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Introducción
La región de Maderas del Carmen es una zona protegida declarada desde 1994, como montaña isla representa un importante corredor biológico para diversas especies migratorias (Miller et al., 2018); en ella existen comunidades vegetales de tipo relicto que representan un refugio para diversos taxones endémicos (Semarnat y Conanp, 2013). Se localiza en el extremo suroriental de la ecorregión del Desierto Chihuahuense, su territorio tiene serranías aisladas de la ecorregión de bosques de pino y encino de la Sierra Madre Oriental (INEGI, Conabio e INE, 2008).
El monitoreo de la cobertura vegetal en grandes extensiones, actualmente, puede hacerse de manera rápida utilizando técnicas de percepción remota, herramientas importantes para realizar estimaciones en fracciones de la vegetación sobre grandes superficies (Barati et al., 2011; Hansen et al., 2013); también se utilizan en análisis multitemporales para monitoreo de cambios en la cobertura vegetal (Alencar da Silva et al., 2019); en monitoreo de incendios para generar mapas de riesgo (Brondi et al., 2016). Asimismo, los índices de vegetación, como el NDVI, son útiles en la detección de las condiciones de hábitat particulares con las que se infiere sobre el movimiento de animales silvestres herbívoros (Pettorelli et al., 2011); el índice ajustado de suelo (SAVI) se usa en zonas semiáridas a escala regional, ya que permite detectar cambios en las comunidades vegetales sobre múltiples años, en los cuales las diferencias en la estacionalidad de la vegetación y suelos suelen minimizarse (White y Swint, 2014).
Los índices de vegetación de tipo espectral: Radio Simple (RS), Diferencia Normalizada de Vegetación (NDVI) y el SAVI marcan una buena correlación con los cambios en la vegetación, como el Índice de Área Foliar (White y Swint, 2014); a su vez, los índices de la vegetación tienen importancia en la derivación de parámetros como el porcentaje de cobertura vegetal (Gonzaga, 2015).
La cobertura forestal y su degradación se han monitoreado en series de tiempo, mediante índices de vegetación (Schultz et al., 2018). El objetivo del presente estudio fue detectar diferencias en la cobertura vegetal de la sierra, lomeríos y llanos que conforman la región de Maderas del Carmen, Coahuila durante las últimas décadas, en tres de sus principales ecosistemas sujetos a diferente intensidad de manejo; el análisis se hizo considerando un monitoreo de valores del índice de vegetación SAVI en cada ecosistema.
Materiales y Métodos
Área de Estudio
La investigación se llevó a cabo en el área ubicada entre las áreas naturales protegidas Maderas del Carmen y Ocampo, ambas incluidas en la categoría de Área de Protección de Flora y Fauna (APFF) (Conanp, 2016); el área de estudio abarca parte de los municipios Acuña, Múzquiz y Ocampo al noroeste del estado de Coahuila (Figura 1).
Adquisición y procesamiento de imágenes de satélite
En la plataforma Global Visualization del Servicio del Interior de los Estados Unidos de América (GloVis, 2005) se localizaron y descargaron imágenes de satélite disponibles del programa Landsat correspondientes a los años 1985, 2001 y 2019; adicionalmente, se obtuvieron otras de 1986, 2002 y 2020; todas en resolución espacial de 30 por 30 m. Además, se incorporaron imágenes de la temporada de lluvias que incluyeron las bandas roja e infrarroja: b3 y b4 Landsat 5 de 1980 y Landsat 7 de inicios de 2000; b4 y b5 de Landsat 8 de 2019 que reunieran las siguientes características: el menor porcentaje de nubosidad posible y sin barridos por defecto del sensor remoto, lo anterior para confirmar tendencias gráficas en el índice que se calculó, y buscar inconsistencias o falta de datos para la temporada de lluvias entre agosto y octubre.
La selección de la temporada del año de las imágenes se hizo esperando la máxima respuesta espectral producto del crecimiento anual de la vegetación. También, se consultó la base de datos WorldClim 2.1 de datos climáticos mensuales históricos de 1970-2000 (Fick y Hijmans, 2017); las variables utilizadas fueron temperatura media mensual (°C) y precipitación mensual (mm).
