Geoecological analysis of forest distribution and post-disturbance tree regrowth in the forest-steppe of central Mongolia

by Florian Schneider
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-10-29
Date of issue:2021-09-09
Advisor:Prof. Dr. Daniela Sauer
Referee:Prof. Dr. Daniela Sauer
Referee:Prof. Dr. Hermann Behling
Referee:Dr. Michael Klinge
Referee:Prof. Dr. Heiko Faust
Referee:Dr. Daniel Wyss
Referee:Dr. Stefan Erasmi
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8813

 

 

Files in this item

Name:Dissertation_Schneider_2021.pdf
Size:15.0Mb
Format:PDF
Description:Dissertation

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

The Mongolian forest-steppe is an ecotone at the transition between the Siberian Taiga in the north and the Gobi Desert in the south. The highly continental, semiarid climate magnifies the importance of water availability for tree vegetation. Forests exclusively appear on northern slopes, due to less evapotranspiration, while the majority of surfaces in the area is covered by grass vegetation. Drought-induced growth reduction and increased tree mortality, intensified by climate change, was frequently observed in the forest-steppe during the last decades. Furthermore, forest fires and forest use, in particular logging and forest grazing, considerably reduced the forest distribution and affected the forest structure. Field investigations showed that severely disturbed forest stands, e.g. by fire or clear-cutting, do not recover equally under apparently similar conditions, ranging from quick tree regrowth to no regrowth of trees at all. It is obligatory to investigate the geoecological factors to understand the recovery pattern and the current development of the forest vegetation in the Mongolian forest-steppe. Therefore, two objectives were aimed in this research as follows: (1) to evaluate the forest vitality, and to determine the forest distribution and the specific requirements for tree growth in the northern Khangai Mountains, situated in the forest-steppe of central Mongolia, (2) to identify the difference in the site-specific conditions, including soil- and permafrost analyses, of healthy forest stands and disturbed forests with and without tree regrowth. A set of methods on different spatial scales was used to investigate this environment comprehensively. Remote sensing and GIS techniques were applied on Landsat, TanDEM-X and Sentinel satellite images as well as on climate data to characterise the present and potential forest distribution. Those techniques supported the illustration and interpretation of the conducted measurements. A literature review on English, German and Russian literature was carried out to identify the plant-specific needs of Siberian larch, the predominant tree species of the Mongolian forest-steppe. During two field campaigns, 2017 and 2018, 54 soil profiles were analysed, sampled, and hydraulic soil parameters were measured. Moreover, the permafrost depth was analysed using soil profiles, drillings, temperature measurements and ground-penetrating radar. Soil samples were investigated for their physical, chemical and hydrological properties in the laboratory. Statistical procedures were applied to the measured data. The results indicated that the potential forest area in the northern Khangai Mountains is substantially larger than the present forests. Several fires diminished the forested area by more than 40 % compared to the distribution in 1986. Moreover, logging and grazing livestock opened the forest structure and notably reduced the forest stands at their lower boundary. Based on the findings of the review, fire can be considered as a minor issue for Siberian larch forests due to their quick recovery on burned sites. In contrast, intensified drought events and human impact severely threaten the tree vegetation of the Mongolian forest-steppe by increased tree mortality and hampered tree regrowth. The soil investigations of the disturbed sites in the study area showed that silt contents of sites with regrowth of trees are significantly higher compared to those without regrowth of trees. Measurements on plant-available field capacity proved this difference by higher capacity in soils of areas with regrowth. Chemical soil properties, such as carbon and nitrogen stocks, effective cation exchange capacity and exchangeable cations, could not prove any significant differences between post-disturbance regrowth and no regrowth. Therefore, soil hydrological properties, which increase the water availability for tree vegetation, are decisive for the tree regrowth on disturbed sites. The permafrost distribution strongly depends on the shadowing of closed vegetation, the thermal isolation by a thick organic layer and the water availability. Dense forest stands contained permafrost within a depth of 50 to 200 cm. On disturbed sites,xi permafrost was not encountered anymore. Thus, the discontinuous permafrost distribution is vanished after severe disturbance and does not influence the tree regrowth pattern. Based on the findings, it is concluded that water availability is the crucial factor for the tree regrowth pattern after disturbances in the Mongolian forest-steppe. However, the reestablishment of forest vegetation underlies other influences, in particular climate conditions and human impact. Regulating forest management is therefore needed to prevent a dramatic decline of forested areas in future.
Keywords: soil hydrology; permafrost; tree regrowth; forest-steppe; remote sensing; fire; climate change

