TENDENCIAS TEMPORALES DEL ÍNDICE MEJORADO DE LA

TENDENCIAS TEMPORALES DEL ÍNDICE MEJORADO DE LA
VEGETACIÓN (EVI) EN CINCO COBERTURAS NATURALES DEL
OCCIDENTE, NORTE Y NOROESTE DE MÉXICO DURANTE EL
PERIODO 2000-2013.
a
Luis Carlos BRAVO-PEÑA , Alejandro CASTELLANOS-VILLEGASb , Luis Carlos
c
d
ALATORRE-CEJUDO , María Elena TORRES-OLAVE
a,c y d.
b
Programa de Licenciatura en Geoinformática, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez.
Carretera Cuauhtémoc-Anáhuac, Cd. Cuauhtémoc Chihuahua.
Dirección de Investigaciones Científicas y Tecnológicas, Universidad de Sonora, Hermosillo Sonora.
Correo de contacto: [email protected]
RESUMEN
Se caracterizó el comportamiento del Índice Mejorado de la Vegetación (EVI) en cinco tipos de
vegetación (Bosques de Encino, y Encino-Pino; Selva Baja Caducifolia, Matorral Xerófilo del
Desierto Sonorense, y del Desierto Chihuahuense) desde Enero del 2000 hasta Abril de 2013. Se
utilizaron 140 imágenes MODIS mensuales de la serie MOD13, con los máximos mensuales de
EVI en el mismo periodo. Para el análisis se aplicó la prueba Mann Kendall Contextual, que
considera la autocorrelación espacial para identificar tendencias temporales. Los resultados
indican que el EVI se ha reducido notoriamente en los Matorrales Xerófilos del Desierto
Sonorense, en particular en zonas colindantes con el Golfo de California, que históricamente han
estado sujetas a explotación ganadera. Este proceso se vincula probablemente, con una sinergia
entre degradación de ecosistemas y cambio climático.
Palabras clave: EVI, Tendencias, CMK, Impactos.
1. INTRODUCCIÓN.
Los modelos regionales de cambio climático
para el suroeste de los Estados Unidos y
Noroeste de México, sugieren reducciones en la
cantidad de lluvia que van del 20 al 40 %,
dependiendo de los controles que se ejerzan
sobre las emisiones antropogénicas de CO2
(USGCRP, 2009). Estos cambios pueden
generar
impactos
severos
sobre
las
comunidades vegetales de la región, y no hay
suficientes datos para conocer las tendencias
actuales sobre la producción de biomasas por
decrementos en la cantidad de lluvia.
Una alternativa para comprender los impactos
potenciales de los cambios en la precipitación,
es el estudio multitemporal de procesos
vinculados con la producción primaria aérea
bruta (PPA). La PPA, o producción total de
biomasa vegetal por encima del suelo, es un
buen indicador de la respuesta de los
ecosistemas a cambios en la precipitación
pluvial (Huxman et al., 2004), y puede
caracterizarse con el uso de Índices de
Vegetación (Wu et al., 2011), relaciones
matemáticas entre bandas espectrales, que
permiten documentar la evolución de la
productividad vegetal en series largas de
tiempo, mediante el procesamiento espectral de
información satelital.
El objetivo de este trabajo fue determinar las
tendencias espacio-temporales del Índice
Mejorado de la Vegetación (EVI, Enhanced
Vegetation Index),
en cinco coberturas
naturales (Bosque de Encino y Bosque de
Encino-Pino), Selva Baja Caducifolia, Matorral
Xerófilo del Desierto Chihuahuense y Matorral
Xerófilo del Desierto Sonorense) que destacan
por su superficie en los estados del Occidente,
Norte y Noroeste de México. El monitoreo se
realizó con compuestos del EVI obtenidos en
imágenes MODIS mensuales de la serie
MOD13, correspondientes al periodo Enero de
2000 a Abril de 2013.
2. MÉTODOS Y MATERIALES.
2.1. Área de estudio y coberturas evaluadas.
La distribución espacial de las comunidades
vegetales evaluadas en este trabajo se obtuvo
del mapa “Cobertura del suelo de América del
Norte, 2005” generado en el marco del proyecto
tri-nacional “Sistema de Monitoreo del Cambio
en la Cobertura del Suelo de América del
Norte”, de la Comisión para la Cooperación
Ambiental de América del Norte. Esta
información está disponible en la mapoteca
digital
de
CONABIO
(http:
//www.conabio.gob.mx/ informacion/gis/).
