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Análisis estacional de la influencia climática sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI en el centro del valle del Ebro

De
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Resumen
En este trabajo se analiza la influencia de diferentes variables climáticas sobre la variabilidad interanual del NDVI en las regiones semiáridas del sector central del valle del Ebro. Se ha utilizado una serie de NDVI a un kilómetro de resolución espacial entre 1988 y 2000. Mediante análisis SIG e interpolaciones espaciales se han obtenido series de precipitación, evapotranspiración y balance hídrico del suelo a la misma resolución espacial. Los análisis se han realizado estacionalmente para identificar al papel diferencial de las variables climáticas a lo largo del año en la explicación de las variaciones interanuales del NDVI. El análisis se ha realizado de forma continua, considerando cada uno de los píxeles y también mediante la agregación de los valores de NDVI considerando los principales usos del suelo. Los resultados obtenidos indican que la influencia de las diferentes variables climáticas sobre el NDVI presenta notables diferencias estacionales y también en función de las cubiertas y usos del suelo.
Abstract
This paper analyses the influence of different climatic variables on the interannual variability of the NDVI in the semi-arid regions of the middle Ebro valley (North-east of Spain ). We have used a NDVI data set at 1 km 2 of spatial resolution between 1988 and 2000. Using Geographical Information Systems and spatial interpolation techniques we obtained continuous and multi-temporal maps of precipitation, evapotranspiration and soil water balance at the same spatial resolution that NDVI images. Seasonal analysis has been carried out to identify the role of the climatic variables on the NDVI during the year. The analysis has been carried out continuously (pixel per pixel) and also aggregating the NDVI values for the main land-uses. The results indicate that the influence of the different climatic variables on the NDVI has important seasonal differences and also as a function of the main land-uses of the study area.
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Revista de Teledetección. 2005. 23: 51-64.
Análisis estacional de la influencia climática
sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI
en el centro del valle del Ebro
1,2 2 3S.M. Vicente-Serrano , J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
sergio.vicente-serrano@cesbio.cnes.fr
1 Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (CESBIO), 18 avenue. Edouard Belin, bpi 2801,
31401 Toulouse cedex 9. Francia.
2 Departamento de Geografía. Universidad de Zaragoza. C/ Pedro Cerbuna 12. 50009. Zaragoza, España
3 Laboratorio de Teledetección. Departamento de Física Aplicada I.
Facultad de Ciencias. Universidad de Valladolid. 47071. Valladolid, España.
RESUMEN ABSTRACT
En este trabajo se analiza la influencia de diferen- This paper analyses the influence of different cli-
tes variables climáticas sobre la variabilidad intera- matic variables on the interannual variability of the
nual del NDVI en las regiones semiáridas del sector NDVI in the semi-arid regions of the middle Ebro
central del valle del Ebro. Se ha utilizado una serie de valley (North-east of Spain). We have used a NDVI
2NDVI a un kilómetro de resolución espacial entre data set at 1 km of spatial resolution between 1988
1988 y 2000. Mediante análisis SIG e interpolaciones and 2000. Using Geographical Information Systems
espaciales se han obtenido series de precipitación, and spatial interpolation techniques we obtained con-
evapotranspiración y balance hídrico del suelo a la tinuous and multi-temporal maps of precipitation,
misma resolución espacial. Los análisis se han reali- evapotranspiration and soil water balance at the same
zado estacionalmente para identificar al papel dife- spatial resolution that NDVI images. Seasonal analy-
rencial de las variables climáticas a lo largo del año sis has been carried out to identify the role of the cli-
en la explicación de las variaciones interanuales del matic variables on the NDVI during the year. The
NDVI. El análisis se ha realizado de forma continua, analysis has been carried out continuously (pixel per
considerando cada uno de los píxeles y también pixel) and also aggregating the NDVI values for the
mediante la agregación de los valores de NDVI con- main land-uses. The results indicate that the influen-
siderando los principales usos del suelo. Los resulta- ce of the different climatic variables on the NDVI has
dos obtenidos indican que la influencia de las dife- important seasonal differences and also as a function
rentes variables climáticas sobre el NDVI presenta of the main land-uses of the study area.
notables diferencias estacionales y también en fun-
KEY WORDS: NDVI, NOAA-AVHRR, semi-aridción de las cubiertas y usos del suelo.
regions, GIS, interpolation, precipitation, soil water
balance, evapotranspiration, Ebro valley.PALABRAS CLAVE: NDVI, NOAA-AVHRR,
semiárido, SIG, interpolación, precipitación, balan-
ce hídrico, evapotranspiración, valle del Ebro
satélite (Hutchinson, 1991; Hellden y Eklundh,INTRODUCCIÓN
1988). Ichii et al. (2002) relacionaron los valores de
Alrededor del 70%-80% de la variación temporal NDVI con los de temperaturas y precipitaciones a
global del NDVI puede ser explicada mediante la escala global, observando una relación positiva y
utilización de un pequeño número de índices climá- significativa entre el NDVI y las temperaturas en
ticos utilizados como variables predictoras (Potter y las latitudes medias y altas de Europa y Asia, mien-
Brooks, 1998). Numerosos autores han analizado el tras que la mayor correlación entre el NDVI y las
impacto de las condiciones climáticas sobre la precipitaciones las registraron en regiones desérti-
vegetación natural o sobre los cultivos a diferentes cas y subdesérticas.
