Land use changes and vegetation dynamics in a silvopastoral system : effect on their ecological structure and carbón storage

Cárdenas Velásquez, Aura Yorlene (2018). Land use changes and vegetation dynamics in a silvopastoral system : effect on their ecological structure and carbón storage. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52130.

Descripción

Título: Land use changes and vegetation dynamics in a silvopastoral system : effect on their ecological structure and carbón storage
Autor/es:
  • Cárdenas Velásquez, Aura Yorlene
Director/es:
  • Moliner Aramendía, Ana
  • Hontoria Fernández, Chiquinquirá
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: Sistemas silvopastoriles; paisaje ganadero; algoritmo Random Forest; Software libre; Secuestro de carbono; pasto; cambio de uso de la tierra; Condiciones sub húmedas tropicales; Carbono orgánico del suelo; Nicaragua = Silvopastoral systems; livestock landscape; Random Forest algorithm; free open source software; Pastures; Carbon sequestration; Land use change Sub humid tropical conditions Soil organic carbon; Nicaragua
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Producción Agraria
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El paisaje en la antigua frontera agrícola de Nicaragua es una matriz fragmentada dentro de un entorno ganadero con usos de la tierra con distinta cubierta arbórea y almacenamiento de carbono. El municipio de Matiguás es una zona representativa del paisaje ganadero tropical sub-húmedo. Para evaluar los cambios en el uso de la tierra en el municipio de Matiguás , se seleccionaron los usos silvopastoriles tradicionales más representativos de la tierra en la zona: matorral, bosque secundario intervenido, pasto con alta densidad de árboles, pasto con árboles bajos densidad y pastos degradados. Como alternativa de monitorización y cuantificación de cambios, se utilizaron técnicas de teledetección. En las últimas dos décadas, antes de que las imágenes Landsat fueran de libre acceso, los países en desarrollo no podían permitirse el monitoreo a través de la teledetección debido al alto costo de adquisición de imágenes satelitales y software comercial. Sin embargo, la serie temporal de Landsat hoy en día permite la caracterización a través del tiempo de cambios de vegetación en zonas amplias. Para este estudio se han utilizado imágenes de Landsat casi sin nubes: una imagen Landsat 5 Thematic Mapper de 1986 y una imagen Landsat 8 OLI de 2015. Se desarrolló conceptualmente una cadena de procesos siguiendo la definición de cuatro pasos de Jensen (2009) del proceso de teledetección, y se implementó mediante componentes de software libre y la aplicación del algoritmo Random Forest. Se desarrolló un esquema de clasificación conceptual de usos de la tierra que representa a los sistemas silvopastoriles tradicionales. Aunque las imágenes muestran una cobertura de superficie heterogénea y píxeles mixtos, ha sido posible obtener resultados de clasificación prometedores con errores out of the bag (OOB) por debajo del 13% para ambas imágenes junto con un nivel de precisión global de 85.9 % para el subconjunto 2015 y 85.2% para el subconjunto 1986. La clasificación muestra que de 1986 a 2015 (29 años) el bosque secundario intervenido aumentó 2.6 veces mientras que el pasto degradado disminuyó en un 34.5%. El paisaje ganadero en Matiguás se encuentra en un estado de constante transformación, pero los principales cambios se dirigen hacia la recuperación de la cubierta arbórea y al aumento en el número de áreas de regeneración natural. Profundizando en el análisis, se evaluó la estructura ecológica de cada uso en términos de riqueza de árboles e índice de diversidad. En el estudio se estimó el carbono de la biomasa arbórea utilizando ecuaciones alométricas. El carbono orgánico del suelo se evaluó a cuatro profundidades: 0-10 cm, 10-20, 20-40 y 40- 100 cm. De los usos de la tierra estudiados, el tacotal tenía la mayor diversidad. El carbono de la biomasa varió entre 1,9 y 13,2 t C ha-1 en el pasto degradado y el bosque secundario intervenido respectivamente. El valor más elevado de almacenamiento de carbono orgánico del suelo a 1 m de profundidad se obtuvo en el bosque secundario intervenido (163 t C ha-1), mientras que el pasto degradado tuvo el valor más bajo (76 t C ha-1), en todos los casos muy superiores a los valores de carbono de la biomasa. Dado que el carbono orgánico del suelo es el reservorio de C de mayor importancia, debería normalizarse su evaluación hasta una profundidad de al menos un metro. El aumento de árboles en pasturas degradadas y de baja densidad de árboles puede contribuir no solo a mejorar la captura de carbono sino también a restaurar las tierras degradadas en los paisajes ganaderos. Al comparar el carbono total de la biomasa arbórea en las imágenes de 1986 y 2015, se observa