Έλεγχος της απόκρισης παραγωγής βλάστησης σε βοσκότοπους σε συνθήκες ακραίας ξηρασίας και βροχόπτωσης, με την χρήση τηλεπισκοπικών μέσων
Από RemoteSensing Wiki
Έλεγχος της απόκρισης παραγωγής βλάστησης σε βοσκότοπους κάτω από την επίδραση υδροκλιματικών παραγόντων και χρήσεων γης σε συνθήκες ακραίας ξηρασίας και βροχόπτωσης, με την χρήση τηλεπισκοπικών μέσων
Πρωτότυπος τίτλος: Remotely sensed agricultural grassland productivity responses to land use and hydro-climatic drivers under extreme drought and rainfall
Συγγραφείς: Kath, J., Le Brocque, A., Reardon-Smith, K., Apan, A.
Περίληψη
Η κλιματική αλλαγή αναμένεται να επηρεάσει την ένταση και την συχνότητα των φαινομένων ξηρασίας παγκοσμίως, με πιθανές συνέπειες και στην διάρθρωση των βοσκοτόπων. Εξετάσαμε την επίδραση που δέχτηκαν οι βοσκότοποι σε συνθήκες μακροχρόνιας ξηρασίας στην περιοχή Darling Downs, στην νότια Αυστραλία, με την χρήση του δείκτη EVI. Τα κατακρηνίσματα της μελετούμενης περιόδου μπορούν να συγκριθούν με τα σενάρια υψηλότερης θερμοκρασίας και ξηρασίας που έχουν προβλεφτεί για την κλιματική αλλαγή εν όψει του 2030. Η περίοδος που την ακολούθησε συνοδεύτηκε από ακραία βροχόπτωση. Στόχος μας ήταν να διευκρινιστεί κατά πόσο οι παράγοντες που συνδέονται με την επιβράδυνση ανάπτυξης της βλάστησης είναι ίδιοι με τις κινητήριες δυνάμεις αναγέννησης της βλάστησης μετά την ξηρασία. Οι τάσεις του δείκτη EVI μετρήθηκαν για 2549 αγροτικές τοποθεσίες. Χρησιμοποιήσαμε την μέθοδο “Boosted Regression Trees” του λογισμικού R, προκειμένου να κατασκευάσουμε ένα μοντέλο βασισμένο σε διάρθρωση χρήσης γης και υδροκλιματικούς παράγοντες. Οι υδροκλιματικοί παράγοντες αποδείχτηκαν κρίσιμης σημασίας, τόσο κατά την ξηρή όσο και κατά την υγρή φάση, με την υγρασία στην υψηλότερη επιφάνεια του εδάφους να συσχετίζεται με μικρότερη επιβράδυνση στην ξηρή και ενισχυμένη αναγέννηση στην υγρή φάση. Σε υψηλότερες αναλογίες αρδευόμενης γεωργίας, χαμηλότερες αναλογίες ξυλώδους βλάστησης και υψηλότερες αναλογίες C3:C4 φυτών παρατηρούνται τάσεις χαμηλού δείκτη EVI. Τα αποτελέσματα μας καταδεικνύουν επίσης τις μεταβολές στη σημασία διαφόρων παραγόντων ανάπτυξης της βλάστησης μεταξύ ξηρών και υγρών συνθηκών.
Εισαγωγή
Το φαινόμενο ενός κόσμου που γίνεται πιο θερμός αναμένεται να επηρεάσει την κλιματική ποικιλομορφία. Σε ξηρές περιοχές υπό κλιματική αλλαγή αναμένεται επιβράδυνση στην ανάπτυξη της βλάστησης και υποβάθμιση των εδαφών, γεγονός που μεταξύ άλλων θα επιβαρύνει εδάφη κατάλληλα για βόσκηση, προκαλώντας σημαντικές οικονομικές ζημιές. Επίσης, αναμένεται να προκληθούν φαινόμενα επιβαρυντικά ως προς την βιοποικιλότητα και την διάρθρωση των οικοσυστημάτων. Είναι λοιπόν επιτακτική ανάγκη η κατανόηση των κινητήριων δυνάμεων που προκαλούν την επιβράδυνση της βλάστησης, καθώς και την κατόπιν αναγέννηση της.
