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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍAQUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

ANALISIS  DE SUELOS EROSIVOS  Y CARCAVAS UTILIZANDO 

IMÁGENES LANDSAT EN EL TRAMO MEDIO DEL RIO JARAMA 

ESPAÑA

Bernabe Antonio Virginio1, García Rodríguez José Luis2, Gardezi Gardezi Abdul1, Martínez

Menes Mario R.1*, Márquez-Berber Sergio3

1 Hidrociencias, Colegio de Postgraduados, Campus Montecillos, estado de México. C.P. 56230.2 Escuela Técnica Superior de Ingeniero de Montes, Forestales y del Medio Natural. Universidad Politécnica de

Madrid. Madrid, España. C.P. 28040. 3 Universidad Autónoma Chapingo. Departamento de Fitotecnia. C.P. 56230.

*Autor responsable. E-mail: mmario@colpos.mx 

RESUMEN

En este trabajo se ha estudiado la dinámica espacial de los cambios del uso del suelo y los procesos erosivos en cárcavas ocurridosdurante las últimas tres décadas en un área de 23 026 ha ubicadas en el tramo medio del rio Jarama, provincia de GuadalajaraEspaña. El trabajo muestra una metodología para estimar el grado de la actividad erosiva de las cárcavas, se basa en laidentificación del tipo de cubierta vegetal y el porciento de cobertura vegetal en los taludes de imágenes multiespectrales deresolución media LANDSAT. Las coberturas del suelo fueron obtenidas a partir de dos imágenes correspondientes a los años1984 y 2014. Los resultados confirman que el área de estudio durante los últimos 30 años permitieron determinar que el tramomedio del río Jarama actualmente es afectada con 820.62 ha aproximadamente por erosión en cárcavas, superficie que representael 3.6 %, de éstos solo 380.05 ha de sus taludes presentan un grado de estabilidad debido a que la gran mayoría están cubiertas pormatorral arbolado y bosque mixto; asimismo las cárcavas no han ha sufrido un crecimiento debido al buen funcionamiento delProyecto de Restauración Hidrológica Forestal de las tierras del tramo medio de la cuenca del embalse “El Vado” y de laregeneración natural de la reforestación en el periodo de estudio (1984/2014). Como resultado se obtuvó un balance neto de254.78 ha y un porcentaje de cambio anual de 3.7 % en los taludes estables, mientras que los semi-activos y activos resultaroncon saldos negativos de balance neto de 101.76 y 147.81 ha respectivamente.

Palabras clave: Erosión en cárcavas, cambio de usos del suelo, análisis de imágenes de satélite.

INTRODUCCIÓN

El cambio de uso del suelo se ha convertido en un importanteinductor del cambio climático regional y global (Houghton et

al. 1999, Chase et al . 2000, Claussen et al. 2001, Defries et al .

2002, Brovkin et al . 2004); es considerado la primera causa dealteración del suelo (Matson et al. 1997, Lambin et al. 2001,Foley et al . 2005); y afecta, fuertemente, la capacidad de lossistemas biológicos para soportar y satisfacer las necesidadeshumanas (Vitousek et al . 1997, Foley et al . 2005). Talescambios incrementan, a su vez, la vulnerabilidad deecosistemas frente a desastres naturales (Lambin et al. 2001).En este sentido, los datos de teledetección al registrar demanera sinóptica y repetitiva las coberturas de la superficie

terrestre en escalas locales y regionales constituyen una fuentede información de gran utilidad para el inventario y monitoreode los cambios y uso del suelo (Henderson et al.  1999). Ladetección del cambio proporciona indicadores de la dinámicade los ecosistemas e información sobre elementos clave que

requieren atención especial en su análisis y manejo (Krause et

al . 2004). Varios autores han desarrollado diversos métodosen detección de cambios de uso de suelos a partir del análisisdigital de imágenes de satélite, todos ellos sustentados en la

 premisa de que los cambios en las coberturas deben generarcambios en los valores de radiancia de las imágenes mayores alos cambios generados por otros factores tales comodiferencias en las condiciones atmosféricas, en el ángulo delsol y de las condiciones de humedad del terreno (Singh 1989;

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Yuan et al.  1998; Mas 1999). Teniendo conocimiento de larespuesta espectral de la cubierta vegetal y el uso del suelo,varios autores han experimentado con el uso de imágenes desatélite como Jefferson et al., 1992, quienes realizaron unaclasificación de uso de suelo y vegetación utilizando lacombinación de bandas LANDSAT.

