Área de estudio

La microcuenca Tula está enmarcada dentro de las coordenadas geográficas: 19° 55’ 31.05’’ y 19° 34’ 28.74’’ latitud norte y 98° 39’ 59’’ y 98° 28’ 16.39’’ latitud oeste (Figura 1), cuenta con una superficie de 103 766 ha y abarca territorio de los municipios: Calpulalpan, Sanctorum de Lázaro Cárdenas, Benito Juárez, Almoloya, Apan, Emiliano Zapata, Singuilucan, Tepeapulco, Villa de Tezontepec, Tlanalapa y Zempoala del estado de Hidalgo, Axapusco y Nopaltepec del Estado de México y Temascalpa del Estado de Tlaxcala. Además, ésta se encuentra inmersa en la cuenca del río Panuco, dentro de la provincia fisiográfica del eje Neovolcánico. Presenta un rango altitudinal de los 2 333 a 3 223 m, la precipitación media anual es de 600 mm y los tipos de suelo predominantes son Feozem, Cambisol, Litosol, Regosol y Vertisol (^{INEGI, 2017a}; ^{INEGI, 2017b}; ^{INEGI, 2017c}), hay diferentes tipos de vegetación entre los que destacan bosque de táscate, bosque de pino, bosque de encino, matorral crasicaule (^{INEGI, 2017d}).

Figura 1 Localización del área de estudio. 

De acuerdo a ^{López et al. (2001)}, para analizar el proceso de cambio de uso y cobertura del suelo, es necesario aplicar tres etapas: a) elaboración e interpretación cartográfica y digital de cambio; b) análisis de patrones de cambio de cobertura y uso de suelo; y c) análisis de causas de cambio.

Generación de cartográfica de uso de suelo

La generación de cartografía corresponde a la primera etapa para realizar el análisis de proceso de cambio. De acuerdo a ^{Bautista et al. (2011)} en esta etapa es necesario seleccionar y adquirir las imágenes satelitales que se trabajaran, posteriormente se les debe realizar un tratamiento digital estándar (corrección geométrica, radiométrica y atmosférica). Después sigue la transformación de imágenes, en donde se clasifica la imagen, a partir de la asociación de elementos observados en la imagen a determinadas categorías temáticas, previo a la clasificación se debe determinar el sistema clasificatorio y finamente realizar la evaluación de las bases digitales geográficas (^{Rosete et al., 2008}; ^{Bautista et al., 2011}).

La generación de la cartografía de cobertura y uso del suelo en este estudio consistió en: a) seleccionar tres imágenes satelitales: Landsat-5 TM (04/12/1992), Landsat-7 ETM + (02/12/2000) y Landsat-8 Oli Tirs (23/11/2017) con una resolución de 30 m y un nivel de procesamiento L1TP; y b) corregir radiométrica y atmosféricamente éstas mediante la extensión Atcor 2. Workstation del programa Erdas Imagine, para asegurar una comparación estandarizada de datos entre ellas (^{Chander et al., 2009}; ^{Vargas-Sanabria y Campos-Vargas, 2018}); c) determinar las áreas de entrenamiento en donde se establecieron ocho categorías de estudio correspondientes a las coberturas de tierra: cuerpo de agua, zona urbana, área forestal, agricultura de temporal, agricultura permanente, matorral crasicaule, vegetación secundaria y área sin vegetación aparente (^{Velázquez et al., 2002}); d) aplicar el algoritmo de clasificación supervisada Maximum Likelihood a cada imagen, en el software ArcMap 10.5 (^{Vargas-Sanabria y Campos-Vargas, 2018}); y e) validar la clasificación de la cobertura vegetal y uso de suelo para el año 1992 y 2000; a través, de su comparación contra las capas de cobertura de uso de suelo y vegetación del INEGI de la serie II y III, respectivamente.

Mientras que para validar la cobertura de 2017, ésta se hizo mediante el establecimiento de puntos de control dentro del área de estudio, utilizando Google Earth^® (^{Earth Google, 2018}) y recorridos de campo a dichos puntos, con el propósito de corroborar el tipo de cobertura correspondiente al sitio de entrenamiento (^{Torres et al., 2018}). Después se procedió a homogeneizar a 30 m el tamaño de pixel de cada uno de los mapas de uso de suelo: 1992, 2000 y 2017 y reclasificar éstos con base en al sistema jerárquico propuesto por ^{Velázquez et al. (2002)} (Cuadro 1) para lograr un sistema de clasificación jerárquico y homogéneo.

