Sensitivity and Response of Alpine Treelines to Climate Change - Insights from a Krummholz Treeline in Rolwaling Himal, Nepal

Abstract

Mountain forests cover large parts of mountainous regions on Earth and represent signifi-cant natural resources from both socio-economic and ecological perspectives. Mountains of the world, including the Himalaya, belong to the regions that have been most affected by climate change. Alpine treeline ecotones mark the transition from the uppermost occurrences of contiguous forests to a treeless area, i.e. the transition from upper subalpine forest via the treeline to alpine vegetation. At a global scale, insufficient temperatures during the growing season result in growth limitations that determine the elevation of natural alpine treelines. However, treeline positions, spatial patterns and dynamics depend on a multitude of environmental factors and ecological interactions at landscape and local scales. It is assumed that temperature increases due to climate change cause treelines to advance to higher elevations. However, empirical studies of diverse mountain ranges have yielded evidence of both advancing alpine treelines as well as rather insignificant responses. The reasons for this discrepancy are not well understood. To address research deficits in global-change-related treeline dynamics, we applied a land-scape approach that derives from the pattern-process paradigm in landscape ecology and hierarchy theory in ecology. The overall objective was to analyse the sensitivity and response of the investigated treeline ecotone to climate change. We collected extensive samples of vegetation and environmental variables in the near-natural treeline ecotone of the Rolwaling valley in east-central Nepal. Based on these data, we analysed population structures and regeneration patterns, investigated population density-environment relationships and correlated tree growth with climate in order to assess the treeline’s sensitivity to climate warming. Based on detailed tree population data and tree-ring data as well as analysed interactions of vegetation and their environmental relationships, this thesis contributes novel findings on the sensitivity and response of Himalayan treelines to climate warming, enhancing the present understanding of treeline ecology in general and of the significance of climate-change-induced effects.

Bergwälder von hoher sozioökonomischer und ökologischer Bedeutung bedecken große Teile der Gebirgsregionen auf der Erde. Diese Regionen, einschließlich des Himalayas, sind neben den höheren Breiten am stärksten vom Klimawandel betroffen. Waldgrenzökotone stellen den Übergang von den obersten Vorkommen subalpiner Wälder über die Baumgrenze bis hin zur baumfreien alpinen Vegetation dar. Auf globaler Ebene führen unzureichende Temperaturen während der Vegetationsperiode zu Wachstumsbeschränkungen, die die Höhenlage der natürlichen alpinen Waldgrenze bestimmen. Jedoch sind Waldgrenzen, ihre räumlichen Muster und ihre Dynamik auf kleineren räumlichen Ebenen, zum Beispiel auf der Landschaftsebene und der lokalen Ebene, von einer Vielzahl weiterer Umweltfaktoren und von ökologischen Wechselwirkungen abhängig. Es wird generell angenommen, dass sich alpine Waldgrenzen infolge des Klimawandels in höhere Lagen verschieben. Empirische Untersuchungen in verschiedenen Gebirgszügen haben jedoch Hinweise sowohl auf einen Anstieg alpiner Waldgrenzen als auch auf die Persistenz dieser Höhengrenzen ergeben. Die Gründe für diese Diskrepanz sind bisher unzureichend erforscht. Um entsprechende Forschungsdefizite abzubauen, haben wir einen landschaftsökologischen Ansatz angewendet, der aus dem Raummuster-Prozess-Paradigma der Landschaftsökologie und der Hierarchie-Theorie der Ökologie abgeleitet ist. Das übergeordnete Ziel bestand darin, die Sensitivität und Reaktion des untersuchten Waldgrenzökotons auf den Klimawandel zu analysieren. Wir haben umfangreiches Datenmaterial zu Vegetations- und Umweltvariablen im naturnahen Waldgrenzökoton des Rolwaling-Tales im östlichen Zentral-Nepal erstmalig erhoben. Auf dieser Grundlage konnten Populationsstrukturen und Verjüngungsmuster erfasst, Zusammenhänge zwischen Populationsdichten und Standortfaktoren untersucht und Korrelationen zwischen Baumwachstum und Klima ermittelt werden. Die Ergebnisse ermöglichten weitreichende Schlussfolgerungen hinsichtlich der Empfindlichkeit der Baumgrenze gegenüber der Klimaerwärmung. Auf der Grundlage detaillierter Daten zu Baumpopulationen und Jahrringen und durch die Analyse von Vegetation-Standort-Interaktionen liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse zu Sensitivität und Reaktion von Himalaya-Waldgrenzen im Zuge des Klimawandels und trägt zu einem besseren Verständnis der Ökologie von Waldgrenzen im Allgemeinen und der Signifikanz von Auswirkungen des Klimawandels bei.