Degraded Tugai Forests under rehabilitation in the Tarim riparian ecosystem, Northwest China: monitoring, assessing and modelling

Regeneration degradierter Tugaiwälder im Auenökosystem entlang des Tarim, Nordwest-China: Monitoring, Bewertung und Modellierung

  • The Tarim River, located along the northern and eastern borders of the Taklamakan Desert in Xinjiang, Northwest China, is about 1320 km long and thus one of the longest continental inland waterways in the world. In an undisturbed state, it is accompanied on both sides by floodplain forests of Euphrates Poplar (Populus euphratica Oliv.), also known as “Tugai Vegetation” or “Tugai Forests”. These forests form typical desert riparian forests as the so-called “Green Corridor” and prevent the two deserts, the Taklamakan and the Kuruk-Tagh, from merging together. At present, large areas that were originally P. euphratica riparian forests have disappeared, with the remaining areas in critical condition. Specifically, the greatest threats over the past few decades have been the rising water consumption in the upper and middle reaches and massive hydro-technical interventions (construction of embankments and dams) in the development of uncultivated land (including the direct clearance of forests) for cotton production. These have led to widespThe Tarim River, located along the northern and eastern borders of the Taklamakan Desert in Xinjiang, Northwest China, is about 1320 km long and thus one of the longest continental inland waterways in the world. In an undisturbed state, it is accompanied on both sides by floodplain forests of Euphrates Poplar (Populus euphratica Oliv.), also known as “Tugai Vegetation” or “Tugai Forests”. These forests form typical desert riparian forests as the so-called “Green Corridor” and prevent the two deserts, the Taklamakan and the Kuruk-Tagh, from merging together. At present, large areas that were originally P. euphratica riparian forests have disappeared, with the remaining areas in critical condition. Specifically, the greatest threats over the past few decades have been the rising water consumption in the upper and middle reaches and massive hydro-technical interventions (construction of embankments and dams) in the development of uncultivated land (including the direct clearance of forests) for cotton production. These have led to widespread destruction of the natural ecosystems, particularly in the lower reaches of the river where about 320 km of the floodplain forests are either highly degraded or dead as the result of nearly 30 years of river desiccation. As a consequence of these deteriorations, land desertification has been aggravated and has expanded in the region. Because of the challenges facing this ecosystem, restoration measures with the diversion of “Emergency Ecological Water” have been implemented in the affected areas since 2000. This new process of recovery measures needs efficient and extensive long-term monitoring. In this thesis, current restoration measures as implemented to date are presented and hydrological dynamics as a function of water diversion are analysed. The structure, distribution and health statues (referred to as “vitality”) of the dominant species Populus euphratica have been monitored by measuring Eco-morphological parameters of more than 5000 trees in two sampling sites (a 100-ha permanent plot and five random sampling plots of 50-m radii) at Arghan village in the lower reaches of the Tarim River in the Xinjiang Uyghur Autonomous Region of China. The effects of restoration measures on the revitalization of degraded trees have been analysed and assessed by using individual-based repeated measurements of the tree data. From a long-term point of view, and taking labour intensity and the high cost of tree height measurements into account, a suitable height-diameter model for obtaining the tree height (TH) of P. euphratica based on the diameter at breast-height data (DBH) has been developed and evaluated. The average annual groundwater depth within 300 m of the river channel at different transects (Yingsu, Karday, Arghan) recovered significantly after a second water diversion in 2001. The same rising trend in groundwater level was retained until 2004, started to decline until 2009, and then rose again until the end of the water diversion in 2011. The Mann-Kendall statistical trend test was applied to the mean monthly and annual groundwater depth of six groundwater wells at different distances from the river on the Arghan transect. The trend test for the whole time series period from 2003 to 2011 indicated that there was a statistically significant decreasing trend for all wells, but that from January 2010 to December 2011 the groundwater level in all wells had a statistically significant increase. With the exception of a relatively favourable groundwater depth for floodplain forests within a 150 