Multitemporal analysis of crop farming in the Dudh Koshi basin (Nepal) and climate change

The aim of the work is to map the different cultures in the Dudh Koshi basin area, in Nepal, with the goal of studying their spatial evolution throughout the course of the last decades, in order to predict the future development, according also to climate change processes that are affecting the Area of Study. Nepal is a country where the majority of the population relies on a subsistence farming system, cultivating mainly cereals (Maize, Millet, Wheat and Rice), and many people suffer of malnutrition. For these reasons is very important to study the evolution of the agricultural system. In such a delicate situation, weakened by Nepal’s topography, climate change may have a strong impact on crop yields and, as a consequence, on food security of Nepalese population. To perform this work were used remote sensing data, thanks to the fact that satellite images allow to investigate a large area of terrain over the course of the years, with the possibility of going many years in the past. Were used Landsat images, starting from 1973, until 2015. Were also used LULC maps, taken from the ICIMOD agency, for the years 1990 and 2010, to clip, in first approximation, the farmed areas. The classification process was performed with a “decision tree” method, based on levels of the NDVI vegetative index. The validation of the products of the classification was done comparing the results obtained with values, aggregated per district, of cultivated area, taken always from ICIMOD agency, and through a correlation analysis between the evolution of the farmed areas and population and nutrition level, over the years, in the area of study. In order to evaluate the impact of the environmental forcers on the cropping system, a linear regression analysis was performed, where the change in the cropland was the dependent variable, and climatic and topographic factors were the independent variables, with the goal to discover which parameters were driving the process. From these analysis resulted a large expansion of the croplands and a very strong correlation between the expansion of the areas and the population increment, that looks to be the main driver of the process, while environmental forcers, all very significant according to the regression model, address the expansion. After this analysis a forecast of future evolutions was tried, without creating a model, with a linear regression between the past trend of the farmed areas, depending on the elevation, and the population level (in the past and the expected values for the future). From this last analysis resulted a further expansion, in the next decades, of the agricultural lands, but that remains contained in the total available farming land (this last value was set including all the available lands with a slope lower than 30°).

Lo scopo di questo lavoro è quello di mappare le aree agricole del bacino del Dudh Koshi, in Nepal, e osservarne lo sviluppo passato, con lo scopo di provare a prevederne lo sviluppo futuro, in funzione anche dei cambiamenti climatici, cui l’area è soggetta. Il Nepal è un paese dove la maggior parte della popolazione vive grazie ad agricoltura di sussistenza, coltivando prevalentemente cereali (Mais, Miglio, Grano e Riso), e dove il tasso di malnutrizione è molto elevato. Per queste ragioni è di assoluta importanza studiare l’evoluzione del sistema agricolo. In una situazione così delicata, per di più indebolita dalla topografia del Nepal, che rende ancora più difficoltoso coltivare, i cambiamenti climatici possono avere un forte impatto sulle rese agricole, e di conseguenza mettere a dura prova le risorse di cibo della popolazione Nepalese. Per svolgere questo lavoro sono stati utilizzati dati telerilevati da satellite, che offrono la possibilità di analizzare l’intera area di studi nel corso degli anni, con la possibilità di osservare anche la situazione passata. Sono state utilizzate immagini Landsat, a partire dal 1973, fino al 2015. Sono state anche utilizzate delle preliminari mappe di LULC, fornite dall’agenzia ICIMOD, degli anni 1990 e 2010, per ritagliare in prima approssimazione l’area agricola del bacino. Il processo di classificazione è stato effettuato attraverso degli alberi decisionali basati su soglie dell’indice vegetativo NDVI. La validazione dei prodotti della classificazione è stata effettuata comparando i risultati ottenuti con dei valori, aggregati per distretto, di aree coltivate, ottenuti sempre dall’agenzia ICIMOD, e attraverso analisi di correlazione tra l’evoluzione delle aree agricole e dati di popolazione e livello di nutrimento nell’area di studio. Per valutare l’impatto delle forzanti ambientali sul sistema agricolo è stata svolta un analisi di regressione lineare, dove la variazione delle aree coltivate era la variabile dipendente, e i fattori climatici e topografici le variabili indipendenti, con lo scopo di valutare quali fossero i parametri che hanno guidato il processo. Da queste analisi è risultata un’estesa espansione delle aree agricole, negli ultimi decenni, e una forte correlazione di queste espansioni con l’aumento della popolazione, che sembra essere la prima forzante del processo, mentre le forzanti ambientali, risultate tutte molto significative dalla regressione, ne indirizzano l’espansione. In seguito a queste analisi si è provato a prevedere un possibile sviluppo futuro delle aree agricole, senza creare nessun modello, attraverso un regressione lineare tra lo sviluppo passato delle aree coltivate, in funzione della quota, e il livello di popolazione (passato e atteso per il futuro). Da quest’ultima analisi è risultata un’ulteriore espansione futura delle aree agricole, ma che rientra nei limiti delle aree disponibili coltivabili (per questo sono state considerate tutte le aree con una pendenza inferiore ai 30°).