Construcción de las matrices de transición

Para la etapa de análisis de patrones de cambio de cobertura y uso de suelo se construyeron matrices de matrices de transición, que se describen como tablas con arreglos simétricos que contienen en las filas los tipos de vegetación y usos del suelo en el primer año o año base y en las columnas estos mismo tipos pero del segundo año. Cada celda de la diagonal principal de dicha matriz representa la superficie en hectáreas de cada clase de cobertura vegetal y uso del suelo que permaneció en la misma categoría durante el período considerado, mientras que en el resto de las celdas se estima la superficie de una determinada cobertura o tipo de uso del suelo que pasó a otra categoría (Dirzo y Masera, 1996 citado por ^{López et al., 2001}) lo que permite entender la dinámica de cambio en la cobertura y uso de suelo a nivel local y regional.

De los mapas en formato shapefile obtenidos de la reclasificación de cobertura vegetal y uso del suelo de 1992, 2000 y 2017, se construyeron las matrices de transición, realizando los siguientes pasos: a) generar matrices de transición entre las distintas categorías mediante una tabulación cruzada (^{Eastman, 2012}), a partir del módulo Crosstab de TerrSet, para los periodos: 1992-2000 y 2000-2017; b) elaborar matrices de probabilidad de pertenencia para cada clase en cada periodo con las matrices de transición; estas matrices se generan de dividir cada una de las celdas de la matriz de transición entre el total de la superficie de la clase analizada (^{Vega et al., 2007}); y c) estimar la probabilidad de pertenencia Pij de cada clase de la matriz, la cual es proporcional a la superficie remanente de la misma clase entre el año 1 y el año 2. Su expresión matemática (^{Sánchez et al., 2004}) es:

Pij=Sij(año 1)Sj(años 2)

Donde: Sij = superficie del elemento ij de la matriz de transición de la cobertura y uso de suelo en el año 1; Sj =superficie de la clase de uso del suelo j en año 2; y ∑Pij=1 para cada categoría de uso de suelo j .

De acuerdo con ^{Sánchez et al. (2004)}, la probabilidad de pertenencia se interpreta de la siguiente manera: 0-33% (baja), 34-66% (media) y 67-100% (alta).

Tasas de cambio

Los procesos de cambio de uso del suelo se determinan con la cartográfica resultante de la tabulación cruzada y se clasifican: en sin cambio, conservada, urbanización, transición, uso antrópico, deforestada, degradada y por actividad productiva (^{Rosete et al., 2008}; ^{Cuevas et al., 2011}). Estos se estimaron mediante la ecuación propuesta por (^{FAO, 1996}):

δn=S2S11n-1

Donde: δn = tasa de cambio promedio anual para la clase i en el n-esimo período evaluado (para expresar en (%) multiplicar por 100); S1= superficie total de la clase i en el período 1; S2= superficie total de la clase i entre el período 2, y n= número de años entre los dos periodos evaluados.

Transiciones del cambio de uso de suelo

En el Cuadro 3 y la Figura 2 se muestran los resultados obtenidos de las matrices de transición y las probabilidades de pertenencia entre categorías, para el periodo de 1992 a 2000. El 54% 416.57+2499.89+⋯+3509.96103766.48= 53.47% de la cobertura vegetal de la microcuenca Tula permaneció sin cambio alguno, mientras que el 46% restante presentó algún cambio (Cuadro 3). De acuerdo con la Figura 3, de 100% del área agrícola que había en el año 1992, 89% 31781.2135793.97= 88.79% permaneció en el año 2000 siendo la única categoría con alta probabilidad de permanencia y 11% cambió a zona urbana 936.0535793.97= 2.62% , área forestal 1213.0735793.97= 3.39% , área abandonada o sin vegetación 1855.7635793.97= 5.18% y cuerpos de agua 7.8835793.97= 0.02% .

Figura 2 Probabilidad de permanencia de uso de suelo del periodo 1992-2000. 

En contraste, el área forestal fue la cobertura que mayor cambio de superficie tuvo con 63% y solo conservó 37% de ésta. Cabe resaltar, que 52% 23950.446339.27= 51.68% de la superficie forestal pasó a área agrícola; lo que muestra que la agricultura es una actividad que remplaza a otras categorías rápidamente (^{Sánchez et al., 2009}; ^{Cuevas et al., 2011}), debido a que la población demanda bienes y servicios, juega un papel importante en el cambio de uso de suelo, ya que al incrementar la población la presión sobre los recursos naturales también aumenta generando impactos negativos como la deforestación (^{Rosete-Vergés et al., 2014}).

