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Main Title: Ecological resilience and the risk of land degradation in a dry Mediterranean rangeland
Translated Title: Ökologische Resilienz und das Risiko von Landdegradierung in einem trockenen mediterranen Weideland
Author(s): Keyserlingk, Jennifer von
Advisor(s): Paton, Eva Nora
Förster, Saskia
Bronstert, Axel
Referee(s): Paton, Eva Nora
Kleinschmit, Birgit
Thieken, Annegret
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13720
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12496
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Abstract: Land degradation, a negative trend in land conditions towards a less desirable ecosystem state caused by human activities, frequently happens once the ecological resilience of a system is critically reduced. Ecological resilience describes a system’s ability to maintain its functional and structural integrity and persist without being pushed into another stable state under the influence of disturbance. In Mediterranean drylands, climatic events together with high human pressure are the main drivers of land degradation processes, such as erosion. Under the influence of climate change, the intensity and frequency of climatic triggers of land degradation, such as intensified climate variability and the occurrence of extreme hydro-meteorological events including droughts, is projected to increase distinctly in the Mediterranean region. Today, the immense damage caused by land degradation globally is well-recognized. However, coherent approaches for assessing and quantifying the extent of land degradation and associated damage over large areas, as well as for quantifying future risks, are still lacking. In this thesis, the use of ecological resilience as a key concept to link land degradation assessment with quantitative risk analysis for natural hazards is suggested. Based on a systematic review of the discrepancies in existing land degradation risk assessment approaches, a conceptual risk-resilience model is proposed. Subsequently, ecological resilience to climate variability, particularly drought, is studied in a dry Mediterranean rangeland (‘Randi Forest’) located in southern Cyprus. Firstly, ecological resilience is spatiotemporally quantified, based on two resilience metrics: long-term resistance to climate variability, and recovery rate after drought. These two metrics are derived in a spatially explicit manner based on a 28-year Landsat NDVI time series analysis in combination with a change detection approach (BFAST) and breakpoint evaluation. Secondly, to deepen our understanding of what affects resilience in a Mediterranean dryland, the spatial variability of resistance to climate variability as well as of the recovery rate after drought are studied individually with regard to spatial distributions of grazing intensity and other environmental factors (terrain slope, aspect and mean NDVI). Thirdly, a combined resilience score based on resistance and recovery is derived to illustrate options for directly linking empirical, spatially explicit information on ecosystem resilience to land risk management goals. Finally, spatial dependencies between resilience categories are analysed. The analysis revealed that high livestock grazing intensities as well as very low NDVI values (i.e. low green vegetation cover) were associated with high resistance, indicating a degraded, unresponsive ecosystem condition. Low grazing did not have a clear effect on resistance – it was suspected that under low grazing conditions other environmental conditions such as terrain effects control and limit vegetation dynamics. High NDVI values, as well as north-facing slopes also promoted high resistance, which, in this case, may be an indication of a healthy ecosystem state that is able to buffer climate variability well. Intermediate to high grazing levels as well as western/eastern orientation and average NDVI values promoted the occurrence of patches with low resistance, indicating areas with reduced resilience that may easily shift either to a degraded or a healthy state. Unlike expected, terrain slope had no effect on resistance. Regression analysis showed that recovery rate after drought was positively affected by a northern orientation as well as by high NDVI values before the drought, and negatively related to grazing intensity. This indicates that overall favourable ecosystem conditions have a positive effect on recovery after drought. Further, on southern-oriented (but not on northern-oriented) slopes, terrain slope was negatively related with recovery, indicating a synergetic effect of slope steepness and southern orientation in their effect on recovery after drought. Finally, areas with low NDVI values before the drought were more sensitive to effects of a southern orientation than those with high NDVI values. Based on resistance and recovery, a combined resilience score was developed. Resilience was spatially quantified for the Randi Forest study area using five distinct and easily interpretable resilience categories. The individual resilience categories were exemplarily linked to concrete land risk management goals based on the different phases used in the disaster risk management cycle (prevention, preparedness, response). As such, the approach contributes to relating land degradation research more closely to land risk management, as is already common practice for other natural hazards. Finally, an analysis of spatial dependencies between resilience classes showed that spatial resilience clusters exist in the Randi Forest study area, with spatial dependencies reaching up to 500 m. Data-based knowledge about the spatial location and extent of certain resilience clusters promotes a purposeful selection and prioritization of areas for specific land management actions and further field-based research on resilience and land degradation status. In conclusion, results suggest that in a Mediterranean dryland resilience to climate variability, in particular drought, is modulated by livestock grazing, terrain effects and the amount of green vegetation cover. Particularly aspect and the amount of green vegetation cover seem to have major effect on resilience. On top of that, strong grazing promoted a degraded, unresponsive ecosystem state associated with low resistance and reduced recovery from drought. My results support the theory that anthropogenic land use affects ecological resilience to natural disturbances. Further, the derivation of a combined resilience score promotes the use of ecological resilience to link land degradation assessments with concrete land risk management goals and illustrates a practical approach to achieve this. The satellite data driven approach presented in this thesis has strong potential for resilience monitoring of ecosystems, for it can be applied on broad temporal and spatial scales in areas with low field data availability.