Durante los últimos años existe un aumento sostenido en lautilización de imágenes satelitales de baja resolución para elmonitoreo de la variación anual del crecimiento de lavegetación. En escalas pequeñas de análisis, las bajasresoluciones espaciales son contrarrestadas por las altasresoluciones temporales (Carreiras et al ., 2002; Tarwasky et

al ., 2008). El seguimiento del crecimiento y la variacióntemporal y espacial de la vegetación son algunos de los

 principales desafíos en la investigación a partir de técnicas deteledetección, (Moulin et al ., 2003; Chiesi et al.,  2005;Lermitte et al ., 2008). En este contexto, los índices devegetación se han convertido en las principales fuentes deinformación para el monitoreo de la vegetación y sus

variaciones. El más utilizado es el Normalized DifferenceVegetation Index (NDVI), representa una función de bandasespectrales correspondientes al rojo e infrarrojo cercano. Esteíndice es ampliamente utilizado a diversas escalas: locales,regionales (Paruelo et al ., 2004; Paruelo, 2008) continentalesy globales (Samanta, 2011). El estudio de la vegetación, conimágenes de alta y baja resolución, permite realizar cartografíade la distribución espacial y temporal de la cobertura vegetal,con altos niveles de precisión (Xiao et al., 2002; Soegaard et

al., 2003; Cihlar et al., 2003).

La erosión por cárcavas es un proceso erosivo no taninvestigado como la erosión laminar o por surcos. Sin

embargo, afecta de manera importante a áreas de gran interésagrícola en todo el mundo y en particular en la cuencaMediterránea (Martínez-Casasnovas, 1998). Otras

investigaciones sobre procesos erosivos han tenido comoobjeto específico la aplicación de técnicas de teledetecciónmultiespectral a la cartografía de áreas erosionadas porcárcavas, barrancos y "badlands" (Solé et al., 1986; Bocco,1990), o de procesos como los deslizamientos de tierras omovimientos en masa relacionados con este tipo de proceso deerosión. Sin embargo, la detección del grado de actividad -

estabilidad de los barrancos o de sus paredes medianteteledetección es un campo por explorar.

En relación con el grado de actividad - estabilidad de lascárcavas, diversos autores coinciden en señalar que, tras lafase de intenso crecimiento de una cárcava y del moldeado delos taludes por la erosión superficial y movimientos en masa,las paredes de las cárcavas alcanzan una estabilidad que

 permite el crecimiento de vegetación. Así, la presencia devegetación en las paredes de las cárcavas es un signo de suestabilización (Ireland et al., 1939; Bergsma, 1982; Crouch yBlong, 1989). En este sentido, el presente trabajo muestra unametodología basada en el análisis de datos multiespectrales delsensor Landsat que tiene como objetivo la identificación degrados de actividad erosiva en los taludes de las cárcavas. 

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

El área de estudio es el tramo medio de la cuenca del ríoJarama afluente del río Tajo (Ilustración 1). Está localizadaentre los 40º50’ y los 41º03’, latitud norte y entre los 3º15´y3º25´, longitud oeste; tiene un área de 23 027 ha y unalongitud del cauce principal de 82 km. La pendiente media dela cuenca es de 23.85 %, la precipitación media anual es de

500 mm y su temperatura media anual es de 23 º C, conmáxima absoluta de 40 º C

Ilustración 1. Localización del área de estudio.

Método

El método para determinar el grado de actividad erosiva actualde las cárcavas se basó en el propuesto por Crouch y Blong(1989). Este método, identifica diferentes grados de actividaderosiva o estabilidad en función de su grado de cubiertavegetal de las paredes de las cárcavas. Estos autoresidentifican el umbral de 20% de cubierta vegetal como nivelcrítico por debajo del cual las tasas de erosión en los taludesde las cárcavas, muy altas, y la clase de actividad erosiva esconsiderada como activa. Entre el 20 y el 70% de cubiertavegetal la clase se considera como semiactiva. Cuando lacubierta vegetal es mayor al 70% de cubierta vegetal en lostaludes de las cárcavas se consideran estables.