una tendencia creciente en ese período. Los resultados indicaron que Matiguás se caracteriza por un gran dinamismo en términos de cambios en el uso de la tierra con procesos simultáneos de pérdida y ganancia de cobertura arbórea, con un saldo neto de ganancias. La transformación del paisaje no significa una reducción de las áreas ganaderas, sino más bien un cambio en el concepto de ganadería. La regeneración natural está desempeñando un papel importante, ya que es una solución de bajo costo para cambiar el uso de la tierra, mejorar la cobertura arbórea en los pastizales e impulsar la conservación y protección de los recursos acuáticos, sin una inversión de capital. ----------ABSTRACT---------- The landscape in the old agricultural border in Nicaragua is a fragmented matrix in a livestock environment involving many different land uses with different tree cover and carbon storage. The municipality of Matiguás is a representative area of the livestock landscape in the sub-humid tropics. In order to assess land use and land cover (LULC) changes in Matiguás, the most representative traditional silvopastoral systems (TSPS) in the area were selected: shrubland, intervened secondary forest, pasture with high tree density, pasture with low tree density and degraded pasture. As an alternative to monitor and quantify these changes, remote sensing was used. In the last two decades, before Landsat images were free, developing countries could not afford monitoring through remote sensing because of the high cost of acquiring satellite imagery and commercial software. However, Landsat time series nowadays allows the characterization of changes in the vegetation across large areas over time. Nearly cloud free Landsat scenes: A Landsat 5 Thematic Mapper scene from 1986 and a Landsat 8 OLI scene from 2015 have been the datasets used in the study. A process chain following Jensen’s (2009) four-step definition of the remote sensing process was conceptually developed and implemented, based on free open source software components and by applying the Random Forest algorithm. A conceptual LULC classification scheme representing TSPS was developed. Although the imagery shows a heterogeneous surface cover and mixed pixels, it was possible to achieve promising classification results with out-of-the bag errors below 13% for both images along with an overall accuracy level of 85.9% for the 2015 subset and 85.2% for the 1986 subset. The classification shows that from 1986 to 2015 (29 years) the intervened secondary forest increased 2.6 times while the degraded pasture decreased by 34.5%. The livestock landscape in Matiguás is in a state of constant transformation, but the main changes head toward the positive direction of tree cover recovery and an increase number of areas of natural regeneration. Digging deeper into the analysis, each land use ecological structure was assessed in terms of tree richness and diversity index. Our study estimated the above and belowground biomass carbon using allometric equations. Soil organic carbon was evaluated at four depths: 0-10 cm, 10-20, 20-40 and 40-100 cm. Of the land uses studied, shrubland had the highest diversity. The biomass carbon ranged from 1.9 to 13.2 t C ha-1 for degraded pasture and intervened secondary forest, respectively. The highest soil organic carbon storage at 1 m depth was for intervened secondary forest (163 t C ha-1), whereas degraded pastures had the lowest value (76 t C ha-1), rather higher than biomass values. Since SOC is the largest pool of total carbon, its evaluation should be normalized down to a depth of at least one meter. Increasing tree coverage in degraded and low-tree density pastures can contribute not only to enhance carbon sequestration but also to restore degraded lands in livestock landscapes. Comparing the total biomass carbon stocks from 1986 and 2015 images, our results indicate an increasing trend in that period (24%). The results indicated that Matiguás is characterized by a great dynamism in terms of land use changes with simultaneous processes of loss and gain of tree cover, with a net balance of gains. The transformation of the landscape does not mean a reduction of livestock areas, but rather, a change in the concept of livestock as we know. Natural regeneration is playing an important role, being a low cost solution to change land use, improving the tree cover in pasture and boost with the conservation and protection of aquatic resources, without a capital inversión.

Más información

ID de Registro: 52130
Identificador DC: http://oa.upm.es/52130/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52130
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52130
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 27 Sep 2018 06:40
Ultima Modificación: 27 Sep 2018 06:40
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