Landdegradierung, eine durch menschliche Aktivitäten verursachte Verschlechterung des Ökosystemzustands, entsteht häufig, wenn die ökologische Resilienz eines Systems in kritischem Maße reduziert ist. Ökosystemresilienz beschreibt die Fähigkeit eines Ökosystems, seine funktionelle und strukturelle Integrität unter dem Einfluss von Störungen zu bewahren und fortzubestehen, ohne in einen anderen stabilen Systemzustand zu wechseln. In mediterranen Trockengebieten werden Landdegradierungsprozesse, wie z.B. Bodenerosion, vor allem durch klimatische Ereignisse in Kombination mit einer starken Beanspruchung durch den Menschen verursacht. Klimawandelszenarien prognostizieren, dass die Frequenz und Intensität der klimatischen Auslöser, die im Mittelmeergebiet zu Landdegradierung führen, deutlich zunehmen. So etwa ein Anstieg der klimatischen Variabilität insgesamt oder das Auftreten extremer hydrometeorologischer Ereignisse einschließlich Dürren. Heutzutage werden die enormen Schäden, die global durch Landdegradierung entstehen, allgemein anerkannt. Dennoch mangelt es an kohärenten Ansätzen, um das Ausmaß der Landdegradierung und der dadurch verursachten Schäden auf überregionaler Ebene festzustellen und zukünftige Risiken abzuschätzen. In dieser Arbeit wird Ökosystemresilienz als Schlüsselkonzept vorgeschlagen, um Landdegradierungserhebungen mit der quantitativen Risikoanalyse von Naturgefahren zu verknüpfen. Auf der Grundlage einer systematischen Überprüfung der Diskrepanzen in bestehenden Ansätzen zur Risikoanalyse für Landdegradierung wird ein konzeptuelles Risiko-Resilienz-Modell herausgearbeitet. Anschließend wird Ökosystemresilienz gegenüber klimatischer Variabilität, insbesondere Dürre, in einem trockenen mediterranen Weideland (‚Randi Forest‘) in Südzypern untersucht. Zunächst wird die Ökosystemresilienz mit Hilfe von zwei Resilienz-Indikatoren raum-zeitlich quantifiziert: Langzeitresistenz gegenüber klimatischer Variabilität sowie Erholungsgeschwindigkeit nach einer Dürre. Basierend auf einer 28-jährigen Landsat NDVI-Zeitreihe in Kombination mit einer Bruchpunktanalyse werden diese beiden Indikatoren räumlich explizit quantifiziert. Um unser Verständnis darüber zu erweitern, welche Faktoren die Ökosystemresilienz in mediterranen Trockengebieten beeinflussen, werden in einem zweiten Schritt die räumliche Variabilität sowohl der Resistenz als auch der Erholzeit unabhängig voneinander in Zusammenhang mit der räumlichen Verteilung der Beweidungsintensität und anderen Umweltfaktoren (Geländeneigung, Hangexposition sowie mittlerer NDVI) untersucht. Im dritten Teil wird ein kombinierter Resilienzindex, basierend auf Resistenz und Erholungsgeschwindigkeit, berechnet, um Möglichkeiten zu illustrieren, wie sich empirische, räumlich-explizite Informationen über Ökosystemresilienz direkt mit Zielen des Land-Risikomanagements verbinden lassen. Zuletzt werden die räumlichen Abhängigkeiten zwischen den Resilienz-Klassen bestimmt. Die Analysen ergaben, dass sowohl intensive Beweidung als auch sehr niedrige NDVI-Werte (i.e. eine geringe grüne Vegetationsbedeckung) mit einer überdurchschnittlich hohen Resistenz assoziiert waren, die in diesem Fall auf einen stark degradierten, trägen Systemzustand hindeutet. Geringe Beweidung hatte keine klare Auswirkung auf die Resistenz – bei geringer Beweidung scheinen andere Umweltbedingungen wie Bodeneinflüsse die Vegetationsdynamik zu beherrschen. Hohe NDVI-Werte wie auch nord-orientierte Hänge begünstigten ebenfalls eine hohe Resistenz, die hier jedoch auf ein gesundes Ökosystem hinweisen könnte, das klimatische Störungen gut abzupuffern vermag. Mittlere Ökosystemkonditionen, i.e. mittlere NDVI-Werte, eine mäßige bis starke Beweidung sowie eine ost-/westliche Hangexposition, waren hingegen mit einer vergleichsweise geringen Resistenz assoziiert, was auf Bereiche mit verminderter Resilienz hindeutet, die sich leicht zu einem degradierten oder auch zu einem gesunden Ökosystemzustand entwickeln können. Anders als erwartet