A system for monitoring and attributing shifts in vegetation activity

Titelangaben

Muhoko, Edward:
A system for monitoring and attributing shifts in vegetation activity.
Bayreuth , 2025 . - III, 166 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Vegetation is the biological foundation of terrestrial ecosystems. Plants provide important ecosystem services such as absorbing anthropogenic CO₂ emissions annually, thereby mitigating global warming substantially. Despite the importance of vegetation to the biosphere, ongoing climate change and elevated CO₂ emissions are impacting the functioning and structure of these ecosystems. Such impacts are evident in shifts in vegetation phenology and shifts in biome distribution. Climate change and elevated CO₂ are also anticipated to remain the major drivers of changes in vegetation activity in the next decades, which might have important atmospheric and ecological consequences. However, assessing changes in vegetation activity and attributing such changes to drivers such as elevated CO₂ and climate change is one of the main challenges in vegetation Ecology. The challenge stems from the fact that the change detection and attribution processes are complex and multifaceted. This therefore limits our understanding of how terrestrial vegetation is responding to changes in environmental drivers, which is important for guiding management efforts in response to current and future changes in vegetation activity. The goal of this thesis is to develop a system that is useful for detecting and attributing changes in vegetation activity to changes in environmental drivers. To achieve this, I focus on changes in vegetation phenology (Chapter 2) and changes in the Functional Biomes (FB) (Chapter 3) of southern Africa, a region widely regarded as a climate change hotspot, yet vegetation dynamics in this region remain poorly understood. Chapter 4 moves beyond detection to attribution of ecosystem changes to climatic factors. I focus on 100 study sites that are distributed across the major ecosystems of the world to allow for regional conclusions of global ecosystem response to climatic forcing. We assessed patterns of vegetation phenological change in southern Africa between 2000-2019. The phenological change was assessed within regions with similar phenological properties (phenomes) to account for spatial heterogeneity across ecosystems. We assessed changes in the Functional Biomes of southern Africa by quantifying changes in vegetation units with shared productivity and phenology. Globally, we used solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) and Enhanced Vegetation Index (EVI) data, and an ecophysiological plant growth model to detect and attribute changes in vegetation activity to trends in climatic data at 100 study sites. The growing season was shortened in 4 phenological regions, primarily driven by earlier initiation of the senescence phase metrics. In contrast, the growing season was extended in 3 phenological regions, mostly driven by delayed initiation of the senescence phase metrics. Our study revealed that phenological metrics have changed by at least 1 standard deviation in each of the 21 metrics used to study phenological activity, indicating that ecologically relevant changes in the functioning of ecosystems of southern Africa are ongoing. Our FB analyses showed that 3% to 15% of pixels shifted in FB state from 2000-2021 in southern Africa. The most dominant FB transitions shifted to higher productive and non-seasonal states or to solely high productive but moisture-limited states. SIF analyses dominantly showed switches from decreased photosynthetic activity to increased photosynthetic activity, while EVI dominantly showed switches from greening to browning patterns. Attribution analyses showed that vegetation in cooler and moister regions was sensitive to changes in temperature while ecosystems in warmer and drier regions was sensitive to changes in moisture. Our analyses further showed weak CO₂ fertilization effects on the detected change in both datasets, thereby highlighting the dominant role of moisture and temperature constraints on changes in vegetation activity. The phenological change revealed here provides clear evidence of climate change impacts on the vegetation of southern Africa. This study provides a baseline for developing early warning systems to strengthen the capacity for adaptation and mitigation of climate change in the region. Current knowledge of biome dynamics is based on model predictions that suggest that elevated CO₂ and climate change will cause an increase in woody biomass coupled with longer growing seasons. Our FB approach provides compelling evidence that such anticipated biome trajectories are already ongoing, with consequences to biodiversity and carbon sequestration. Our study highlights the importance of understanding biome trajectories for evidence-based decisions in conservation initiatives. The attribution analyses confirm growing evidence that suggests that CO₂ effects on vegetation activity may not be as pronounced as previously thought. The contrasting forcing effects of moisture and temperature detected in different latitudes suggest that regionally focused management strategies will be relevant to promote appropriate response measures. Future studies could consider regional attribution analyses due to differences in forcing effects between biomes. In conclusion, this thesis shows a strong climate change signal on vegetation activity between 2000-2021. The change detection and attribution approaches we applied opens new avenues for detecting and attributing change in ecosystems, allowing for informed planning on adaptation and mitigation responses to changes in terrestrial vegetation.

