Effects of environmental change on grassland birds in the Central-Asian flyway through the annual cycle

by Tejas Bhagwat
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-04-07
Date of issue:2025-05-20
Advisor:Prof. Dr. Johannes Kamp
Referee:Prof. Dr. Tobias Kuemmerle
Referee:Prof. Dr. Matthias Waltert
Referee:Prof. Dr. Catrin Westphal
Referee:Prof. Dr. Stefan Scheu
Referee:Prof. Dr. Niko Balkenhol
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11262

 

 

Files in this item

Name:Dissertation_SUB_Publikation_Bhagwat_09_05_2025.pdf
Size:15.0Mb
Format:PDF
Description:Dissertation

This file will be freely accessible after 2026-04-06.

Abstract

English

Land use change is a significant driver of biodiversity loss, but its impacts have been largely studied with a particular focus on temperate regions and forest ecosystems. In this thesis, I used bird abundance, occurrence, and species richness as indicators of biodiversity response to land use land cover change on globally relevant scales. Specifically, I disentangled the effects of environmental change in grasslands and open ecosystems on regional and migratory birds moving in the Central-Asian flyway through the annual cycle. All three critical areas for migratory grassland birds in the Central Asian Flyway – breeding grounds, stopover sites, and wintering grounds – have experienced considerable changes in land use over the last three decades. The three chapters (II, III and IV), addressed these changes and their impacts on bird biodiversity through the annual cycle. The second chapter of this thesis focused on breeding grounds in the Kazakh steppe. Widespread abandonment of cropland and livestock in Kazakhstan following the dissolution of the Soviet Union established fire as the dominant disturbance by the mid-90s. Between 2001 – 2009, the Kazakh steppe accounted for majority of the annual burning in Central Asia. For a region with a long legacy of nomadic pastoralism that evolved over 5000 years ago, the change in disturbance regime from grazer to fire control, and resulting impacts on biodiversity in the steppe are poorly explored. Similarly, the third chapter of the thesis analyzed species – habitat associations in the wintering grounds of western India that largely comprise natural and semi-natural savannas and other open ecosystems. Officially classified as ‘wastelands’, majority of the savannas on the Indian subcontinent are regularly earmarked for agricultural, infrastructural developments and afforestation. In western India, savannas largely exist as agriculture-savanna mosaics due to the fragmentation resulting from this land use change. Continued decline in migratory bird populations in India over the past two decades is often attributed to this habitat fragmentation but few empirical studies exist showing specific land use change drivers of this decline. Lastly, chapter four accounted for biodiversity response through the annual cycle by using combination of bird abundance records and multi-year, satellite and GPS tracking data for a model species – Social lapwing (Vanellus gregarius) occurrence. Using satellite based land cover indicators which were spatio-temporally matched with the date and location of bird occurrence, the fourth chapter predicted year-round habitat suitability for the model species. The results of the second chapter revealed a significant decline in overall bird biodiversity on the breeding grounds following an increase in fire disturbance with legacy effects of fire detectable after at least eight years. The results of the third chapter indicated a higher richness and abundance (and therefore better adaptability) of resident species in heterogeneous agriculture-savanna mosaics, but a negative impact on Palearctic migratory species underscoring their preference for compositionally simpler landscapes during the winter season, analogous to steppe grasslands. Results also showed a higher overall bird abundance in landscapes with a higher proportion of annual crops cultivated in rotation, while field size (configurational complexity) indicated no significant effects during the winter bird assemblage. The results of the fourth chapter, based on multi-temporal models suggested an overall increase in year-round suitable habitat for the Sociable lapwing over the past three decades in the Central-Asian flyway with species showing a high preference for agricultural landscapes through the annual cycle. The results from chapters II-IV offer three key insights for biodiversity conservation. First, they show that legacies of land use change can also drive biodiversity response, thus should be considered in status assessments. Second, agricultural land use can be a significant driver of bird biodiversity but its impact is highly dependent on the regional agricultural composition and is not always negative. Third, ‘big data’ from satellite remote sensing of the environment or species occurrence can address complex species – environment associations through a dynamic, multi-temporal modeling approach. The interdisciplinary manner of this work contributes to the fields of bird ecology, biogeography – in particular our understanding of land use land cover change, and applications of satellite remote sensing for biodiversity conservation. The ecological insights from the thesis provide a framework for policymakers to plan collaborative efforts for the conservation of migratory birds on a global scale, while remote sensing and computational methods provide necessary tools to identify and quantify environmental and land use change drivers that influence species distributions.
Keywords: Fire disturbance, grasslands, grazing intensity, farmland abandonment, MODIS burned-area product, livestock, pyric herbivory, Agriculture-savanna mosaics, annual crops, crop diversity, field size, integrated normalized difference vegetation index, land cover composition and configuration, Palearctic migratory birds, remote-sensing, savanna grasslands, semi-perennial crops, Central-Asian flyway, annual cycle, Sociable lapwing, year-round habitat suitability, agricultural land cover, multi-temporal models, Tasseled Cap Analysis