hatte die Geländeneigung keinen sichtbaren Einfluss auf die Resistenz. Eine Regressionsanalyse ergab, dass die Erholungsgeschwindigkeit nach einer Dürre positiv von einer nördlichen Hangorientierung, von hohen NDVI-Werten vor einer Dürre und negativ von hohen Beweidungsintensitäten beeinflusst war. Das zeigt, dass sich insgesamt vorteilhafte Ökosystemkonditionen sowie geringer Beweidungsstress positiv auf die Erholungsgeschwindigkeit nach einer Dürre auswirken. Darüber hinaus hatte die Geländeneigung auf südorientierten Hängen (jedoch nicht auf nordorientierten Hängen) einen negativen Effekt auf die Erholungsgeschwindigkeit, was auf einen synergetischen Effekt zwischen Geländeneigung und Hangexposition hindeutet. Schließlich waren Bereiche mit sehr niedrigen NDVI-Werten vor der Dürre sensitiver gegenüber den negativen Effekten einer südlichen Hangexposition. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein kombinierter Resilienzindex, basierend auf Resistenz und Erholungsgeschwindigkeit, entwickelt. Mit Hilfe dieses Index wurde die Resilienz im Randi Forest Studiengebiet räumlich quantifiziert, dargestellt in fünf verschiedenen, leicht interpretierbaren Klassen. Darüber hinaus wurden die einzelnen Resilienzklassen exemplarisch mit einzelnen Phasen des Risiko-Kreislaufs aus dem Katastrophenmanagement verknüpft (Vorbeugung, Bereitschaftserhöhung, Bewältigung) und somit eine direkte Verbindung zu Zielen des Land-Risikomanagements hergestellt. Auf diese Weise trägt meine Arbeit dazu bei, Forschungen zur Dynamik der Landdegradierung enger mit Ansätzen des Land-Risikomanagements zu verknüpfen, wie es auch in Bezug auf andere Naturgefahren üblich ist. Eine räumliche Analyse der Resilienzklassen hat ergeben, dass es im Randi Forest Studiengebiet eine räumliche Clusterung gibt, mit räumlichen Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Resilienzklassen bis zu 500 m. Ein datenbasiertes Wissen über die räumliche Verteilung und das Ausmaß bestimmter Resilienzcluster fördert die zielgerichtete Auswahl und Priorisierung von Gegenden für spezifische Maßnahmen im Landmanagement, sowie für weitere feld-basierte Forschung. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse meiner Arbeit darauf hin, dass die Resilienz eines trockenen mediterranen Weidelandes gegenüber klimatischer Variabilität und speziell Dürre von der Beweidungsintensität, Geländeeffekten und dem Ausmaß der grünen Vegetationsbedeckung abhängt. Insbesondere die Hangexposition und der Grad der grünen Vegetationsbedeckung scheinen einen deutlichen Einfluss auf die Resilienz zu haben. Darüber hinaus zeigen die Resultate an, dass sehr starke Beweidungsintensität einen degradierten Systemzustand fördert, verbunden mit hoher Resistenz und langsamer Erholungsgeschwindigkeit, in dem die Vegetation nicht mehr auf klimatische Variabilität reagieren kann. Meine Ergebnisse unterstützten die Theorie, dass menschliche Landnutzung die Ökosystemresilienz gegenüber natürlichen Störungen beeinflusst. Ferner treibt die Ableitung eines kombinierten Resilienzindikators die Möglichkeit voran, ökologische Resilienz zu nutzen, um Landdegradierungs-Analysen mit spezifischen Zielen des Land-Riskomanagements zu verknüpfen, und illustriert einen konkreten Weg, dies zu erreichen. Der hier präsentierte satelliten-basierte Ansatz besitzt ein hohes Potential zum Resilienz-Monitoring von Ökosystemen, da er sich auf räumlich und zeitlich großen Skalen auch in Gebieten mit geringer Felddatenverfügbarkeit anwenden lässt.
Subject(s): ecological resilience
drought
Landsat
change detection
risk assessment
Ökosystemresilienz
Dürre
Veränderungsdetektion
Risikoanalyse
Issue Date: 2021
Date Available: 16-Nov-2021
Exam Date: 20-Jul-2021
Language Code: en
DDC Class: 577 Ökologie
Sponsor/Funder: DFG, 251036843, GRK 2043: Naturgefahren und Risiken in einer Welt im Wandel
TU Affiliation(s): Fak. 6 Planen Bauen Umwelt » Inst. Ökologie » FG Ökohydrologie & Landschaftsbewertung
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