Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg.

Diss. Wirtsch.-wiss. St. Gallen, 2005 ; Nr. 3083. / Literaturverz.

University, Diss., 2003--Bremen.

University, Diss., 2005--Jena.

Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2000

Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2006

Mit der vorliegenden Arbeit wurde exemplarisch die holozäne Klima- und Landschaftsentwicklung für einen semiariden Natur- und Kulturraum in Südost-Spanien rekonstruiert. Dabei wurden unterschiedliche klimatologische, orographische und anthropogene Einflussfaktoren beschrieben und deren interdependentes Wirkungsgefüge abgeleitet. Dies erfolgte durch die Analyse des subrezenten Regionalklimas, anhand eines an die semi-ariden Bedingungen angepassten Wasserhaushaltsmodells sowie durch die Einbeziehung von stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen an Sedimentaufschlüssen, die eine Interpretation der regionalen holozänen Klima- und Umweltgeschichte ermöglicht. Um eine Vergleichsbasis für die holozänen Klimabedingungen zu erhalten, wurde das Klima der letzten 50 Jahre im Hinblick auf subrezente Änderungen analysiert. Dazu wurden die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der Niederschlagsquantität und –intensität ausgewertet und beschrieben. Durch die differenzierte Gegenüberstellung der Resultate der verschiedenen Auswertever¬fahren wird eine detaillierte Beschreibung der rezenten und subrezenten pluvio-klimatischen Steuergrößen für das Untersuchungsgebiet möglich. Die Analysen zeigen, dass die 30 jährigen Mittelwerte der Jahresniederschlagssummen im Untersuchungsgebiet zwischen 281 und 426 mm schwanken und, entgegen dem für das westliche Mediterraneum postulierten negativen Trend, zunehmen. Die Anzahl der annuellen Niederschlagstage unterliegt einer hohen Variabilität, wenngleich ein positiver Trend der Starkniederschlagsereignisse, insbesondere für die Monate September und Oktober, zu erkennen ist. Dies ist vor dem Hintergrund der sommerlichen Trockenheit (40 bis 150 Tage) entscheidend, da frühherbstliche Starkniederschlagsereignisse aufgrund des erhöhten Oberflächenabflusses besonders erosionswirksam sind. Die relative annuelle Niederschlagsvariabilität im Untersuchungsgebiet erreicht bis zu 36 % und liegt damit teilweise über den Werten von ariden nordafrikanischen Gebieten. Ein deutlicher Unterschied des pluvio-klimatischen Regimes konnte im Untersuchungsgebiet in Abhängigkeit der orographischen Verhältnisse festgestellt werden. So schwanken die Werte für die Niederschlagssumme, -intensität und -dauer sowie zeitlichem Auftreten in Abhängigkeit von der umgebenden Reliefstruktur und Höhenlage deutlich. Um mögliche Veränderungen der ephemeren und periodischen Abflusscharakteristik sowie der Wasserhaushaltsgrößen ableiten zu können, wurde ein flächendifferenziertes Wasserhaushalts-Simulationsmodell an die semi-ariden Bedingungen des Untersuchungsgebietes angepasst. Auf der Basis der Modellergebnisse für die Jahre 1988 bis 1993 konnte gezeigt werden, dass der mittlere Gebietsniederschlag von rund 430 mm zu 87 % verdunstet, was auf die hohen Lufttemperaturen, die häufigen Strahlungswetterlagen, die Windverhältnisse sowie die reduzierte Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens zurückgeführt wird. Die mittlere, modellierte Gesamtabflussspende beträgt lediglich 32 mm, was rund 7.5 % der Gebietsniederschlagssumme entspricht und als charakteristisch für semi-aride Naturräume angesehen werden kann. Die Änderung des Boden- und Grundwasser¬speichers von +24 mm wird teilweise durch die anthropogene Nutzung, durch Bewässerung und den Bau von Rückhaltebecken erklärt. Neben der hydrologischen Modellierung wurden des Weiteren Landbedeckungsszenarien erstellt und in das adaptierte Modell integriert, um die holozänen Umweltbedingungen zu rekonstruieren. Dabei hat sich gezeigt, dass unter potentiell natürlicher Vegetation eine Erhöhung der Bodenfeuchte und des Zwischenabflusses, eine Reduzierung des Oberflächenabflusses und eine Steigerung der potentiellen Evapotranspiration gegenüber dem heutigen Zustand erfolgt. Unter intensivierten Landnutzungsbedingungen, die möglicherweise zu Beginn des Subatlantikums geherrscht haben oder in Zukunft auftreten könnten, erfolgt hingegen eine Erhöhung des Oberflächenabflusses, eine Reduzierung der pflanzenverfügbaren Bodenfeuchte sowie eine verminderte aktuelle Evapotranspiration, wenngleich die Änderungs¬beträge geringer als in Szenario 1 ausfallen. Dies liegt vermutlich