Χαρτογράφηση της αλατότητας του εδάφους από το διάστημα:Παρακολουθώντας την υποβάθμιση της γεωργικής γης του κόσμου

Η παρουσία διαλυτών αλάτων, όπως το χλωριούχο νάτριο, στα γεωργικά εδάφη μπορεί να μειώσει δραματικά την απόδοση των καλλιεργειών. Στην αρδευόμενη γεωργία, ειδικά σε άνυδρες και ημίξηρες περιοχές, η συσσώρευση αλάτων στο προφίλ του εδάφους οφείλεται σε διάφορες διεργασίες εξατμισοδιαπνοής που απομακρύνουν το νερό από τους πόρους του εδάφους ενώ αφήνουν πίσω τους άλατα.

Η συσσώρευση αλάτων μπορεί να αποφευχθεί με την εφαρμογή περίσσειας νερού άρδευσης, με τέτοιο τρόπο ώστε τα άλατα να εκπλένονται κάτω από τη ζώνη της ρίζας. Ωστόσο, η άρδευση που υπερβαίνει τις απαιτήσεις των καλλιεργειών είναι ολοένα και πιο αμφιλεγόμενη όταν το νερό είναι σπάνιο.

Παγκοσμίως, το 40 τοις εκατό του συνόλου των τροφίμων παράγεται σε αρδευόμενες γεωργικές εκτάσεις, που αντιπροσωπεύουν μόνο το 20 τοις εκατό της συνολικής καλλιεργούμενης γης. Αν και οι παγκόσμιες εκτιμήσεις για την αλατότητα είναι αβέβαιες, ο Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας αναφέρει ότι περίπου το ένα πέμπτο των αρδευόμενων καλλιεργήσιμων εκτάσεων στον κόσμο επηρεάζεται από την αλατότητα. Πάνω από τα μισά αρδευόμενα εδάφη που επηρεάζονται από το αλάτι βρίσκονται σε τέσσερις χώρες:Κίνα, Ινδία, Πακιστάν και Ηνωμένες Πολιτείες. Στα αρδευόμενα εδάφη, η αλατότητα γενικά συσσωρεύεται στο προφίλ του εδάφους και, λιγότερο συχνά, στην επιφάνεια του εδάφους. Η απογραφή της αλατότητας του εδάφους σε πολιτειακό και ηπειρωτικό επίπεδο είναι απαραίτητη για τον εντοπισμό και την κατανόηση των παραγόντων και των τάσεων στην αλατότητα του εδάφους, την κατανόηση των οικονομικών επιπτώσεων αυτού του κινδύνου και για την ανάπτυξη στρατηγικών μετριασμού και σχεδίων διαχείρισης.

Η χαρτογράφηση της αλατότητας του εδάφους σε μεγάλες περιοχές είναι δύσκολη λόγω της πολύπλοκης χωρικής μεταβλητότητάς του. Αξιοσημείωτες κλίσεις στην αλατότητα παρατηρούνται συχνά σε μεμονωμένα γεωργικά χωράφια λόγω της φυσικής μεταβλητότητας που υπάρχει στις ιδιότητες του εδάφους που επηρεάζουν την κίνηση του νερού και του αλατιού μέσω του εδάφους. Σε πολλά χωράφια, εμφανίζονται πρόσθετες παραλλαγές λόγω ποικίλων παραγόντων, συμπεριλαμβανομένων των πρακτικών άρδευσης και της ποιότητας του νερού, των αγρονομικών πρακτικών και της άροσης του εδάφους. Οι παραδοσιακές έρευνες εδάφους δεν είναι σε θέση να προσδιορίσουν τη μεταβλητότητα μικρής εμβέλειας στην αλατότητα, επειδή οι πυρήνες του εδάφους λαμβάνονται μόνο κάθε 1-1,5 km. Οι δορυφορικές εικόνες, από την άλλη πλευρά, είναι ένα ιδανικό εργαλείο για την καταγραφή της μεταβλητότητας μικρής κλίμακας σε πολύ μεγάλες περιοχές.

Την περασμένη δεκαετία, αρκετές μελέτες έδειξαν ότι είναι δυνατό να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση της αλατότητας στη γεωργική βλάστηση παρακολουθώντας την ανάπτυξη των καλλιεργειών με τηλεπισκόπηση σε περιφερειακή κλίμακα. Συνήθως, απαιτείται πολυχρονική ανάλυση των δορυφορικών μετρήσεων βλάστησης για να διαχωριστούν οι επιπτώσεις της αλατότητας στις καλλιέργειες από τις επιδράσεις άλλων βιοτικών και αβιοτικών στρεσογόνων παραγόντων. Έχουν χρησιμοποιηθεί διαφορετικοί δορυφόροι και προσεγγίσεις ανάλυσης δεδομένων για τη χαρτογράφηση της αλατότητας του εδάφους. Για παράδειγμα, οι Scudiero et al. χρησιμοποίησε επτά χρόνια εικόνων Landsat 7 για να χαρτογραφήσει την αλατότητα του εδάφους της ριζικής ζώνης (δηλαδή, την αλατότητα στα 1,2 μέτρα του εδάφους στην κορυφή) στη δυτική κοιλάδα San Joaquin στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ (Εικόνα 1).

