تحلیل مکانی-زمانی خشکسالی در جنگل‌های هیرکانی با استفاده از شاخص‌های گیاهی-حرارتی سنجش از دور

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشکدۀ منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه

2 کارشناسی مهندسی منابع طبیعی-جنگلداری، دانشکدۀ منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه

چکیده

مقدمه: خشکسالی یکی از مخاطرات اقلیمی مهم جهانی است که تأثیرات گسترده‌ای بر چرخه آب، کشاورزی و بوم‌سازگان‌ها دارد. جنگل‌های هیرکانی شمال ایران، با تنوع زیستی زیاد و نقش مهم در ذخیره کربن و تنظیم چرخه آب، در برابر خشکسالی و تغییرات اقلیمی بسیار آسیب‌پذیر هستند. به‌دلیل پیچیدگی و هزینه‌های زیاد پایش این جنگل‌ها، استفاده از داده‌های سنجش از دور و شاخص‌های پوشش گیاهی و حرارتی ابزاری مؤثر برای ارزیابی خشکسالی فراهم آورده است. پژوهش حاضر، با بهره‌گیری از داده‌های MODIS و Landsat و ترکیب چند شاخص پوشش گیاهی و حرارتی، به تحلیل روند مکانی-زمانی خشکسالی در جنگل‌های هیرکانی طی سال‌های ۱۳۸۰ و ۱۴۰۳ پرداخته است تا مناطق حساس به خشکسالی و تغییرات پایداری این بوم‌سازگان را شناسایی کند.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، داده‌های ماهواره‌ای Landsat و MODIS شامل شاخص‌های NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)، VCI (Vegetation Condition Index)، EVI (Enhanced Vegetation Index)، SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index)، NDWI (Normalized Difference Water Index)، TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index) و دمای سطح زمین (Land Surface Temperature - LST) برای سنجش سلامت پوشش گیاهی، رطوبت سطحی و شدت تنش‌های آبی مورد استفاده قرار گرفتند. داده‌ها در محیط Google Earth Engine پیش‌پردازش شدند و ۱۶۷۸ نقطه نمونه‌برداری تصادفی با حداقل فاصله یک کیلومتر انتخاب و شاخص‌ها برای هر نقطه استخراج شدند. روابط بین دمای سطح زمین و شاخص‌های پوشش گیاهی با استفاده از ضریب همبستگی پیرسون و تحلیل‌های هم‌خطی بررسی شد تا تأثیر تنش‌های محیطی بر پوشش گیاهی بر پوشش گیاهی به‌طور دقیق ارزیابی شود.
یافته‌ها: تحلیل شاخص‌های پوشش گیاهی و خشکسالی در جنگل‌های هیرکانی بین سال‌های ۱۳۸۰ و ۱۴۰۳ نشان‌دهنده کاهش قابل توجه تراکم و سلامت پوشش گیاهی است؛ میانگین سالانه NDVI از 642/0 به 498/0، VCI از 42/68 به 37/54، SAVI از 527/0 به 412/0 و NDWI از 214/0 به 067/0- کاهش یافتند. هم‌زمان، شاخص TVDI از 412/0 به 536/0 و میانگین بیشینه دمای سطح زمین از 60/47 به 08/53 درجه سانتی‌گراد افزایش یافته است که نشان‌دهنده تشدید تنش‌های خشکی و گرمایی است. به‌دلیل هم‌خطی شدید میان NDVI، SAVI و NDWI، دو شاخص NDVI و SAVI از مدل حذف شدند و NDWI به‌دلیل اهمیتش در سنجش رطوبت حفظ شد. تحلیل همبستگی‌ها نشان داد که دمای سطح زمین با شاخص TVDI در سال 1380 همبستگی مثبت و بسیار قوی (948/0 = r) دارد، درحالی‌که در سال 1403 این همبستگی کاهش یافته و در سطحی ضعیف (248/0 = r) مشاهده شد. همچنین دمای سطح زمین با شاخص‌های NDWI (076/0- = r و 127/0- = r) و EVI (002/0- = r و
244/0- = r) همبستگی منفی و معنی‌داری نشان داد، که این روابط نمایانگر تأثیر قابل توجه تنش‌های خشکی و حرارتی بر کاهش سلامت و رطوبت پوشش گیاهی جنگل‌های هیرکانی است.
نتیجه‌گیری: این پژوهش اهمیت استفاده از شاخص‌های پوشش گیاهی و حرارتی را در ارزیابی تنش‌های محیطی و خشکسالی در جنگل‌های هیرکانی نشان داد. افزایش دمای سطح زمین و تشدید تنش‌های خشکی، اثرات منفی قابل توجهی بر سلامت و کارایی زیستی پوشش گیاهی داشته‌اند که ضرورت پایش مستمر و جامع این شاخص‌ها را برجسته می‌کند. به‌کارگیری رویکرد چندشاخصی شامل NDWI و TVDI، به‌عنوان شاخص‌های حساس به رطوبت و تنش خشکی، امکان تشخیص دقیق‌تر و مدیریت بهینه‌تر خشکسالی در بوم-سازگان‌های جنگلی مرطوب هیرکانی را فراهم آورد. همچنین، توجه ویژه به نواحی حساس‌تر مانند بخش‌های شرقی (به‌طور خاص استان گلستان) و جنوبی جنگل‌های هیرکانی برای برنامه‌ریزی‌های حفاظتی و مدیریتی حیاتی است. این رویکردها می‌توانند نقش کلیدی در تدوین سیاست‌های مؤثر برای مقابله با چالش‌های اقلیمی و حفاظت پایدار جنگل‌های حساس ایفا کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Spatiotemporal analysis of drought in Iran’s Hyrcanian Forests using remote sensing-based vegetation and thermal indices

