Soil sealing impacts in the Region of Murcia and their relevance for climate change adaptation

Abstract

El sellado de suelo es uno de los fenómenos a los que debemos hacer frente en el contexto del cambio global en el que nos encontramos. Este proceso, impulsado en gran parte por la expansión urbana descontrolada y la conversión de terrenos agrícolas o naturales en áreas impermeables, ha llevado a una situación crítica al interrumpir las funciones básicas del suelo. Esto no solo magnifica los efectos del cambio climático, sino que genera incertidumbres sobre la capacidad de los ecosistemas y las sociedades para adaptarse y mitigar sus impactos. En este sentido, la necesidad de cuantificar y mitigar los impactos del sellado de suelo se ha vuelto crucial para moderar sus efectos negativos sobre el clima y la sociedad. Por este motivo, consideramos que es necesario abordar el problema del sellado del suelo desde una perspectiva integral, ya que su reconocimiento como problema ambiental ha sido lento, a pesar de su creciente impacto. Esta tesis doctoral se estructura en tres artículos, junto con un capítulo adicional, que exploran estos desafíos. El primer artículo aborda un análisis bibliométrico del sellado de suelo, examinando cómo ha evolucionado el interés científico en el tema hasta 2020, y en él se resalta la influencia de las políticas públicas sobre la importancia dada a los suelos. El segundo artículo se centra en un estudio de caso en un área altamente afectada por la urbanización turística y la agricultura intensiva bajo plástico. Se emplean imágenes Sentinel 2-A para identificar las superficies selladas y comparar estos resultados con los datos del Corine Land Cover, demostrando una subestimación significativa de las áreas afectadas por este fenómeno. El tercer artículo propone una metodología para mejorar la precisión en la clasificación de superficies artificiales mediante el uso de imágenes satelitales de alta resolución de múltiples sensores y algoritmos de clasificación supervisada basados en Random Forest. Se aborda el desafío de identificar áreas selladas en un entorno árido y semiárido, donde la confusión entre superficies selladas y suelos desnudos es frecuente. La inclusión de un modelo digital de superficies mejora significativamente la precisión general de la clasificación, reduciendo la confusión anteriormente citada. El cuarto y último artículo, incluido como capítulo adicional, analiza la influencia del sellado de suelo en la temperatura del aire durante un periodo de 10 años. Utilizando datos del modelo UrbClim y de los usos y coberturas del suelo, se han identificado patrones térmicos espaciales y estacionales, con efectos particularmente intensos durante las noches de primavera y verano. En ciertas épocas del año, las temperaturas nocturnas superan los umbrales de confort térmico humano, lo que conlleva importantes implicaciones para la salud pública y la demanda energética. Los resultados de la tesis subrayan la necesidad de mejorar las técnicas de monitorización y las políticas de gestión del sellado de suelo para mitigar sus efectos, que, combinados con el cambio climático, suponen un desafío creciente para los ecosistemas y la sociedad. Se confirma que es un problema creciente, que ha sido subestimado en muchas regiones, pero su análisis presenta importantes limitaciones. Las bases de datos y metodologías comúnmente empleadas para cuantificar el sellado de suelo muestran una infrarrepresentación significativa de las áreas selladas. El uso de nuevas tecnologías geoespaciales, como los sistemas de información geográfica y la teledetección, si bien han mejorado la precisión en la detección de superficies selladas, sigue enfrentándose a obstáculos, como la dificultad de distinguir adecuadamente entre diferentes tipos de materiales sellantes o la falta de series temporales de imágenes de alta resolución que permitan un seguimiento más detallado y exhaustivo.

Soil sealing is one of the issues we have to deal with in the context of the global change we are facing. This process, largely driven by uncontrolled urban sprawl and the transformation of agricultural or natural land into impermeable areas, has led to a critical situation by disrupting basic soil functions. This not only magnifies the effects of climate change but also generates uncertainties about the capacity of ecosystems and societies to adapt to and mitigate its impacts. In this sense, the need to quantify and mitigate the impacts of soil sealing has become crucial to mitigate its negative effects on climate and society. For this reason, the problem of soil sealing needs to be addressed from a holistic perspective, since its recognition as an environmental problem has been slow, despite its growing impact. This PhD thesis is structured in three articles, together with an additional chapter, which explore these challenges. The first article provides a bibliometric analysis of soil sealing, examining how scientific interest in the topic has evolved until 2020, and highlights the influence of public policies on the importance given to soils. The second article focuses on a case study in an area highly affected by tourist development and intensive agriculture under plastics. Sentinel 2-A images were used to identify sealed surfaces and compare these results with Corine Land Cover data, demonstrating a significant underestimation of the areas affected by this phenomenon. The third article proposes a methodology to improve the accuracy of artificial surface classification using high resolution multi-sensor satellite imagery and supervised classification algorithms based on Random Forest. It addresses the challenge of identifying sealed areas in an arid and semi-arid environment, where confusion between sealed surfaces and bare soils is frequent. The inclusion of a digital surface model significantly improves the overall accuracy of the classification, reducing the aforementioned confusion.

The fourth and final article, included as an additional chapter, analyses the influence of soil sealing on air temperature over a 10-year period. Using the UrbClim model and land use and land cover data, spatial and seasonal thermal patterns were identified, with particularly strong effects during spring and summer nights. In certain periods of the year, night-time temperatures exceed human thermal comfort thresholds, with important implications for public health and energy demand. The results of the thesis highlight the need to improve monitoring techniques and soil sealing management policies to mitigate its effects, which, combined with climate change, represent a growing challenge for ecosystems and society. This is a growing problem, which has been underestimated in many regions, but its analysis has important limitations. Most commonly used databases and methodologies to quantify soil sealing show a significant under-representation of sealed areas. The use of new geospatial technologies, such as geographic information systems and remote sensing, while improving the accuracy of detecting sealed surfaces, still faces obstacles, such as the difficulty to adequately distinguish between different types of sealing materials or the lack of high-resolution time series of images that would allow a more detailed and comprehensive tracking of soil sealing.