Το Landsat 7 έχει χωρική ανάλυση 30×30 m και συλλέγει εικόνες στην ίδια τοποθεσία κάθε 16 ημέρες. Ο Zhang και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν εικόνες MODIS για 1 έτος για την αξιολόγηση της αλατότητας του εδάφους στη ζώνη ρίζας στο Δέλτα του Κίτρινου Ποταμού, στην Κίνα. Η παρακολούθηση της βλάστησης MODIS είναι σε ανάλυση 250 και 500 m. Μπορείτε να λάβετε ημερήσιες χρονοσειρές από εικόνες MODIS. Τα ημερήσια δεδομένα μπορούν να αποτυπώσουν τη δυναμική της ανάπτυξης της βλάστησης από ό,τι δεν είναι παρατηρήσιμο με λιγότερο συχνά δεδομένα, όπως αυτά από το Landsat 7.

Οι μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες θα πρέπει να επικεντρωθούν στη χαρτογράφηση και την παρακολούθηση της αλατότητας του εδάφους σε ηπειρωτική και παγκόσμια κλίμακα. Η αλληλεπίδραση διαφορετικών καλλιεργειών με το έδαφος (αλατότητα) αλλάζει σε όλο τον κόσμο, λόγω πολλών παραγόντων που επηρεάζουν, συμπεριλαμβανομένου του καιρού. Η χαρτογράφηση της αλατότητας σε τόσο ευρεία κλίμακα θα συνεπαγόταν τη χρήση τηλεπισκόπησης σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές. Ως ένα βήμα προς αυτόν τον στόχο, οι τρέχουσες προσεγγίσεις τηλεπισκόπησης που προτείνονται στην επιστημονική βιβλιογραφία θα πρέπει να δοκιμαστούν και να επικυρωθούν σε διαφορετικές γεωγραφικές και κλιματικές περιοχές του κόσμου.

Στο πρόσφατο άρθρο "Επικύρωση της χρήσης των χρονοσειρών MODIS για την αξιολόγηση της αλατότητας σε γεωργικά εδάφη στην Καλιφόρνια, ΗΠΑ", που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Ecological Indicators , δοκιμάσαμε την προσέγγιση χρονοσειράς MODIS που προτάθηκε από τον Zhang και τους συνεργάτες του χρησιμοποιώντας ένα σύνολο δεδομένων αλατότητας εδάφους από τη δυτική κοιλάδα San Joaquin. Η δυτική κοιλάδα San Joaquin είναι ημι-άνυδρη γεωργική γη που χαρακτηρίζεται από ζεστά και ξηρά καλοκαίρια και δροσερούς χειμώνες, ενώ το Δέλτα του Κίτρινου Ποταμού, όπου ο Zhang και οι συνεργάτες του διεξήγαγαν την έρευνά τους, έχει υγρά ηπειρωτικά και υγρά υποτροπικά κλίματα με ξηρούς χειμώνες και βροχερά καλοκαίρια. Το «πράσινο» της βλάστησης μπορεί να παρακολουθηθεί χρησιμοποιώντας διάφορους δείκτες που υπολογίζονται από εικόνες MODIS. Στη μελέτη μας, υπολογίσαμε τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης διαφοράς (NDVI), τον ενισχυμένο δείκτη βλάστησης (EVI) και τον δείκτη αλατότητας απόκρισης θόλου (CRSI). Τα NDVI και EVI δοκιμάστηκαν επίσης από τον Zhang και τους συνεργάτες του. Το CRSI αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Αλατότητας των ΗΠΑ USDA-ARS.

