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Modelling fen vegetation succession by a species niches driven cellular automaton

Modellierung der Sukzession in Niedermooren mit einem zellulären Automaten auf Basis der Nischen von Arten

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-2618
  • Central Europe is a region in the world which is rich in fens. However, fen and wetland area in general have been heavily in decline in the course of the last centuries. In the meantime, the general need of protecting the remaining wetlands has been adopted by national and international authorities. For the restoration and often also for the maintenance of ecosystems on small patches in a fragmented, cultivated landscape, human intervention is inevitable to avoid unwanted, often monotonous conditions due to the absence of natural dynamics and the impact of surrounding land-use. For decision-makers in landscape management, the formulation of targets in wetland restoration or conservation,Central Europe is a region in the world which is rich in fens. However, fen and wetland area in general have been heavily in decline in the course of the last centuries. In the meantime, the general need of protecting the remaining wetlands has been adopted by national and international authorities. For the restoration and often also for the maintenance of ecosystems on small patches in a fragmented, cultivated landscape, human intervention is inevitable to avoid unwanted, often monotonous conditions due to the absence of natural dynamics and the impact of surrounding land-use. For decision-makers in landscape management, the formulation of targets in wetland restoration or conservation, respectively, is directly associated with the question how to reach these targets. For this purpose, succession models are a valuable tool. This thesis is concerned with the development of a computer aided spatially explicit dynamic model of vegetation succession in wet meadows and herbaceous fens. In the first part of the thesis, a statistical technique for parameter estimation and a general model of grassland vegetation succession are introduced, which are not specific for fens. The second part deals with the parameterisation of the model and the application for a real existing Danish fen wetland. The model is mainly driven by species’ realised niches information. Species niches were specified by regression analysis. The standard least squares regression of the conditional mean appeared to be no appropriate statistical technique for vegetation data sets. These data sets are characterised by large numbers of zeros due to the impact of multiple combined factors. With non-linear quantile regression a - in this context - new approach of modelling species’ response to environmental factors was applied. The developed model is a stochastic cellular automaton. The rules of the model comprise information about species niches and species traits : (1) species’ response to single environmental factors modelled by quantile regression, (2) species’ maximum radius of annual vegetative propagation, (3) species’ probability to establish due to long distance dispersal of diaspores in a vegetation gap or in an undisturbed sward, (4) species’ life-form, (5) species height . The rules of the model are not specific for herbaceous fen vegetation but should also work for other grasslands. The relation of 51 species occurring in a Danish riparian fen to eight environmental factors was analysed by detrended correspondence analysis and quantile regression analysis based on 145 vegetation relevées and soil samples. The studied factors were flooding duration, groundwater amplitude, soil organic matter, exchangeable phosphate and potassium, S-value, soil C/N-ratio and pH. Additional parameters required for running the model were derived form the literature or existing databases. The model was used to compute seven scenarios of vegetation succession for a real Danish riparian fen under different assumptions of land use and changing hydrological conditions: - Two scenarios with no land use but for different periods - Mowing and moderate grazing scenarios - Two scenarios with slightly lowered or raised (5 cm) groundwater table and decreasing or increasing flooding duration, respectively. - Fluctuating hydrological conditions scenario. The predictions of the model were evaluated in respect of published studies of fen vegetation succession. Predictive validation by comparing predicted with observed vegetation patterns was possible for the abandonment scenarios, as these scenarios corresponded to the real land use in the study area. The results showed that the model was able to predict the general trends of vegetation succession.show moreshow less