German

Landnutzungsänderungen sind ein bedeutender Faktor für den Verlust der biologischen Vielfalt, aber ihre Auswirkungen wurden bisher vor allem in gemäßigten Regionen und Waldökosystemen untersucht. In dieser Arbeit habe ich die Abundanz, das Vorkommen und den Artenreichtum von Vögeln als Indikatoren für die Reaktion der biologischen Vielfalt auf Landnutzungsänderungen auf globaler Ebene verwendet. Insbesondere habe ich die Auswirkungen von Umweltveränderungen in Grasland und offenen Ökosystemen auf regionale Vögel und Zugvögel auf der zentralasiatischen Flugroute im Jahreszyklus untersucht. Alle drei kritischen Gebiete für Grasland-Zugvögel in der zentralasiatischen Flugroute - Brutgebiete, Zwischenlandeplätze und Überwinterungsgebiete - haben in den letzten drei Jahrzehnten erhebliche Veränderungen in der Landnutzung erfahren. In den drei Kapiteln (II, III und IV) wurden diese Veränderungen und ihre Auswirkungen auf die biologische Vielfalt der Vögel im Jahreszyklus untersucht. Das zweite Kapitel dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Brutgebiete in der kasachischen Steppe. Durch die weit verbreitete Aufgabe von Ackerland und Viehzucht in Kasachstan nach der Auflösung der Sowjetunion wurde das Feuer bis Mitte der 90er Jahre zur dominierenden Störung. Zwischen 2001 und 2009 wurde in der kasachischen Steppe der Großteil der jährlichen Brände in Zentralasien gezählt. Für eine Region mit einem langen Erbe des nomadischen Hirtenwesens, welches sich vor mehr als 5000 Jahren entwickelt hat, sind der Wechsel des Störungsregimes von der Weidehaltung zur Feuerbekämpfung und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die biologische Vielfalt in der Steppe kaum erforscht. In ähnlicher Weise wurden im dritten Kapitel der Arbeit die Arten-Lebensraum-Verbindungen in den Überwinterungsgebieten Westindiens analysiert, die größtenteils aus natürlichen und halbnatürlichen Savannen und anderen offenen Ökosystemen bestehen. Die meisten Savannen auf dem indischen Subkontinent, die offiziell als „Ödland“ eingestuft werden, werden regelmäßig für landwirtschaftliche und infrastrukturelle Entwicklungen sowie für Aufforstungen genutzt. In Westindien bestehen die Savannen aufgrund der Fragmentierung infolge dieser Landnutzungsänderung größtenteils aus Agrar-Savannen-Mosaiken. Der anhaltende Rückgang der Zugvogelpopulationen in Indien in den letzten zwei Jahrzehnten wird häufig auf diese Lebensraumfragmentierung zurückgeführt, aber es gibt nur wenige empirische Studien, die die spezifischen Ursachen für diesen Rückgang durch Landnutzungsänderungen aufzeigen. Im vierten Kapitel wurde schließlich die Veränderung der biologischen Vielfalt über den Jahreszyklus hinweg anhand einer Kombination aus Aufzeichnungen über die Abundanz von Vögeln und mehrjährigen Satelliten- und GPS-Tracking-Daten für eine Modellart - das Vorkommen des Kiebitzes (Vanellus gregarius) - untersucht. Unter Verwendung satellitengestützter