Η επίδραση της περιτροπικής βόσκησης των Ιβηρικών δασολιβαδικών συστημάτων με δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς NDVI

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Assessing the effect of rotational grazing adoption in Iberian silvopastoral systems with Normalized Difference Vegetation Index time series

Συγγραφείς: Antonio Frongia, Antonio Pulina, Alberto Tanda, Giovanna Seddaiu, Pier Paolo Roggero, Gerardo Moreno

Λέξεις κλειδιά: Χρονοσειρές, προσαρμοστική βόσκηση, διαχείριση βόσκησης, φαινολογία λιβαδιών, τηλεπισκόπηση

Δημοσιεύθηκε: Italian Journal of Agronomy 2023, volume 18:2185, https://doi.org/10.4081/ija.2023.2185

ΟΡΙΣΜΟΣ

Προσαρμοστικοί περιφραγμένοι χώροι που στα αγγλικά μεταφράζεται ως Adaptive multi paddock (AMP) αφορά ένα σύστημα βόσκησης το οποίο συνδυάζει εντατική γρήγορη βόσκηση κυκλικά με σύντομες περιόδους βόσκησης και μετά από τη βόσκηση εκτενή χρόνο αποκατάστασης και ανάκαμψης. Σε ένα μεσογειακό δασολιβαδικό οικοσύστημα έπειτα από την εφαρμογή αυτού του τύπου βόσκησης παρουσιάζεται αλλαγή στη φαινολογία του βοσκότοπου και στη μεταβλητότητα του συγκρίνοντας τις διάφορες χρήσεις γης με μεθόδους τηλεπισκόπησης με δείκτες βλάστησης(NDVI) μέσω δορυφόρου Landsat.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η τηλεπισκόπηση μέσω δορυφορικών δεδομένων χρησιμοποιείται ευρέως για τον ποσοτικό προσδιορισμό παραγωγικότητας των καλλιεργειών, κτηνοτροφικών καλλιεργειών και χορτολιβαδικών εκτάσεων. Μελέτες για τη παραγωγή βιομάζας και επιπτώσεις των πρακτικών διαχείρισης στη διαθεσιμότητα τροφής συχνά εστιάζεται στους ομοιογενείς λειμώνες. Όμως το σχήμα, η πολυπλοκότητα και η ετερογένεια των αγροδασικών συστημάτων καθιστούν την τηλεπισκόπηση δυσκολότερη από ό,τι σε διακριτούς και ομοιογενείς τύπους κάλυψης γης, όπως δάση και λειμώνες. Η πολυπλοκότητα αυξάνεται όταν χρησιμοποιούνται εργαλεία τηλεπισκόπησης για τον προσδιορισμό των φαινολογικών φάσεων και αλλαγών των βοσκοτόπων από τότε που τα συστήματα αυτά συνδυάζουν ποώδες και θαμνώδες υπόγειο με χαμηλής πυκνότητας κάλυψης δέντρων. Μεταξύ των φασματικών δεικτών που αναπτύχθηκαν για την παρακολούθηση της βλάστησης, ο δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI) είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος ως υποκατάστατο της κλασματικής απορροφημένης φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας για την παρακολούθηση της δυναμικής των βοσκοτόπων, η οποία με τη σειρά της σχετίζεται με την παραγωγή βοσκοτόπων και στη συνέχεια διαθεσιμότητα βοσκήσιμης ύλης για βόσκηση. Επιπλέον, η ανάλυση της μεταβλητότητας του NDVI μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με την αποτελεσματικότητα της διαχείρισης της βόσκησης από τη μεταβλητότητα των δεικτών του NDVI εντός των μονάδων βόσκησης, όπως ο NDVI τυπική απόκλιση (SD), που σχετίζονται με το επίπεδο αξιοποίησης των λιβαδικών πόρων από τα ζώα που βόσκουν. Υιοθετώντας αυτό το σύστημα βόσκησης σαν διαχειριστικό εργαλείο στόχος είναι η σταθερότητα και η παραγωγικότητα των λιβαδικών οικοσυστημάτων σε σχέση με την συνεχόμενη βόσκηση και κατά συνέπεια υπερβόσκηση.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιοχή Μελέτης

Το σύνολο της πειραματικής περιοχής ήταν περίπου 2250 εκτάρια, τα οποία διακρίνονται σύμφωνα με το CORINE Κάλυψη γης ως:

• αγροδασοπονική/δασολιβαδοπονική κάλυψη γης (43,3%)

• μη αρδευόμενες αρόσιμες εκτάσεις (35,5%)

• βοσκότοποι (12,4%)

• μόνιμα αρδευόμενες εκτάσεις (3,9%)

• μεταβατικά δάση-θάμνοι (3,8%)

• δάση πλατύφυλλων (1,0%)