daran, dass die heutige Landnutzung mit Trockenfeldbau, Bewässerungskulturen und Weidewirtschaft als intensiv beschrieben werden kann und durch Landdegradation und Erosion gekennzeichnet ist. Dazu zählen insbesondere Erosionsprozesse, die durch fließendes Wasser, Wind oder durch Gravitation ausgelöst werden und vornehmlich auf steilen ackerbaulich und weidewirtschaftlich genutzten Flächen auftreten. Der Mensch greift seit der Antike in unterschiedlicher Intensität in dieses Prozessgeschehen ein, und verändert durch seine wirtschaftende Tätigkeit die Pflanzenbedeckung, die Bodeneigenschaften (z.B. Bodenwasserhaushalt) sowie das Mikro- und Mesorelief, und verstärkt oder vermindert damit die natürlichen Erosionsprozesse. Die anthropogenen Auswirkungen auf die historische Landschaftsentwicklung wurden in der vergleichenden Betrachtung der stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen von drei Sedimentaufschlüssen aufgezeigt. Zwei Sedimentaufschlüsse im hydrologischen Einzugsgebiet des Río Caramel zeigen erhöhte Akkumulationsraten, steigende Anteile von organischem Kohlenstoff und eine Änderung der stratigraphischen Charakterisik für die letzten 3.000 Jahre BP an. Auf der Basis von geochemischen Untersuchungen der Sedimente wurden Verhältniswerte zwischen MgO/CaO, Fe2O3/MnO und SiO2/(CaO+MgO) bestimmt, deren Änderungen als Maß für die vorzeitlichen Umweltbedingungen angesehen werden können. Für das Spätglazial zeigen diese Untersuchungen relativ trockene Umweltbedingungen an. Zum Ende des Präboreals steigen die Indizes an und deuten auf eine Veränderung der Umweltbedingungen im Untersuchungsraum hin, deren Trend bis ins späte Subboreal anhält. Die feuchteste Phase erfolgt im Übergang zwischen Atlantikum und Subboreal und fällt somit mit dem Beginn der ackerbau¬lichen Nutzung der Region zusammen. Seither erfolgt eine Aridisierungstendenz, die mit kurzen Unterbrechungen das gesamte Subatlantikum andauert. Basierend auf den vorgestellten klimatischen und orographischen Analysen sowie unter Berücksichtigung der Resultate der Wasserhaushaltsmodellierung und Szenarien konnte in dieser interdisziplinären Arbeit ein Beitrag zur Rekonstruktion der subrezenten und holozänen Klima- und Umweltgeschichte des hydrologischen Einzugsgebietes des oberen Rio Guadalentín geleistet werden. Dieser Beitrag ist im übergeordneten Kontext der holozänen Forschung des westlichen Mediterraneums zu sehen, die ein besseres Verständnis der allgemeinen Landschafts- und Klimaentwicklung der letzten 10.000 Jahre für die Iberische Halbinsel ermöglicht. Insbesondere die Ergebnisse der stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen der Sedimentaufschlüsse erscheinen im Hinblick auf die holozäne Umweltgeschichte für eine großräumige Übertragung geeignet, um die zukünftige Landschaftsentwicklung besser verstehen und prognostizieren zu können. / The presented study focused on the reconstruction of the Holocene climatological and landscape evolution for a semiarid natural and cultural environment in southeast Spain. Climatological, orographical and anthropogenic influencing factors were described in order to derive and evaluate their interrelationships. This work is based on an analysis of the subrecent regional climate, on a water balance simulation model, as well as on the integration of stratigraphic and geochemical investigations of fluvial sediments, which themselves allow interpretation of the regional climate and environment history. As a basis for comparing the climatic conditions during the Holocene, the climatic changes in the last 50 years were analysed. For that purpose spatio-temporal precipitation properties like quantity, intensity and distribution were evaluated and described. Based on various analysis techniques a detailed description of recent and subrecent pluvio-climatological control factors for the investigation area was possible. Results show that the 30 year average for annual precipitation varies between 281 and 426 mm with an increase for the upper Rio Guadalentín catchment, contrary to the postulated negative trend for the western Mediterranean. The number of precipitation days is highly variable, although a positive trend towards rainfall with high amounts of precipitation is recognized. This is important against the background of summer dryness (40 to 150 days) because intensive rainfall in early autumn potentially leads to increased topsoil erosion. The comparative annual rainfall variability within the investigation area