Indikatoren für die Bodenbedeckung, die räumlich und zeitlich mit dem Datum und dem Ort des Auftretens der Vögel abgestimmt wurden, wurden im vierten Kapitel Vorhersagen über die ganzjährige Eignung des Lebensraums für die Modellart getroffen. Die Ergebnisse des zweiten Kapitels zeigten einen signifikanten Rückgang der gesamten biologischen Vielfalt der Vögel in den Brutgebieten nach einer Zunahme der Brandstörung, wobei die Nachwirkungen des Feuers erst nach mindestens acht Jahren nachweisbar waren. Die Ergebnisse des dritten Kapitels wiesen auf einen größeren Reichtum und eine höhere Abundanz (und damit eine bessere Anpassungsfähigkeit) der ansässigen Arten in fragmentierten Agrar-Savannen-Mosaiken hin, hatten jedoch negative Auswirkungen auf die paläarktischen Zugvogelarten, was deren Präferenz für kompositorisch einfache Landschaften analog zu Steppengrasland während der Wintersaison unterstreicht. Die Ergebnisse zeigten auch, dass in Landschaften mit einem höheren Anteil an einjährigen Kulturen in der Fruchtfolge insgesamt mehr Vögel vorkommen, während die Größe der Felder (Komplexität der Konfiguration) keine signifikanten Auswirkungen auf die Wintervogelbestände hatte. Die Ergebnisse des vierten Kapitels, die sich auf multitemporale Modelle stützen, deuten darauf hin, dass die Zahl der ganzjährig geeigneten Lebensräume für den Kiebitz in den letzten drei Jahrzehnten auf der zentralasiatischen Flugroute insgesamt zugenommen hat, wobei die Arten während des gesamten Jahreszyklus eine hohe Präferenz für Agrarlandschaften zeigen. Die Ergebnisse aus den Kapiteln II-IV bieten drei wichtige Erkenntnisse für die Erhaltung der biologischen Vielfalt. Erstens zeigen sie, dass die Hinterlassenschaften von Landnutzungsänderungen auch die Veränderung der Artenvielfalt beeinflussen können und daher bei der Bewertung des Zustands berücksichtigt werden sollten. Zweitens kann die landwirtschaftliche Flächennutzung einen wesentlichen Einfluss auf die biologische Vielfalt der Vögel haben, aber ihre Auswirkungen hängen stark von der landwirtschaftlichen Zusammensetzung ab und sind nicht immer negativ. Drittens können Big Data - satellitengestützte Fernerkundung der Umwelt oder des Vorkommens von Arten - komplexe Zusammenhänge zwischen Arten und Umwelt durch einen dynamischen, multitemporalen Modellierungsansatz untersuchen. Der interdisziplinäre Ansatz dieser Arbeit leistet einen Beitrag zur Vogelökologie, zur Wissenschaft der Analyse von Landnutzungsänderungen und zur Anwendungen von Satellitenfernerkundung für den Schutz der biologischen Vielfalt. Die ökologischen Erkenntnisse aus dieser Arbeit bieten politischen Entscheidungsträgern eine Grundlage für die Planung gemeinsamer Anstrengungen zum Schutz von Zugvögeln auf globaler Ebene, während Fernerkundungs- und Berechnungsmethoden die notwendigen Instrumente zur Identifizierung und Quantifizierung von Umwelt- und Landnutzungsänderungen liefern, die ihre Verbreitung beeinflussen.