escalas espaciales mediante el NDVI (Índice de En las regiones áridas y semiáridas del mundo
Vegetación Normalizado) obtenido de imágenes de el principal limitante para la actividad vegetal es
N.º 23 - Junio 2005 51S.M. Vicente-Serrano, J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
la disponibilidad de agua (Le Houerou, 1984). la vulnerabilidad frente a déficits hídricos (Le
Los estudios realizados sobre el impacto de las Houerou, 1984).
condiciones hídricas sobre la dinámica vegetal En este trabajo se estudia la influencia de dife-
utilizando imágenes de satélite han sido frecuen- rentes variables climática sobre la variabilidad inte-
tes en las regiones semiáridas de África (Tucker ranual del NDVI en una de las regiones más áridas
et al., 1983; Townshend y Justice, 1986; Malo y de la Península Ibérica: el sector central del valle
Nicholson, 1990; Davenport y Nicholson, 1993). del Ebro. El análisis se realiza estacionalmente y de
De estos estudios se concluye que las variaciones forma espacialmente continua para determinar si
temporales del NDVI están íntimamente relacio- las influencias cambian a lo largo del año y en fun-
nadas con las precipitaciones (Santos y Negrín, ción de distintas formaciones vegetales y usos del
1997; Farrar et al., 1994), pero también se ha suelo. Los estudios sobre la influencia del clima
comprobado que la respuesta de la vegetación es sobre la vegetación en la región mediterránea son
mayor ante déficits pluviométricos acumulados escasos. Por ello resulta necesario ampliar la red de
que ante precipitaciones puntuales (Potter y Bro- análisis en un área en la que los modelos climáticos
oks, 1998; Narasimha-Rao et al., 1993; Daven- predicen importantes cambios a lo largo del siglo
port y Nicholson, 1993), por ello frecuentemente XXI (Houghton et al. 2001), que podrían tener serios
se han utilizado ecuaciones de balance hídrico del impactos sobre la vegetación natural y los cultivos
suelo o precipitaciones acumuladas en el tiempo, (Lavorel et al. 1998).
que consideran las condiciones de humedad a
escalas temporales amplias, para determinar la
respuesta de la vegetación ante determinadas con-
ÁREA DE ESTUDIOdiciones de humedad (Kerr et al., 1989; Narasim-
ha-Rao et al., 1993).
Pero además de las condiciones hídricas, las El sector central del valle del Ebro (Figura 1) es
temperaturas también pueden tener una influencia una de las regiones más áridas de la Península Ibé-
directa sobre el crecimiento vegetal (Yang et al. rica, donde la variabilidad climática y especialmen-
1997). En las regiones semiáridas mediterráneas te pluviométrica introduce una limitación importan-
el máximo de actividad vegetal se registra en pri- te para el desarrollo de determinantes actividades y
mavera. La suavización térmica tras el invierno ecosistemas naturales. Se trata de un área escasa-
permite un buen desarrollo de la vegetación siem- mente productiva como consecuencia de la mencio-
pre que las condiciones hídricas sean adecuadas, nada aridez, por la pobreza del sustrato y por la fre-
por lo que hay que considerar que la variabilidad cuencia de las sequías (Austin et al., 1998;
interanual del NDVI podría estar muy condicio- Vicente-Serrano, 2004).
nada por los valores de transpiración si no hay
problemas respecto a la disponibilidad de agua en
el suelo (Millington et al., 1994; Milich y Weiss,
2000).
Pero además del diferente impacto que pueden
tener distintas variables climáticas sobre la dinámi-
ca de la vegetación, hay que tener en cuenta que la
respuesta puede ser muy diferente en función de las
diferentes formaciones vegetales, de sus caracterís-
ticas fisiológicas, su localización geográfica e
incluso hay que considerar que el impacto puede
variar estacionalmente de forma muy importante
en función de las necesidades hídricas y térmicas
de la vegetación. Por ejemplo, la asociación entre
precipitaciones y NDVI varía entre las formacio-
nes vegetales, ya que los distintos tipos de vegeta-
ción difieren en la ratio de crecimiento o en la pro-
ducción primaria por unidad de lluvia, aspecto que
Figura 1. Localización del área de estudio.cambia la eficacia en el uso del agua y, por tanto,
52 N.º 23 - Junio 2005Análisis estacional de la influencia climática sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI...
El valle forma una cubeta topográfica, rodeada regadío (20.8%). Sin embargo, el uso del suelo que
por cadenas montañosas, lo que confiere al sector cubre mayor superficie corresponde a las áreas de
central del valle unas condiciones climáticas muy matorrales y pastizales (25.7%), que a lo largo del
siglo XX se han mantenido en aquellas áreas decontinentales y extremadas, así como la presencia
menor potencialidad para la agricultura. Los bos-de un tipo de vegetación adaptado a estas condicio-
ques constituyen únicamente el 10.1% de la super-nes. Un aspecto muy relevante para explicar el pai-
ficie total, y de ellos son dominantes los bosques desaje actual son las características climáticas. La
coníferas más resistentes y adaptados a los rigoresextremada amplitud térmica anual, con inviernos
edáficos y climáticos del valle. La vegetación natu-muy fríos y veranos extremadamente cálidos, y la
ral se encuentra muy degradada debido a la acciónescasez de precipitaciones y su variabilidad en el
humana, pero representa un importante porcentajetiempo y el espacio, hacen que el clima sea un fac-
en el total del área de estudio (> 35%). Sobre sue-tor determinante en la configuración del paisaje
los yesíferos se conforma una gran estepa conagrario y vegetal, con sequías intensas (Vicente-
amplias áreas de suelo desnudo. El paisaje se carac-Serrano y Beguería, 2003) que muestran una impor-
teriza por la ausencia de un estrato arbóreo, domi-tante variabilidad en el espacio (Vicente-Serrano y
nando los matorrales de escaso porte y las plantasCuadrat, 2005).