Las clases del mapa anterior se reagruparon con
base en su afinidad florística y distribución
espacial, a fin de facilitar el despliegue y
análisis en este trabajo. El criterio para su
inclusión en el área de estudio, fue que se
ubicaran espacialmente en aquellas zonas del
occidente, norte y noroeste de México donde la
precipitación pluvial en los meses de Julio,
Agosto y Septiembre representa más del 50 %
anual. Para la identificación de estas zonas, se
agregaron por suma simple, mediante álgebra de
mapas, las superficies interpoladas de
precipitación generadas por Tellez et al (2011),
disponibles
en
http://
idrisi.uaemex.mx/index.php/ligas/geodatos/306
-superficies-climaticas-para-mexico.
Con
estas superficies en formato raster, se obtuvo
el agregado correspondiente a los meses de
Julio, Agosto y Septiembre, y se identificaron
aquellas zonas cuyo valor acumulado
representara el 50 % o más del total anual. Con
el mapa resultante se cortaron las coberturas
de cubierta vegetal generadas por el proyecto
“Sistema de Monitoreo del Cambio en la
Cobertura del Suelo de América del Norte”.
El resultado final representa el área de estudio
de este trabajo (Figura 1).
Las comunidades vegetales identificadas en la
figura 1 se ubican en una región del occidente,
norte y noroeste de México sometida a la
influencia del Monzón de Norteamérica
(NAM). El NAM contabiliza hasta el 60 y el
75 por ciento de la lluvia anual en el suroeste
de los Estados Unidos y el Noroeste de
México (Méndez-Barroso et al., 2009).
Figura 1. Coberturas Evaluadas en este trabajo
mediante el EVI. Periodo 2000-2013.
El área evaluada involucra 109,525.69 km2 de
Matorrales Xerófilos del Desierto Sonorense,
distribuidos desde el sur de la Península de
Baja California hasta las Planicies Costeras y
Piedemontes de de la Sierra Madre Occidental
en el Estado de Sonora, 2) 94,752.35 km2 de
Selva Baja Caducifolia, 31,396.73 km2 de
Bosques de Encino y 49,346.72 km2 de
Bosque de Encino-Pino, ubicados en las faldas y
elevaciones de la misma formación montañosa,
en los estados de Jalisco, Nayarit, Durango,
Sinaloa, Chihuahua y Sonora, y 3) 194,633.44
km2 de Matorrales Xerófilos en las planicies,
depresiones y elevaciones del Desierto
Chihuahuense, en Chihuahua, Coahuila,
Durango y Zacatecas.
2.2. El Índice Mejorado de la Vegetación
(EVI) en Imágenes MODIS.
El EVI combina en una misma ecuación las
bandas azul (A), rojo (R) e infra-rojo cercano
(IRC), a fin de extraer los valores del verdor del
dosel, discriminando las variaciones asociadas a
la interferencia del suelo y a los aerosoles
atmosféricos (Huete et al., 2011), con base en la
siguiente ecuación:
EVI = 2.5
𝐼𝑅𝐶 − 𝑅
𝐼𝑅𝐶 + 𝐶1 ∗ 𝑅 − 𝐶2 ∗ 𝐴 + 𝐿
Donde: IRC, R y A son las reflectancias
correspondientes a las mismas bandas, y el
coeficiente L es un factor de ajuste del suelo,
mientras que C1 y C2, son los pesos de
resistencia de los aerosoles atmosféricos. En
este caso, el índice se obtuvo de las imágenes
MODIS mensuales de la serie MOD13. Se
utilizaron los compuestos de EVI con
resolución de 0.050 por 0.050, disponibles en el
sitio: http:// modis- land.gsfc.nasa.gov/vi.html.
2.3. Análisis de la serie de tiempo.
Las imágenes con los valores de EVI, se
analizaron mediante la prueba Mann Kendall
Contextual (CMK), extensión de la prueba de
Mann Kendall simple (MK), ampliamente
utilizada para determinar tendencias en series de
tiempo hidro-meteorológicas (precipitación), o
bien de escurrimiento (Zhang et al., 2011). La
diferencia básica es que en MK, los cálculos se
realizan pixel por pixel, (Xu et al., 2010),
mientras que en CMK el análisis se hace por
matrices o Kernels de varios pixeles (Neeti &
Eastman, 2011). Para mayores referencias de
este método, se sugiere consultar a Xu et al
(2010), Alcaraz et al (2010), y Neeti &
Eastman (2011).
