A Spatiotemporal Analysis For Assessing The Shift In The Carbon Sequestration Potential Of A Saudi Juniper Forest. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc Thesis) Thesis Defence_Barra Bokhari_Carbon Sequestration Capacity of Juniper Forests_V3.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 7 July 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تصدّرت انبعاثات الغازات الدفيئة (GHGs) قائمة التحديات البيئية العالمية في القرن الحادي والعشرين، حيث تحتل المملكة العربية السعودية مرتبة ضمن أعلى 15 دولة من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) نتيجة لإنتاجها واستهلاكها الكبيرين للوقود الأحفوري. وفي هذا السياق، أطلقت المملكة "مبادرة السعودية الخضراء" للحد من الانبعاثات ومكافحة تغير المناخ. يمثل احتجاز الكربون وتخزينه — وهو عملية طبيعية يتم من خلالها امتصاص الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه في الغطاء الحيوي — خدمة بيئية هامة تؤديها النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي. وعلى الرغم من قلة غطاء الغابات في المملكة، فإن غطائها النباتي المحلي يمتلك القدرة على إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي دون تكلفة مباشرة. وفي ظل التوسع العمراني السريع المصاحب للتحول الاقتصادي الكبير الذي تشهده المملكة، تزداد الحاجة إلى فهم التوازن بين التنمية وتقديم الخدمات البيئية مثل امتصاص الكربون. ومن بين الموارد الطبيعية في المملكة، تُعد أشجار العرعر (Juniperus procera) — وهي النوع السائد في سلسلة جبال السروات — من الأنواع الواعدة. فعلى الرغم من أن دراسات عديدة أُجريت في إثيوبيا أكدت كفاءة هذا النوع في امتصاص وتخزين الكربون، إلا أن دراسات مماثلة في السعودية لا تزال نادرة. لذلك فان هدف هذه الدراسة الرئيسي هو تقييم التغير في كفاءة وقدرة غابات العرعر في منطقة الباحة على امتصاص الكربون خلال السنوات الماضية .. وتشمل الدراسة تقدير الكربون المحتجز تاريخيًا خلال العقدين الماضيين، وتوقّع القدرة المستقبلية حتى عام 2033. تم استخدام خوارزمية "الغابة العشوائية" (Random Forest) لتصنيف استخدامات الأراضي/غطاء الأرض (LULC) التاريخي في محرك جوجل الأرضي (Google Earth Engine)، ونموذج هجين يجمع بين الخلايا الذاتية (Cellular Automata) والشبكات العصبية الاصطناعية (Artificial Neural Network) لتوقّع الــLULC في عام 2033 بواسطة نموذج وحدات محاكاة تغير استخدام الأراضي (MOLUCE) في برنامج QGIS. يكشف التحليل التاريخي عن زيادة بنسبة 494 % في المساحات الحضرية، بينما تراجعت الغابات بنسبة 47 %—وهو اتجاه يُتوقّع أن يستمر حتى عام 2033. تم دمج خرائط LULC التاريخية والمستقبلية الناتجة ضمن نموذج تقييم القيمة المتكاملة لخدمات النظام البيئي والمفاضلات (InVEST) التابع لجامعة ستانفورد لتقدير كثافة الكربون وعمليات احتجازه مع مرور الزمن. كما استُخدِمت أداة الإحصاءات المكانية (Zonal Statistics) في ArcGIS Pro لاستخراج قيم الكربون لكل نوع من أنواع استخدام الأراضي. أظهرت النتائج فقدانًا تاريخيًا في مخزون الكربون يُقدَّر بنحو 209.56 مليون ميغاغرام من الكربون (Mg C)، وهو انخفاض بنسبة 29.37 % مقارنةً بالأساس. وبالرغم من أن التوقعات تشير إلى استرداد طفيف بنحو 19.67 مليون Mg C بحلول عام 2033، إلا أنه على هذا المنوال من المتوقع أن يستغرق نحو 97 عامًا للعودة إلى مستوى كثافة الكربون الأصلي. وأخيرًا، تسلّط نتائج هذه الدراسة الضوء على أهمية دمج اعتبارات احتجاز الكربون وخدمات النظم الإيكولوجية ضمن التخطيط الإقليمي وسياسات التنمية. إضافةً لذلك، تُقدّم المنهجية المستخدمة إطارًا قابلًا للتكرار لتقييمات مماثلة في مناطق شبه جافة وجبلية. علاوة على ذلك، توفر الدراسة أساسًا قائمًا على البيانات لدعم المبادرات المتعلقة بالمبادرة السعودية الخضراء ورؤية 2030.

English Abstract

Greenhouse gas (GHG) emissions have made climate change the 21st century’s foremost environmental crisis. As one of the world’s top 15 carbon dioxide (CO₂) emitters—driven by heavy fossil fuel production and consumption—Saudi Arabia launched the Saudi Green Initiative (SGI) to cut emissions and defend against climate impacts. Carbon sequestration—especially via vegetation—plays a vital role, with plants by absorbing and storing atmospheric CO₂ through photosynthesis. Despite the Kingdom’s limited forest cover, its native vegetation holds the potential to passively remove atmospheric carbon at no direct cost. With rapid urban expansion accompanying Saudi Arabia’s economic transformation, understanding the trade-offs between development and ecosystem services such as carbon sequestration has become increasingly important. Among the Kingdom’s natural resources, Juniperus procera (J. procera) —the dominant juniper species found along the Sarawat Mountains—offers a promising opportunity. While studies in Ethiopia have identified J. procera as one of the top plant species for carbon sequestration, similar research in Saudi Arabia remains scarce. This thesis aims to assess the carbon sequestration potential of the Al Baha Region, with a specific focus on its juniper forests. It estimates both historical carbon sequestration over roughly the past two decades and forecasts capacity up to the year 2033. This study applies supervised Land Use/Land Cover (LULC) classification in Google Earth Engine (GEE) using the Random Forest (RF) algorithm and predicts future LULC with a hybrid Cellular Automata–Artificial Neural Network (CA–ANN) model via QGIS’s Modules for Land Use Change Simulations MOLUSCE plugin. Historical analysis reveals a 494% increase in urban areas and a 47% loss in forest cover—trends expected to continue through 2033. The resulting LULC maps, both historical and projected, were integrated into Stanford’s the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) model to estimate carbon density and sequestration over time. Zonal Statistics in ArcGIS Pro was used to extract carbon values by LULC type. Results show a historical carbon storage loss of approximately 209.56 million megagrams of carbon (Mg C), a 29.37% decline from baseline. Although projections suggest a modest recovery of 19.67 million Mg C by 2033, at the current rate it would take 97 years to return to the original carbon baseline. Finally, the findings of this study highlight the critical importance of integrating carbon sequestration and ecosystem service considerations into regional planning and development policies. The methodology employed offers a replicable framework for similar assessments in other semi-arid and montane regions. Furthermore, the study provides a data-driven foundation for initiatives under the Saudi Green Initiative and Vision 2030.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Earth Sciences Research Research > Remote Sensing Research > Environment
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Tawabini, Bassam Shafiq
Committee Members:	Soupios, Panteleimon and Shults, Roman
Depositing User:	BARRA BOKHARI (g202202060)
Date Deposited:	13 Jul 2025 06:57
Last Modified:	13 Jul 2025 06:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143608