Dinámica de los ecosistemas del centro de la provincia de Buenos Aires: Una aproximación utilizando sensores remotos

Abstract

La heterogeneidad es uno de los conceptos centrales de la Ecología de Paisajes y está íntimamente asociada a los patrones y procesos que se manifiestan en una determinada escala jerárquica. Generalmente, su abordaje se ha basado en el análisis de la estructura y composición de la vegetación, en consonancia con la aplicación de los sensores remotos en las descripciones y caracterizaciones de coberturas y/o usos del suelo. Sin embargo, el análisis de los aspectos funcionales de los ecosistemas, asociados al intercambio de materia y energía entre la biota y la atmósfera, presenta una ventaja fundamental frente a las variables estructurales que es la rápida respuesta ante diferentes disturbios. Esta tesis doctoral tuvo como objetivo general analizar la dinámica de los ecosistemas del centro-este de la provincia de Buenos Aires a escala regional y el impacto que produce la variabilidad climática sobre su funcionamiento. Para cumplir con este objetivo, en primer lugar, se evaluó el desempeño de diferentes funciones de filtrado disponibles en el software TIMESAT sobre una serie temporal de imágenes MODIS-NDVI y sus impactos en la estimación de dos descriptores funcionales clave: el comienzo y la duración de la estación de crecimiento. Además, se caracterizó la dinámica fenológica de las coberturas de mayor representatividad de la Pampa Deprimida a partir de un mapa de coberturas estables elaborado previamente basado en imágenes Landsat. En base a los resultados provistos en la evaluación de las funciones de filtrado (Capítulo I), se analizaron diversos atributos funcionales de los ecosistemas y su variabilidad interanual para el período 2000-2014, y a partir de ellos se identificaron los Tipos Funcionales de Ecosistemas (TFEs). Por último, se describieron las tendencias temporales de los atributos funcionales y se evaluó la respuesta de los ecosistemas frente a la variabilidad climática provocada por El Niño Oscilación Sur (ENOS) y las precipitaciones estimadas a partir de datos de la Misión de Medición de Lluvias Tropicales (TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission, en inglés). Los resultados indicaron que el filtro adaptativo de Savitzky-Golay mostró un mejor desempeño que las funciones gaussiana y logística, logrando una habilidad balanceada para mantener la integridad de la serie de NDVI y reducir el ruido, el cual presentó una fuerte asociación con la frecuencia de nubosidad. Se encontraron diferencias en las estimaciones del comienzo y la duración de la estación de crecimiento entre las diferentes funciones de filtrado, que oscilan entre 20 y 50 días aunque sin un patrón espacial definido. El comportamiento fenológico de las coberturas de mayor representatividad de la Pampa Deprimida, definidas a priori de acuerdo a características estructurales, no presentó diferencias significativas. Estos resultados indican una clara diferenciación entre escalas ecológicas, donde a escala regional no se reflejan las diferencias que se manifiestan a una escala de mayor detalle. Los patrones promedio de los diferentes atributos funcionales de los ecosistemas representaron, en cierta medida, las variaciones geográficas de la temperatura y humedad. La desviación estándar de los descriptores funcionales resultó ser un eficaz indicador de la variabilidad interanual, donde los patrones espaciales más notorios podrían estar asociados con cambios en el uso del suelo. A partir de ellos y mediante la utilización conjunta de procedimientos de clasificación no supervisada con elementos de estadística multivariada, se logró caracterizar los diferentes TFEs en el área de estudio. Las primeras tres funciones discriminantes explicaron un 95,1% de la variación total que es explicada por la diferencia entre los TFEs (61,5%, 24,3% y 9,3%, respectivamente), donde la integral anual del NDVI (estimador de la productividad primaria neta), la variabilidad interanual de un conjunto de descriptores funcionales y el rango relativo anual de NDVI (indicador de la estacionalidad de los ecosistemas) presentaron las más altas cargas en las respectivas funciones discriminantes. Esto demuestra que, además de la productividad anual y la estacionalidad de los ecosistemas, la variabilidad interanual es un gran determinante de la heterogeneidad en el funcionamiento de los mismos. La dimensión de la variabilidad interanual representa un enfoque novedoso para la identificación de los patrones regionales de la diversidad funcional de los ecosistemas, que podría extrapolarse en ecosistemas de otras latitudes e incluso a diferentes escalas. Las principales tendencias significativas, durante el período 2000-2014, se observaron sobre la estacionalidad y la productividad anual de los ecosistemas. La estacionalidad ha tendido a aumentar, mientras que la productividad anual tuvo una tendencia negativa, mostrando un fuerte impacto en la interceptación de la radiación, el principal proceso que controla las ganancias de carbono, debido probablemente a cambios en el uso del suelo. Además, se encontró una correlación positiva significativa entre la productividad anual y la precipitación acumulada sobre una región dominada por pastizales naturales y áreas agrícolas, al igual que con el Índice Multivariado del ENOS (MEI) aunque sólo concentrada sobre los pastizales naturales que parecen responder rápidamente a la fase “Niño” o fase cálida. Donde el déficit hídrico es una de las principales limitantes para la actividad productiva (sector SO), el incremento de las precipitaciones provocó un adelantamiento del comienzo de estación y del momento de máxima actividad fotosintética lo que indica un fuerte impacto de las actividades antrópicas sobre el funcionamiento de los ecosistemas. Los resultados presentados en esta Tesis constituyen un aporte al conocimiento del funcionamiento de los ecosistemas del centro-este de la provincia de Buenos Aires, particularmente asociado a las ganancias de carbono y su dinámica, que puede ser útil para la implementación de estrategias de manejo y gestión de los recursos naturales, a escala regional, basadas en aspectos funcionales de los ecosistemas. En este sentido, la complejidad de las cuestiones analizadas a lo largo de la Tesis se traduce en resultados gráficos de fácil interpretación que podrían resultar más amigables para los encargados de tomar decisiones sobre los ecosistemas naturales y productivos. Al mismo tiempo, los resultados encontrados representan un punto de partida para evaluar los efectos del cambio climático global y local sobre variables relacionadas a la dinámica del carbono que podrían ser incorporadas en modelos climáticos de mayor complejidad.