herbáceas anuales (Suárez Cardona et al., 1991).En general, el clima de esta región puede englo-
barse dentro de los climas mediterráneos, con un
importante grado de continentalidad. Los inviernos
son fríos y de larga duración, siendo frecuentes las METODOLOGÍA
heladas, aspecto que limita, de forma importante, el
desarrollo de la vegetación y de los cultivos en el El análisis espacio-temporal entre series de
interior del valle. En el centro del valle se registran NDVIy variables de carácter climático se ha reali-
cuatro meses en los que las temperaturas medias se zado en un entorno SIG que permitiera introducir
sitúan por debajo de 10º, con temperaturas extre- múltiples capas de información espacial.
mas en estas zonas inferiores a –10 ºC. En verano
se registran condiciones de calor muy severo Análisis de la información climática
durante prolongados periodos de tiempo; aunque
en el centro del valle los valores medios estivales se Inicialmente fue necesario llevar cabo una inter-
sitúan en torno a 24 ºC, las máximas pueden alcan- polación de la información climática disponible.
zar 40 ºC, con el consiguiente efecto evaporante Para ello se ha contado con datos pluviométricos
(Cuadrat, 1999). diarios de 255 observatorios y datos termométricos
En el caso de las precipitaciones, en las zonas (temperaturas máximas, mínimas y medias) de 164
centrales del valle las precipitaciones son escasas observatorios en el periodo 1985-2000. Se obtuvie-
durante todos los meses del año, y apenas se apre- ron mapas continuos para cada mes de temperatura
cia una estacionalidad en los valores de precipita- y precipitación a la misma resolución espacial de
ción, aunque es el verano la estación que menos las imágenes de satélite utilizadas (NOAA-
precipitación registra. Los valores medios anuales AVHRR) con el objetivo de obtener una serie tem-
oscilan entre los 800 mm en las áreas del norte, en poral climática en cada uno de los píxeles y poder
contacto con las cadenas pirenaicas y menos de 350 relacionar los valores de NDVI con los de las con-
mm en el centro de la depresión. A pesar de las dife- diciones climáticas, de forma espacial, y temporal-
rencias espaciales, la práctica totalidad del área de mente continua.
estudio muestra balances hídricos negativos (preci- Para ello se utilizaron técnicas de interpolación
pitación-evapotranspiración), muy acusados (más local, optando por un interpolador mediante splines
de 900 mm de déficit) en las zonas centrales del con tensión que en el centro del valle del Ebro ofre-
valle. ce buenos resultados y se adapta a las situaciones
El sector central del valle del Ebro se caracteriza concretas de cada mes (Vicente-Serrano et al.,
por una importante diversidad paisajística (Frutos, 2003).
1976). Actualmente los cultivos de secano (a los Una vez obtenidas las cartografías de precipita-
que se añaden las áreas agrícolas con un mosaico de ciones y temperaturas (medias, máximas y míni-
vegetación natural) representan un importante por- mas) se realizaron los cálculos de ETP así como un
centaje (38.9%), muy superior al de los cultivos de balance hídrico climático. Los modelos teóricos de
N.º 23 - Junio 2005 53S.M. Vicente-Serrano, J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
balance hídrico del suelo pueden resultar de enorme A partir de las cartografías continuas de ETP, y las
complejidad e integrar diferentes parámetros. No de precipitación mensual desde enero de 1986 hasta
obstante, en el sector central del valle del Ebro, diciembre de 2000, se calculó el balance hídrico cli-
Seeger (2001) aplicó, con buenos resultados, un mático cada mes en el entorno SIG. El problema de
balance hídrico climático del suelo para analizar la este balance resultante es que de forma crónica en el
dinámica de la humedad en espacios de baja cober- sector central del valle del Ebro se produce un défi-
tura vegetal. Este autor señala que los valores de cit anual de entre 700 u 800 mm (Cuadrat, 1999).
humedad del suelo medidos en campo están muy Por ello, la evolución de los balances no es repre-
relacionados con los valores teóricos obtenidos de sentativa temporalmente, ya que registra un descen-
un balance hídrico climático, siendo su dinámica so continuo del contenido de agua en el suelo con el
temporal comparable. Tanto la infiltración como la tiempo. Para evitar este problema, se ajustaron
escorrentía del agua procedente de las precipitacio- modelos empíricos de forma precisa a partir de las
nes es escasa, y las pérdidas de agua del suelo están series temporales de cada píxel de 1×1 km, traba-
condicionadas, fundamentalmente, por la evapo- jando con los residuales resultantes en cada caso. La
transpiración. Figura 2 ilustra el proceso en un píxel seleccionado
El cálculo del balance hídrico climático fue plan- al azar. En la Figura A se muestra la evolución del
teado inicialmente por Thornthwaite (1948), y se balance hídrico mensual aplicando la formulación
basa en la siguiente expresión: de Thornthwaite. Se aprecia el descenso progresivo
conforme avanzan los meses de la serie, de tal forma
B = B + P – ETP
n n-1 n n que al llegar a diciembre del año 2000 existe un
déficit desde 1986 de casi 12000 mm. Para evitarDonde B es el balance hídrico, P es la precipita-
este problema se ajustó un modelo de regresión, ención mensual, ETP es la evapotranspiración poten-
cada uno de los píxeles del área de estudio, entre elcial, n hace referencia al mes correspondiente.