Η έρευνά μας έδειξε ότι η μεθοδολογία που προτάθηκε από τον Zhang και τους συνεργάτες του παρείχε ακριβείς εκτιμήσεις αλατότητας εδάφους για εδάφη σε μια κλιματική περιοχή που ήταν διαφορετική από αυτή που ερευνήθηκε προηγουμένως. Ωστόσο, διαπιστώσαμε ότι οι δείκτες βλάστησης έχουν ποικίλες επιδόσεις στις διάφορες περιοχές. Στο Δέλτα του Κίτρινου Ποταμού, το EVI ήταν καλύτερο από το NDVI για τη χαρτογράφηση αλατότητας. στην Καλιφόρνια, το CRSI ήταν καλύτερο από το NDVI, το οποίο ήταν καλύτερο από το EVI. Βελτιώσαμε την αρχική μεθοδολογία που προτείνεται από τους Zhang et al. χρησιμοποιώντας δεδομένα πολλών ετών αντί για δεδομένα ενός έτους· απαιτούνται πληροφορίες από πολλαπλές καλλιεργητικές περιόδους για να απομονωθεί η επίδραση της αλατότητας από άλλες καταπονήσεις. Τέλος, σημειώσαμε ότι η χωρική ανάλυση του MODIS δεν είναι ιδανική για εκτίμηση αλατότητας σε αγροτικές εκτάσεις στην Καλιφόρνια:τα γεωργικά χωράφια είναι συχνά μικρότερα από τα εικονοστοιχεία MODIS και απαιτούνται δεδομένα τηλεπισκόπησης υψηλότερης ανάλυσης για την αντιμετώπιση βραχυπρόθεσμων διακυμάνσεων στα πρότυπα εδάφους, τη χρήση γης και άλλους παράγοντες. Καλούμε τους συναδέλφους επιστήμονες να αξιολογήσουν περαιτέρω και να εναρμονίσουν τις διαφορετικές μεθοδολογίες τηλεπισκόπησης, ώστε να μπορέσουμε να αποκτήσουμε ακριβείς (και πολύ απαραίτητους!) παγκόσμιους καταλόγους αλατότητας του γεωργικού εδάφους.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Validating the use of MODIS time series for salinity εκτίμηση σε γεωργικά εδάφη στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Ecological Indicators. Η έρευνα που συνοψίζεται παραπάνω διεξήχθη (παραγγελία κατά συσχέτιση) από τους Mohamed Allali, Hesham M El-Askary και Kristen Whitney από το Πανεπιστήμιο Chapman, από τους Dennis L Corwin και Todd H Skaggs από το Εργαστήριο Αλατότητας των ΗΠΑ USDA-ARS και από τον Elia Scudiero από το University of California Riverside και το USDA-ARS U.S. Salinity Laboratory.

Αναφορές:

1. FAO ITPS (2015). Status of World’s Soil Resources (SWSR). Κύρια έκθεση, Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών και Διακυβερνητική Τεχνική Επιτροπή για τα Εδάφη, Ρώμη, Ιταλία.
2. Welle, P. D., &Mauter, M. S. (2017). Μοντέλο υψηλής ανάλυσης για την εκτίμηση των οικονομικών και πολιτικών επιπτώσεων της αλάτωσης του γεωργικού εδάφους στην Καλιφόρνια. Environmental Research Letters, 12 (9). doi:10.1088/1748-9326/aa848e
3. Scudiero, E., Corwin, D. L., and Skaggs, T. H. (2015). Εκτίμηση αλατότητας εδάφους σε περιφερειακή κλίμακα με χρήση ανακλαστικότητας θόλου Landsat ETM+. Περιβάλλον Τηλεπισκόπησης . 169, 335–343. doi:10.1016/j.rse.2015.08.026
4. Wu, W., Al-Shafie, W., Mhaimeed, A., Ziadat, F., Nangia, V. και Payne, W. (2014). Χαρτογράφηση αλατότητας εδάφους με τηλεπισκόπηση πολλαπλών κλιμάκων στη Μεσοποταμία, Ιράκ. IEEE J. Sel. Μπλουζα. Εφαρμογή . 7, 4442–4452. doi:10.1109/jstars.2014.2360411
5. Zhang, T., Qi, J., Gao, Y., Ouyang, Z., Zeng, S. και Zhao, B. (2015). Ανίχνευση αλατότητας εδάφους με δεδομένα χρονοσειράς VI MODIS. Ecol. Ινδικό. 52, 480–489. doi:10.1016/j.ecolind.2015.01.004
6. Scudiero, E., Corwin, D. L., Anderson, R. G., Yemoto, K., Clary, W., Wang, Z. L., &Skaggs, T. H. (2017). Η τηλεπισκόπηση είναι ένα βιώσιμο εργαλείο για τη χαρτογράφηση της αλατότητας του εδάφους σε γεωργικές εκτάσεις. California Agriculture, 71 (4), 231-238. doi:10.3733/ca.2017a0009
7. Scudiero, E., Skaggs, T. H., &Corwin, D. L. (2014). Αξιολόγηση αλατότητας εδάφους σε περιφερειακή κλίμακα χρησιμοποιώντας Landsat 7, δυτική κοιλάδα San Joaquin, Καλιφόρνια, ΗΠΑ. Geoderma Regional, 2-3 , 82-90. doi:10.1016/j.geodrs.2014.10.004