Con base en este análisis, se seleccionaron las fechas del 24 de septiembre de 1985, 14 de octubre de 2001 y 8 de octubre de 2019; a todas las bandas se les aplicó una corrección atmosférica; se crearon imágenes compuestas que incluyeron las bandas de rojo e infrarrojo cercano de acuerdo a la plataforma y sensor de cada imagen. A partir del archivo predial de la región, se eligieron los predios ubicados en las APFF Maderas del Carmen y Ocampo con la finalidad de generar un polígono del área de interés, en el cual se generó un búfer de 1 000 m para hacer recortes de las tres imágenes satelitales (Figura 1).
Clasificaciones supervisadas
En función de la diferencia en el tiempo transcurrido entre las tres imágenes y para generar áreas de entrenamiento en las clasificaciones de tipo supervisado, se utilizaron como base y referencia las cubiertas vectoriales temáticas del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (Inegi) referentes al Uso de Suelo y Vegetación (1:250 000) para la selección de polígonos muestra como firmas espectrales de los diferentes tipos de vegetación o ecosistemas; la serie II para la imagen de 1985, la serie IV para la de 2001 y la serie VI para las zonas de entrenamiento de la imagen de 2019. Los tipos de uso de suelo y vegetación correspondieron a las series Inegi: bosques (todas sus variantes y combinaciones, incluso la condición chaparral), matorrales tipo micrófilo y rosetófilo, pastizales (naturales, inducidos y halófilos), superficie rocosa (roca madre y aluvial) y superficie con agua (ríos permanentes y pequeñas represas).
Se realizaron recodificaciones a nivel ecosistema para obtener zonas de bosque, matorral y pastizal. La codificación de polígonos muestra utilizados como firma espectral se usó en los procesos de clasificación digital. Se empleó el módulo Clasificación de imagen ArcGIS 10.8.1 de ESRI © 2020 para clasificar las tres imágenes con el método de Clasificación Supervisada de Máxima Verosimilitud; para ello, se editó y usó un conjunto de firmas espectrales único para cada fecha procesada.
Procesos posclasificación
Una vez generada la clasificación y el mapa de uso de suelo y vegetación en cada fecha, el cual conserva los nombres de clase inicialmente asignados provenientes de las áreas de entrenamiento, se procedió a la validación visual de las clases originales con Google Earth Pro y con dos visitas al área de estudio durante el verano del 2020; además de un conocimiento personal previo del sitio desde el año 2000. Se vectorizaron los resultados para generar shapefiles que conservaran un campo con el nombre de la clase usada como entrenamiento. Campos adicionales con el nombre y el ecosistema hicieron posible una revisión y una reclasificación, en la cual las firmas espectrales generadas fueron recodificadas a los tipos de uso de suelo y vegetación creados de acuerdo a las clases asignadas.
Una vez validados los tipos de vegetación y ecosistemas en cada fecha, se analizaron los tres ecosistemas dominantes en cobertura a nivel paisaje en la zona y se calcularon las superficies en kilómetros cuadrados en las tres fechas, para analizar los cambios entre 1985, 2001 y 2019.
Con el fin de asegurar el registro de los valores del índice de vegetación calculado para todos los ecosistemas a lo largo del tiempo considerado, a través de un geoproceso se interceptaron los tres mapas de vegetación para localizar aquellas áreas con permanencia de los tres tipos de vegetación de mayor distribución: bosques, matorrales y pastizales, con ello se hizo el registro de los valores calculados del índice SAVI entre 1985 y 2019; lo anterior permitió registrar el cambio de los valores en el periodo y realizar una interpretación de su cobertura.
Uso del índice SAVI
En cada imagen original recortada a los límites del área de estudio, las bandas de R (rojo) e IRC (infrarrojo cercano) de cada fecha se usaron en la generación del índice SAVI, mediante el módulo de Álgebra de Mapas en Quantum GIS © 3.16 (QGIS Development Team, 2020), se generaron los índices de vegetación para cada imagen del satélite (Landsat 1, 2, 5 u 8 según la fecha) y número de la banda (b) del espectro electromagnético correspondiente a las bandas rojo (R) e infrarrojo cercano (IRC) para formular el Índice de Vegetación Ajustado de Suelo. A cada fecha en las imágenes se le aplicó la Fórmula (1) para generar su índice y calcular un valor de índice por fecha, respectivamente.