Los análisis se hicieron con el módulo CMK
(Mann Kendall Contextual) del programa
IDRISI (Versión Taiga). Las series de tiempo
se construyeron en este software, y a partir de
ellas se obtuvo:
a) Los valores promedio del EVI, máximos y
mínimos por cobertura.
b) El comportamiento típico, anual, del EVI
por cada cobertura.
c) Las tendencias del índice por cobertura,
considerando todas las imágenes, desde
Enero de 2000 a Abril de 2013.
Las tendencias se reclasificaron en tres clases.
1) Decremento, desde -0.01 a -0.05, 2) Estable
o sin certeza estadística de cambio, 3)
Incremento, desde 0.01 hasta 0.05.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
3.1. Estadística descriptiva y
comportamiento típico anual del EVI.
De manera global se observó que la Selva Baja
Caducifolia obtuvo el mayor valor promedio
de EVI en todas las estaciones (Tabla 1). En
orden decreciente le siguieron el Bosque de
Encino, el Bosque de Encino-Pino, y el
Matorral Xerófilo. El máximo de EVI
correspondió a la Selva Baja Caducifolia,
mientras que el mínimo correspondió al
Matorral Xerófilo, en particular el
perteneciente al Desierto Chihuahuense. Sólo
en el caso de la Selva Baja Caducifolia se
observaron desviaciones estándar elevadas,
que denotan la gran variabilidad de este tipo de
vegetación.Todas las clases alcanzaron los
valores mayores de EVI durante el verano
(Figura 2), en un patrón claramente vinculado
con las precipitaciones del NAM. La
vegetación de ambientes subhúmedos o
húmedos, como la Selva Baja Caducifolia, y
los Bosques de Encino y Encino Pino
alcanzaron valores más altos.
Tabla. 1. Estadísticos descriptivos del EVI por tipo
de Vegetación.
Media
D. E.
Min.
Max.
Bosque
Encino
Bosque
Encino
Pino
Selva
Baja
Caduc.
Mat.
Xerófilo
Chihuahua
Mat.
Xerófilo
Sonora
0.272
0.075
0.175
0.444
0.250
0.034
0.198
0.326
0.284
0.124
0.148
0.542
0.135
0.028
0.102
0.240
0.150
0.034
0.106
0.250
0.60
Valores del EVI
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Meses
Bosque de Encino
Selva Baja Caducifolia
Mat. Xer. Des. Sonorense
evapotranspiración durante los meses de
verano –naturalmente alta en una zona áridase compensa con la precipitación asociada al
NAM, y la productividad es elevada (Nilsen et
al., 1983). Así, aunque se trata de una zona
con baja precipitación anual, sus elevados
valores de EVI en el verano, comparables con
los obtenidos por la vegetación de ambientes
más húmedos (Bosque de Encino, entre Junio
y Julio), confirman que el Desierto Sonorense
es un desierto muy productivo (Yetman &
Burquez, 1994).
3.2. Tendencias del EVI.
El 6.1 % del área total muestreada mostró
decrementos significativos del EVI al nivel de
P elegido (P < 0.05). Esta superficie
corresponde fundamentalmente, a grandes
extensiones de Matorral Xerófilo en las
planicies costeras del centro y norte de Sonora,
y pequeños polígonos en el extremo sur de
Baja California Sur, o en el Desierto
Chihuahuense, en Coahuila (Figura 3).
Bosque de Encino-Pino
Mat. Xer. Des. Chihuahuense
Figura 2. Comportamiento Típico Anual del EVI
por Tipo de Vegetación.
En los ambientes secos y áridos, destaca la
diferencia entre el Matorral Xerófilo del
Desierto Sonorense y el Matorral Xerófilo del
Desierto Chihuahuense, pues el primero alcanza
valores marcadamente superiores durante los
meses de verano, incluso parecidos a los del
Bosque de Encino-Pino. Este comportamiento
refleja un efecto menos pronunciado del NAM
en la fenología del Desierto Chihuahuense, pues
su precipitación está condicionada por el efecto
de “Sombra de Lluvia” que la Sierra Madre
Occidental impone a los vientos húmedos del
Pacífico (Hernández, 2006). Por el contrario,
el Matorral Xerófilo del Desierto Sonorense, no
condicionado por el fenómeno anterior, exhibe
máximos más elevados. En el área de
distribución
de
este
último,
la
Figura 3. Cambios del EVI para las cuatro
coberturas analizadas
De hecho en el Matorral Xerófilo del Desierto
Sonorense, la superficie con tendencia negativa
(26,453.83 km2) representó el 24.15 % del área
total analizada en esta cobertura (109,525.69
km2). En los otros tipos, la superficie con
tendencia negativa en todo el periodo, es mucho
menos importante (Tabla 2).
