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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94580
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9458/


Modelling the ecological niche of a treeline species (Betula utilis) in the Himalayan region

Modellierung der ökologischen Nische einer waldgrenzbildenden Art (Betula utilis) in der Himalaya-Region

Bobrowski, Maria

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Freie Schlagwörter (Englisch): Betula utilis , Himalaya , Modelling , remote sensing , ecological niche models
Basisklassifikation: 42.07 , 42.44
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schickhoff, Udo (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.10.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 13.12.2018
Kurzfassung auf Englisch: Mountains are fascinating habitats, characterized by steep ecological vertical gradi-ents and corresponding altitudinal vegetation zonation. Alpine treelines as upper boundaries of more or less contiguous tree stands are the most conspicuous vege-tation limits; they have always attracted great research interest. Globally, alpine treeline elevations in mountains are caused by heat deficiency. At landscape and local scales, however, multiple interactions of influencing factors and mechanisms determine treeline position, spatial pattern, and dynamics.
In the course of climate change, it is postulated that treelines will shift to higher elevations. In order to be able to quantify potential shifts, an analysis of the under-lying factors and a correct modelling of the treeline ecotone under current climatic conditions are of great importance. For this purpose, statistical models are used to calculate the ecological niche of species based on climatic factors. These models serve as a baseline for models that project the distribution under future climatic conditions.
The Himalayas are the largest mountain range in the world, yet they are often underrepresented in scientific literature. This holds particularly true in relation to modelling studies. Modelling treeline species in remote high altitude regions faces several challenges, especially the availability of occurrence data and high quality environmental variables.
This research aimed at modelling the ecological niche of the Himalayan birch (Betula utilis) under present climatic conditions in the Himalayan mountain system. B. utilis represents a favourable target species for modelling studies, since it is widespread as a treeline-forming species along the entire Himalayan arch. Due to less distinctive habitat requirements and high adaptation potential, it is gaining im-portance as a pioneer tree species for possible succession developments at treelines under future climate conditions.
In all three parts of this work, generalized linear models (GLMs) were used to model the ecological niche of B. utilis. By evaluating the models on the basis of sev-eral quality criteria, statistically valid results were obtained. In order to ensure the transferability of the results to other studies, primarily freely available data were used (except some of the climate data in Article I). In a synergistic approach, a de-tailed study of the underlying climatic, topographical and plant phenological factors was undertaken in order to model the potential and the actual distribution of the focal species.
In the first part, the climatic factors influencing the distribution of B. utilis were determined, followed by modelling the potential distribution under present climatic conditions. In order to classify the results, the modelled distribution was compared with the vegetation map of Schweinfurth (1957), and the deviations were dis-cussed.
In the second part, the ecological niche of B. utilis was modelled based on two different climate data sets. In order to investigate the impact of each climate data set we compared model accuracy and prediction of the modelled niche of B. utilis.
Furthermore, with regard to possible distortion of the modelled distributional are-as, the importance of analysing climate input variables was highlighted. Biased re-sults of current distributions lead to flawed distributions under future scenarios, which may have to far-reaching consequences for the derived climate and nature conservation implications.
In the third part, the focus was on exploring the potential of remote sensing data for modelling the current distribution of B. utilis. Topographical and plant pheno-logical data were used to model the realised niche and to identify the underlying factors. Another focus was evaluating an exclusively remote sensing-based ap-proach. For future studies, remote sensing data can provide long-term, high-resolution, and species-adapted variables to model current distributions.
The present research is the first of its kind in the Himalayan region, and it is characterised by its large-scale and comprehensive nature. To date, comparable studies dealing with modelling the ecological niche of B. utilis under present climat-ic conditions along the entire Himalayan arch were not conducted. The present re-sults provide a new starting point for further investigations aimed at modelling the distribution of the species under past or future climate scenarios. Simultaneously, the presented approaches can also be transferred to other treeline species in high mountains.