Donde:
R = Banda del rojo.
IRC = Banda del infrarrojo cercano.
L = Valor constante de 0.5 para suelos en vegetación considerando un clima semiárido y templado en la región (White y Swint, 2014).
Tipos de vegetación (ecosistema) clasificados y predios con diferente intensidad de manejo en el área de estudio
La superficie total analizada fue de 2 800 km2; de ella, 50.8 % tiene diversas actividades de manejo, mientras que el restante 49.2 % ha estado bajo conservación desde el año 2000. Aunque existe un antecedente detallado de clasificación de la vegetación (Muldavin et. al., 2004) que considera hasta 33 asociaciones vegetales agrupadas en cinco comunidades; para la simplificación del presente estudio en cuanto al análisis de los tipos de vegetación, y dado que se considera que existe una mayor diferencia en la respuesta espectral al aumentar la cobertura a nivel de ecosistema, los resultados de cada clasificación se basaron en la ubicación de áreas de entrenamiento usadas como muestra de los principales ecosistemas existentes en la zona de acuerdo a las series II y VI de Uso del Suelo y Vegetación de Inegi (INEGI, 2001; INEGI, 2016), en las que se identificaron seis usos de suelo y vegetación, algunos en condición secundaria verificados a través de visitas a campo y Google Earth, mediante observación directa de los polígonos de las áreas de entrenamiento.
Como posproceso se eliminaron todos los polígonos menores a 10 000 m2 (1 ha) para evitar el efecto “sal y pimienta”; posteriormente, los polígonos se reclasificaron a tres grandes ecosistemas generalizados. En los mapas reclasificados y vectorizados, resultado de las clasificaciones, se reconocieron los tres ecosistemas más extensos y generalizados: bosques, matorrales y pastizales.
Finalmente, basados en un archivo vectorial con los límites prediales de la zona y la consulta del régimen de propiedad, se reconocieron zonas con manejo comunitario ejidal, áreas privadas con manejo ganadero y terrenos privados sin ganado con vocación de conservación desde el año 2000. Para su registro, se agregó a la base un campo con el tipo de manejo en el que se separaron por intensidad de uso. El tipo de manejo fue capturado en el archivo predial e intersectado con los polígonos de ecosistemas en cada una de las tres fechas analizadas, de manera que se generaron mapas con ecosistemas y tipo de manejo para 1985, 2001 y 2019.
Captura de valores del índice SAVI por ecosistema y régimen de manejo
Dentro del área de distribución de los tres ecosistemas clasificados se realizó un archivo shapefile de tipo puntual en patrón cuadricular, sistemáticamente separados cada 500 m con el módulo Repeating Shapes para ESRI (Jenness, 2012). Con el shapefile creado se capturaron los valores del índice SAVI correspondientes a las tres fechas analizadas, además de conservar el registro del ecosistema y el régimen de manejo, para ello se utilizó el módulo Extract Multivalues to Point de ArcGIS 10.8 (ESRI, 2020). De esta forma, se generó una base de datos de 22 250 registros con la coordenada UTM de cada registro puntual en el área de estudio. El arreglo de la base se organizó con valores de índice SAVI en tres fechas como variable principal, y los factores ecosistema (áreas de bosque, matorral y pastizales) y un factor de manejo (áreas de conservación, zonas privadas con manejo tradicional y zonas de uso ejidal con aprovechamientos extensivos). El esquema metodológico se describe en las Figuras 2a y 2b.
Figura 2 (a) Esquema metodológico de preproceso y clasificación digital de imágenes Landsat del área de estudio, adquisición, corrección atmosférica, recorte, imágenes compuestas, áreas de entrenamiento y clasificación supervisada; (b) Verificación y recodificación de clases por ecosistema, y generación de red de puntos para captura de estos valores y factores ecosistema y manejo.