El análisis de la dinámica de las zonas con cobertura vegetal yzonas de riegos de erosión se realizó con base en imágenes desatélite tipo Landsat TM y ETM+ del mes de marzo 1984,1989,1990, 2000, 2007, 2009 y 2014 (path 201 y row 032).Las series temporales fueron usadas para identificar las

 posibles diferencias en la dinámica vegetal como una funciónestacional de la actividad vegetal, y para evaluar con mayorrobustez los patrones temporales y espaciales de la actividad

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vegetal. La tabla 1 muestra la fecha de cada una de lasimágenes empleadas en cada serie multitemporal.

Tabla 1. Datos de las imágenes Landsat usadas en el área de

estudio.

Marzo

Fecha Sensor LANDSAT

11/03/198430/03/198906/03/200028/03/200717/03/200920/03/2014

TMETM+ETM+ETM+ETM+ETM+

577777

Las series multitemporales del NDVI fueron obtenidas a partirde las imágenes LANDSAT, con el propósito de monitorear laactividad vegetal. El NDVI fue calculado como (Rouse et al.,

1974):

= ( − )/( + ) 

Dónde,

IR, es la reflectividad en la región del infrarrojo cercano delespectro electromagnético y R, es la reflectividad en la regióndel rojo.

El NDVI es una medida de la capacidad fotosintética de las plantas (Ruimy et al., 1994) y la resistencia estomática conrespecto a la transferencia de vapor de agua (Tucker y Sellers,1986). Por lo tanto, altos valores de NDVI son indicativos dela actividad de la vegetación secundaria que fue establecida

 para distinguir de forma más eficiente las áreas sin vegetación

y con re-vegetación.

La composición en color de los componentes principales fueempleada por su efecto para realzar las diferencias entrefirmas espectrales similares como la de diferentes tipos desuelos desnudos y campos sin vegetación en el momento de laimagen. Se muestrearon 254 píxeles, equivalentes al 1.08 %(aproximadamente) de la subescena que incluye el área deestudio. Se utilizaron ortofotos en color a escala 1:25 000,

 producidos por el Instituto Nacional Geográfico de España, para el apoyo del trabajo de campo en el muestreo de laverdad- terreno. La fiabilidad global de la clasificación fue del88.6 %.

Para discriminar las áreas no pertenecientes a los taludes de

las cárcavas se optó por aplicar una máscara creada según uncriterio de pendiente. De esta forma, sólo se incluyeron en elanálisis final las áreas con pendiente superior al 25 %.

Bernabe V., et al   (2014), en el tramo medio del rioJarama, España, realizaron el análisis de los cambios decobertura y uso del suelo con base en dos imágenes de satélite,LANDSAT de agosto 1984 y 2013 (Ilustración 2).

Ilustración 2. Mapas de uso de suelo y cobertura vegetal 1984 -

2013 con Imagen Landsat (Bernabe A. V., et al., 2014).

Las tasas de cambio se calcularon utilizando la siguientefórmula:

=100

2 −  

2

 

Donde,

S1 y S2,  son las superficies en los tiempos t1 y t2,respectivamente, yP, es el porcentaje de cambio por año (Echeverría et al ., 2006).

Esta misma fórmula se utilizó para este estudio, obteniendoresultados de balance neto y tasas de cambio porcentual paralas clases de actividad erosiva.

De la leyenda de este mapa de usos del suelo y cubiertavegetal se recoge en la Ilustración 2. Atendiendo al criterio deactividad - estabilidad propuesto por Crouch y Blong (1989) y

de acuerdo a las clases del mapa obtenidas como resultado dela clasificación, se asignaron a cada clase del mapa una clasede actividad - estabilidad (Tabla 5). Las clases del mapacultivos no se les asignó una clase de actividad porconsiderarse clases que no se dan en las paredes de los

 barrancos. Sin embargo, a aquellas compuestas principalmente por suelo desnudo y arbolado ralo (cobertura menores a 20%),se les asignó la clase activa de erosivi dad . La coberturas dearbolado medio, combinadas con pastizales, matorrales se leasignó una clase semi activa (coberturas entre el 20-70$);mientras que los de arbolado denso, bosque mixto se lesasigno la acti vidad de establ e.