Abstract in weiterer Sprache

Die Vegetation ist die biologische Grundlage der terrestrischen Ökosysteme. Pflanzen erbringen wichtige Ökosystemleistungen, wie z. B. die jährliche Absorption von anthropogenen CO₂-Emissionen, wodurch die globale Erwärmung erheblich gemildert wird. Trotz der Bedeutung der Vegetation für die Biosphäre beeinträchtigen der fortschreitende Klimawandel und die erhöhten CO₂-Emissionen die Funktionsweise und Struktur dieser Ökosysteme. Diese Auswirkungen zeigen sich in Verschiebungen in der Phänologie der Vegetation und in der Verteilung der Biome. Es wird erwartet, dass der Klimawandel und die erhöhten CO₂ Emissionen auch in den nächsten Jahrzehnten die Haupttriebkräfte für Veränderungen der Vegetationsaktivität sein werden, was bedeutende atmosphärische und ökologische Folgen haben könnte. Die Bewertung von Veränderungen in der Vegetationsaktivität und die Zuordnung dieser Veränderungen zu Triebkräften wie erhöhtem CO₂ und Klimawandelm ist jedoch eine der größten Herausforderungen in der Vegetationsökologie. Die Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Prozesse zur Erkennung und Zuordnung von Veränderungen komplex und vielschichtig sind. Dies schränkt unser Verständnis dafür ein, wie die terrestrische Vegetation auf Veränderungen der Umweltfaktoren reagiert, was für die Steuerung der Bewirtschaftungsmaßnahmen als Reaktion auf aktuelle und zukünftige Veränderungen der Vegetationsaktivität wichtig ist. Ziel dieser Arbeit ist es, ein System zu entwickeln, mit dem sich Veränderungen der Vegetationsaktivität erkennen und auf Veränderungen der Umweltfaktoren zurückführen lassen. Um dies zu erreichen, konzentriere ich mich auf Veränderungen in der Phänologie der Vegetation (Kapitel 2) und auf Veränderungen in den funktionalen Biomen (FB) (Kapitel 3) des südlichen Afrikas, einer Region, die weithin als ein Hotspot des Klimawandels angesehen wird, deren Vegetationsdynamik jedoch nach wie vor kaum verstanden wird. In Kapitel 4 geht es nicht nur um den Nachweis, sondern auch um die Zuordnung von Ökosystemveränderungen zu klimatischen Faktoren. Ich konzentriere mich auf 100 Untersuchungsstandorte, die über die wichtigsten Ökosysteme der Welt verteilt sind, um regionale Rückschlüsse auf die Reaktion der globalen Ökosysteme auf klimatische Einflüsse zu ermöglichen. Wir haben die Muster der phänologischen Veränderungen der Vegetation im südlichen Afrika zwischen 2000 und 2019 untersucht. Die phänologischen Veränderungen wurden innerhalb von Regionen mit ähnlichen phänologischen Eigenschaften (Phänomenen) bewertet, um die räumliche Heterogenität der Ökosysteme zu berücksichtigen. Wir bewerteten die Veränderungen in den funktionalen Biomen des südlichen Afrikas, indem wir die Veränderungen in Vegetationseinheiten mit gemeinsamer Produktivität und Phänologie quantifizierten. Weltweit wurden Daten zur solarinduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) und zum Enhanced Vegetation Index (EVI) sowie ein ökophysiologisches Pflanzenwachstumsmodell verwendet, um Veränderungen in der Vegetationsaktivität zu erkennen und sie den Trends in den Klimadaten an 100 Untersuchungsstandorten zuzuordnen. Die Vegetationsperiode wurde in vier phänologischen Regionen verkürzt, was in erster Linie auf einen früheren Beginn der Seneszenzphase zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu verlängerte sich die Vegetationsperiode in 3 phänologischen Regionen, was