Εκτός των υδροκλιματικών αλλαγών, κρίσιμο παράγοντα αναφορικά με τις μεταβολές στους βοσκοτόπους μπορούν να αποτελέσουν οι χρήσεις γης κατά την διάρκεια της ξηρασίας. H αυξανόμενη θέρμανση σε συνδυασμό με την μείωση των βροχοπτώσεων μπορεί να προκαλέσει επιβράδυνση στους ρυθμούς ανάπτυξης της χορτολιβαδικής βλάστησης, ενώ και οι χρήσεις γης επηρέαζουν τους ρυθμούς αυτούς, λόγω των επιδράσεων τους στο μικροκλίμα.
Ερευνήσαμε την απόκριση των βοσκοτόπων σε συνθήκες ξηρασίας στην περιοχή Darling Downs στην ανατολική Αυστραλία, μέσω της εξέτασης υδροκλιματικών παραγόντων και χρήσης γης. Τα ημι-φυσικά συστήματα βοσκοτόπων αποτελούν ιδανικό οικοσύστημα για την διερεύνηση των επιδράσεων της ξηρασίας, λόγω της ευαισθησίας τους σε κλιματικές αλλαγές. Επιπλέον, οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της τηλεπισκόπησης επιτρέπουν την in-situ μέτρηση μακροχρόνιων και ευρείας κλίμακας αλλαγών στην κατάσταση των βοσκοτόπων, και την χαρτογράφηση και ενσωμάτωση των δεδομένων αυτών σε σχετική βάση. Το είδος των δεδομένων που χρησιμοποίησαμε είναι ευρέως διαθέσιμο, οπότε η προσέγγιση αυτή μπορεί να υιοθετηθεί παγκοσμίως αναφορικά με βοσκοτόπους.
Υλικά και μέθοδοι
Η περιοχή μελέτης καλύπτει περίπου 30000 km², και αποτελεί μια από τις σημαντικότερες περιοχές αγροτικής παραγωγής στην Αυστραλία, περιλαμβάνοντας βοσκοτόπους, ξηροτόπους, αλλά και αρδευόμενη γεωργία.
Με βάση τις διαταραχές στην βροχόπτωση, διευκρινίστηκε η περίοδος μακράς ξηρασίας (Μάιος 2002- Μάιος 2007) και μακράς αυξημένης υγρασίας (Μάιος 2006- Μάιος 2011). Στην δεύτερη φάση συμπεριλήφθηκε το τέλος της πρώτης, ώστε να διασφαλιστεί ότι οι αλλαγές στις τάσεις ανάπτυξης της χορτολιβαδικής βλάστησης θα ήταν συνδεδεμένες με τις συνθήκες σχετικά με την ξηρασία.
Ο δείκτης EVI (Enhanced Vegetation Index) σχετίζεται με το κλάσμα της ενεργής ακτινοβολίας κατά την φωτοσύνθεση. Πρόκειται για έναν δείκτη πρωτογενούς παραγωγικότητας. Υψηλότερες τιμές του δείκτη δείχνουν μεγαλύτερη βιομάζα, παρέχοντας ένα μέτρο σχετικά με τις μεταβολές στις χορτολιβαδικές εκτάσεις. Έτσι, στην προκειμμένη περίπτωση, αρνητική μεταβολή στο δείκτη EVI λαμβάνεται ως μείωση βοσκοτόπων, ενώ θετική μεταβολή ως αναγέννηση λειμώνων.
Τα δεδομένα που χρησιμοποιήσαμε για την εξαγωγή του δείκτη EVI προέρχονται από τον αισθητήρα MODIS, με ονομαστική ανάλυση 250 m.
Τα 2549 σημεία μελέτης που επιλέχθηκαν διασφαλίζουν έναν επαρκή διασκορπισμό σε όλη την περιοχή εκπαίδευσης. Τα σημεία που περιείχαν δασικές εκτάσεις εξαιρέθηκαν, έτσι ώστε η μελέτη να εστιάσει στις αμιγώς χορτολιβαδικές εκτάσεις. Οι τάσεις του δείκτη EVI μετρήθηκαν μέσω του μη- παραμετρικού Ελέγχου Mann- Kendall.