m distance of the riverbed, the groundwater depth at larger distances remained far below 5 m, causing most forest plants (with the exception of the Tamarix sp.) to suffer from water scarcity. Analyses of forest structure, distribution and health status suggested that a maximum TH of 19 m was found within 0-20 m and 100-200 m of the river. By contrast, a maximum DBH of 126 cm was found within 500-600 m of the river. Trees with a TH of over 15 m and a DBH of over 60 cm appeared sporadically. The maximum CD (crown diameter) of 16.58 cm (one tree) was found next to the river bed. There was a relatively great variation in DBH when compared to TH and other eco-morphological parameters. On average, stand structure tended to be simpler as distance from the river increased. Trees classified as healthy and good accounted for approximately 40 % of all sample trees, with slightly and highly degraded trees representing nearly 60 %. Some of the eco-morphological parameters of the trees vary differently with respect to the ecological water diversion measures. In particular, in the vertical (north-south) direction, the farther the trees are from the river, the weaker the response of ecological indicators. These parameters include: tree vitality classes (VS), crown diameter (CD), height to crown (HC), frequency of root suckers, number of young seedlings, and shoot growth, as well as newly developed crown types of P. euphratica trees. Generally, the floodplain forests within 200 m of the riverbed recovered remarkably, and those between 200 and 800 m from the river showed a medium response to the water transfer, while forests further than 800 m away from the riverbed showed lesser signs of recovery. Following the evaluation and comparison of the results from ten commonly used models by means of multiple-model performance criteria (such as asymptotic t-statistics of model parameters, standardized residuals against predicted height, the root-mean-square error (RMSE), Akaike’s information criterion (AIC), mean prediction error (ME) and mean absolute error (MAE)), Model (1): TH=1.3+a/(1+b×e^(-c×DBH)) and Model (6): TH=1.3+DBH^2/(a+b×DBH+c×DBH^2) are recommended as suitable choices for approximating the height-diameter relationship of P. euphratica. The limitations of the other models, resulting in poor performance for predicting TH accurately, are also discussed.zeige mehrzeige weniger
  • Der Tarim verläuft entlang des nördlichen und östlichen Randes der Taklamakanwüste in Xinjiang, Nordwest-China. Er ist mit ca. 1320 km einer der längsten Inlandsflüsse der Welt. Im ungestörten Zustand ist er beiderseits von Auwäldern aus Euphratpappeln, den Tugaiwäldern, gesäumt. Diese Wälder sind die typische Vegetation der Wüsten-Auwälder und bilden den sog. “Grünen Korridor”, der verhindert, dass die beiden Wüsten Taklamakan und Kuruk Tagh zusammenwachsen. Heute sind weite Teile der Euphratpappelwälder verschwunden, die verbleibenden Flächen sind gefährdet. Konkrete Bedrohung ist der steigende Verbrauch an Wasserressourcen am Ober- und Mittellauf sowie massive wasserbauliche Eingriffe wie die Eindeichung des Flusses. Ursache hierfür ist die Erschließung von Brachland für den Anbau von Baumwolle (inklusive der Rodung von Wäldern). Diese Eingriffe haben zu einer weitgehenden Zerstörung der natürlichen Ökosysteme insbesondere am Unterlauf geführt, wo auf ca. 320 km die Auwälder stark degradiert oder bereits abgestorben sind – ein ErgeDer Tarim verläuft entlang des nördlichen und östlichen Randes der Taklamakanwüste in Xinjiang, Nordwest-China. Er ist mit ca. 1320 km einer der längsten Inlandsflüsse der Welt. Im ungestörten Zustand ist er beiderseits von Auwäldern aus Euphratpappeln, den Tugaiwäldern, gesäumt. Diese Wälder sind die typische Vegetation der Wüsten-Auwälder und bilden den sog. “Grünen Korridor”, der verhindert, dass die beiden Wüsten Taklamakan und Kuruk Tagh zusammenwachsen. Heute sind weite Teile der Euphratpappelwälder verschwunden, die verbleibenden Flächen sind gefährdet. Konkrete Bedrohung ist der steigende Verbrauch an Wasserressourcen am Ober- und Mittellauf sowie massive wasserbauliche Eingriffe wie die Eindeichung des Flusses. Ursache hierfür ist die Erschließung von Brachland für den Anbau von Baumwolle (inklusive der Rodung von Wäldern). Diese Eingriffe haben zu einer weitgehenden Zerstörung der natürlichen Ökosysteme insbesondere am Unterlauf geführt, wo auf ca. 320 km die Auwälder stark degradiert oder bereits abgestorben sind – ein Ergebnis von beinahe 30 Jahren fehlenden Abflusses. Folge hiervon ist die Ausbreitung der Desertifikation in der Region. Aufgrund der Probleme, die sich für dieses Ökosystem ergeben, wurde 2000 mit der Renaturierung auf Basis einer „ökologischen Wasserumleitung“ begonnen. Dieser Prozess benötigt ein ausführliches und gleichzeitig effizientes Langzeitmonitoring. In der vorliegenden Arbeit werden