También es importante mencionar, que 4% de la superficie forestal cambió a zona urbana 1962.0546339.27= 4.23% , esto se debe a que la población pasó de 213 208 habitantes en 1990 a 245 112 habitantes para el año 2000 de acuerdo con cifras reportadas por el (^{INEGI, 1990}; ^{INEGI, 2000}). Respecto a la zona urbana, de 100% solo permaneció 40% 2499.896244.63= 40.03% , 60% cambio.

En particular, el 38% 2361.746244.63= 37.82% pasó a área agrícola y 16% 986.816244.63= 15.8% a área sin vegetación o abandonada. Esto se debe a que el número de personas aumenta y se requieren más bienes para cubrir las necesidades monetarias, además en esa década de acuerdo a ^{Cruz (2018)} hubo un incremento en la migración de retorno desde Estados Unidos de América al estado de Hidalgo. Por otra parte, las áreas sin vegetación aumentan porque son abandonadas debido a la disminución en la producción agrícola. Durante el periodo 2000 a 2017, 76% 367.42+2739.10+⋯+891.49103766.48= 75.67% de la superficie total de la cuenca permaneció sin cambio, mientras que 24% restante presentó algún cambio (Cuadro 4).

De acuerdo con la clasificación de Sánchez et al. (2003), las categorías: cuerpo de agua 367.42472.95= 77.68% , área forestal 16253.8521023.28= 77.31% y área agrícola 58269.6366102.39= 88.15% son consideradas con probabilidad de alta permanencia; mientras que las categorias: zona urbana 2739.106638.49= 41.26% y áreas sin vegetación aparente 891.499528.66= 9.35% son consideradas con media y baja probabilidad de permanencia (Figura 3), respectivamente.

Figura 3 Probabilidad de permanencia de uso de suelo del periodo 2000-2017. 

Cabe destacar, que la superficie agrícola incrementó 83% 58269.6331781.21-1= 83.34% ; sin embargo, el área forestal disminuyó 5.89% 16253.8517271.5-1= 5.89% , aunque a una tasa menor con respecto al periodo 1992-2000. Algo semejante sucede con la categoría sin vegetación, ésta se redujo 75% 891.493509.96-1= 74.6% , pasando principalmente a área agrícola y área forestal.

Tal y como ya se mencionó, las zonas urbanas obtuvieron una probabilidad media de permanencia, atribuido primordialmente por el incremento de la población en la microcuenca, siendo éste alrededor de 149% 288196115547-1= 149.41% , tomando como año base 1970 con una población de 115 547 habitantes (^{INEGI, 1970}) y como año final 2010 con una población de 288 196 habitantes (^{INEGI, 2013}), la población tuvo una tasa de crecimiento de 2.3% , pasando de 245 112 habitantes en el año 2000 a 288 196 en el año 2010 (^{INEGI, 2000}; ^{INEGI, 2013}).

El aumento en la población resulta en mayor demanda de terrenos para satisfacer las necesidades productivas y de consumo de la población (^{Cuevas et al., 2011}; ^{García et al., 2012}; ^{Torres et al., 2018}).

Tasas de cambio

El Cuadro 5 indica que las tasas de cambio de uso del suelo en el periodo 1992-2000 son mayores que las registradas en el periodo 2000-2017. Para el caso del área forestal, ésta presenta una tasa negativa para el periodo de 1992-2000 y positiva para para el periodo 2000-2017, lo cual coincide con algunos estudios realizados en México, en periodos similares (^{Velázquez et al., 2002}; ^{García-Barrios et al., 2009}; ^{CONAFOR-UACH, 2013}). Sin embargo, el resultado obtenido por la ^{FAO (2010)} es mayor 4%. Las áreas sin vegetación aparente tienen una tasa de cambio positiva que se mantiene en ambos periodos, lo que indica que las zonas erosionadas y empleadas como mina siguen existiendo.

El área agrícola en el primer periodo tuvo una tasa de cambio positiva que va de la mano con la tasa de cambio de las zonas urbanas, esto se debe a que la población necesita de bienes para cubrir sus necesidades. Durante el segundo periodo, la superficie de cuerpos de agua tuvo un incremento de 24%, el cual está relacionado con el incremento del área agrícola, debido a que al incrementar ésta se necesita más agua, lo que lleva a la población a construir más jagüeyes para retener o captar agua de lluvia.

Respecto al periodo 1992-2000, se muestran los procesos de cambio de la superficie total que ocurrieron en la microcuenca: 37% (38,667.76 ha) no cambió, 28% fue deforestada principalmente para fines de uso agrícolas, lo cual coincide con expuesto por ^{SEMARNAT (2002)} en el estudio realizado en el periodo 1993-2000 a nivel nacional (^{Rosete et al., 2008}; ^{FAO, 2010}).