RESULTADOS

Variabilidad del NDVI en el periodo 1984-2014

Se evaluó la evolución temporal de los valores medios de NDVI en los meses de marzo para cada una de las coberturasde suelo. Se observó una clara diferencia entre las áreas concobertera vegetal (arbolado con cabida Fcc >70%, arboladocon cabida Fcc 20 - 70%, arbolado con cabida Fcc < 20% ycultivos y pastizales) y las áreas degradadas en cárcavas y deriesgo de erosión (Ilustración 3) Las tendencias resultaron con

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valores negativos en rho de Spearman donde nos indican queexisten asociaciones negativas en riegos de erosión y cárcavas(Tabla 2).

Ilustración 3. Variabilidad multitemporal de los valores medios

del NDVI mes Marzo en el tramo medio del rio Jarama España.

Tabla 2. Valores medios del NDVI y tendencias temporales delNDVI (correlación de Spearman rho contra el tiempo y

significancia estadística) en cada una de las clases de coberturas

en el mes de Marzo.

Las áreas degradadas (cárcavas y zonas de riesgo de erosión)mostraron los valores de NDVI más bajos, con una ligeradiferencia ocasionada por la nula o escasa cobertura vegetal(Ilustración 3). Las tendencias del NDVI fueron negativas enlas áreas de riesgo de erosión. Esto podría indicar la presenciade procesos de degradación (erosión acelerada) en estas áreas

(Ilustración 4).

Ilustración 4. Mapas NDVI con imagen LANDSAT 1984 y 2014.

Análisis de la regresión del NDVI

El análisis de la regresión permitió explicar los patronestemporales del NDVI observados sobre cada cobertura desuelo. El modelo de regresión en general se ajustó bien a losvalores de NDVI observados, solo en el caso de los cultivos y

 pastizales, cárcavas y las zonas de riesgo de erosión, losresultados estuvieron ligeramente por debajo del nivel deconfianza (Tabla 3). El mejor ajuste se obtuvo las zonas con

 buena cobertura vegetal (arbolado con cabida, Fcc > 70 %), node la misma forma para las áreas degradadas (cárcavas y áreasde riesgo de erosión), como lo demuestra los resultados de R 2.Tabla 3. Análisis de la regresión de los valores de NDVI para

Marzo en relación con las condiciones climáticas.

Uso y Cobertura del Suelo media desest rho  

Fcc > 70% 0.63 0.10 0.5170

Fcc 20- 70% 0.56 0.12 0.5738

Fcc < 20% 0.49 0.11 0.3360

Cultivos y pastizales 0.50 0.11 0.2940

Riesgos de erosión 0.48 0.11 -0.1960

Cárcavas 0.42 0.12 -0.0420

Marzo

  Tenden cia de nivele s de NDVI

1984 2014

    F  c  c   >   7   0   %

   F  c  c   2   0  -   7   0   %

    F  c  c   <   2   0   %

   C  u   l   t   i  v  o  s  y

  p  a  s   t   i  z  a   l  e  s

   R   i  e  s  g  o  s   d  e

  e  r  o  s   i   ó  n

   C   á  r  c  a  v  a  s

R 2 0,743 0,779 0,615 0,424 0,467 0,547

 p   0,002 0,001 0,045 0 ,084 0,150 0,082

Error estandar residual   0,561 0,520 0,728 0,839 0,856 0,789

Beta coeficiente:

Precipitación   -0,317 -0,298

Temp Máx

Temp Mín   0,683 0,678 0,371   1.11   0,701 0.716

Dia juliano   -0,310 -0,326 -0,377 - 0.457

Tiempo año   -0,705 -0,845 -0.719

Tendencia temporal

(cambio NDVI):

Año   -0,00216 -0,00433 -0.003

Perido (1984/1913)   -4.03% -7.91% -6.02%

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Actividad erosiva por clase en cárcavas

Los resultados que indican que la clase de acti vidad erosiva

estable   resultaron con el balance neto positivo más alto, con254.78 ha lo que representa 30.95 %, por ende los taludes delas cárcavas presentan un alto grado de estabilidad, con un 3.7

 por ciento de cambio por año. Mientras que la clase erosivasemiactivo y activo  resultaron con un balance neto negativo de101.76 y 147.81 ha respectivamente (Tabla 4).

Tabla 4. Resultados de los cambios de balance neto y cambio por

año.

