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Abstract: The Arctic has experienced a pronounced increase in air temperature over the last four decades, with an average increase of 0.4 °C per decade and thus an increase of almost the double rate than that of temperate regions. Remote sensing studies and repeat photography of historical images have shown large-scale increases of plant productivity in tundra ecosystems over the same time period. A pronounced size, abundance and biomass increase of shrubs has been observed. This so called shrub expansion has important repercussions for the vegetation, the animals, the soil, the energy and the carbon balance of the Arctic tundra and on regional and global climate. As the comparison of historical photographs with recent photographs has shown, this shrub expansion occurs on different temporal and spatial scales with areas of strong increase in shrub cover (expanding patches) and areas without noticeable changes in shrub vegetation (stable patches). While remote sensing approaches for the detection of changes in vegetation are limited in their temporal coverage and so far also in their resolution, historical photographs with high resolution are often not available. Experimental studies have shown that an increase in nutrients or temperature often resulted in increased shrub biomass, but findings were partly contradictory, referred to short term observations and usually confined to small areas. To bridge the gap between spatially limited plot-scale experiments and global large-scale assessment of plant productivity by satellite derived pictures, dendrochronology was used in this thesis to analyze the drivers for and the rate of shrub growth of different widespread evergreen and deciduous shrub species in alpine and arctic tundra and to reconstruct historic environmental conditions. In detail, this doctoral thesis was conducted to study shrub growth and to assess the applicability of traditional dendrochronological methods on shrubs that had been so far mainly applied to trees and to test whether shrubs differed morphologically from trees. Further, I was determined to look for evidence for a possible Scandinavian shrub range expansion and to assess which climatic factors – temperature, precipitation or snow – influenced shrub growth significantly. Moreover, we aimed to find the reason for the observed heterogeneity of the shrub expansion on the landscape and its relevance for the three most common shrubs on the Alaskan tundra. The methods applied followed the routines usually applied for dendrochronological analyses of treerings, with the exception that usually several stem discs of the main stem were analyzed and frequently had to be prepared with help of a microtome as thin-sections, that were stained and sealed on a coverglass before annual shrubrings were measured. The averaged shrubring widths were then compared with environmental factors through correlation and regression methods. This thesis gives first a general introduction to climate change in the Arctic, shrub expansion on the tundra, the scientific discipline of dendrochronology or -ecology on shrubs and its development, the main research questions and the thesis outline. Then seven research papers are presented and the main results and conclusions are synthesized and discussed and finally possible venues of future research are outlined. The most important insights gained from this thesis are the following: I) Dendroecological methods can be applied to shrubs. Insights into shrub morphology have been gained by detecting an interesting mechanism for coping with adverse environmental conditions of both, trees and shrubs that can save resources by confining the production of wood to the upper parts of the stem. II) Further, I found evidence for a shrub expansion in Scandinavia. III) I could establish the causal link between the current climate warming and increased radial and vertical shrub growth by identifying summer temperature as main driver for shrub growth. IV) Results from the Alaskan tundra indicate a strongly adverse role of snow for shrub growth in stable patches, refuting the popular snow-shrub-microbe hypothesis for this extensive area across species. The differing influence of snow is likely