balance hídrico y la serie temporal en meses. EnLa ETP se ha calculado mediante el método de
todos los casos los modelos fueron significativos pHargreaves (Hargreaves et al., 1985; Allen et al.,
< 0.001. Mediante el cálculo de los residuales se1998), que la FAO recomienda cuando no se dispo-
obtuvo una visión real y relativa del balance hídricone de otro tipo de información que la térmica. En el
en cada uno de los meses. En la Figura B se apreciansector central del valle del Ebro Martínez-Cob
los diferentes ciclos anuales, con máximos en la(2002) muestra como el método de Hargreaves esti-
reserva de agua en invierno y mínimos en agosto, yma de forma muy adecuada la ETP y se ajusta de
se pueden reconocer los periodos más deficitarios oforma excelente a los valores obtenidos mediante el
excedentarios en el píxel considerado. En este casométodo de referencia de Penman-Monteith. La ETP
los veranos de 1994 a 1996.media mensual se calcula de acuerdo a la expresión
(Allen et al., 1998):
0.5. .ETP = 0.0023 R TD (Tm + 17.8)
a
Donde R es la radiación extraterrestre en
a
mm/día calculada según Allen et al. (1998) en fun-
ción de la latitud y el mes. TD es la diferencia entre
temperaturas máximas y mínimas (medias mensua-
les) en ºC. Tm es la temperatura media mensual.
El cálculo se realizó mediante las cartografías
obtenidas con la interpolación de temperaturas
máximas, mínimas y medias, y mediante carto-
grafías continuas de radiación solar potencial,
que fueron obtenidas mediante la utilización de
un modelo digital de elevaciones (Pons, 1997).
-2 -1Los resultados se obtuvieron en J m día . Una
Figura 2. Modelo de balance hídrico para un píxel con-
vez obtenidas las coberturas continuas para cada
creto en función del timpo (A). En la Figura B se muestran
-2 -1mes del año en J m día , éstas se convirtieron en los residuales resultantes del modelo obtenido, que se
-2 -1mm (Allen et al., 1998): 1 MJm día = 0.408 mm pueden considerar como el balance hídrico real respecto
-1 a unas condiciones medias.día .
54 N.º 23 - Junio 2005Análisis estacional de la influencia climática sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI...
El resultado de todo este proceso metodológico 2001). La serie de NDVI utilizada en este trabajo ha
fueron 168 cartografías continuas (una para cada sido desarrollada por el Laboratorio de Teledetec-
mes entre enero de 1987 y diciembre de 2000) de ción de la Universidad de Valladolid (LATUV), que
precipitaciones, temperaturas medias, ETP y balan- dispone de una antena receptora HRPT-NOAA y
ce hídrico, con una resolución espacial de 1×1 km, una serie de índices de vegetación de toda la Penín-
2cuya extensión superficial coincide con la de la sula Ibérica a una resolución espacial de 1 km ,
serie de imágenes de satélite utilizadas. Finalmente desde el año 1987. El proceso de elaboración de las
se obtuvieron series estacionales en cada píxel, imágenes de NDVI en el LATUV tiene en cuenta
invierno (DEF), primavera (MAM), verano (JJA) y todos los problemas que presentan las imágenes
otoño (SON). NOAA-AVHRR. La calibración de los satélites
NOAA-9 y NOAA-11 se realizó de acuerdo a Kauf-
man y Holben (1993), mientras que para el NOAA-
Obtención de la serie de NDVI
14, dada la degradación sufrida por el sensor
AVHRR portado por este satélite, se utiliza unaGracias a las propiedades reflectivas de la vege-
ecuación que varía dichos coeficientes (Rao ytación en las regiones espectrales del visible e infra-
Chen, 1999; NOAA, 2003). Para la correcciónrrojo cercano se puede realizar un seguimiento tem-
atmosférica se utiliza un modelo operativo basadoporal de la cubierta vegetal. Para ello, se suele
en el código 5S (Tanré et al., 1990) con algunasresumir la información recogida en ambas bandas
transformaciones e introduciendo varios paráme-espectrales por medio de los llamados índices de
tros atmosféricos (Illera et al., 1997). Una vezvegetación (Gilabert et al., 1997). El índice más
generado el NDVI, éste se corrige geométricamen-extendido y utilizado, debido a su sencillez y a que
te mediante un método mixto basado en un modelodemanda una escasa información espectrales, es el
orbital y puntos de control (Illera et al., 1996).índice de vegetación normalizado (NDVI), cuya
Finalmente se generan los compuestos mensualesformulación es:
de NDVI para evitar errores residuales según el
r – rIRC R método propuesto por Holben (1986).NDVI =
r + rIRC R La serie de NDVI construida por el LATUV ha
sido testada y ampliamente utilizada para diferentes
objetivos en la Península Ibérica: identificación deSiendo, r la reflectividad en la región espectralIRC
áreas afectadas por sequía (González-Alonso et al.,del infrarrojo cercano y r la reflectividad espectralR
1995, 2000 y 2001), determinación de la producti-en la región espectral del rojo. Numerosos autores
vidad vegetal y el seguimiento de la vegetaciónhan puesto de manifiesto la estrecha relación exis-
natural (Vázquez et al., 2001), o el riesgo de incen-tente entre el NDVI y algunos parámetros ecológi-
dios (Illera et al., 1996b; Calle et al., 2000).cos, como el índice de área foliar (Baret y Guyot,
En la serie utilizada (1987-2000) se planteó un1991; Carlson y Ripley, 1997), la cantidad de bio-
problema atmosférico producido por la erupción, enmasa vegetal producida (Tucker et al, 1981 y 1983;
1991, del monte Pinatubo, lo que supuso un impor-Gutman, 1991; Cihlar et al., 1991) o la proporción
tante incremento del nivel de aerosoles en la atmós-de superficie vegetal (Gillies et al., 1997, Duncan et
fera, reduciendo la fiabilidad de las series de NDVIal., 1993).
