Environmental Change Based on Earth Observation and Field Data -- A Local Study in the Sahel Zone of Mali and Senegal

Titelangaben

Brandt, Martin:
Environmental Change Based on Earth Observation and Field Data -- A Local Study in the Sahel Zone of Mali and Senegal.
Bayreuth , 2014 . - XVII, 142 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In the past 50 years the Sahel region has experienced significant environmental changes. Droughts, human expansion and a general decline in annual rainfall have led to theories of widespread and irreversible degradation. Recently, this paradigm has been largely replaced by a greening Sahel phenomenon, triggered by increasing rainfall, and observed in satellite based vegetation data. The purpose of this study is to assess local long term vegetation trends in the Sahel of Mali and Senegal by combining satellite datasets and field data. This thesis is designed to improve the knowledge base of the processes responsible for satellite derived trends and thus to shed more light on the degradation and re-greening debates of the Sahel zone. A variety of earth observation products at different spatial and temporal resolutions were acquired and processed for two study areas around Bandiagara (Sahel of Mali) and Linguere (Sahel of Senegal). Intensive ground-truthing using interdisciplinary methods validates and explains vegetation changes observed in satellite data. High-resolution Corona (1965) and RapidEye (2011) imagery show woody vegetation and land cover change at tree level. Results reveal a significant reduction of natural vegetation, an increase of trees in cultivated areas and a general increase of cultivated land. Moreover, encroachment of degraded land and a moderate reduction in tree cover can be observed in both study areas. Climate Research Unit (CRU) climate data show a significant and rapid increase in average annual temperature since the 1960s. Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and Global Precipitation Climatology Center (GPCC) rainfall data reveal that annual rainfall was 15% lower in Linguere (Sahel of Senegal) and 13% in Bandiagara (Sahel of Mali) for the period 1970--2010 compared to 1930-1970. However, both study areas have seen a significant increase in rainfall over the period 1982--2010 (34% in Linguere and 54% in Bandiagara), signifying a possible end of the prolonged dry period. Coarse scale time series were studied from 1982-2010 using Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from Long Term Data Record (LTDR) as well as Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation (FAPAR) from Geoland Version 1 (GEOV1) (both 5 km pixel resolution) and GIMMS3g (8 km pixel resolution). The datasets agree that in both study areas significant greening trends can be observed over the studied time period but significant spatial discrepancies are observed at local scale. Annual rainfall increased since the 2000s, explaining more than 50% of the observed variations. The positive greenness trends can be confirmed by time series of ground measured biomass observations (since 1987), showing a strong increment in woody biomass since the 1980s. However, the higher resolution Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) (250 m) and SPOT-Vegetation (VGT) (1 km) data identify a heterogeneous pattern of spatial variability and the presence of active land degradation at a local level, accounting for approximately 5-10% of each study areas. Reasons for land degradation are both climatic and anthropogenic: (1) drought events, less rain and a higher temperature, and (2) an increased demand for cultivated areas and wood, especially in dry periods. However, beside the presence of degradation, greening areas prevail and cannot solely be explained by rainfall. Although reasons are often site-specific, several factors are true for both study areas: (1) agroforestry on farmer's fields, (2) strict protection laws, (3) large scale reforestation, and (4) a widespread dispersion of robust species, which are resilient to anthropogenic and climatic stress. In spite of the overall positive vegetation trends, a massive species impoverishment was disclosed by interviews with village elders and long term species monitoring. Apart from few dispersing species Balanites aegyptiaca, Acacia raddiana), most other woody species have seen a decline and local extinction. Woody vegetation changes strongly depend on soil properties, which control human impact, drought resilience and vulnerability to erosion. Therefore, a heterogeneous pattern of environmental changes can be observed at a local level and neither the degradation nor the greening paradigm can be generalized.