Οι χορτολιβαδικές εκτάσεις εντός αυτών των κτηνοτροφικών εκμεταλλεύσεων βόσκονταν από βοοειδή και πρόβατα, που παραδοσιακά διαχειρίζονται με συνεχή βόσκηση και χαμηλά ποσοστά αποθεματοποίησης. Σε κάθε εκμετάλλευση, δύο διαφορετικές καλύψεις γης εντοπίστηκαν: WG(ξυλώδης βλάστηση/λιβάδι) και GR(λιβάδι/βοσκότοπος). Το σύστημα βόσκησης AMP που εισήχθησε σε ορισμένα χωράφια κάθε αγροκτήματος μεταξύ 2014 και 2016, με αποτέλεσμα προσδιορίζοντας μια περίοδο πριν από την υιοθέτηση του AMP (πριν από το 2014, 2010-2014), μια μεταβατική περίοδο (2014-2016) και μια περίοδο μετά την οποία το σύστημα βόσκησης AMP ήταν καλά εδραιωμένο (2016-2021). Κατά την ίδια περίοδο μεγάλες περιοχές βόσκονταν με συνεχή βόσκηση CON. [Εικόνα 1] [Πίνακας 1]

Συλλογή Δεδομένων τηλεπισκόπησης

Οι εικόνες Landsat συλλέχθηκαν από τις Ηνωμένες Πολιτείες Geological Survey USGS (2023) web service. Εικόνες Landsat Level-2 με λιγότερο από 10% νεφοκάλυψη συλλέχθηκαν μεταξύ των διαθέσιμων (κάθε 16 ημέρες) από το Landsat-5 thematic mapper (TM) και Landsat-7 enhanced thematic mapper/ενισχυμένη (ETM) από τον Ιανουάριο 2010 έως Μάρτιος 2013 και από τον Landsat-8 operational land imager/θερμικό αισθητήρα υπερύθρων (OLI/TIR) από τον Απρίλιο του 2013 έως τον Δεκέμβριο του 2020. Οι εικόνες και από τους δύο δορυφόρους είχαν χωρική ανάλυση 30×30 m ανά pixel. Για την παρούσα μελέτη, συλλέχθηκαν κόκκινες και εγγύς υπέρυθρες (NIR) ζώνες και των δύο δορυφόρων, που αντιστοιχούν σε φασματικό πλάτος 0,63- 0. 69 µm και 0,64-0,67 µm για το κόκκινο (ζώνες 3 και 4 του Landsat-5/7 και Landsat 8, αντίστοιχα) και 0,76-0,90 µm και 0,85-0,88 µm για το NIR (ζώνες 4 και 5 των Landsat 5 και Landsat 8, αντίστοιχα). Η διόρθωση της ατμόσφαιρας πραγματοποιήθηκε για την αφαίρεση τυχόν επίδρασης της ατμόσφαιρας στην ανάκλαση, με αποτέλεσμα στις τηλεπισκοπικές εικόνες να διορθώσουμε τις τιμές ανάκλασης σε επίπεδο εικονοστοιχείου με τη χρήση του πρόσθετου ημιαυτόματης ταξινόμησης.

Εποχιακές παράμετροι βλάστησης

Η μέθοδος εφαρμόστηκε με τη χρήση του λογισμικού TIMESAT (έκδοση 3. 3, Jönsson και Eklundh, 2004). Για την παρούσα μελέτη, ο αλγόριθμος ορίστηκε με βάση το εποχιακό εύρος του NDVI, που ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της μέγιστης και τις τιμές βάσης του NDVI. Μετά την υιοθέτηση του συστήματος βόσκησης AMP, ένας σχεδιασμός χωρισμένου χωραφιού με τρεις επαναλήψεις (αγροκτήματα) υιοθετήθηκε για να ελεγχθεί η επίδραση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της κάλυψης γης (κύριος παράγοντας, GR έναντι WG) και το σύστημα βόσκησης (υποπαράγοντας, AMP έναντι CON) στις εποχιακές φαινολογικές παραμέτρους. Οι χρονοσειρές NDVI αναλύθηκαν από την εφαρμογή της προσαρμοστικής μεθόδου Savitzky-Golay μέσα από την οποία περιέχονται εποχιακές παράμετροι βλάστησης όπως προαναφέραμε χρησιμοποιώντας το λογισμικό TIMESAT. Οι ημερομηνίες έναρξης και λήξης κάθε εποχής, που εκτιμώνται από τον αλγόριθμο, χρησιμοποιήθηκαν για να προσδιορίσουν αν τα δεδομένα NDVI θα πρέπει να συμπεριληφθούν στην αναπτυξιακή περίοδο. Όπως για παράδειγμα το πράσινο στάδιο όταν NDVI >80%. [Διάγραμμα 1]

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Εξετάζεται η δυναμική του NDVI και των εποχιακών παραμέτρων της βλάστησης πριν και μετά την υιοθέτηση συστημάτων εκ περιτροπής βόσκησης όπως η AMP τόσο σε δασώδη λιβάδια (WG) όσο και σε λιβάδια (GR). Πριν από την υιοθέτηση του AMP, οι τιμές του NDVI διέφεραν μεταξύ των καλύψεων γης και παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές σε παραμέτρους όπως val_end, ampl, der_l, der_r και integ_small με βάση την κάλυψη γης και το σύστημα βόσκησης. Μετά την υιοθέτηση, παρατηρήθηκαν μεταβολές στον NDVI και στις εποχιακές παραμέτρους, με την υιοθέτηση του AMP να οδηγεί σε σημαντικές μεταβολές σε παραμέτρους όπως val_start, val_peak, val_base και ρυθμό αύξησης, ιδίως στις περιοχές GR. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν τον αντίκτυπο της εκ περιτροπής βόσκησης στη δυναμική της βλάστησης και υποδηλώνουν τις δυνατότητές της στη βελτίωση της διαθεσιμότητας και της χρήσης της βοσκήσιμης ύλης σε μεσογειακά δασολιβαδικά συστήματα.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ

H επίδραση της χρήσης γης και της βόσκησης στις εποχιακές παραμέτρους βλάστησης

Οι διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ GR και WG στις παραμέτρους εκτιμώντας την έναρξη και τη τιμή βάσης του NDVI (val_start, val_base) συνδέονται με την επίδραση των αειθαλών ειδών δέντρων (κυρίως Q. ilex και Q. suber) χαρακτηριστικά των οικοσυστημάτων Dehesas με βάση το NDVI. Στο πλαίσιο της ΑΜP μετά την υιοθέτηση της εκ περιτροπής βόσκησης(AMP), οι υψηλότερες τιμές των παραμέτρων εκτίμησης του NDVI στην αρχή του σταδίου ανάπτυξης (val_start, val_base) και τη μέγιστη τιμή της (val_peak, val_peak, integ_large) προτείνοντας ότι το σύστημα AMP μπορεί να τονώσει την επανεκκίνηση του φθινοπώρου, οδηγώντας σε υψηλότερη παραγωγή στην αιχμή της περιόδου, η οποία ήρθε κατά μέσο όρο νωρίτερα στο πλαίσιο του AMP από ό,τι στο CON(συνεχής βόσκηση).

Η επίδραση της χρήσης γης και διαχείρισης στη μεταβλητότητα του NDVI

Τα στοιχεία που προκύπτουν από την ανάλυση της μεταβλητότητας του NDVI επιβεβαίωσε την υπόθεση ότι η εκ περιτροπής βόσκηση θα μπορούσε να μειώσει την χωρική μεταβλητότητα της βιομάζας των βοσκοτόπων. Η υψηλότερη χωρική μεταβλητότητα του NDVI υπό τη βόσκηση CON μπορεί να αποδίδεται στη λιγότερο αποτελεσματική εκμετάλλευση της βοσκήσιμης ύλης. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της ποιότητας των βοσκοτόπων, δηλαδή την απώλεια όσπριων και άλλων εύγευστων ειδών, και στη συνέχεια τη γονιμότητα του εδάφους. Το εύρημα αυτό υποδηλώνει υψηλότερη αξιοποίηση των κτηνοτροφικών πόρων από τα ζώα που βόσκουν, γεγονός που οδηγεί σε υπολογισμό της εκ περιτροπής βόσκηση ως στρατηγικής για τη βελτίωση της βιομάζας υπό χαμηλά ποσοστά αποθεματοποίησης ενός βοσκότοπου στα εκτεταμένα διαχειριζόμενα δασο-κτηνοτροφικά συστήματα. Συνδυασμός δεδομένων υψηλής ανάλυσης με παρατήρηση πεδίου για την παραγωγικότητα και την ποιότητα της χορτονομής μπορεί να αποτελούν εργαλείο για τη βελτίωση της επιστημονικής γνώσης σχετικά με τις επιπτώσεις των πρακτικών βόσκησης στα μεσογειακά δασο-κτηνοτροφικά συστήματα.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη επιβεβαίωσε ότι η υιοθέτηση συστημάτων εκ περιτροπής βόσκησης, όπως η AMP, επηρεάζει σημαντικά τις εποχιακές παραμέτρους της βλάστησης και τη χωρική μεταβλητότητα, όπως προκύπτει από την ανάλυση NDVI. Παρόλο που δεν έδειξαν όλες οι παράμετροι θετική επίδραση, η συνολική χρονοσειρά NDVI έδειξε σημαντικές βελτιώσεις στη φαινολογία των βοσκοτόπων λόγω της βόσκησης AMP μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα 4-5 ετών. Αυτό υποδηλώνει αυξημένη διαθεσιμότητα βοσκήσιμης ύλης, ιδιαίτερα ευεργετική σε χαμηλά ποσοστά ζωικού κεφαλαίου σε μεσογειακά δασολιβαδικά συστήματα. Επιπλέον, η μελέτη ανέδειξε τη χρησιμότητα των δορυφορικών δεδομένων Landsat στην ανάλυση των επιπτώσεων της διαχείρισης της βόσκησης, αν και με περιορισμούς σε σύγκριση με τους νεότερους δορυφόρους. Οι επίγειες παρατηρήσεις κρίθηκαν απαραίτητες για την επικύρωση και την παροχή λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με την κατανομή της βιομάζας. Η αξιοποίηση δορυφορικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης παράλληλα με παρατηρήσεις πεδίου προσφέρει πολλά υποσχόμενες προοπτικές για βαθύτερη κατανόηση των επιπτώσεων της εκ περιτροπής βόσκησης σε μεσογειακά περιβάλλοντα.