Modeling vegetation structure as early warning indicator of desertification and land degradation : a case study on holm oak woodlands in southern Portugal

Desertification and Land-degradation (DLD) occurs in large regions of the world, being its effects on ecosystems and human activities relevant in the Mediterranean basin region. The characterization of DLD is nowadays well established, but we still need tools to anticipate its effects. The Southern-Iberian Peninsula region is currently under an arid to dry sub-humid climate, and presents a high susceptibility to Desertification and Land-Degradation. Holm oaks woodlands, semi-natural ecosystems with high ecological and economical relevance, occupy a transition area, from the semi-arid to the dry-sub-humid climate. The objective of this work is to evaluate weather changes in the structure of Holm oak woodlands can be used as an early-warning indicator for the DLD process, by modeling their trend along a climatic gradient. For that we define a climatic gradient, established in space and based on the annual average precipitation, in the southern Portugal and study the associated changes in the horizontal structure of the woodlands. Using recent remotely sensed data in a Geographic Information System (GIS) framework, we analyze the woodland structure variation in 131 sampling plots, stratified along the precipitation gradient. We show how the normalized difference vegetation index (NDVI) can be used to model the woodland coverage changes, highlighting the importance of considering homogenous land-cover (in this case Holm oak woodland) for interpreting the NDVI. Using both NDVI and the tree crowns percentage coverage we analyze their linear relationship with a range of climate variables and we show how the woodland cover is declining with decreasing rainfall amounts, increasing temperatures and aridity. We propose the use of a non-linear model to identify potential critical thresholds, and we apply it to model the changes of the total crown percentage coverage and of the NDVI along the precipitation gradient. By modeling the highly significant relation between precipitation and the woodland cover, looking for critical transitions in that relationship, we could use the changes in the structure of Mediterranean woodlands as an early-warning tool for the effects of DLD.

La desertificazione è un processo che interessa ampie regioni del pianeta e i suoi effetti sugli ecosistemi e sull’attività umana sono particolarmente rilevanti nell’ area Mediterranea. Nonostante la caratterizzazione dello stato di desertificazione dei territori sia oggi ben definita, servono dei mezzi per anticiparne gli effetti. La penisola iberica meridionale presenta un clima cha varia da arido a sub-umido ed è soggetta a rischio di desertificazione. Le foreste di leccio (Quercus Ilex L.), un ecosistema semi-naturale di alta rilevanza ecologica ed economica, occupano questa area di transizione climatica. L’obiettivo di questa tesi è determinare se le variazioni nella struttura delle foreste di leccio possono essere usate come indicatore di previsione per gli effetti della desertificazione, modellandone l’andamento lungo un gradiente climatico. A tale scopo, definiamo un gradiente spaziale basato sulla precipitazione annuale nel Sud del Portogallo e studiamo i cambiamenti nella struttura della foresta associati ad esso. Usando immagini telerilevate in un Sistema Informativo Geografico (GIS), analizziamo la struttura orizzontale della vegetazione in 131 campioni, stratificati lungo il gradiente. Mostriamo come l’NDVI (Normalized difference vegetation index) può essere usato per modellare le variazioni della copertura del leccio, evidenziando l’importanza di usare una copertura del suolo omogenea (in questo caso le foreste di leccio) per interpretare l’NDVI. Analizziamo la reazione lineare sia dell’NDVI che della copertura percentuale con un gruppo di variabili climatiche e mostriamo che decrescono con il diminuire della precipitazione e il crescere della temperatura e dell’aridità. Proponiamo l’uso di un modello non lineare per la modellazione delle variazioni di NDVI e copertura lungo il gradiente di precipitazione al fine di identificare le potenziali transizioni critiche. Modellando la relazione significativa tra la precipitazione e la copertura delle foreste di leccio, verificando l’esistenza di transizioni critiche, proponiamo un metodo per usare i cambiamenti nella struttura delle foreste del Mediterraneo come indicatori di previsione per la desertificazione