  • Mitteleuropa ist eine Region der Welt, die reich an Niedermooren ist. Im Verlauf der letzten Jahrhunderte hat sich jedoch die Fläche sowohl der Niedermoore als auch der Feuchtgebiete allgemein deutlich verringert. Mittlerweile wurde die Schutzwürdigkeit der verbleibenden Feuchtgebiete von nationalen wie internationalen Behörden und Entscheidungsträgern anerkannt. Für die Wiederherstellung und oftmals auch für die Bewahrung von Ökosystemen auf kleinen Flächen in einer fragmentierten Kulturlandschaft ist ein geeignetes Management notwendig, da andernfalls aufgrund des Fehlens natürlicher Dynamik und des Einflusses der umgebenden Landnutzung unerwünschte Entwicklungen eintreten können. DieMitteleuropa ist eine Region der Welt, die reich an Niedermooren ist. Im Verlauf der letzten Jahrhunderte hat sich jedoch die Fläche sowohl der Niedermoore als auch der Feuchtgebiete allgemein deutlich verringert. Mittlerweile wurde die Schutzwürdigkeit der verbleibenden Feuchtgebiete von nationalen wie internationalen Behörden und Entscheidungsträgern anerkannt. Für die Wiederherstellung und oftmals auch für die Bewahrung von Ökosystemen auf kleinen Flächen in einer fragmentierten Kulturlandschaft ist ein geeignetes Management notwendig, da andernfalls aufgrund des Fehlens natürlicher Dynamik und des Einflusses der umgebenden Landnutzung unerwünschte Entwicklungen eintreten können. Die Frage nach den Zielen im Naturschutz ist damit direkt mit der Frage nach dem Weg zu diesen Zielen verknüpft. Zur Beantwortung dieser Frage können Sukzessionsmodelle ein wertvolles Hilfsmittel sein. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines rechnergestützten, räumlich expliziten, dynamischen Modells der Vegetationsentwicklung in Feuchtwiesen und Niedermooren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein statistisches Verfahren zur Parameterschätzung eingeführt und der generelle Modellansatz vorgestellt. Sowohl Verfahren als auch Modellansatz sind dabei nicht speziell auf Feuchtgrünländer ausgerichtet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Parametrisierung und Anwendung des Modells für ein dänisches Flußauenniedermoor vorgestellt. Die Nischen der einzelnen Pflanzenarten sind wesentlicher Bestandteil der Regeln des entwickelten Modells. Diese Nischen wurden mittels Regressionsanalyse bestimmt. Da vegetationskundliche Datensätze häufig durch eine große Anzahl von Nullen charakterisiert sind, erwies sich die übliche Regression der kleinsten Abweichungsquadrate als ein nicht angemessenes Verfahren. Die hohe Anzahl von Nullen in den Datensätzen lässt sich auf den Einfluss multipler Faktoren zurückführen, die zumeist nur zum Teil erfasst sind. Mit der nicht-linearen Quantilregression wurde ein vielversprechendes und in diesem Zusammenhang neues Verfahren angewandt, um die Nischen der einzelnen Pflanzenarten hinsichtlich verschiedener Standortfaktoren zu bestimmen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell ist ein stochastischer Zellulärer Automat. Die Regeln des Modells beinhalten die Nischen sowie weitere Eigenschaften der einzelnen Pflanzenarten: (1) die Nischen der jeweiligen Arten bezüglich der einzelnen Standortfaktoren (ermittelt durch Quantilregression), (2) den Radius der jährlich maximalen vegetativen Ausbreitung der jeweiligen Arten, (3) die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Art aufgrund von Fernausbreitung der Diasporen in einer Bestandslücke oder im geschlossenen Bestand etablieren kann, (4) die Lebensform, (5) die Wuchshöhe. Die Regeln des Modells sind nicht spezifisch für Feuchtgrünländer, sondern dürften auch für andere Grasländer anwendbar sein. Die Nischen von 51 Arten im Untersuchungsgebiet wurden hinsichtlich zu acht Standortfaktoren (Überflutungsdauer, Grundwasseramplitude, Gehalt des Bodens an organischer Substanz sowie C/N-Verhältnis, austauschbares Phosphat und Kalium, S-Wert und pH-Wert) mittels trendbereinigter Korrespondenzanalyse und Quantilregression untersucht. Zusätzliche Parameter, die für die Anwendung des Modells notwendig sind, wurden aus der Literatur oder aus bestehenden Datenbanken entnommen. Mit dem entwickelten Modell wurden sieben Szenarien für ein dänisches Flussauenniedermoor gerechnet, um die Vegetationsentwicklung unter verschiedenen Annahmen der Landnutzung und sich ändernder hydrologischer Bedingungen vorherzusagen: - Zwei Szenarien ohne Landnutzung (Brache) für jeweils unterschiedliche Zeitabschnitte. - Je ein Mahd- und ein Beweidungsszenario - Je ein Szenario mit leicht abgesenktem bzw. angehobenem Grundwasserstand (5 cm) und reduzierter bzw. erhöhter Überflutungsdauer - Fluktuierende hydrologische Bedingungen Bestehende Studien, die sich mit der Sukzession in Niedermooren befassen, wurden herangezogen, um die Vorhersagen des Modells zu bewerten. Eine prädiktive Validierung durch Vergleich der prognostizierten mit der beobachteten Vegetationsentwicklung konnte für die Brache-Szenarien durchgeführt werden, da die angenommene Landnutzung für diese Szenarien der realen Landnutzung im Untersuchungsgebiet entsprach. Es hat sich gezeigt, dass das Modell die generellen Trends der Vegetationsentwicklung gut vorhersagen kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Henning Schröder
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-2618
Advisor:Uwe Treter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2004/11/16
Release Date:2005/11/11
Tag:Qunatilregression; physiologische Nische; realisierte Nische; ökologische Modellierung
Quantil regression; ecological modelling; physiological niche; realized niche
SWD-Keyword:Regelbasiertes Modell; Flachmoor; Zellularer Automat; Vegetationsentwicklung; Grünlandpflanzen; Renaturierung <Ökologie>; Nichtlineare Regressio
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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