλάστησης όχι μόνο στην περίπτωση μιας πυρκαγιάς, αλλά και στα επαναλαμβανόμενα περιστατικά πυρκαγιάς.