German

Die mongolische Waldsteppe bildet den Übergangsbereich zwischen der sibirischen Taiga im Norden und der Wüste Gobi im Süden. Die Baumvegetation in diesem Ökoton ist, aufgrund es hochkontinentalen, semiariden Klimas, in besonderem Maße von Wasserverfügbarkeit abhängig. Waldflächen sind aufgrund des niedrigeren Evapotranspiration auf Nordhängen anzutreffen, während die Mehrheit der Flächen mit Grasvegetation bedeckt ist. Innerhalb der letzten Jahrzehnte haben Dürren zu vermehrter Wachstumsverminderung und erhöhter Baumsterblichkeit in der Waldsteppe geführt. Zudem haben Waldbrände und Waldnutzung, vor allem Abholzung und Waldweide, die Waldverbreitung deutlich reduziert und die Bestandsstruktur beeinflusst. Geländebefunde verdeutlichten, dass sich stark gestörte Waldflächen, verursacht durch Feuer und Kahlschlag, nicht gleichmäßig unter augenscheinlich gleichwertigen Bedingungen erholen. Hierbei wurden Unterschiede von rascher Baumsukzession bis hin zum kompletten Ausbleiben der Baumsukzession dokumentiert. Um diese Vegetationsmuster und die Entwicklung der Waldvegetation in der mongolischen Waldsteppe zu verstehen, ist eine Untersuchung der geoökologischen Steuerungsfaktoren dieses Umweltsystems zwingend erforderlich. Aus diesem Grund hat diese Arbeit folgende Ziele: (1) die Waldverbreitung und die Voraussetzungen für Waldwachstum im nördlichen Khangai Gebirge, welches ein Teil der Mongolischen Waldsteppe bildet, zu bestimmen (2) die entscheidenden Unterschiede in den Standortbedingungen, insbesondere der Bodeneigenschaften und der Permafrostverbreitung, von gesunden Waldstandorten sowie von gestörten Standorten mit und ohne Baumsukzession zu identifizieren. Eine Vielzahl von Methoden auf verschiedenen räumlichen Skalen wurde genutzt um dieses Umweltsystem weitreichend zu analysieren. Landsat, TanDEM-X und Sentinel Satellitenaufnahmen sowie Klimadaten wurden mit Hilfe von Anwendungen im Bereich der Fernerkundung und der Geoinformationssysteme genutzt, um die aktuelle und potentielle Waldverbreitung zu ermitteln. Des Weiteren wurden diese Anwendungen genutzt, um die Darstellung und Interpretation der gemessenen Daten zu unterstützen. Eine umfassende Recherche deutscher, englischer und russischer Literatur wurde durchgeführt, um die Anforderungen für das Wachstum der sibirischen Lärche, welche die vorherrschende Baumart in der mongolischen Waldsteppe ist, zu charakterisieren. Während der Geländeaufenthalte 2017 und 2018 wurden 54 Bodenprofilen analysiert, beprobt und hydrologische Bodenparameter gemessen. Zudem wurde die Permafrosttiefe mittels Sondierungen, Bodenprofilen, Temperaturmessungen und dem Einsatz eines Georadars bestimmt. Im Labor wurden die Bodenproben anschließend auf deren chemische, physikalische und hydrologische Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die potenzielle Waldfläche im nördlichen Khangai Gebirge erheblich größer ist als die aktuelle Waldverbreitung. Mehrere Brände haben die Waldfläche im Vergleich zum Jahr 1986 um 40 % reduziert. Zudem verringern Abholzung und Waldweide vor allem die untere Grenze der Waldverbreitung und öffnen die Waldstruktur. Basierend auf vorhandener Literatur ist Feuer keine grundsätzliche Bedrohung für die sibirische Lärche, da sie sich auf Brandflächen schnell reetablieren kann. Im Gegensatz dazu gefährden intensive Dürreperioden und der Einfluss des Menschen die Waldverbreitung in der mongolischen Waldsteppe zunehmend, was sich in einer erhöhten Baumsterblichkeit und einem eingeschränktem Baumnachwuchs wiederspiegelt. Die Untersuchungen der Böden der gestörten Waldflächen haben gezeigt, dass die Flächen mit Baumsukzession signifikant höhere Schluffgehalte im Vergleich zu den Flächen ohne Baumsukzession aufweisen. Messungen der pflanzenverfügbaren Feldkapazität bestätigen diesen Unterschied mit vergleichsweise höheren Werten in Böden unter Baumsukzessionxiii vergleichen zu Boden, auf denen keine Baumsukzession festgestellt wurde. Bei den bodenchemischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte, effektive Kationenaustauschkapazität und austauschbare Kationen, konnte kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Gruppen ausgemacht werden. Aus diesem Grund wird geschlussfolgert, dass bodenhydrologische Eigenschaften, welche die Wasserverfügbarkeit für Baumvegetation erhöhen, entscheidend für das Aufkommen von Bäumen auf gestörten Waldflächen sind. Die Permafrostverbreitung ist abhängig von der Beschattung durch eine geschlossene Vegetation, von der thermalen Isolation durch eine organische Auflage und von der Verfügbarkeit von Wasser. Im Untersuchungsgebiet wurde Permafrost unter dichten Waldbeständen in einer Tiefe von 50 bis 200 cm aufgefunden. Im Gegensatz dazu war Permafrost auf den gestörten Waldflächen nicht mehr nachweisbar. Daher hat die diskontinuierliche Permafrostverbreitung keinen Einfluss auf das Wiederaufkommen von Bäumen nach schweren Störungen. Basierend auf den Erkenntnissen ist zu schlussfolgern, dass die Verfügbarkeit von Wasser der entscheidende Faktor für das Wiederaufkommen von Baumvegetation auf gestörten Waldflächen in der mongolischen Waldsteppe ist. Jedoch unterliegt die Etablierung der Waldvegetation weiterer Einflüsse, insbesondere der klimatischen Bedingungen und des Einflusses des Menschen. Daher ist eine regulierende Forstwirtschaft zwingend nötig, um einen dramatischen Rückgang der Waldflächen in Zukunft zu verhindern.
 
Statistik