Doktorarbeit

Linking in-situ and remote sensing data for a better understanding of ecological changes in forest ecosystems of La Palma, Spain

Frank Weiser (05/2017-05/2023)

Betreuer: Carl Beierkuhnlein, Manuel Steinbauer, Cyrus Samimi

Biodiversität wird auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Ebenen von einer Vielzahl an komplexen Prozessen und Umweltgradienten beeinflusst. Ein wichtiger Einfluss, das Störungsregime, kann als Filter während der Evolution von Arten agieren, aber auch kurzfristige Änderungen der Artenzusammensetzung von Ökosystemen auslösen. Ein anderer, die Ankunft neuer Arten, kann die Artenvielfalt erhöhen, doch auch die bestehende Diversität negativ beeinflussen. In den letzten Jahrzehnten haben sich das Störungsregime und Invasionsprozesse durch den Klimawandel und anthropogene Einflüsse rapide verändert. Umso wichtiger ist es, die Auswirkungen beider Prozesse auf lokale Artenvielfalt zu dokumentieren und zu verstehen. Die in den letzten Jahren steigende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten bietet viele Möglichkeiten, in situ Daten mit Satellitenbildern zu kombinieren und gemeinsam zu analysieren, die Beobachtungsfrequenz zu erhöhen, bestehende Muster besser zu verstehen und die Herausforderungen einer sich ändernden Welt zu meistern. Inseln sind Zentren der Artenvielfalt und beherbergen eine überdurchschnittliche Anzahl endemischer Arten, obwohl die Gesamtzahl der Arten niedriger ist als auf dem Festland. Die Inselbiogeografie untersucht sowohl Muster in der aktuellen Verteilung der Arten als auch deren Evolution über Millionen von Jahren. Inseln werden häufig als „Natural Laboratories“ bezeichnet, da sie es erlauben, vielfältige Umweltgradienten, z.B. Isolation, Topographie, Inselalter oder Inselhöhe und deren Auswirkung auf Artbildung und Artenzusammensetzung zu untersuchen. Die Inselbiogeografie erlaubt hierbei die Untersuchung von Prozessen, die sonst häufig durch andere Faktoren überlagert sind. Zusätzlich gerät die Biodiversität auf Inseln in den letzten Dekaden zunehmend unter Druck durch den Klimawandel, Invasionsprozesse oder anthropogene Einflüsse wie etwa Landnutzungsänderungen. Ein Faktor, der in der Inselbiogeografie oft nicht gebührend beachtet wird, ist die Rolle vom Störungsregime und Störungen, die von großräumigen Ereignissen, die ganze Inseln praktisch sterilisieren (z.B. Hurrikane oder Vulkanausbrüche) zu kleinen, häufigen, lokalen Ereignissen reichen. Diese Vorkommnisse stehen in Verbindung mit der Evolution endemischer Arten und deren Eigenschaften, z.B. Verholzung oder Feueranpassungen. Dazu beeinflussen Störungen Artengemeinschaften und ändern deren Artenzusammensetzung. Die Manuskripte in dieser Doktorarbeit untersuchen die Effekte von Störungen auf die Wälder von La Palma. Das Studienobjekt der meisten Manuskripte, der Kanarenkiefernwald, hat sich unter dem Einfluss von Vulkanausbrüchen und Waldbränden entwickelt. Die namensgebende Kanarenkiefer, Pinus canariensis, kann selbst intensive Feuer überleben und sich von durch Vulkanausbrüche ausgelösten Schäden erholen. Ich untersuche die Auswirkungen eines Waldbrandes auf die α- und β-Diversitätsmuster der normalerweise eher artenarmen Pflanzengemeinschaften im Unterwuchs dieser Wälder. Zwei andere Manuskripte untersuchen, wie P. canariensis auf den Vulkanausbruch des Tajogaite im Jahr 2021 reagiert hat, welcher die umliegenden Wälder mit großen Mengen von Schwefelgasen vergiftete und mit einer bis zu mehreren Metern dicken Ascheschicht bedeckte. Ein Manuskript untersucht räumliche Schadensmuster im Kronendach, während ein weiteres Manuskript den Schwefel-, Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt von Nadelproben untersucht und mit den Kronenschäden in Verbindung setzt. Das zweite Ziel dieser Dissertation ist es, Synergien zwischen Fernerkundung und Feldmethoden zu erproben. Die Nutzung von Fernerkundungsmethoden steigt im letzten Jahrzehnt rapide, vor allem durch die zunehmende Verfügbarkeit frei verfügbarer Daten und technischer Fortschritte, etwa verbesserten, günstigeren Drohnen oder frei verfügbaren hyperspektralen oder Lidar Daten. In der Inselbiogeografie ist die Fernerkundung noch nicht so weit verbreitet wie in anderen Bereichen, unter anderem weil hohe, gebirgige Inseln häufig bei Fernerkundungsanalysen ähnliche Probleme bereiten, wie Gebirge auf dem Festland (z.B. aufwendigere Vorprozessierung durch Schatten an steilen Hängen). Trotzdem ist die Fernerkundung gerade durch die häufige Abgelegenheit und Isolation von Inseln sehr nützlich. Zwei der Manuskripte verbinden Fernerkundung mit Felddaten. Das letzte Manuskript dieser Arbeit nutzt Bodendaten und Fernerkundungsdaten um die momentane Ausbreitung einer invasiven Art, die droht, Teile des Lorbeerwaldes auf La Palma zu verdrängen, zu kartieren und verknüpft dann das Ergebnis mit Modellierungsmethoden, um die zukünftige Nische der Art zu modellieren. Das Ziel dieser Dissertation ist somit zweigeteilt: Ich trage einerseits zum besseren Verständnis der Effekte von Störungen auf den Kanarenkiefernwald La Palmas bei. Zusätzlich untersuche ich die Vorteile, die eine kombinierte Nutzung von Fernerkundungsmethoden und Feldmethoden für die Inselbiogeografie birgt.