reaches up to 36 % and therefore partially exceeds the magnitude for arid environments in North Africa. The precipitation regime varies significantly in relation to the orographic characteristics. Hence, the variations in rainfall amount, intensity, duration and occurrence depend on the surrounding relief and altitude. A water balance simulation model was adapted to semiarid conditions in order to derive possible changes within the ephemeral and periodical runoff characteristics and to calculate water balance magnitudes. Model results for the 1988 to 1993 period reveal that 87 % of the average areal precipitation of approximately 430 mm evaporates due to high air temperatures, clear skies, wind conditions, and the reduced infiltration capacity of the topsoil. The simulated total area run-off predicts precipitation values up to 32 mm (approximately 7.5 % of the areal precipitation) and is considered characteristic for semiarid environments. The +24 mm change in soil and groundwater storage is partially explained by intense anthropogenic use, especially for irrigation and the construction of water storage reservoirs. Besides the hydrological modelling, land use scenarios were generated and integrated in the adapted model in order to reconstruct Holocene environmental conditions. It could be demonstrated with scenario 1, where potential natural vegetation cover increases the soil moisture and subsurface runoff, that surface runoff is reduced and the potential evapotranspiration increased in comparison to the present situation. Scenario 2 describes intensified land use conditions, which might have occurred during the Subatlantic or potentially can take place in the future. This simulation scenario shows that surface runoff increases while the soil moisture available to vegetation and the actual evapotranspiration decrease, although the changes are less obvious compared with scenario 1. This can be attributed to today’s intensive land use, which involves dry harvesting, crop irrigation and pasture farming, and is characterized by land degradation and erosion processes. The increased surface runoff, as simulated by scenario 2, can be attributed mainly to erosion processes induced by fluvial, eolian or gravity processes on steep slopes used for agriculture and pasture. Since ancient times human interaction has influenced natural processes through agricultural modification of the land cover, soil properties (e.g., water balance) and the micro- and meso-relief, all of which increase or decrease natural erosion processes. The anthropogenic impact on historical land use development was shown in a comparison of stratigraphic and geochemical studies for three fluvial sediment outcrops. Two sites within the Río Caramel catchment show increased accumulation rates and organic carbon content, as well as a modified stratigraphic characteristic for the last 3,000 years BP. Sediment geochemical analysis using MgO/CaO, Fe2O3/MnO and SiO2/ (CaO+MgO) ratios proved to be a measure for prehistoric and historic environmental conditions. Dry conditions were assumed for the late glacial environments. An increase in aridity for samples taken from the end of the Preboreal indicates a change in the climatic conditions within the study area. This trend continues until the late Subboreal and is thought to represent a change from dry to more humid climatological conditions. The most humid period takes place in the transition between the Atlantic and the Subboreal which coincides with the beginning of agriculture in the region. After those times conditions became dryer, which continued with short interruptions during the whole Subatlantic. Based on the presented climatological and orographic analysis and with regard to the results of the water balance simulation models and scenarios, this interdisciplinary study contributes to the research done in the field of reconstructing the subrecent and Holocene climatic and environmental history of the upper Rio Guadalentín catchment. This investigation has to be seen in the context of Holocene research of the western Mediterranean which strives for better understanding of the general landscape and climatic evolution of the Iberian Peninsula during the last 10,000 years. Especially the results of the stratigraphic and geochemical investigations of the sediment outcrops appear to be suitable for incorporation in a Holocene environmental history, as a contribution toward better understanding and forecasting landscape evolution.

