Land Use and Land Cover Changes in South East Asia : The effects of land transformations on biophysical variables in Indonesia - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2018

Land Use and Land Cover Changes in South East Asia : The effects of land transformations on biophysical variables in Indonesia

Changements dans l’utilisation des terres et de la couverture terrestre en Asie du sud-est : les effets de la transformation sur les paramètres de la surface en Indonésie

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Abstract

Over the last decades, Indonesia has experienced dramatic land transformations with an expansion of oil palm plantations at the expense of tropical forests. Indonesia is currently one of the regions with the highest transformation rate of the land surface worldwide related to the expansion of oil palm plantations and other cash crops replacing forests on large scales. As vegetation is a modifier of the climate near the ground these large-scale land transformations have major impacts on surface biophysical variables such as land surface temperature (LST), albedo, vegetation indices (e.g. the normalized difference vegetation index, NDVI), on the surface energy balance and energy partitioning.Despite the large historic land transformation in Indonesia toward oil palm and other cash crops and governmental plans for future expansion, this is the first study so far to quantify the impacts of land transformation on biophysical variables in Indonesia. To assess such changes at regional scale remote sensing data are needed.As a key driver for many ecological functions, LST is directly affected by land cover changes.We analyze LST from the thermal band of a Landsat image and produce a high-resolution surface temperature map (30 m) for the lowlands of the Jambi province in Sumatra (Indonesia), a region which experienced large land transformation towards oil palm and other cash crops over the past decades. The comparison of LST, albedo, NDVI, and evapotranspiration (ET) between seven different land cover types (forest, urban areas, clear cut land, young and mature oil palm plantations, acacia and rubber plantations) shows that forests have lower surface temperatures than the other land cover types, indicating a local warming effect after forest conversion. LST differences were up to 10.1 ± 2.6 ºC (mean ± SD) between forest and clear-cut land. The differences in surface temperatures are explained by an evaporative cooling effect, which offsets an albedo warming effect.Young and mature oil palm plantations differenced in their biophysical. To study the development of surface biophysical variables during the 20 – 25 years rotation cycle of oil palm plantations, we used three Landsat images from the Jambi province in Sumatra/Indonesia covering a chronosequence of oil palm plantations.Our results show that differences between oil palm plantations in different stages of the oil palm rotation cycle are reflected in differences in the surface energy balance, energy partitioning and biophysical variables. During the oil palm plantation lifecycle the surface temperature differences to forest gradually decrease and approach zero around the mature oil palm plantation stage of 10 years. Concurrently, NDVI increases and the albedo decreases approaching typical values of forests. The surface energy balance and energy partitioning show a development patterns related to biophysical variables and the age of the oil palm plantations. Newly established and young plantations (< 5 years) have less net radiation available than mature oil palm plantations, yet have higher surface temperatures than mature oil palm plantations. The changes in biophysical variables, energy balance and energy partitioning during the oil palm rotation cycle can be explained by the previously identified evaporative cooling effect in which the albedo warming effect is offset. A main determinant in this mechanism is the vegetation cover during the different phases in the oil palm rotation cycle. NDVI as a proxy for vegetation cover showed a consistent inverse relation with the LST of different aged oil palm plantations, a trend that is also observed for different land use types in this study. (Last and final summary in the thesis)
Au cours des dernières décennies, l'Indonésie a connu des transformations spectaculaires des terres avec une expansion des plantations de palmiers à huile au détriment des forêts tropicales. L'Indonésie est actuellement l'une des régions ayant le plus haut taux de transformation de la surface terrestre dans le monde à cause de l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres agricultures qui remplacent les forêts à grande échelle. Comme la végétation est un modificateur du climat près du sol, ces transformations à grande échelle ont des impacts majeurs sur les variables biophysiques de surface telles que la température de surface, l'albédo, les indices de végétation (NDVI), sur le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique.Ce travail de thèse vise à quantifier les impacts des changements d’usage des terres en Indonésie sur les variables biophysiques de surface. Pour évaluer ces changements à l'échelle régionale, des données de télédétection sont nécessaires.Étant une variable clé de nombreuses fonctions écologiques, la température de surface (LST) est directement affectée par les changements de la couverture terrestre. Nous avons analysé la LST à partir de la bande thermique d'une image Landsat et produit une carte de température de surface avec une haute résolution (30m) pour les basses terres de la province de Jambi à Sumatra (Indonésie), une région qui a subi de grandes transformations au cours des dernières décennies. La comparaison des LST, albédo, NDVI et évapotranspiration (ET) entre sept différents types de couverture terrestre (forêts, zones urbaines, terres incultes, plantations de palmiers à huile jeunes et matures, plantations d'acacias et de caoutchouc) montre que les forêts ont des températures de surface inférieures à celles des autres types de couvert végétal, ce qui indique un effet de réchauffement local après la conversion des forêts vers des plantations. Les différences de LST atteignaient 10,1 ± 2,6 ºC (moyenne ± écart-type) entre les forêts et les terres déforestées. Les différences de températures de surface s'expliquent par un effet de refroidissement évaporatif des forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo.Basé sur des différences observées dans les variables biophysiques entre les plantations de palmiers à huile jeunes et matures, nous avons analysé trois images Landsat couvrant une chronoséquence de plantations de palmiers à huile pour étudier la dynamique des variables biophysiques de surface pendant le cycle de rotation de 20-25 ans des plantations de palmiers à huile.Nos résultats montrent que les différences entre les plantations de palmiers à huile à différents stades du cycle de rotation du palmier à huile se reflètent dans les différences du bilan énergétique de surface, du partitionnement énergétique et des variables biophysiques. Au cours du cycle de rotation des plantations de palmiers à huile, les différences de température à la surface diminuent graduellement et se rapprochent de zéro autour du stade mature de la plantation de palmiers à huile de 10 ans. Parallèlement, le NDVI augmente et l'albédo diminue à proximité des valeurs typiques des forêts. Le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique montrent des tendances de développement liés aux variables biophysiques et à l'âge des plantations de palmiers à huile. Les nouvelles plantations et les jeunes plantations (<5 ans) ont un rayonnement net plus faible que les plantations de palmiers à huile matures, mais ont des températures de surface plus élevées que les plantations de palmiers à huile matures. (Suite et fin du résumé dans la thèse)
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Cite

Clifton Sabajo. Land Use and Land Cover Changes in South East Asia : The effects of land transformations on biophysical variables in Indonesia. Agronomy. AgroParisTech; Georg-August-Universität (Göttingen, Allemagne), 2018. English. ⟨NNT : 2018AGPT0005⟩. ⟨tel-02626801⟩
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