durante un periodo de alrededor de un año a nivelEl análisis temporal de la vegetación por medio
global a pesar de la aplicación de coeficientes dedel NDVI puede realizarse mediante diferentes
calibración adecuados (Lucht et al., 2002). Por estaimágenes de satélite, pero debido a su mayor fre-
razón, de la serie de datos disponibles se eliminaroncuencia temporal y a su reducido coste, la mayoría
los meses comprendidos entre septiembre de 1991de estudios centrados en el análisis de la dinámica
y mayo de 1992, momento en el que la proporciónvegetal y en el impacto del clima han utilizado imá-
de aerosoles en la atmósfera vuelve a estabilizarse.genes de los satélites NOAA-AVHRR.
Esto supuso una pérdida de información para losNo obstante, el uso de las imágenes NOAA-
posteriores análisis.AVHRR no está exento de problemas relacionados
Las series mensuales de cada píxel fueron con-con la degradación de la órbita a lo largo del tiem-
po y por el deterioro del sensor AVHRR, lo que vertidas en series estacionales mediante la suma de
supone que las series resultantes presenten algunas los valores de NDVI. Los análisis finales consistie-
tendencias temporales artificiales (Kogan y Zhu, ron en análisis de correlación píxel por píxel a par-
N.º 23 - Junio 2005 55S.M. Vicente-Serrano, J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
tir de las series estacionales de NDVI y de los dife- correlaciones estadísticamente significativas en
rentes parámetros climáticos, considerando también algunas áreas del sector más occidental, donde pre-
las diferencias en función de los usos y cubiertas domina la vegetación herbácea y arbustiva (Figura
del suelo mediante la base CORINE-Land cover. El 4). Frente a ello, la correlación entre el NDVI esti-
nivel de significación se fijó en p < 0.05. val y los valores promedio de balance hídrico del
suelo durante esta estación es significativa en la
mayor parte del área de estudio, con correlaciones
positivas superiores a 0.8. El verano es la estaciónRESULTADOS
del año en la que de forma natural se registran acu-
sadas condiciones de déficit hídrico en el sectorEn la Figura 3 se muestra la distribución espacial
central del valle del Ebro. Por ello resulta lógicade las correlaciones entre el NDVI y los promedios
esta mayor dependencia respecto al agua que sede las variables climáticas en primavera. Las corre-
haya acumulado en los meses anteriores, ya que loslaciones entre los valores de precipitación y los de
veranos con mayores reservas permitirán un ade-NDVI muestran patrones espaciales diferenciados,
cuado desarrollo y actividad vegetal. En el caso decon correlaciones positivas en la mayor parte del
la correlación entre el NDVI y la ETP medios enárea de estudio y significativas en amplias áreas del
verano, se comprueba que existen significativassector central del valle. Sin embargo, en una exten-
relaciones negativas en amplios espacios, dondesa área se registran correlaciones negativas entre el
unas elevadas tasas de ETP acentuarán las condi-NDVI y las precipitaciones. Más extensa es el área
ciones de estrés hídrico y limitarán el desarrollo deafectada por las diferencias interanuales en los
la vegetación. No obstante, en este caso tampoco sevalores de balance hídrico del suelo, con correla-
puede realizar una generalización espacial, ya queciones significativas en amplias áreas, tanto del
en aquellos espacios de mayor elevación (Prepiri-norte, centro y sur del sector central del valle del
neo al norte y puertos de Beceite al sur), se regis-Ebro. En cambio, en el caso de la ETP predominan
tran correlaciones positivas. Este comportamientolas correlaciones negativas, y únicamente en el sec-
puede deberse a las más bajas condiciones térmicastor más meridional se registran valores positivos
que registran de forma promedio estos espacios y aestadísticamente significativos.
las mayores disponibilidades de agua respecto alLas precipitaciones estivales no tienen una
resto, lo que daría lugar a que superiores tasas deinfluencia clara sobre la dinámica interanual del
ETP faciliten la actividad vegetal.NDVI durante el verano. Únicamente se registran
Figura 4. Correlación píxel a píxel entre las series tempora-Figura 3. Correlación píxel a píxel entre las series tempo-
les del NDVI integrado estival y las de ETP, precipitacionesrales del NDVI primaveral y las de ETP, precipitaciones y
y balance hídrico del suelo. El valor de R estadísticamentebalance hídrico. El valor de R estadísticamente significati-
significativo, para un nivel de p < 0.05, se fija en 0.55.vo, para un nivel de p < 0.05, se fija en 0.55.
