Universität zu Köln

Ruppert, Jan Christian (2014). Advancing Functional Understanding of Primary Production in Drylands: Insights from a Data-Integration Approach. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Dryland ecosystems are highly vulnerable and degradation-prone regions, especially under the premises of global change. Since drylands are preponderantly used as rangelands for livestock production, reliable provision of natural resources and basic ecosystem services, such as forage, are indispensable for local livelihoods. Even though climate projections for drylands still exhibit considerable variation and uncertainty across scenarios and regions, there is a general trend that most dryland regions are facing unbeneficial changes. In particular, climatic aridity and variability are projected to increase even above the already high level of today. Simultaneously, population growth will further increase the demand for ecosystem services from drylands, with negative feedbacks on ecosystem functioning. Given the high natural variability in drylands, as well as future projections, the assessment of drylands’ current and future provision of ecosystem services is challenging, yet essential. The most common estimate for a major ecosystem service of dryland ecosystems (i.e. forage) is aboveground net primary production (ANPP). This cumulative dissertation aimed at advancing our understanding of dryland ecosystems’ functioning and ecosystem service provision, taking a global perspective. Particularly, data integration and standardization techniques were used to derive new insights from available data on drylands’ primary production. With this innovative approach, it could be shown that dryland primary production is mainly driven by precipitation and grazing, not only locally but also on a global scale (Chapter 2.1). Another important outcome was that effects of grazing and rainfall are not merely additive, but could mask each other (Chapter 2.1) or interact in complex ways (Chapter 2.3). Similarly, drought severity may influence primary production either linearly or non-linearly, depending on vegetation characteristics (Chapter 2.3). These findings underline the complex dynamics of dryland ecosystems. Besides these general findings, the established methodological toolbox as well as the assembled global database of dryland primary production are among the main merits of this dissertation. The combination of a large global database, the normalization of ANPP and precipitation data (Chapter 2.2), and the collection of additional site- or study-based information allowed the assessment of ecosystem functioning and stability on a global scale, which thus far could only be done on a theoretical or anecdotal basis.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Trockengebiete gelten als hochgradig variabel und Degradations-anfällig, vor allem unter den Vorzeichen Globalen Wandels. Da Trockengebiete überwiegend als Weideland für Viehproduktion genutzt werden, ist die ausreichende Versorgung mit natürlichen Ressourcen und Ökosystemdienstleistungen, wie z.B. Futterpflanzen, unverzichtbar für die Existenzgrundlage der örtlichen Bevölkerung. Obgleich die verfügbaren Vorhersagen bezüglich des Klimawandels in Trockengebieten noch mit nennenswerter Variabilität und Unsicherheit behaftet sind, kann ein genereller Trend von nachteiligen Veränderungen festgemacht werden. Insbesondere werden in den meisten Regionen die Aridität sowie Variabilität des Klimas zunehmen, obgleich diese bereits als hoch angesehen werden müssen. Zudem wird der prognostizierte und bereits heute beobachtbare Bevölkerungszuwachs negativ auf das natürliche System in Trockengebieten rückkoppeln. Die erhöhte Nachfrage und die damit einhergehende Intensivierung der Landnutzung werden sich negativ auf die Funktionalität der betroffenen Ökosysteme auswirken. Berücksichtigt man die hohe natürliche Variabilität in Trockengebieten, sowie die Prognosen im Rahmen des Globalen Wandels, dann ist die adäquate Abschätzung von Ökosystemdienstleistungen schwierig, jedoch zugleich unabdingbar. Das geläufigste und am besten dokumentierte Schätzmaß für die wichtigste Ökosystemdienstleistung in weidewirtschaftlich genutzten Trockengebieten (Menge an verfügbaren Futterpflanzen) ist oberirdische Nettoprimärproduktion (engl. »aboveground net primary production«, ANPP). Ziel dieser kumulativen Dissertation war es, das funktionelle Verständnis von Trockengebieten auf globaler Skala zu verbessern und zu bereichern. Hierzu wurden Methoden eingesetzt, welche Daten-und Wissens-Integration ermöglichen, vor allem mit dem Zweck, verfügbare Daten zu neuem Wissen zu integrieren. Hierbei wurden insbesondere verfügbare Datensätze zu Primärproduktion in Trockengebieten und deren Einflussgrößen zusammengetragen. Mit diesem innovativen Ansatz, konnte im Rahmen meiner Dissertation gezeigt werden, dass ANPP in Trockengebieten (lokal wie global) vor allem von Niederschlag und Beweidung gesteuert wird. Zudem konnte gezeigt werden, dass Effekte der beiden Einflussgrößen nicht additiv wirken, sondern sich gegenseitig maskieren können (s. Kapitel 2.1) oder komplex interagieren (s. Kapitel 2.3). Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass Dürre-Intensität in linearer als auch nicht-linearer Weise auf ANPP wirken kann, dies ist jeweils abhängig von wesentlichen Merkmalen der Vegetationsgesellschaft (s. Kapitel 2.3). Insgesamt unterstreichen meine Befunde die vorherrschende Meinung, dass Trockengebiete von hoher natürlicher Variabilität und komplexer Dynamik gekennzeichnet sind. Neben den beschriebenen Ergebnissen, stellen auch die etablierte Toolbox sowie die zusammengetragene globale Datenbank von ANPP-Daten aus Trockengebieten einen wesentlichen Mehrwert der Arbeit dar. Die Kombination einer großes globalen Datenbank, die Normalisierung und Standardisierung von ANPP und Niederschlagsdaten (s. Kapitel 2.2), sowie das Zusammentragen von weiteren standortbezogenen Daten hat es ermöglicht, funktionelle Zusammenhänge in Trockengebieten und deren Stabilität besser zu verstehen, als dies auf rein theoretischer oder auf Basis von Fallbeispielen möglich gewesen wäre. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ruppert, Jan Christian janruppert@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-56099
Date:	June 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drylands, Primary Production, Aboveground Net primary Production, ANPP, Meta-Analysis English
Date of oral exam:	26 May 2014
Referee:	Name Academic Title Bonkowski, Michael Prof. Dr. Arndt, Hartmut Prof. Dr. Porembski, Stefan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5609