Por lo que se refiere a superficies con tendencia
positiva, el 0.54 % (2581.55 km2, Tabla 2) del
área total evaluada (479,654 km2) mostró
incrementos significativos del EVI, y esto se
observó en pequeños polígonos de mayor
productividad, ubicados espacialmente en la
porción centro y sur de la Península de Baja
California, por los litorales del Golfo de
California y del Pacífico (Figura 3).
Tabla. 2. Tendencias del EVI por tipo de Vegetación.
Area
Total
Area
Tendencia
Negativa
Area
Tendencia
Positiva
Bosque
Encino
Bosque
Encino
Pino
Selva
Baja
Caduc.
Mat.
Xerófilo
Chihuahua
Mat.
Xerófilo
Sonora
31396.7
49346.7
94752.4
194633.4
109525.7
931.5
593.0
986.0
822.1
26453.8
0
0
55.5
55.5
2470.6
Se requieren otros análisis para esclarecer las
causas de este fenómeno, pero debido a que la
PPA de zonas áridas y la precipitación se
correlacionan estrechamente (Weiss, et al
2004), el patrón dominante sugiere que a) Los
ecosistemas tienden a ser menos productivos
frente a la lluvia o b) La precipitación es menor
o c) Una combinación de ambas.
Respecto a la primera posibilidad, esta podría
deberse a degradación de los ecosistemas
vinculada con actividades antropogénicas
regionales, pues la zona se encuentra sometida a
sobrepastoreo ganadero, y a desmontes intensos
para la introducción de praderas que sostienen
esta actividad (Bravo et al., 2010). De hecho, la
eficiencia de uso de la lluvia en un ecosistema
degradado se reduce (Bai et al., 2008b).
Ya se ha documentado que la conversión de
matorrales desérticos en praderas ganaderas,
reduce la PPA y los valores de índices de
vegetación (Franklin et al., 2006) sustentados
en los mismos principios físicos que el EVI.
Respecto a la segunda posibilidad, los
modelos regionales de cambio climático
consideran para la zona reducciones en la
cantidad de lluvia que van del 20 al 40 %,
dependiendo de los controles que se ejerzan
sobre las emisiones antropogénicas de CO2
(USGCRP, 2009), y es probable que estas
reducciones ya estén ocurriendo, con impactos
consecuentes en la productividad primaria
aérea de las comunidades vegetales. La tercera
posibilidad, una sinergia entre la degradación
de la vegetación y reducciones en la cantidad
de lluvia, implica que la presión antropogénica
ocurre en un escenario geográfico
caracterizado por disminuciones en la
precipitación. Esta posibilidad no se ha
estudiado localmente, pero referencias
recientes en otros sitios del mundo,
demuestran las sinergias existentes entre
sobrepastoreo y cambio climático sobre las
reducciones en índices de vegetación (Liu et
al., 2013).
Puede pensarse que la tendencia observada en
este trabajo, se hará más marcada en el futuro,
sobre todo considerando los escenarios
previstos de reducción en la cantidad de lluvia.
Prácticas
ganaderas
inadecuadas,
en
combinación con un clima carente de
humedad, que inhibe la descomposición y
reincorporación de la materia orgánica, y que
no favorece la regeneración del suelo,
pueden facilitar la desertificación rápida de un
sitio (Withford, 2002).
4. CONCLUSIONES.
Los escenarios de cambio climático para
México sugieren efectos de diversa índole
sobre los ecosistemas del país, pero se
requieren
evaluaciones
de
procesos
ecosistémicos a gran escala, para identificar
las tendencias futuras de cambio. En este
trabajo se han generado datos que contribuyen a
esclarecer esta cuestión, y nuestros hallazgos en
las tendencias del EVI, sugieren decrementos
espacialmente importantes de la PPA en todas
de las coberturas analizadas, que son
particularmente mayores en el Matorral
Xerófilo del Desierto Sonorense.
La
degradación de ecosistemas, en sinergia con
disminuciones de largo plazo en la cantidad de
lluvia, pueden retroalimentar este proceso.
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