die rezenten Renaturierungsmaßnahmen vorgestellt und die hydrologische Dynamik als Folge der Wasserumleitungen analysiert. Die Struktur, die räumlichen Charakteristika sowie der Zustand („Vitalität“) der Hauptart Populus euphratica waren Gegenstand eines Monitoring. Hierzu wurden ökomorphologische Parameter von mehr als 5000 Bäumen in zwei Stichprobenflächen aufgenommen. Diese befinden sich nahe dem Arghan am Unterlauf des Tarim in der Autonomen Uighurischen Provinz Xinjiang, NW China und setzen sich aus einer 100 ha großen Dauerbeobachtungsfläche und fünf zufälligen Plots mit 50 m Radius zusammen. Der Effekt der Renaturierung auf die Revitalisierung der degradierten Bäume wurde auf Basis von wiederholten Messungen an Einzelbäumen analysiert. Um langfristig den hohen Arbeitsaufwand und die hohen Kosten für die Messung der Baumhöhen zu reduzieren, wurde ein Modell für den Zusammenhang von Brusthöhendurchmesser und Baumhöhe für Populus euphratica entwickelt und evaluiert. Der mittlere Grundwasserspiegel in drei Transekten (Yingsu, Karday, Arghan) innerhalb 300 m Abstand zum Fluss erhöhte sich signifikant seit der zweiten Wasserumleitung 2001. Derselbe positive Trend bestand bis 2004. Danach sank er bis 2009 ab und stieg bis Ende der Wasserumleitung 2009 wieder an. Die Grundwasserdaten des Arghan-Transekts wurden mithilfe des Mann-Kendall Trendtests untersucht. Für den Zeitraum von 2003 bis 2011 zeigte sich, dass der Grundwasserspiegel für alle Pegel signifikant abnahm. Für den Zeitraum von Januar 2010 bis Dezember 2011 ergab sich jedoch ein signifikanter Anstieg. Mit Ausnahme eines Korridors von etwa 150 m um das Flussbett, wo das Grundwasser ausreichend hoch für Auwälder ansteht, ist der Grundwasserflurabstand deutlich größer als 5 m, was bei den meisten Pflanzen (mit Ausnahme Tamarix spec.) zu Wasserstress führt. Die Analyse der Waldstruktur, räumlichen Verteilung und Zustand ergab eine maximale Baumhöhe von 19 m in einer Zone von 0-20 m und 100-200 m um das Gerinne. Der größte Brusthöhendurchmesser von 126 cm wurde jedoch in einer Zone von 500-600 m gefunden. Bäume mit einer Höhe von mehr als 15 m und einem Durchmesser von mehr als 60 cm treten nur sporadisch auf. Der größte Kronendurchmesser (16,58 m, ein Baum) wurde direkt am Fluss gefunden. Der Brusthöhendurchmesser war im Vergleich zur Baumhöhe und dem Kronendurchmesser variabler. Im Mittel wird die Bestandsstruktur mit zunehmender Entfernung zum Fluss einfacher. Ca. 40 % der Bäume wurden als „gesund“ eingestuft, während 60 % leicht oder stark degradiert sind. Einige der ökomorphologischen Parameter der Bäume verhalten sich in Bezug auf die Wasserüberleitung unterschiedlich. Besonders in Nord-Südrichtung ist die Reaktion der ökologischen Indikatoren mit zunehmendem Gerinneabstand schwächer. Diese Parameter umfassen die Vitalitätsstufe, den Kronendurchmesser, den Bodenabstand der Krone, die Häufigkeit von Klonen, die Anzahl an Jungpflanzen und Keimlingen sowie Sekundärkronen von Populus euphratica. Insgesamt erholte sich der Auwald in einer 200 m-Zone um das Flussbett sichtbar, zwischen 200 m und 800 m zeigte sich ein mittlerer Effekt während in mehr als 800 m Entfernung zum Gerinne die Anzeichen einer Erholung weniger deutlich sind. Auf Basis von verschiedenen Kriterien wie dem Akaikes Information Criterion (AIC), Mean Prediction Error (ME) und dem Mean Absolute Prediction Error (MAE) wurden zehn gemeinhin benutzte Modelle evaluiert und verglichen. Als Ergebnis zeigt sich, dass Modell 1 (TH= 1,3+a/(1+b × ec x BHD)) und Modell 6 (H=1,3+BHD²/(a+b × BHD + c × BHD²)) adäquat in der Beziehung von Brusthöhendurchmesser (BHD) und Baumhöhe (H) sind. Die Einschränkungen der weiteren Modelle, die zu einer schlechten Performance in der Vorhersage der Baumhöhen führen, werden ebenfalls diskutiert.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben:Tayierjiang, Aishan
URN:urn:nbn:de:bvb:824-opus4-2938
Betreuer:Prof. Dr. Halik, Ümüt, Prof. Dr. Cyffka, Bernd
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Online-Veröffentlichungsdatum:11.03.2016
Datum der Erstveröffentlichung:11.03.2016
Veröffentlichende Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt
Titel verleihende Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Mathematisch-Geographische Fakultät
Datum der Abschlussprüfung:09.12.2015
Datum der Freischaltung:11.03.2016
Freies Schlagwort / Tag:Forest modelling; Populus euphratica; Riparian forest; Tarim River; Tree vitality
GND-Schlagwort:Auenwald; Baumbestand; Biomonitoring; Methode; Rekultivierung; Renaturierung / Ökologie; Tarim
Seiten:XIX, 130 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Fakultät/Lehrstuhl:Mathematisch-Geographische Fakultät / Geographie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie
Lizenz (Deutsch):License LogoKeine Lizenz - es gilt das deutsche Urheberrecht

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