Spatial-temporal analysis of vegetation health in relation to land surface temperature and soil moisture content in Lilongwe city, Malawi

국문 초록 (Abstract)

기후변화와 지구온난화는 전세계적으로 가뭄의 빈도와 강도를 증가시켰고, 특히 아프리카 대륙의 사하라 남부 지역에서 심각성이 높아지고 있다. 많은 인구가 집중된 도시는 기후변 화에 대응한 생태적 항상성이 중요한데, 지구온난화로 인한 도심 내 기온상승 요인과 생태 활력 간의 관계에 관한 분석과 이해가 필요하다. 본 연구는 말라위의 릴롱궤 도시를 대상으 로 반건조 지역에서 토양수분이 지표온도（LST）와 식생활력도에 어떤 영향을 미치고 있으며, 조절인자로서 기능하는지 규명하고자 수행되었다. 연구결과 릴롱궤에서 지표온도（LST）, 토양수분지수（SMI）, 그리고 식생활력（NDVI） 간에 통계 적으로 유의미한 상관관계가 나타났다. 피어슨 상관 분석 결과, SMI 와 NDVI 간의 양의 상관 관계（r = 0.2754）가 분석 되었으며, 단순선형회귀분석에서는 토양수분이 식생활력에 영향을 미치는 독립적인 요인（β = 0.0781）으로 나타났다. 또한, 높은 지표온도는 증발산량을 증가시켜 토양수분을 급격히 감소시키는데, 특히, 다변량 모델링에서 유의미한 상호작용 효과（β = - 0.0025, p 〈 0.001）를 증명했으며, 이를 통해 토양수분이 도시식생에서 열 스트레스를 부분적으 로 완화하고 있음을 알 수 있었다. 공간 분석 결과, 릴롱궤의 341.61km² 면적이 현재 고온 스트레스와 수분 고갈이 심각한 수 준으로 진행되고 있음을 분석했다. 반건조 지역의 기후변화 대응 전략은 식생피복면적 증가 와 함께 토양수분 유지가 중요한 조건임을 알 수 있었고, 기후변화로 인해 열 스트레스가 증 가하는 도시생태계의 보전과 생태계 붕괴를 막기 위한 재조림을 통한 녹지복원 정책이 전략 적으로 추진되어야 함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As sub-Saharan Africa faces an increasing frequency and intensity of drought conditions, the pressure on urban ecosystems to maintain climate resilience has never been greater. Managing these environments requires a deeper understanding of the complex feedback loops between climate stressors and ecological health. The aim of this study is to investigate how soil moisture moderates land surface temperature （LST） in relation to vegetation health in semi-arid regions, using Lilongwe as a case study. Despite the critical importance of these dynamics, there remains limited understanding of how soil moisture specifically mitigates the impacts of land surface temperature in such environments. This study identified statistically significant correlations among land surface temperature （LST）, soil moisture index （SMI）, and vegetation health （NDVI） in Lilongwe. Pearson correlation analysis confirmed a moderate positive correlation （r = 0.2754） between SMI and NDVI, while simple linear regression analysis revealed that soil moisture is an independent factor influencing vegetation productivity （B = 0.0781）. Conversely, high surface temperatures increase evapotranspiration, leading to a rapid decrease in soil moisture. Multiple linear regression modeling revealed significant interaction effects （B = -0.0025, p 〈 0.001）, demonstrating that soil moisture effectively mitigates heat stress on urban vegetation. However, this protective capacity has limitations; exceeding a critical heat threshold leads to a decline in metabolic activity and a rapid deterioration of the ecosystem. Spatial analysis revealed that an area of 341.61 km² in Lilongwe is currently experiencing both high-temperature stress and water depletion. These findings provide a robust framework for sustainable urban development, underscoring that climate resilience in sub-Saharan cities depends on maintaining the hydrological health of the soil rather than merely increasing canopy cover. Ultimately, targeted urban conservation, such as strategic reforestation in moisture-depleted zones, is urgently required to prevent irreversible ecological collapse as urban thermal stress escalates

목차 (Table of Contents)

• 1. CHAPTER 1 1
• 1.1 INTRODUCTION 1
• 1.2. PROBLEM STATEMENT 3
• 1.3 RESEARCH QUESTIONS, OBJECTIVES AND HYPOTHESIS 4
• 2. CHAPTER 2 6
• 2.1 NORMALIZED DIFFERENCE VEGETATION INDEX TREND 6
• 2.2 RELATIONSHIP BETWEEN VEGETATION AND LAND SURFACE TEMPERATURE 7
• 2.3 RELATIONSHIP BETWEEN VEGETATION AND SOIL MOISTURE 10
• 2.4 THE TRAPEZOIDAL MODEL FOR SOIL MOISTURE ESTIMATION 11
• 2.5 RELATIONSHIP BETWEEN SOIL MOISTURE AND LAND SURFACE TEMPERATURE 13
• 2.6 RESEARCH GAP AND OPPORTUNITIES 15
• 3. CHAPTER 3 16
• 3.1 THE STUDY AREA 16
• 3.2 THEORETICAL FRAMEWORK 17
• 3.3 CONCEPTUAL FRAMEWORK 18
• 3.4 DATA PROCESSING 19
• 3.5 CALCULATION OF NORMALIZED DIFFERENCE VEGETATION INDEX (NDVI) 20
• 3.6 CALCULATION OF LAND SURFACE TEMPERATURE (LST) 21
• 3.7 DERIVATION OF SOIL MOISTURE BY USING THERMAL OPTICAL TRAPEZOIDAL MODEL (TOTRAM) 23
• 3.8 CREATION OF THE MODERATING VARIABLE (SMI*LST) 25
• 3.9 ANALYSIS OF DATA 26
• 4. CHAPTER 4: RESULTS 32
• 4.1 SPATIAL-TEMPORAL ANALYSIS OF NDVI TREND 32
• 4.2 RELATIONSHIP BETWEEN VEGETATION AND ENVIRONMENTAL STRESSORS 34
• 4.3 THE MODERATING EFFECT OF SOIL MOISTURE ON TEMPERATURE AND VEGETATION HEALTH 34
• 4.4 ANALYSIS OF VULNERABLE AREAS 37
• 5. CHAPTER 5 39
• 5.1 VEGETATION TREND OVER THE YEARS IN RELATION TO STABILITY AND RESILIENCE 39
• 5.2 VEGETATION STRESS DYNAMICS 40
• 5.3 MODERATING IMPACT OF SOIL MOISTURE ON LAND SURFACE TEMPERATURE 43
• 5.4 ANALYSIS OF VULNERABLE AREAS 44
• 5.5 CONCLUSION 46