linked to the presence of permafrost and shallow active layers and the snow’s contribution to moist or even anoxic conditions in Alaska. V) Furthermore, we found that the different rates and the spatial heterogeneity of shrub expansion are accompanied by strong differences in the surrounding vegetation composition and the soil parameters of expanding (accustomed to more favorable conditions) and stable shrub patches. VI) These differences are predisposed by shrub patch position within the landscape, comprising different levels and rates of disturbance. VII) Additionally, shrub ring records were successfully used as natural archives to model past temperature dynamics respectively summer glacier mass balance with high accuracy. VIII) Finally, a synthesis of the climate-growth relationships of shrubs of more than 25 sites around the Arctic as joined effort together with other leading shrub researchers supports the presence of a circumpolar shrub expansion, gives recommendations for methods used in shrub dendroecology and lays out future research directions. The findings of my dissertation research show that the analysis of shrubs by dendroecological methods yields highly interesting results, and they greatly improved our understanding of factors that influence individual shrub growth, the reconstruction of earlier environmental conditions as well as the reconstruction and assessment of plant population dynamics.
Weltweit nimmt der Druck auf die natürlichen Wasserressourcen zu. Dies hat unterschiedliche Gründe, ist jedoch zum größten Teil verursacht durch einen stetig ansteigenden Bedarf. Faktoren wie Bevölkerungswachstum, die In- und Extensivierung landwirtschaftlicher Produktion, veränderte Lebensstile mit gleichzeitiger Erhöhung des individuellen Wasserverbrauchs, tragen regional unterschiedlich zu einer Verknappung bei. Neben dem anthropogenem Einfluss auf Wasserressourcen stellt Klimawandel ein zusätzliches Problem dar. Viele Länder sind sich der begrenzten Verfügbarkeit ihrer Ressourcen zwar bewusst, einfache Lösungen zur nachhaltigen Bewältigung des steigenden Bedarfs existieren jedoch zumeist nicht. Momentan folgen die meisten Länder dem Paradigma des ökonomischen Wachstums, um Ernährungssicherheit, Beschäftigung und sozialen Fortschritt zu gewährleisten. Die exzessive Ausbeutung natürlicher Ressourcen stellt immer noch den Standard dar, um sozio-ökonomische Entwicklung zu ermöglichen. Daher ist bei der Vereinbarung von ökonomischem Wachstum und Umweltnachhaltigkeit nur schwer ein Fortschritt zu erkennen. In diesem Zusammenhang spielt Wasser eine Schlüsselrolle: der Zugang zu und die Nutzung von Wasser war und ist eine wesentliche Voraussetzung für sozio-ökonomische Entwicklung. In den vergangenen Jahrzehnten wurden kritische Wasserlimits trotz wachsenden Bedarfs überschritten. Demnach mangelt es in vielen Ländern an einem angepassten Wassermanagement. Zudem sind Maßnahmen zum Schutz der Wasserressourcen insbesondere im Hinblick auf eine zukünftige Nutzung unzureichend. Nord-Afrika ist eine Region mit schwerwiegenden Problemen bezüglich ausreichender Wasserverfügbarkeit. Die Übernutzung hat bereits zu einem alarmierenden Rückgang vorhandener Frischwasserressourcen geführt. Wasser ist aber gleichermaßen die Schlüsselressource für ökonomisches Wachstum und sozio-ökonomische Entwicklung. Daher ist die Implementierung einer adäquaten Wasserbedarfsteuerung unentbehrlich. Der thematische Fokus dieser Dissertation liegt auf der Analyse der problematischen Wassersituation im nordöstlichen Marokko. In der Region sind Wasserressourcen in hohem Maße vulnerabel durch einen stetig steigenden Bedarf. Dieser ist verursacht durch Bevölkerungswachstum, hohen landwirtschaftlichen Bewässerungsbedarf sowie durch die jüngst erfolgte Etablierung eines wasser-intensiven Tourismussektors. Zusätzlich wirkt sich Klimawandel auf die bereits übernutzten Ressourcen aus. Der momentane Mangel an angepassten Strategien als Antwort auf die Herausforderungen eines steigenden Bedarfs verstärkt durch Klimawandel hat negative Auswirkungen auf die regional angestrebte sozio-ökonomische Entwicklung. Diese Dissertation untersucht die Gründe einer sich verringernden regionalen Wasserverfügbarkeit unter Einbeziehung des menschlichen sowie des