56 N.º 23 - Junio 2005Análisis estacional de la influencia climática sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI...
En otoño (Figura 5), el NDVI no se encuentra durante esta estación, la influencia de la ETP sobre
influido por las precipitaciones que se registran la actividad vegetal invernal comprende amplias
durante esos meses y sí, en mayor medida, por el áreas del sector meridional, donde altos valores de
agua que permanece acumulada en el suelo o por ETP favorecerán la actividad vegetal invernal en
los valores medios de ETP. Un adelantamiento de todo este espacio.
las condiciones frías terminará con los ciclos vege-
tativos de determinadas especies anuales, disminui-
rá la actividad en los regadíos, terminará con la
actividad de los bosques de frondosas y ralentizará
la de las coníferas, por lo que las bajas tasas de ETP
(asociadas a bajas temperaturas) en otoño darán
lugar a una menor actividad vegetal; al contrario de
lo que sucedía en los meses estivales, donde las
correlaciones con la ETP resultaban ser eminente-
mente negativas en amplios espacios del sector cen-
tral del valle del Ebro.
Figura 6. Correlación píxel a píxel entre las series tempo-
rales del NDVI invernal y las de ETP, precipitaciones y
balance hídrico del suelo. El valor de r estadísticamente
significativo, para un nivel de p < 0.05, se fija en 0.55.
El análisis estacional considerando los principa-
les usos del suelo del área de estudio matiza los
resultados. Respecto a los resultados del análisis de
correlación entre los valores de precipitación y los
de NDVI promedio en cada uno de los diferentes
usos del suelo, las correlaciones más altas se regis-
tran en primavera y verano, aunque en ningún caso
*Figura 5. Correlación píxel a píxel entre las series tem-
son significativas estadísticamenteporales del NDVI otoñal y las de ETP, precipitaciones y
En la Tabla 1 se muestran estas correlaciones conbalance hídrico del suelo. El valor de r estadísticamente
significativo, para un nivel de p < 0.05, se fija en 0.55. relación al balance hídrico del suelo. En este caso sí
que se registran significativas correlaciones en pri-
mavera y verano (mucho más robustas en este últi-
Finalmente, en invierno se refuerza el peso de la mo caso), mientras que en otoño e invierno el peso
ETP dentro de la explicación de las diferencias inte- de las condiciones del balance hídrico del suelo
ranuales en el NDVI (Figura 6). Mientras la sobre la actividad vegetal es muy inferior.
influencia de las precipitaciones invernales sobre el Respecto a la correlación entre los valores de
NDVI en esta estación se reduce a determinadas ETP y los de NDVI estacionales en las diferentes
áreas de regadíos; y los balances hídricos influyen cubiertas, únicamente se registran correlaciones
de forma positiva y significativa únicamente en las positivas y significativas en el caso de los bosques
áreas de bosques de coníferas que siguen activos de coníferas durante la estación invernal (R = 0.51,
Todas las figuras precedidas de asterisco se incluyen en el cuadernillo anexo de color
N.º 23 - Junio 2005 57S.M. Vicente-Serrano, J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
Tabla 1. Correlación entre los valores estacionales de
NDVI y los de balance hídrico en las diferentes estaciones
del año. Los análisis se realizan a partir de la agregación
de la totalidad de los píxeles de cada una de las cubiertas
del suelo. * correlación significativa (p < 0.05), ** correla-
ción significativa (p < 0.01).
p < 0.05). El resto de los usos y cubiertas del suelo
no presentan una correlación significativa entre la
ETP y los valores de NDVI en ninguna de las esta-
ciones. No obstante, se puede señalar que en prima-
vera y verano predominan valores negativos de
correlación, mientras que en invierno y otoño, a
Figura 7. Clasificación del área de estudio de acuerdo apesar de no resultar significativas, las correlaciones
las variables climáticas que más influyen sobre los valoresson altas, y en todos los casos positivas. Ello es
estacionales de NDVI. Sólo se han considerado aquellosindicativo de que todas las formaciones vegetales
píxeles en los que existen correlaciones significativas (p <
del área de estudio se verán favorecidas por altos 0.05). Los espacios en blanco no muestran asociación con
valores térmicos durante estas estaciones del año, ninguna de las variables consideradas.
mientras que superiores valores térmicos tendrán
un peso negativo en primavera y verano, al incre-
mentarse las demandas hídricas por parte de la cativa, perdiendo peso las precipitaciones y las con-
vegetación. diciones de balance hídrico del suelo y ganándolo los
En la Figura 7 se muestra una clasificación esta- valores de ETP, sobre todo en el sector más meridio-
cional del área de estudio de acuerdo a las variables nal del área de estudio.
climáticas que condicionan en mayor medida la Con relación al porcentaje de superficie de los
variabilidad interanual del NDVI. En primavera se diferentes usos del suelo en los que las distintas
produce una importante fragmentación espacial de variables climáticas presentan una correlación sig-
acuerdo a la influencia de los factores climáticos en nificativa con las diferencias interanuales de NDVI,
el desarrollo de la vegetación. No obstante, predo- hay que destacar que en primavera dominan las
mina la influencia del balance hídrico y de las pre- áreas en las que no se registran correlaciones signi-
cipitaciones en sectores más concretos, aunque las ficativas, aunque importantes porcentajes de los
correlaciones no son significativas en la mayor bosques de frondosas y coníferas responden clara-
parte del área analizada. mente a las condiciones del balance hídrico del
En verano, en cambio, se produce un control gene- suelo.