Οι μεταβλητές που διερευνήθηκαν για την δημιουργία ενός μοντέλου σχετικά με την μεταβολή του δείκτη EVI είναι οι τάσεις της εξατμισοδιαπνοής, οι διαταραχές στην εξατμισοδιαπνοή, οι τάσεις και οι διαταραχές της υγρασίας για 3 επίπεδα του εδάφους (0-10 cm, 10-100, 100-500 cm), το ποσοστό των εκτάσεων αρδευόμενης γεωργίας και εκτάσεων ξυλώδους βλάστησης στην περιοχή μελέτης, η αναλογία C3:C4 φυτών, καθώς και μοντελοποιημένος αριθμός των βοοειδών εκτρεφόμενων ζώων της περιοχής. Η μόνη μεταβλητή που επέδειξε συσχέτιση με άλλες ήταν η τάση της υγρασίας για το υψηλότερο επίπεδο του εδάφους. Συγκεκριμένα, συσχετίστηκε με την διαταραχή της υγρασίας στο ίδιο επίπεδο, αλλά και με την τάση της υγρασίας για το μεσαίο επίπεδο εδάφους. Έτσι, το μοντέλο λειτούργησε χωρίς την μεταβλητή αυτή. Η επιβράδυνση στην ανάπτυξη της χορτολιβαδικής βλάστησης μελετήθηκε μέσω του μοντέλου “Boosted Regression Trees”. Επιπλέον, η ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ των μεταβλητών και του δείκτη EVI διερευνήθηκε μέσω του Ελέγχου Pearson.
Αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα κρίνονται ικανοποιητικά, καθότι έδειξαν θετική απόκριση στο μοντέλο σε ποσοστό 69% για την ξηρή περίοδο και 61% για την υγρή περίοδο. Υπήρξαν τάσεις μέσης μείωσης της βλάστησης 23% στην πρώτη περίπτωση, και
μέσης αύξησης 57% στην δεύτερη.
Συζήτηση
Ενώ πολλές από τις δοκιμαζόμενες μεταβλητές επηρέασαν τόσο την πτώση όσο και την ανάκαμψη των βοσκοτόπων, αρκετές είχαν διαφοροποιημένα αποτελέσματα κατά την αλλαγή των κλιματικών φάσεων.
Σημαντικοί παράγοντες που δεν λήφθηκαν υπόψιν κατά την διάρκεια της μελέτης ήταν ο βαθμός αζωτούχου λίπανσης και βόσκησης των εδαφών, χωρίς όμως οι περιορισμοί αυτοι να θέτουν σε αμφισβήτηση τα ευρήματα της μελέτης.
Γενικότερα, στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψιν η χρονική και χωρική κλίμακα της μελέτης. Τέλος, αλλαγές στις χρήσεις γης ενδεχομένως να επέφεραν ταχύτερη αναγέννηση της βλάστησης.
Συμπεράσματα
Τα 3 σημαντικότερα ευρήματα της μελέτης είναι η διαφοροποίηση της επίδρασης των μεταβλητών στην επιβράδυνση και αναγέννηση της βλάστησης, η σημασία των υδροκλιματικών παραγόντων και της χρήσης γης στην πρόβλεψη παραγωγικότητας των βοσκοτόπων, και η συνάφεια των επιδράσεων των μεταβλητών σε διαφορετικές περιόδους αναφορικά με τους υδροκλιματικούς παράγοντες, όχι όμως και με τις χρήσεις γης. Αυτά τα ευρήματα συμβάλουν στην καλύτερη κατανόηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής και των ακραίων κλιματικών συμβάντων στις διαδικασίες επιβράδυνσης και αναγέννησης ,δηλαδή της ανθεκτικότητας στη μεταβλητότητα του κλίματος, για ημι-φυσικά λιβάδια σημαντικά για τη γεωργία.