Análisis estadístico de los datos
La base de datos resultante se convirtió a un archivo en formato vectorial DBF del shapefile al formato de Excel. Cada una de las columnas se identificó con un nombre representativo, mediante filtrados se llevó a cabo la separación de los datos por ecosistema para analizarlos, y se dejó como factor de análisis de comparación la intensidad de manejo por ecosistema en bases de datos separadas por fecha, para hacer pruebas de normalidad. Los valores de la media por ecosistema y fecha se graficaron para observar la tendencia en relación al tiempo. Se hicieron pruebas de normalidad con la prueba de Chi Cuadrada de Pearson con R Commander de R © (Fox, 2020) para datos SAVI de ecosistemas y manejo en las tres fechas. Una vez que no se observó normalidad en la distribución de los datos para el análisis de la varianza, se utilizó la prueba H de Kruskall Wallis para determinar diferencias entre las medias de cada intensidad de manejo en los tres ecosistemas y las tres fechas con el paquete Statistix 8.1 (Statistix, 2003).
Se concentraron los resultados por ecosistema y fecha para analizar diferencias entre las medias de cada intensidad de manejo por ecosistema y determinar en cuál existía mayor cobertura, basados en el valor medio del índice.
Resultados
Análisis espacial de ecosistemas y tendencias entre 1985 y 2019
De acuerdo con los resultados de la clasificación supervisada y recodificada a nivel ecosistemas, de los tres principales en la zona, los bosques han tenido una reducción espacial de poco más de 300 km2 entre 1985 y 2019. Los espacios de matorral han permanecido con cambios menores, cuya disminución fue de aproximadamente 4 km2 entre 1985 y 2019. En cambio, los pastizales se han incrementado en casi 3 600 km2 en un periodo de 34 años (Figura 3a).
Tendencias en valores del índice SAVI
Los valores promedio del índice SAVI calculados para zonas de bosque indicaron a partir de 1985 un descenso gradual hasta 2002, cuando comienza a recuperarse el valor hasta el 2020; para las áreas privadas de manejo dedicado a la conservación, los valores fueron mayores siempre; mientras que, los terrenos privados con manejo presentaron valores intermedios. Finalmente, los espacios de manejo ejidal registraron los menores valores del índice en todas las fechas (Figura 3b).
Desde 1985 en espacios de matorral, se observó una tendencia de disminución gradual hasta 2002, con un incremento en 2019; a los terrenos con manejo de conservación correspondieron los valores más altos a inicio del período y hacia el final, con cifras similares en los años 2002 y 2019; los predios privados con manejo registraron los valores más bajos durante toda la etapa analizada; mientras que los terrenos de manejo comunitario tuvieron valores intermedios entre los terrenos particulares y los espacios con estatus de conservación (Figura 3c).
Los espacios de pastizal registraron una tendencia similar a los bosques y matorrales, con disminución de valores gradual entre los años 80 y principios del siglo XXI, con un incremento posterior al año 2002. En este ecosistema, los terrenos dedicados a la conservación no tuvieron valores de índice más altos, a partir del 2002 se obtuvieron los valores promedio mayores hasta 2020. En pastizales, los terrenos privados con manejo registraron los índices SAVI más altos, para finalizar los últimos 20 años con valores intermedios. Por último, los espacios con manejo comunal tuvieron una constante general de índices de vegetación bajos con una similitud a inicios de 2001 a 2002, y en los años finales del estudio fueron los terrenos con el índice SAVI más bajo entre los diferentes predios (Figura 3d).
Pruebas de normalidad en datos
En las fechas analizadas, los valores SAVI entre 1985, 2001 y 2019, para los tres ecosistemas principales, todas las medias arrojaron valores de probabilidad menores a los valores P de la Chi cuadrada de Pearson calculados para bosques (41.6-105.3), en matorral (431.9-2 078) y en pastizales (231.9-2 342); es decir, no existió normalidad en la distribución de los datos (con p entre 0.032 a 2.2e-16).