ral de la variabilidad interanual de la vegetación por En verano, en cambio, predomina la influencia de
parte de los valores del balance hídrico del suelo, con las condiciones de humedad expresadas por el
la excepción de las amplias áreas de regadío. Los balance hídrico del suelo en todos los usos, aunque
espacios en los que las correlaciones no resultan sig- en mayor medida en los cultivos de secano (herbá-
nificativas son escasos, y suelen corresponderse con ceas y permanentes) y en las áreas de matorrales y
sectores de cultivos de regadío que reciben agua de pastizales (Tabla 2). Las áreas boscosas presentan
forma artificial y en los que, por lo tanto, las condi- una menor respuesta, ya que en su mayoría se ubi-
ciones hídricas tendrán un peso inferior. En otoño e can en los sectores que reciben mayores precipita-
invierno, sin embargo, la influencia de las variables ciones, por lo que los déficits absolutos serán, en
climáticas se reduce espacialmente de forma signifi- realidad, inferiores.
58 N.º 23 - Junio 2005Análisis estacional de la influencia climática sobre la variabilidad espacio-temporal del NDVI...
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
En este trabajo se ha mostrado que la influencia
de diferentes variables climáticas (precipitación,
temperatura, ETP y balance hídrico) sobre el NDVI
presenta notables diferencias estacionales y tam-
bién en función de las diferentes cubiertas y usos
del suelo. No obstante, se ha comprobado que en
una región de marcadas características semiáridas
Tabla 2. Porcentaje de superficie ocupada por las diferen- son las condiciones hídricas del suelo y, fundamen-
tes cubiertas del suelo en las que los mayores valores de talmente, en las estaciones más cálidas como son la
correlación significativa corresponden con alguna de las
primavera y el verano, el factor que explica, envariables climáticas consideradas durante el verano.
mayor medida, las diferencias anuales en el NDVI.
En todos los casos las precipitaciones que se regis-
tran durante la propia estación tienen un peso infe-Las áreas de secano ya se encuentran cosechadas
rior sobre los diferentes usos del suelo que los valo-en esta estación, y el desarrollo de especies herbá-
res de balance hídrico, los cuales registran lasceas naturales, tras la recolección, dependerá de las
condiciones de humedad acumuladas durante perio-condiciones acumuladas de humedad del suelo
dos de tiempo más amplios y reflejan en mejor(Braun-Blanquet y Bolós, 1957), ya que tanto estas
medida que las precipitaciones los contenidos rea-especies, como las que ocupan las áreas de mato-
les de agua en el suelo. rrales y pastizales naturales, presentan sistemas
La producción vegetal está, pues, más íntima-radiculares poco desarrollados y su actividad
mente relacionada con las condiciones de humedaddependerá en gran medida de la humedad que con-
del suelo que con las precipitaciones que se regis-serve el suelo. Los espacios boscosos o los cultivos
tran en una estación del año determinada. Ello, node regadío, en este caso gracias a los aportes
obstante, resulta lógico en las áreas mediterráneas,mediante riego, muestran un menor porcentaje de
pues un importante porcentaje de las precipitacio-superficie afectada por las condiciones de humedad
nes se registra durante la estación fría, lo que supo-del suelo que el resto de los usos.
ne que la relación precipitación-producción resulteEn otoño desciende la superficie en la que los fac-
diferente a la de las áreas en las que las precipita-tores climáticos tienen un peso significativo. Sin
ciones se producen durante los periodos de másembargo, la influencia de la ETP aumenta en las
altas temperaturas. Este aspecto dificulta el análisisáreas de bosques, tanto de frondosas como de coní-
de la influencia de las precipitaciones sobre la acti-feras, ya que condiciones térmicas más suaves
vidad vegetal, y explica que no sean las precipita-aumentarán el periodo vegetativo de, por ejemplo,
ciones que se reciben en una estación, sino la acu-los robledales que se ubican en los puertos de
mulación de agua en el suelo, a lo largo de ampliosBeceite o en el sector prepirenaico. Dado que las
periodos de tiempo, la que explique, en mayorcondiciones de humedad del suelo durante esta
medida, las diferencias temporales en el NDVI. Enestación son superiores a las estivales, la actividad
este sentido, diferentes estudios de campo realiza-de los bosques se verá favorecida.
dos en el sector central del valle del Ebro han pro-Finalmente, en invierno aumenta la superficie,
respecto al otoño, de las diferentes cubiertas del bado que las producciones de los cultivos respon-
suelo en las que la influencia de los diferentes fac- den, en mayor medida, a las precipitaciones que se
tores climáticos es significativa. No obstante, el registran entre noviembre y abril, que producirán la
área en la que se registran correlaciones significati- recarga de agua aprovechable en los momentos de
vas es superior en las áreas de vegetación natural menores precipitaciones (Austin et al. 1998; McA-
que en los espacios cultivados, aunque en todos los neney y Arrúe, 1993).
