Análisis de factores determinantes de las transiciones forestales y el abandono de cultivos en el ámbito mediterráneo : un modelo de dinámica de cubiertas del suelo basado en teledetección, SIG y boosted regression trees

Departament i centre responsables de la tesi: Departament de Geografia.Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2017-2018El núcleo principal de esta tesis lo componen tres artículos científicos. En el primer artículo se presenta la metodología para la obtención de series temporales de mapas de usos y cubiertas del suelo para grandes superficies de terreno de la franja mediterránea de la Península Ibérica. Para ello se ha implementado un esquema de clasificación de imágenes del satélite Landsat. La información de referencia utilizada para la obtención de áreas de entrenamiento y test ha sido la base de datos SIOSE 2005 (Sistema de Información sobre Ocupación del Suelo de España). El artículo incluye un procedimiento para la obtención de estas áreas en fechas que no disponen de tal información de referencia. Las clasificaciones obtenidas tienen un porcentaje de acierto global superior al 90% y un acierto por categorías temáticas por encima del 85% en la mayoría de los casos. En el segundo artículo se analizan las principales etapas de sucesión y transiciones de vegetación entre las siguientes categorías de cubiertas de vegetación: prados, matorrales, bosques de coníferas, bosques de frondosas perennifolias y bosques de frondosas caducifolias. Los ámbitos de estudio se corresponden con tres escenas Landsat y el periodo de estudio es 1987-2012. Como factores explicativos de estas transiciones se ha utilizado un conjunto de variables de las que destacan las derivadas de la topografía y las variables que cuantifican la recurrencia de periodos secos, obtenidas a partir de un SIG (Sistema de Información Geográfica). Para determinar qué factores son los más importantes y de qué manera influyen en cada etapa de sucesión y transición se ha utilizado el método machine-learning denominado Boosted Regression Trees (BRT). De los resultados obtenidos cabe destacar que las transiciones a frondosas mediterráneas y sub-mediterráneas son más probables en aquellas zonas más afectadas por la repetición de periodos secos, mientras que las transiciones a coníferas son más probables en aquellas zonas con menor ocurrencia de estos eventos, pero que existen importantes interacciones con el contexto topográfico que hay que tener en cuenta. Del análisis se desprende que el decline en la tasa de transición a coníferas y el incremento en la tasa de transición a frondosas se relaciona positivamente con el aumento de periodos secos y que, por tanto, si se cumplen los pronósticos de los modelos climáticos, en algunas zonas podría haber un cambio de especie dominante ante la expansión de las frondosas mediterráneas y sub-mediterráneas. El tercer artículo es un análisis de los factores internos de abandono de, por un lado, cultivos de secano y, por otro, cultivos de regadío también mediante teledetección, SIG y BRT. En este caso son dos ámbitos de estudio (periodo 1987-2012): el Pirineo central español y la cuenca central del Ebro. En este análisis se han incorporado variables que cuantifican el coste de desplazamiento a núcleos urbanos y carreteras, y otras que incluyen información socioeconómica a nivel municipal. De este artículo son también varios los resultados, de los que cabe destacar los siguientes: los limitantes físicos tienen un peso específico muy importante, excepto para los cultivos de regadío en la cuenca central, donde la mayor influencia la tiene acceso a infraestructuras; la actividad agrícola en el Pirineo es más dependiente de mercados internos a nivel local; los cultivos de regadío son más vulnerables a la ocurrencia de sequías; la diversificación económica puede ayudar a mantener la actividad agraria, especialmente en el Pirineo. La probabilidad de abandono no siempre tiene una relación lineal con los factores explicativos, encontrando en algunos casos patrones de respuesta polarizados que reflejan, para un mismo factor, diferentes condiciones que favorecen el abandono.The main core of this thesis consists of three scientific articles. The first article deals with obtaining temporal series of land-use and land-cover maps for large areas of the Mediterranean fringe of the Iberian Peninsula. To do this, a classification scheme of Landsat imagery has been implemented. Training and test areas were extracted from the Land Occupation Information System of Spain 2005 (SIOSE, Sistema de Información sobre Ocupación del Suelo en España). The article includes a procedure for obtaining these areas on dates lacking such kind of reference information. An overall accuracy of over 90% has been obtained for all maps, and accuracy by categories is above 85% in most cases. The second article analyzes the main successional stages and transitions between the following vegetation-cover categories: grasslands, shrublands, coniferous forests, broadleaf evergreen forests and broadleaf deciduous forests. Three areas of Spain were included in this study as different scenarios for model development. Ambits correspond to land-cover classifications of three entire Landsat scene and the study period is 1987-2012. Conditions were described by topography derived variables and drought-occurrence variables, which were obtained through a Geographical Information System (GIS). The machine-learning technique Boosted Regression Trees (BRT) were used to identify the most important variables and describe the relationships between the forest vegetation transitions and key factors. Main findings: Transitions to Mediterranean and sub-Mediterranean broadleaf forests are positively associated with drought occurrence while transitions to conifers are negatively affected by drought; Important interactions between topography derived variables and drought have been found. The study provides robust evidence that drought occurrence plays an important role in the decline of conifers and the expansion of Mediterranean and sub-Mediterranean broadleaves, which could become the dominant species in many areas of the Mediterranean if climate model forecasts are met. The third article focuses on the abandonment of rainfed and irrigated herbaceous crops in order to derive specific explanations according to the crop for two different study areas: the Central Spanish Pyrenees and the Central Ebro Basin. The methodology is also based on remote sensing, GIS and BRT. Variables quantifying the cost distance to urban centers and roads and other variables related to socioeconomic data at a municipal level have been included in this analysis. Topography derived variables are the main determinants, except for irrigated crops in the Ebro Basin, where locational factors play a more important role. BRT models have allowed identifying other significant patterns such as: the vulnerability of irrigated crops to drought; the higher dependence of agricultural activity in the Pyrenees on internal networks; pattern shifts of land abandonment in the analyzed sub-periods, and; evidence of the importance of economic diversification for maintaining cropland. The abandonment probability does not always has a linear relationship with the explanatory factors and, in some cases, it shows polarized response patterns that reflect, for a single factor, different contexts prone to be abandoned