Abstract in weiterer Sprache

Depuis 50 ans, la région du Sahel connaît d’importants changements environnementaux qui ont conduit à des théories de dégradations irréversibles de l’environnement à grande échelle: sècheresses, expansion des populations humaines et baisse générale des précipitations annuelles. Mais plus récemment, ce modèle a été remis en question par un phénomène de verdissement du Sahel, qui se fonde sur l’augmentation des précipitations et des tendances positives de la végétation reconnaissables sur des données satellites. L’objectif de cette thèse est alors d’explorer au niveau local les différentes tendances liées aux transformations environnementales dans deux zones d’étude situées dans la région Sahel du Mali et du Sénégal. En combinant des données issues aussi bien de satellites que d’un travail de terrain, nous espérons donner un nouveau regard sur les modèles de désertification et de verdissement du Sahel. Diverses données satellitaires avec différentes résolutions spatiales et temporelles ont ainsi été traitées pour deux zones autour de Bandiagara (Sahel du Mali) et Linguère (Sahel du Sénégal). Les changements dans la végétation observés grâce aux données satellites ont ensuite été validés à travers le recours à des méthodes intenses et interdisciplinaires de vérification au sol. Les images de haute résolution de Corona (1965) et RapidEye (2011) montrent les transformations du couvert arboré et terrestre et leur analyse révèle une baisse significative de la végétation naturelle, une augmentation des arbres dans les champs et une augmentation générale de surfaces cultivées. De même, nous pouvons observer une extension des surfaces dégradées et une réduction modérée du couvert arboré dans les deux régions étudiées. Les données climatiques du Climate Research Unit (CRU) témoi-gnent d’une hausse rapide de la température annuelle moyenne depuis les années 1960. Les données pluviométriques du Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) et du Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) montrent que, sur la période de 1970 à 2010, les précipitations annuelles ont baissé de 15% pour Linguère (Sénégal) et de 13% pour Bandiagara (Mali) par rapport à la période de 1930 à 1970. Cependant, si l’on considère la période de 1982 à 2010, les deux zones étudiées ont connu une augmentation significative des précipitations (34% à Linguère et 54% à Bandiagara), ce qui pourrait signifier une fin possible à cette longue période de sécheresse. De plus, des séries temporelles à petite échelle sur la période de 1982 à 2010 ont étés analysées en utilisant les données Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) du Long Term Data Recod (LT-DR) ainsi que Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation (FAPAR) du Geoland Version 1 (GEOV1) (tous deux à la résolution: 5 km) et GIMMS3g (résolution: 8km). L’ensemble des données s’accordent sur le fait que, sur les deux zones d’étude, d’importantes tendances au verdissement peuvent être observées sur la période de l’étude mais qu’il existe de considérables divergences spatiales au niveau local. Les précipitations annuelles ont augmentées depuis les années 2000, ce qui explique plus de 50% des variations observées. La tendance positive de la végétation peut être confirmée par des séries temporelles de mesure au sol de la biomasse (depuis 1987), qui montrent une significative augmentation de la biomasse ligneuse depuis la fin des années 1980. Néanmoins, à un niveau local, nous démontrons également que les données à haute résolution du Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) (250 m) et du SPOT-Vegetation (VGT) (1 km) dessinent un motif hétérogène de variabilité spatiale et la présence de dégradation active des sols à hauteur approximative de 5 à 10% pour chaque zone d’étude. Les causes de cette dégradation des sols sont aussi bien climatiques que liées à l’homme: (1) sécheresses, peu de précipitation et températures élevées et (2) un besoin croissant en surfaces cultivées et boisées, particulièrement durant les périodes sèches. Toutefois, les tendances au verdissement prédominent sur les dégradations et ne peuvent uniquement être expliquées par les précipitations. Même si la plupart des causes sont spécifiques à un lieu donné, certains facteurs sont valables pour les deux régions: (1) de l’agroforesterie dans les champs, (2) des lois strictes pour la protection des arbres, (3) une reforestation à grand échelle et (4) une dispersion étendue d’espèces robustes qui sont adaptées au stress climatique et anthropique. Malgré une tendance positive dans l’ensemble de la végétation, des entretiens avec des anciens des villages et une surveillance des espèces sur le long terme montrent une réduction massive des espèces natives. En dehors de quelques espèces en expansion Balanites aegyptiaca, Acacia raddiana), on observe que les autres espèces ligneuses connaissent presque toutes une forte décroissance voire une disparition. De plus, les transformations du couvert arboré dépendent fortement des propriétés du sol, elles-mêmes influencées par les hommes en ce qui concerne la résistance aux sècheresses et la vulnérabilité à l’érosion des sols. Finalement, au niveau local nous pouvons donc observer un motif extrêmement hétérogène de transformations environnementales ne permettant pas de généraliser les modèles de dégradation ni ceux du verdissement.