casos (excepto en las áreas de cultivos de regadío, Así pues, en la influencia del clima sobre la vege-
donde es la precipitación la variable con la que se tación en las regiones semiáridas puede existir un
registra una mayor superficie de correlación signi- posible retardo en la respuesta vegetal, debido a que
ficativa), aumenta el peso de la ETP. el suelo tiene una cierta capacidad de retención de
agua y la vegetación puede hacer uso de ella tiem-
N.º 23 - Junio 2005 59S.M. Vicente-Serrano, J.M. Cuadrat-Prats y A. Romo
po después de las precipitaciones. Las plantas pre- En general, los principales factores identificados
sentan una gran capacidad para limitar la transpira- en el control de la producción vegetal incluyen la
ción por medio del control de los estomas, y porque suma total de precipitaciones y el periodo de tiem-
las raíces pueden tener acceso a la humedad que se po en que se producen las mismas, las cuales con-
encuentra a mayor profundidad. Por ello, un des- trolan la disponibilidad de humedad en el suelo que
determina las diferentes fases fenológicas en elcenso en la disponibilidad de agua puede no tradu-
ciclo de las plantas anuales. Otros factores que nocirse directamente en un descenso del NDVI. Este
se han tenido en cuenta, como la escorrentía super-aspecto puede explicar el bajo peso de las precipi-
ficial, que pudiera producirse en los eventos detaciones en la explicación de la actividad vegetal en
mayor intensidad en el centro del valle, o la infil-las diferentes estaciones.
tración de los suelos, podrían alterar las relacionesEn general, diferentes estudios señalan que sue-
NDVI-clima. Pero incluso otro tipo de factoreslen registrarse correlaciones más altas entre el
relacionados con las prácticas antrópicas podríanNDVI y los valores de precipitación acumulada
llegar a explicar, por ejemplo, la diferenciacióndurante diferentes meses. Numerosos trabajos
muestran que la vegetación no sólo responde a las espacial que se ha comprobado dentro de las áreas
condiciones climáticas de las estaciones o perio- de cultivos de secano. Lampurlanés et al. (2001)
dos de crecimiento vegetal, sino que en muchas indican que la infiltración de agua en los campos
ocasiones se puede producir un retardo, e incluso de secano del sector central del valle del Ebro
una importante influencia de las condiciones cli- varía significativamente en función de los siste-
máticas que se registraron en el anterior periodo mas de laboreo. Igualmente, las heladas tardías de
de crecimiento vegetativo (Richard y Poccard, primavera suelen tener unos muy negativos efec-
1998; Justice et al., 1986; Davenport y Nicholson, tos sobre los cultivos, sobre todo en las áreas de
1993). Por ejemplo, Wang et al. (2003) señalaron regadíos (Martí, 1993; Hernández, 1992), por lo
que la producción vegetal de los cultivos herbáce- que es de esperar que no todos los espacios mues-
os de secano y de los pastizales en las llanuras tren una variabilidad vegetal explicada por los fac-
centrales de EE.UU. está condicionada por las tores considerados.
precipitaciones, pero no sólo por las recibidas Junto a todos estos factores también hay que
durante el periodo de crecimiento anual, sino tam- tener en cuenta la diversidad fisiológica de las dife-
bién por las que se reciben durante el año anterior. rentes cubiertas vegetales. Debemos ser cuidadosos
Este aspecto puede explicar las mayores correla- al interpretar los resultados de las comparaciones
entre los datos de satélite y los datos pluviométricosciones obtenidas en el sector central del valle del
debido a la variabilidad que se produce en la efica-Ebro con los valores de humedad del suelo, ya
cia en el uso del agua disponible por parte de laque la respuesta de estos balances ante las preci-
vegetación. Tucker y Choudhury (1987) indicanpitaciones, o las condiciones térmicas de un mes
valores con un rango de 0.5 kg/ha/mm/año en espe-concreto, es escasa.
cies subdesérticas, entre 3 y 6 kg/ha/mm/año paraAdemás, el momento en que se produce y la
espacios semiáridos, y unos 30 kg/ha/mm/año enintensidad con la que ha caído la precipitación es
campos de cultivo en áreas fértiles y con elevadacrítico en la determinación de la utilidad de las pre-
gestión humana.cipitaciones para la producción vegetal en ámbitos
semiáridos. Justice e Hiernaux (1986) identificaron Y a todo ello hay que añadir que las diferencias
2 eventos de precipitación que representan un estacionales en la dinámica vegetal y climática
importante papel en el desarrollo de la vegetación todavía añaden complejidad a los análisis. Por
anual. El primero son las precipitaciones que apor- ejemplo, el papel de las precipitaciones y las condi-
tan la humedad suficiente para permitir la germina- ciones hídricas del suelo varían según las condicio-
ción y las primeras fases de crecimiento vegetal. El nes térmicas. En primavera y verano las condicio-
segundo es el inicio de las precipitaciones regulares nes hídricas tendrán más importancia que en
que permiten un desarrollo vegetal continuo sin invierno, estación en la que debido a las bajas tem-
interrupción y corresponde con el periodo de creci- peraturas la actividad vegetal es muy baja. El papel
miento, floración y fructificación. Esto da idea de de las temperaturas y, por consiguiente, de la ETP,
las condiciones de estrés hídrico en ambas fases, será también diferenciado en función de las fases
que pueden afectar de forma diferenciada a las con- fenológicas en las que se encuentra la vegetación.
diciones vegetales. En invierno, valores térmicos altos favorecerán el
60 N.º 23 - Junio 2005

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