vor allem auf einen verzögerten Beginn der Seneszenzphase zurückzuführen ist. Unsere Studie ergab, dass sich die phänologischen Metriken um mindestens eine Standardabweichung in jeder der 21 zur Untersuchung der phänologischen Aktivität verwendeten Metriken verändert haben, was darauf hindeutet, dass ökologisch relevante Veränderungen in der Funktionsweise der Ökosysteme des südlichen Afrikas im Gange sind. Unsere FB-Analysen zeigten, dass sich der FB-Zustand von 3% bis 15% der Pixel im südlichen Afrika zwischen 2000 und 2021 veränderte. Die vorherrschenden FB-Übergänge führten zu höher produktiven und nicht saisonalen Zuständen oder zu ausschließlich hoch produktiven, aber feuchtigkeitsbegrenzten Zuständen. SIF-Analysen ergaben überwiegend einen Wechsel von verminderter photosynthetischer Aktivität zu erhöhter photosynthetischer Aktivität, während EVI überwiegend einen Wechsel von Vergrünungs- zu Verbräunungsmustern zeigte. Attributionsanalysen zeigten, dass die Vegetation in kühleren und feuchteren Regionen empfindlich auf Temperaturveränderungen reagierte, während Ökosysteme in wärmeren und trockeneren Regionen empfindlich auf Veränderungen der Feuchtigkeit reagierten. Unsere Analysen ergaben außerdem schwache Auswirkungen der CO₂-Düngung auf die festgestellten Veränderungen in beiden Datensätzen, was die dominierende Rolle von Feuchtigkeits- und Temperaturbeschränkungen bei Veränderungen der Vegetationsaktivität unterstreicht. Die hier festgestellten phänologischen Veränderungen sind ein klarer Beweis für die Auswirkungen des Klimawandels auf die Vegetation im südlichen Afrika. Diese Studie liefert eine Grundlage für die Entwicklung von Frühwarnsystemen zur Stärkung der Kapazitäten für die Anpassung an den Klimawandel und dessen Eindämmung in der Region. Das derzeitige Wissen über die Dynamik der Biome basiert auf Modellvorhersagen, die darauf hindeuten, dass ein erhöhter CO₂-Gehalt und der Klimawandel eine Zunahme der holzigen Biomasse in Verbindung mit längeren Wachstumsperioden verursachen werden. Unser FB-Ansatz liefert überzeugende Beweise dafür, dass die erwarteten Entwicklungen in den Biomen bereits im Gange sind, mit entsprechenden Folgen für die biologische Vielfalt und die Kohlenstoffbindung. Unsere Studie unterstreicht, wie wichtig das Verständnis von Biotopverläufen für evidenzbasierte Entscheidungen bei Naturschutzinitiativen ist. Die Zuordnungsanalysen bestätigen die zunehmenden Hinweise darauf, dass die Auswirkungen von CO₂ auf die Vegetationsaktivität möglicherweise nicht so ausgeprägt sind wie bisher angenommen. Die in verschiedenen Breitengraden festgestellten gegensätzlichen Auswirkungen von Feuchtigkeit und Temperatur lassen darauf schließen, dass regional ausgerichtete Bewirtschaftungsstrategien für die Förderung geeigneter Reaktionsmaßnahmen von Bedeutung sind. Künftige Studien könnten regionale Attributionsanalysen in Betracht ziehen, die auf die Unterschiede in den Antriebswirkungen zwischen den Biomen zurückzuführen sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit ein starkes Signal des Klimawandels auf die Vegetationsaktivität im Zeitraum 2000-2021 zeigt. Die von uns angewandten Ansätze zur Erkennung und Zuordnung von Veränderungen eröffnen neue Wege für die Erkennung und Zuordnung von Veränderungen in Ökosystemen und ermoglichen eine fundierte Planung von Anpassungs- und Abschwachungsmaßnahmen in Bezug auf Veränderungen der Landvegetation.