Factor manejo en el ecosistema bosque
De acuerdo con el análisis de varianza en la prueba no paramétrica H de Kruskal-Wallis, en 1985 hubo diferencias significativas (α=0.05; valor crítico Z=2.394) entre terrenos privados con manejo de conservación, terrenos privados con manejo y terrenos ejidales. Los primeros fueron los de valor mayor, seguidos por los privados con manejo, y los ejidales registraron el menor índice promedio. Para 2001, hubo diferencias entre los terrenos privados en conservación y con manejo con los terrenos de manejo comunitario (α=0.05, valor crítico Z=2.394); los de manejo comunitario presentaron el menor índice. En 2019, tanto los terrenos privados con manejo como los de conservación fueron diferentes a los terrenos ejidales de acuerdo a la prueba H (α=0.05, valor crítico Z=2.394); el menor valor correspondió a los de manejo comunitario (Cuadro 1).
Cuadro 1 Comparación de medias en valores SAVI, H Kruskal Wallis (α=0.05) en tres intensidades de manejo de tres ecosistemas del área de estudio de 1985 a 2019.
| 1985 | 2001 | 2019 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ecosistema
/Manejo |
Privado
conserv. |
Privado
manejo |
Manejo
comunitario |
Privado
conserv. |
Privado
manejo |
Manejo
comunitario |
Privado
conserv. |
Privado
manejo |
Manejo
comunitario |
| Bosque | A | B | C | A | A | B | A | A | B |
| Matorral | A | B | C | B | C | A | A | A | A |
| Pastizal | A | B | B | C | A | B | A | B | B |
Misma letra muestra igual significación estadística.
Factor manejo en el ecosistema matorral
Para las áreas de matorral, el análisis de varianza en la prueba no paramétrica H de Kruskal-Wallis de 1985 indicó diferencias significativas (α=0.05; valor crítico Z=2.394) entre terrenos privados con manejo de conservación, terrenos privados con manejo y terrenos ejidales; de ellos, los primeros fueron los de valor mayor, seguidos por los privados con manejo y en los ejidales se estimó el menor valor de índice promedio (Cuadro 1). En el año 2001 persistieron las diferencias significativas (α=0.05, valor crítico Z=2.394) entre los tres tipos de manejo; los terrenos con valores mayores fueron los de manejo comunitario, seguidos por los terrenos privados con manejo de conservación, y los terrenos particulares con manejo fueron los de menor valor promedio. En 2019, se presentó un cambio y no se registraron diferencias significativas entre las intensidades de manejo para el matorral (α=0.05, valor crítico Z=2.394) (Cuadro 1).
Factor manejo en el ecosistema pastizal
En los espacios de pastizal en 1985, el análisis de varianza de la prueba no paramétrica H de Kruskal-Wallis para 1985 evidenció diferencias significativas (α=0.05; valor crítico Z=2.394) entre terrenos privados con manejo de conservación y los terrenos privados con manejo y los ejidales; los primeros fueron los de valor mayor, seguidos por los privados con manejo y los ejidales tuvieron el menor índice promedio (Cuadro 1). Para el año 2001 hubo diferencia significativa entre las tres intensidades de manejo según la prueba H Kruskal Wallis (α=0.05; valor crítico Z=2.394); en este caso, los terrenos privados con manejo presentaron el valor mayor, seguidos por los ejidales; mientras que los terrenos dedicados al manejo en conservación registraron el índice más bajo (Cuadro 1). En el año 2019, la situación cambió debido a que se obtuvieron diferencias significativas según la prueba H (α=0.05; valor crítico Z=2.394); las áreas con manejo de conservación registraron el valor más alto, seguidas por los terrenos privados con manejo y los terrenos de manejo comunitario que se igualaron estadísticamente por debajo de los primeros (Cuadro 1).
Discusión
La fecha seleccionada para clasificación y el mapeo de los ecosistemas (septiembre-octubre) resultó adecuada, a pesar de la época lluviosa en esta zona montañosa y de laderas, ya que las imágenes presentaron de baja a nula nubosidad, además expresaron el crecimiento del follaje como respuesta a la precipitación recibida en esa etapa del año y meses correspondientes a la temporada de lluvias.