Kurzfassung auf Deutsch: Gebirge stellen faszinierende Lebensräume dar, die durch steile ökologische Verti-kalgradienten und eine entsprechende Vegetationshöhenstufung charakterisiert sind. Alpine Waldgrenzen stellen die auffälligsten Höhengrenzen dar, da sie die obere Grenze mehr oder weniger geschlossener Baumbestände markieren; sie ha-ben seit jeher großes Forschungsinteresse geweckt. Global betrachtet wird die Hö-henlage der Waldgrenze in Gebirgen durch Wärmemangel bedingt, lokal hängen Lage, räumliche Strukturen und Dynamik der Waldgrenze von einer Vielzahl sich wechselseitig beeinflussender Faktoren und Prozesse ab.
Im Zuge des Klimawandels wird postuliert, dass sich die Waldgrenze in höhere Lagen verschieben wird. Um diese möglichen Arealverschiebungen quantifizieren zu können, ist eine Analyse der zugrundeliegenden Faktoren und eine korrekte Modellierung des Waldgrenzökotons unter gegenwärtigen klimatischen Bedingun-gen von großer Bedeutung. Hierfür kann mit Hilfe von statischen Modellen die öko-logische Nische von Arten anhand von Umweltvariablen berechnet werden. Diese Ergebnisse dienen dann als Ausgangsbasis für Studien, welche die Verbreitung un-ter Klimaszenarien der Vergangenheit oder der Zukunft modellieren.
Der Himalaya ist zwar das größte Gebirge der Erde, es ist in der wissenschaftli-chen Literatur jedoch oftmals unterrepräsentiert. Dies gilt vor allem in Bezug auf Modellierungsstudien. Grundsätzlich ist die Modellierung von Baumarten an der Waldgrenze mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert, dies bezieht sich vor allem auf die Verfügbarkeit von Vorkommensdaten und qualitativ hochwerti-gen Umweltvariablen.
Das Ziel dieser Arbeit war die Modellierung der ökologischen Nische der Hi-malaya-Birke (Betula utilis) unter gegenwärtigen klimatischen Bedingungen im Hi-malaya. B. utilis stellt eine für Modellierungen vorteilhafte Zielart dar, da sie als waldgrenzbildende Art entlang des gesamten Himalayabogens verbreitet ist. Auf-grund geringer Standortansprüche und hohem Anpassungspotenzial gewinnt sie als Pionierbaumart im Zuge möglicher Sukzessionsentwicklungen unter zukünftigen klimatischen Verhältnissen an der Waldgrenze an Bedeutung.
In den dieser Arbeit zugrunde liegenden publizierten Studien wurden verallge-meinerte lineare Modelle zur Modellierung der ökologischen Nische von B. utilis verwendet. Durch die Evaluation der Modelle anhand von mehreren Gütekriterien wurden Ergebnisse von statistischer Validität erzielt. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Gebiete gewährleisten zu können, wurden weitestgehend frei verfügbare Daten verwendet. In einem synergetischen Ansatz wurde eine de-taillierte Untersuchung der zugrunde liegenden klimatischen, topographischen und pflanzenphänologischen Faktoren vorgenommen, um sowohl die potenzielle als auch die aktuelle Verbreitung der Art zu modellieren.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die klimatischen Faktoren bestimmt, die für die Verbreitung von B. utilis maßgeblich sind. Es folgte die Modellierung der poten-ziellen Nische unter gegenwärtigen klimatischen Bedingungen. Um die Ergebnisse einordnen zu können, wurde die modellierte Verbreitung mit der Vegetationskarte von Schweinfurth (1957) verglichen und die Abweichungen erörtert.
Im zweiten Teil wurden Modelle der ökologischen Nische von B. utilis basierend auf zwei verschiedenen Klimadatensätzen erstellt. Anschließend wurden Modellgü-te und – vorhersage der modellierten ökologischen Nische von B. utilis miteinander verglichen. Desweiteren wurde, in Bezug auf mögliche Verzerrungen der modellier-ten Verbreitungsgebiete, die Bedeutung der Analyse der zugrunde liegenden klima-tischen Eingangsvariablen untersucht. Verzerrte Ergebnisse der gegenwärtigen Verbreitung führen zu fehlerhaften Verbreitungen unter Zukunftsszenarien und können weitreichende Folgen für den daraus abgeleiteten Klima- und Naturschutz bedeuten.
Im dritten Teil lag der Fokus auf der Erkundung des Potenzials von Fernerkun-dungsdaten zur Modellierung der aktuellen Verbreitung von B. utilis. Hierfür wur-den topographische und pflanzenphänologische Daten herangezogen, um die rea-listische Nische zu modellieren und die zugrunde liegenden Faktoren zu identifizie-ren. Ein weiterer Schwerpunkt war die Evaluation eines ausschließlich fernerkun-dungsbasierten Ansatzes. Für zukünftige Studien können Fern-erkundungsdaten langjährige, hochaufgelöste und auf die Art angepasste Variablen zur Modellierung der gegenwärtigen Verbreitung liefern.
Die vorliegende Arbeit ist mit allen drei Teilen die erste ihrer Art für die Hi-malaya-Region und zeichnet sich durch ihre großflächige und umfassende Perspek-tive aus. So gibt es bis dato keine vergleichbaren Studien, die sich mit der Modellie-rung der ökologischen Nische von B. utilis unter gegenwärtigen klimatischen Be-dingungen entlang des gesamten Himalayabogens beschäftigen. Die vorliegenden Ergebnisse stellen einen neuen Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dar, die die Modellierung der Verbreitung von B. utilis unter vergangenen oder zukünf-tigen Klimaszenarien zum Ziel haben. Ebenso können die vorgestellten Ansätze auch auf andere Arten in Hochgebirgen übertragen werden.


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