En la Ilustración 5, se puede apreciar el mapa de distribuciónde las clases en los niveles erosivos en cárcavas, en donde laactivi dad erosiva estable   contiene una cobertura vegetal de

 bosque mixto y matorral; el nivel de actividad semiactivo   pastizales y matorral y la actividad erosiva activa   suelosdesnudos (Tabla 5).Tabla 5. Niveles erosivos asignado, según la clase de cobertura

vegetal existentes en los taludes de las cárcavas de tramo medio

del rio Jarama.

Clase Clase de Cobertura vegetal Actividad erosiva

asignada

1Arbolado denso, bosque mixto ymatorral (cobertura > 70%). Estable

2Arbolado medio, pastizales ymatorral (cobertura 20-70 %). Semi-activa

3Arbolado ralo, suelos desnudosy pastizales (cobertura < 20 %). Activa

Ilustración 5. Mapa de actividad erosiva 1984 y 2014.

DISCUSIÓN 

Estos resultados confirman los estudios realizados por Garcíaet al. (1996), quienes concluyen que las áreas del mediterráneohan sufrido importantes cambios a lo largo del siglo XX,

 principalmente por la forestación espontánea,mayoritariamente por pinares, de antiguas áreas de cultivo.

Estudios recientes, han abordado el impacto de un cambiogradual o repentino en el uso del suelo y cobertura vegetalsobre los procesos de erosión en taludes por cárcavas bajodiversas condiciones ambientales (Poesen et al., 2003). Así

 pues, Harvey (1996) habló de un desarrollo de cárcavas entaludes durante los siglos IX y X en el Reino Unido propiciado

 por un cambio en la cubierta vegetal inducido por el hombre.

Del mismo modo, Bork et al. (1998) atribuyeron elcrecimiento de grandes sistemas de cárcavas durante el sigloXIV en Europa central, a la elevada presión humana sobre elsuelo junto con algunos eventos de precipitación de carácterextremo. Prosser y Winchester (1996) relacionaron eldesarrollo de sistemas de cárcavas en Australia durante losúltimos 200 años, con el proceso de colonización europeo yKasai (2006) atribuyó a la deforestación excesiva llevada acabo durante los últimos siglos en Nueva Zelanda, la aparición 

de mayores formas de erosión, entre ellas, grandes cárcavas.

La agricultura del siglo XX y XXI también ha sido señaladacomo la responsable de la aparición y desarrollo de cárcavasen diversos ambientes. Finalmente, en Nueva Zelanda,Parkner et al . (2006) comprobaron la estabilidad de lasuperficie ocupada por cárcavas debido regeneración naturaldel bosque original durante el período 1939-2003. 

CONCLUSIONES

El área de estudio durante los últimos 30 años permitierondeterminar que el tramo medio del rio Jarama actualmente esafectada con 820.62 ha aproximadamente por erosión encárcavas, superficie que representa el 3.6 %. Asimismo laactividad erosiva estable tienen un alto grado de estabilidad en

los taludes de las cárcavas por regeneración natural con 274 hade balance neto de la superficie afectada del año inicial(1984), resultando de esta manera un cambio por año de 3.7%. En este sentido, la metodología empleada en este trabajo, a

 partir de la combinación de técnicas en Teledetección y SIG,ha demostrado su potencial para estudios que consideran loscambios de cobertura vegetal en cárcavas, lo cual demuestra lautilidad de las imágenes categorizadas por coberturas, que

Activad erosiva ha % ha % ha % %

Activa 487.05 59.73 339.24 41.34 -147.81 -18.39 -1.2

S em i-acti va 203.09 24.91 101.33 12.35 -101.76 -12.56 -2.3

Estable 125.27 15.36 380.05 46.31 254.78 30.95 3.7

Total 815.41 100.00 820.62 100.00

SuperficieBalance neto

  Cambio

por año1984 2014

1984 2014

Clase de

Actividad Erosiva

Activa

Semiactiva

Estable

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 permiten definir y cuantificar la actividad de los procesoserosivos en los taludes de las cárcavas.

AGRADECIMIENTOS

La contribución del primer autor ha sido posible gracias a laBeca otorgada por el Consejo Nacional de Ciencia yTecnología (CONACYT) y la colaboración directa delDepartamento de Ingeniería y Gestión Forestal y Ambiental dela Universidad Politécnica de Madrid, a través de su titular Dr.José Luis García Rodríguez.

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