Integración de imágenes de sensores remotos en el desarrollo de indicadores medioambientales en cuencas mediterráneas. Aplicación al seguimiento de su estado hídrico y productividad

Abstract

En las cuencas mediterráneas, el clima se caracteriza por veranos muy calurosos en los que no se suelen producir precipitaciones, lo que genera un fuerte y periódico estrés hídrico en sus cubiertas vegetales cuya intensidad está relacionada con el carácter hidrológico de la estación húmeda antecedente. Además, esta situación tiende a agravarse en los frecuentes episodios de sequía, provocando una disminución de la productividad de estos ecosistemas. Actualmente existe una gran cantidad de datos disponibles, gratuitos y a escala global, con un gran potencial para el seguimiento de los procesos asociados a los balances de agua y energía en estos tipos de cuencas. En esta tesis se plantea el uso de imágenes provenientes de sensores remotos de diferentes resoluciones espaciales, espectrales y temporales que, combinadas con registros puntuales procedentes de estaciones meteorológicas, permitan la generación de indicadores de distintas variables ecosistémicas relacionadas con la productividad y el estado hídrico en sistemas característicos de la zona mediterránea. En concreto, se plantea el desarrollo de tres indicadores estrechamente ligados entre sí: un indicador del estado hídrico del suelo al final de la estación seca a partir del estado de varios tipos de cubierta vegetal; un indicador de la productividad de los pastos naturales, principal sustento alimenticio de la ganadería extensiva, a partir de su estado y de las condiciones climáticas del período evaluado; y, por último, un indicador que relacione el estado hídrico del sistema y el estado fenológico en el que se encuentra el estrato herbáceo. Las zonas de estudio seleccionadas son, para el primer indicador, la cuenca del río Guadalfeo (Granada), que se caracteriza por presentar un gradiente de altitud desde el nivel del mar hasta más de 3000 m.s.n.m. a tan solo 50 km de distancia a la costa, lo que determina una gran heterogeneidad espacial en cuanto a meteorología, hidrología, tipos y usos de suelo, etc. En este contexto, la estimación indirecta del estado de humedad antecedente de forma rutinaria a partir de la información obtenida de ciertas cubiertas existentes en la zona puede ser una solución óptima en estudios hidrológicos a escala de cuenca. En cuanto al segundo y tercer indicador, la zona de estudio son los ecosistemas de dehesa de Andalucía. El seguimiento regular y de forma objetiva de la producción de pasto permitiría proporcionar a los propietarios y gestores una información clave para regular su uso y contribuir a su conservación, sin un aumento excesivo de los costes. Por otro lado, los cambios fenológicos que se pueden observar como consecuencia del calentamiento global, cuyo efecto se prevé especialmente intenso en esta región, y cómo el clima y la hidrología los condicionan, puede ser una herramienta clave para evaluar el impacto de esta amenaza y tomar las decisiones adecuadas para hacerle frente. Los resultados han mostrado la capacidad de los sensores remotos para la obtención de este tipo de indicadores: el contenido de agua en el suelo en época estival presentó correlaciones mayores a 0,7 con el estado de la vegetación arbustiva de la cuenca del Guadalfeo; la estimación de la producción de pasto natural en las dehesas de Andalucía arrojó errores en torno al 13% con respecto a la producción medida en campo; por último, los umbrales de cambio de estado en la humedad de suelo (capacidad de campo y punto de marchitez permanente) se determinaron con menos de 10 días de diferencia con respecto a los cambios de estado fenológico en el pasto natural (comienzo de la época de crecimiento y senescencia).

In the Mediterranean basins, the climate is characterized by very hot summers in which rainfall is not usually produced, which generates a strong and periodic water stress in its vegetation cover. The intensity of this water stress is related to the hydrological regime of the previous wet season. In addition, this situation tends to worsen in frequent episodes of drought, causing a decrease in the productivity of these ecosystems. There is currently a large amount of data available, free of charge and on a global scale, with great potential for monitoring the processes associated with water and energy balances in these types of basins. This thesis proposes the use of remote sensing images of different spatial, spectral and temporal resolutions that, combined with specific records from meteorological stations, can be used to generate indicators of different ecosystem variables related to productivity and water status in different unique systems of the Mediterranean area. Specifically, the development of three indicators closely linked to each other is proposed: an indicator of the water status of the soil at the end of the dry season from the state of different vegetation covers; an indicator of the productivity of natural pastures, the main food support for extensive livestock, based on their status and the climatic conditions of the period evaluated; and, finally, an indicator of the relationship bewteen water state of the soil and the natural pasture phenological state. The selected study areas are, for the first indicator, the Guadalfeo river basin (Granada), characterized by presenting a gradient of altitude from sea level to more than 3000 m.a.s.l. only 50 km away from the coast, which determines a great spatial heterogeneity in terms of meteorology, hydrology, types and land soil, etc. In this context, the indirect estimation of the state of antecedent moisture from the information obtained from existing covers in the area may be an optimal solution in hydrological studies at basin scale. Regarding the second and third indicators, the study area is the dehesa ecosystems of Andalusia, since the monitoring of pasture production would provide key information to owners and managers to regulate their use and contribute to their conservation, without an excessive increase in costs. On the other hand, the phenological changes that can be observed as a result of global warming, whose effect is expected to be especially intense in this region, and how the climate and hydrology condition them, can be a key tool to assess the impact of this threat and make the right decisions to deal with it. The results have shown the ability of remote sensing to obtain this type of indicators: the water content in the soil during the summer season showed correlations greater than 0.7 with the state of shrub vegetation; the estimation of the production of natural pastures showed errors of about 13% with respect to the production measured in the field; finally, the thresholds of change of state in soil moisture (field capacity and permanent wilting point) were determined less than 10 days apart from changes in phenological state in natural grass (beginning of time of growth and senescence).