Heterogeneity is a key concept of Landscape Ecology and their approach has been based on the analysis of vegetation structure, in line with the application of remote sensing on the descriptions of land cover. However, the analysis of ecosystems functional attributes has a main advantage over the structural variables such as the faster response to disturbances. The aim of this thesis was to analyze the dynamic of the ecosystems from central-east of Buenos Aires province and the impact of the climate variability over their functioning. To achieve this aim, the performance of different smoothing functions over MODIS-NDVI time series and their impacts on the estimation of the start and the length of the growing season were evaluated. Besides, land surface phenology of the land cover types on Flooding Pampa was characterized. Ecosystem functional attributes and their interannual variability for the period 2000-2014 were analyzed, and the Ecosystem Functional Types were identified. Finally, the temporal trends of functional attributes were described and ecosystems responses to the climate variability were evaluated. The results indicated that the adaptive Savitzky-Golay filter showed a better performance than the Gaussian and logistic functions. Differences of 20-50 days between smoothing functions on the estimation of start and the length of the growing season were found. Phenology analysis of the land cover types on Flooding Pampa, defined a priori according to structural characteristics, did not show significant differences, which suggests a clear distinction between ecological scales. The mean patterns of ecosystems functional attributes represented the known geographical variation of temperature and moisture. The stronger spatial patterns of interannual variability could be associated with land use changes. The first three discriminant functions explained 95.1% of the total variation. The annual integral of NDVI (estimator of net primary productivity), the interannual variability of a set of functional descriptors and the annual relative range of NDVI (a descriptor of seasonality) showed the highest loadings in the three discriminant functions. This demonstrates that the interannual variability strongly determines the heterogeneity of ecosystems functioning. The main significant trends, covering the period 2000-2014 were observed on seasonality and the annual productivity of ecosystems. Seasonality has increased, while the annual productivity has decreased. These suggest a strong impact on the radiation interception due to probably land use changes. Positive significant correlation between annual productivity and cumulative rainfall was found over a region dominated by XX natural grasslands and agricultural areas, as well as with Multivariate ENSO Index (MEI) but only over natural grasslands. The increase of rainfall achieved an advance of the start of the growing season and the date of maximum photosynthetic activity over the SW region where moisture available is a limiting for production. The results of this thesis are a contribution to the knowledge of ecosystems functioning from central-east of Buenos Aires province -particularly associated to the carbon gains and its dynamicsthat can be useful in natural resources management strategies at regional scale based on ecosystem functional attributes.