El índice de vegetación utilizado (SAVI) fue mejor que el cálculo de NDVI, ya que en otros estudios se indica que para suelos claros y secos el NDVI muestra 28 % de error y SAVI 12 %, con aproximadamente 50 % de la superficie cubierta con matorral y 20 % de pastizal; es decir, ecosistemas desérticos con suelos claros y secos (Gonzaga, 2015; Vani y Mandla, 2017). Por otro lado, algunos índices ajustados de suelo como SAVI tienen precisiones similares a los NDVI (Barati et al., 2011).
El ecosistema de bosques presentó una disminución espacial en su superficie, las áreas arboladas para los años ochenta se estimó que cubrían más de 800 km2 y en los años recientes ocupaban 527 km2; este ritmo de pérdida no responde tanto a los aprovechamientos forestales, los cuales no se permiten desde antes de los años 90 (Semarnat y Conanp, 2013). En el APFF Ocampo, el aprovechamiento forestal es de autoconsumo (Semarnat y Conanp, 2015), por lo que los cambios pueden deberse a incendios recurrentes en la zona (Brondi et al., 2016) que han propiciado el cambio de bosques de pino o pino-encino hacia encinares bajos algo abiertos (Alanís et al., 2014) por equivalentes al chaparral en la clasificación de Inegi, que en las partes altas luego se integran a zonas de pastizal y a matorrales rosetófilos en las partes más bajas.
De acuerdo a los valores del índice de vegetación, los sitios más conservados se
ubicaron en terrenos privados con manejo de conservación, ya que tienen valores
SAVI más altos (
Las áreas del ecosistema de matorral registraron pocos cambios espaciales en el
período analizado; espectralmente en relación a los valores de índice
SAVI en áreas de manejo con conservación fue de
Los terrenos con ecosistema de pastizal evidenciaron un incremento en superficie,
posiblemente debido a los cambios en degradación en la zona de borde con bosques y
matorrales; en terrenos privados con conservación, los valores del índice fueron de
Las tendencias observadas, de acuerdo con las comparaciones de medias (Cuadro 1), indican que durante toda la etapa del análisis para zonas de bosque correspondientes a terrenos privados con uso de conservación tienen los valores de índice vegetación más altos. La misma situación se observa en los ecosistemas de matorral y pastizal, con un cambio a finales del siglo XX, cuando no se registran valores del índice de vegetación altos, los cuales se igualan con los de terrenos privados que tienen aprovechamientos, pero recuperan la mejor condición para 2019 y 2020. Tales tendencias de cambio hacia degradación o recuperación de la cubierta vegetal por el efecto del manejo se han detectado bajo el monitoreo de valores de índices de la vegetación (Vani y Mandla, 2017; Xiao et al., 2017).
Conclusiones
Los valores del índice SAVI indican un cambio en la cobertura vegetal, efecto que se refleja en la cantidad de suelo desnudo presente en cada comunidad, aunado a la intensidad de manejo; lo anterior se observa principalmente en el ecosistema de bosque, el cual se ha reducido en los últimos años.
Las zonas de bosque en Maderas del Carmen tienen un ritmo de pérdida gradual de cobertura, reflejado históricamente en los valores de índice de vegetación hasta finales de siglo XX, y que presentan un proceso de conservación marcado, principalmente, en terrenos privados dedicados a su conservación desde el año 2002.
En las áreas de matorral no se observa una disminución espacial significativa en el tiempo, aunque sus valores promedio del índice SAVI, y por tanto de cobertura, están por debajo de las áreas con pastizal. El ecosistema de matorral y los terrenos dedicados a la conservación tienen valores promedio más altos que corresponden a una cobertura de suelo mayor que otros matorrales en zonas de manejo comunitario ejidal y particulares bajo manejo.
En los espacios del ecosistema de pastizal hay un incremento de superficie geográfica en años recientes, y los terrenos privados continuamente han tenido mayor valor promedio en el índice de vegetación que el estimado en los terrenos comunales. En el 2002, los terrenos privados dedicados a conservación mejoran su cobertura respecto al resto de las áreas con manejo; lo anterior se evidencia en los valores más altos de SAVI observados en los últimos 20 años.