klimatischen Einflusses auf das Wasserbudget. Die regionale Ökonomie hängt ab von der ausreichender Wasserverfügbarkeit. Wasserpolitiken sind daher wichtig und sollten die Ursachen der Wasserprobleme realistisch betrachten. Der räumliche Rahmen vorliegender Analyse ist das Einzugsgebiet des Moulouya-Flusses. Dieses stellt eine hydrologische Einheit dar, und umfasst ca. 54.000 km2. Der Fluss selbst hat eine Länge von ca. 600 km und mündet in einem Delta mit einzigartigen Feuchtgebieten an der Küste des Mittelmeers. Der Moulouya-Fluss ist der wichtigste Frischwasserversorger der gesamten nordöstlichen Landesregion. Mit einer jährlichen Niederschlagsumme von ca. 330 mm gehört die Region zu den trockensten des Landes. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Forschungslücken zu füllen und Information bereitzustellen, die Zusammenhänge der Exponiertheit gegenüber Wasserstress verdeutlichen können. Zudem soll die Etablierung eines verbesserten Wassermanagements als Grundlage sozio-ökonomischer Entwicklung unterstützt werden. In einer interdisziplinären Herangehensweise wird Wasserknappheit in der Region empirisch analysiert. In vier wissenschaftlichen Artikeln werden die Gründe und das Ausmaß von Vulnerabilität sowie der Entwicklungs-Governance-Kontext im Hinblick auf Wasserknappheit untersucht. Artikel I erörtert die spezifischen regionalen Probleme der Küstenzone, die sich unter starkem Entwicklungsdruck befindet und die Auswirkungen des Klimawandels bereits spürt. Artikel II kontrastiert den menschlichen Einfluss auf Frischwasserverfügbarkeit (Indikatoren: Bevölkerungswachstum, Wassernachfrage) mit den möglichen Auswirkungen einer regionalen Klimaveränderung (Indikatoren: Niederschlag, Temperaturen, Evapotranspiration). Artikel III analysiert den zusätzlichen Wasserbedarf in Nord-Ost-Marokko, der durch die Etablierung von Luxustourismusresorts entsteht, die in der Küstenzone errichtet werden. Artikel IV diskutiert die Nachhaltigkeit der regionalen Entwicklungspläne im Lichte des Wasserproblems. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wassernachfrage die Wasserverfügbarkeit bereits überschritten hat. Bevölkerungswachstum und wasserbasierte ökonomische Entwicklung werden diesen Trend verstärken, so dass die Region mit hoher Wahrscheinlichkeit unter problematischen Wassermangel leiden wird. Die Analysen regionaler Klimatrends deuten hin auf eine Verschiebung der Niederschlagsmuster bei gleichzeitigem Rückgang der Niederschlagssummen. In Verbindung mit den aktuellen Nachfrageraten ist die Verfügbarkeitsgrenze bereits überschritten. Regierungspläne, die den Ausbau des Luxustourismus fördern, haben zum Ziel, die regionale Ökonomie zu diversifizieren und die Abhängigkeit vom Agrarsektor zu reduzieren. Luxustourismus ist allerdings auf permanente Wasserversorgung angewiesen und wird dadurch eine zusätzliche Belastung für die regionale Wasserverfügbarkeit darstellen. Alle vier Artikel betonen die Notwendigkeit für rasche soziale und institutionelle Antworten auf die beschriebenen Herausforderungen, um die Wasserversorgung zu gewährleisten. Daher werden folgende Empfehlungen formuliert: • Erhöhung der Wassereffizienz (z.B. durch modernisierte Bewässerungstechnologien, “green water management” für regenwasser-gespeiste Bewässerung); • Etablierung moderner Wassertechnologien zum Wasserschutz, oder unkonventioneller Wasserproduktion); • Etablierung urbaner und ländlicher Abwassersammlung und –behandlung, sowie Wiederverwertung; • Einbeziehung von Klimawandel in Berechnungen des zukünftigen Wasserbudgets; • Aufbau von kleinskaligen Wasseraufbereitungsanlagen für wasserintensive Unternehmen, z.B. Tourismusinfrastrukturen. Derartige Maßnahmen sind kostenintensiv. Dennoch ist es das Ziel dieser Dissertation zu betonen, dass natürliche Wasservorräte begrenzt und in Nord-Ost-Marokko bereits stark degradiert sind. Ein besseres Verständnis der jeweiligen Einflussfaktoren, anthropogen oder klimatisch verursacht, ist die Basis für die Implementation problem-ausgerichteter Anpassungsstrategien. Anthropogen verursachte Auswirkungen können durch Politiken beeinflusst werden. Wenn wasserbasierte Volkswirtschaften nicht adäquat auf den zunehmenden Druck auf Wasserressourcen reagieren, riskieren sie ökonomisches Scheitern.