نویسندگان [English]

  • Hadi Beygi Heidarlou 1
  • Melina Gholamzadeh Bazarbash 2
1 Assistant Prof., Forestry Department, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, I. R. Iran
2 B.Sc. in Natural Resources Engineering-Forestry, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, I. R. Iran
چکیده [English]

Introduction and Objective: Drought is one of the most significant global climatic hazards, exerting wide-ranging impacts on the water cycle, agriculture, and ecosystems. The Hyrcanian forests of northern Iran, characterized by high biodiversity and critical roles in carbon storage and water regulation, are particularly vulnerable to drought and climate change. Due to the complexity and high costs of field monitoring, the use of remote sensing data and vegetation and thermal indices provides an effective means to assess drought. This study employs MODIS and Landsat data, integrating multiple vegetation and thermal indices, to analyze the spatiotemporal trends of drought in the Hyrcanian forests during 2000 and 2024, aiming to identify drought-sensitive areas and changes in ecosystem stability.
Material and Methods: Satellite data from Landsat and MODIS, including NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), VCI (Vegetation Condition Index), EVI (Enhanced Vegetation Index), SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), NDWI (Normalized Difference Water Index), TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index), and Land Surface Temperature (LST), were utilized to assess vegetation health, surface moisture, and the severity of water stress. Data were preprocessed in Google Earth Engine, and 1,678 randomly sampled points with a minimum distance of one kilometer were selected for index extraction. Relationships between LST and vegetation indices were analyzed using Pearson correlation and collinearity analyses to accurately evaluate the impact of environmental stressors on vegetation.
Results: Analysis of vegetation and drought indices in the Hyrcanian forests between 2000 and 2024 indicated a marked decline in vegetation density and health. Annual mean NDVI decreased from 0.642 to 0.498, VCI from 68.42 to 54.37, SAVI from 0.527 to 0.412, and NDWI from 0.214 to -0.067. Concurrently, TVDI increased from 0.412 to 0.536, and maximum LST rose from 47.60°C to 53.08°C, indicating intensified drought and heat stress. Due to strong collinearity among NDVI, SAVI, and NDWI, NDVI and SAVI were removed from the model while NDWI was retained due to its relevance for moisture assessment. Correlation analysis showed that LST had a very strong positive correlation with TVDI in 2000 (r = 0.948), which decreased to a weak correlation in 2024 (r = 0.248). Additionally, LST exhibited significant negative correlations with NDWI (r = -0.076 and r = -0.127) and EVI (r = -0.002 and r = -0.244), reflecting the substantial impact of drought and heat stress on vegetation health and moisture in the Hyrcanian forests.
Conclusion: This study highlights the importance of vegetation and thermal indices for assessing environmental stress and drought in the Hyrcanian forests. Rising LST and intensifying drought stress have significantly affected vegetation health and functionality, emphasizing the need for continuous and comprehensive monitoring. The use of a multi-index approach, incorporating NDWI and TVDI as moisture- and drought-sensitive indicators, allows for more precise drought detection and management in humid forest ecosystems. Special attention to more vulnerable areas, such as the eastern (particularly Golestan Province) and southern sections of the Hyrcanian forests, is essential for conservation and management planning. These approaches can play a key role in developing effective policies to address climate challenges and sustainably protect sensitive forests.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ecological stress
  • Land Surface Temperature (LST)
  • Vegetation indices
  • Water and heat stress