Einerseits werden anthropogene Störungen oft genannt, um erfolgreiche Invasionen von invasiven Organismen in ihren neuen Arealen zu erklären. Andererseits sind gängige Theorien pflanzlicher Invasionen häufig für ihren limitierten erklärenden und voraussagenden Wert kritisiert worden, hauptsächlich aus Gründen der ökologisch komplexen Zusammenhänge, die Invasionen zu Grunde liegen. Die ökologische Komplexität eines andauernden Invasionsprozesses zweier invasiver Brassicaceen berücksichtigend, wurde diese Studie durchgeführt, um experimentell die wichtigsten Faktoren zu bestimmen, die den an Feldstandorten zu beobachtenden variablen Dominanz-Mustern der Arten im Vergleich zu vergesellschafteten indigenen Arten zugrunde liegen. Das Vorkommen, die relative Häufigkeit und die Dynamik der genannten Arten in spontanen Beständen stand daher im Zentrum dieser Arbeit. Ziel der Arbeit war es, auf der Basis des erlangten Verständnisses der funktionellen Ökologie der Kodominanzgesellschaften Vorhersagen zum gegenwärtig fortschreitenden Invasionsprozeß zu machen. Die Bestandsentwicklung (Wachstum und Fitneß) der zwei invasiven Arten wurde in Abhängigkeit unterschiedlicher Artenkombination, Etablierungsstadium und anthropogenem Störungsregime in experimenteller Vegetation untersucht. Diese Untersuchungen sind von unmittelbarer Bedeutung für das untersuchte System, weil eine möglichst 'naturgetreue' Artenvergesellschaftung an einem geeigneten Standort gewählt wurde. Darüber hinaus sollte durch die Dauer des Experiments (3 volle Vegetationsperioden) vermieden werden, daß es zu Fehleinschätzungen von Bestandsentwicklungsdynamiken kommt, die aus zu kurzen Beobachtungszeiträumen resultieren können und für prädiktive Aussagen bedeutungslos sind. Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Fragen und Hypothesen waren: (?) Werden die invasiven relativ zu den indigenen Arten durch Störungsmanagements gefördert? Führt wiederholte Störung zu einer Verstärkung der Effekte über die Zeit? (!) Hypothese: Die invasiven können relativ zu den indigenen Arten unter dem Einfluß von Störungsmanagements profitieren, wobei die Unterschiede mit der Zeit stärker werden. (.)Die Hypothese wird durch die Ergebnisse bestätigt. Kumulative, durch wiederholte Störungen verursachte Effekte, fördern die Invasiven relativ zu den Indigenen. (?) Unterscheiden sich die unterschiedlichen Störungsregime in ihren Effekten voneinander? (!) Hypothese: Beide invasive Arten reagieren in ähnlicher Weise. Eine zunehmende Störungsintensität (P>M2>M1>K) verstärkt die Effekte. (.)Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse teilweise bestätigt. Insgesamt gesehen werden die Invasiven durch eine zunehmende Intensität der Störung stärker gefördert. Allerdings unterscheiden sich die beiden Arten in ihrer Reaktion auf unterschiedliche Störungen erheblich. B. orientalis profitierte nur mäßig, sowohl von Mahd als auch von Bodenabtragung. R. austriaca dagegen wurde von Mahd eher beeinträchtigt und profitierte sehr stark von Bodenabtragung. (?) Wie wirken sich Variationen in der Zusammensetzung von Etablierungsstadien zu Beginn einer Bestandsentwicklung aus? (!)Hypothese: Ein Entwicklungsvorsprung, i.a. ein weiter fortgeschrittenes Etablierungssstadium im Vergleich zu den vergesellschafteten Indigenen, sollte für die Invasiven von Vorteil sein. Im Falle, daß beide Gruppen durch gleiche Etablierungsstadien vertreten sind, sollte die Etablierung aus juvenilen Stadien vorteilhafter sein als jene aus adultem Pflanzenmaterial, weil angenommen wird, daß invasive Arten hohe anfängliche Wachstumsraten juveniler Stadien aufweisen. (.) Auch diese Hypothese kann durch die Ergebnisse nur teilweise bestätigt werden. Ein Etablierungsvorsprung ist für die Invasiven nur zu Beginn der Bestandsentwicklung bedeutend. Darüber hinaus profitiert R. austriaca relativ stärker von der Regeneration aus adultem Pflanzenmaterial. Zurückzuführen ist das auf das enorme Potential dieser Art, aus fragmentierten Pflanzen erfolgreich zu regenerieren. (?) Haben unterschiedliche Artenkombinationen einen Einfluß auf die Reaktion der Invasiven auf die unterschiedlichen Störungsregime und Etablierungsstadien? (!) Hypothese: Ein Unterschied in der Reaktion wird erwartet, aber keine Veränderung der wesentlichen Muster. (.) Der Austausch einer Art (funktioneller Ökotyp) der fünf (sechs) vergesellschafteten Arten in experimenteller Vegetation hatte einen stärkeren Effekt auf die Ergebnisse als erwartet. Es zeigt sich, daß die An- oder Abwesenheit eines funktionellen Ökotyps dafür verantwortlich ist, ob die invasive Art in ihrer Bestandsentwicklung prosperiert oder beeinträchtigt wird. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Invasiven schwache Konkurrenten sind, aber von anthropogener Störung opportun profitieren. Ihre Entwicklung in den weit verbreiteten 'Co-Dominanzgesellschaften', welche Betrachtungsgegenstand dieser Untersuchung waren, hängt eindeutig mit allen vier untersuchten Faktoren zusammen und ist von diesen abhängig: Artidentität, Art der Störung, Etablierungsstadium und Artkombination. Die Effekte dieser Faktoren interagieren in komplexer Art und Weise. Zieht man die gegenwärtige Art der Landnutzung in der Region in Betracht, muß davon ausgegangen werden, daß beide Arten in mäßig bis stark gestörten krautigen Gesellschaften mit ausreichender Nährstoffversorgung weiter zunehmen werden. Der Invasionserfolg von R. austriaca wird stärker von Bodenstörung und Bodentranslokation abhängen, während für B. orientalis zu erwarten ist, daß sie vor allem an gemähten Standorten mit nicht zu dichtem Bestand an Gräsern weiter expandieren wird. / On the one hand anthropogenic disturbance is often adressed explaining successful invasions of non-indigenous species in their new locations. On the other hand current theories of plant invasion have been criticized for their limited heuristic and predictive value for different reasons referring to their ecological complexity. Including the ecological complexity of an ongoing invasion process of two invasive Brassicaceae, the purpose of this study was to analyse experimentally the most important factors that determine the varied dominance patterns of the invasives as compared to the co-occurring indigenous species that can be observed in the field. Therefore, this study focused on the occurrence, the relative abundance and dynamics of the species in spontaneous stands. The main objective was to predict the further invasion process of the neophytes based on an understanding of the functional ecology of the surveyed co-dominance stands. The development of the stands (growth and fitness) of the two invasives, B. orientalis and R. austriaca, was examined in experimental vegetation in dependence on species association, life stage composition and anthropogenic disturbance regime. These investigations are directly relevant for evaluating the processes in spontaneous field stands that are composed of the same species. The experiment was run over a period of 3 years to avoid misinterpretations by premature results. The underlying questions and hypotheses of this study and the corresponding results were: (?) Do the invasive species profit from anthropogenic disturbance regimes relative to the indigenous species? Do repeated disturbances add up in their effects (cumulative effects)? (!) Hypothesis: the invasive species do profit from disturbances relative to the indigenous species and the differences between the groups will increase if disturbances are repeated. (.) This hypothesis is confirmed by the results. Cumulative effects by repeated distur-bances promote the invasives relative to the indigenous. (?) Do the different disturbance regimes differ from each other in their effects? (!) Hypotheses: both invasive species will benefit in a similar way. A higher disturbance intensity (P>M2>M1>K) will strengthen the effects. (.) These hypotheses are only partly confirmed by the results. On the whole, increased disturbance intensity had a stronger beneficial effect on the invasives. Still, the two species differed strikingly with respect to their response to the various treatments. Whereas B. orientalis profited only moderately by both mowing and soil disruption, R. austriaca rather suffered from mowing but was greatly benefitted by soil disruption. (?) What is the effect of variations in the composition of life stages at the beginning of stand development? (!) Hypotheses: a head start, i.e. an advanced life stage relative to the co-occurring indigenous, should be advantageous for the invasive species. In case both groups co-occur in the same life stage, stand initiation by juveniles should favour the invasives over stand initiation by regeneration of adult plant material because invasive species are supposed to have rapid initial growth. (.) Again, these hypotheses are only partly confirmed by the results. A head start is important for the development of the invasive species, at least initially. However, at least R. austriaca appears to profit relatively more from regeneration by adult plant material. This is due to the enormous regeneration Potential of fragmented plants. (?) Are the responses of the invasive species to the different disturbance regimes and life stage compositions dependent on the association of co-occurring indigenous species? (!) Hypothesis: the responses may vary somewhat but there will be no changes in the major patterns. (.) An exchange of one species (functional type) out of the five (six) species mixed in the experimental stands had a more pronounced effect on the outcome of the results than expected. It appears that the presence or absence of just one functional type (species) in a stand can determine whether the invasive species can thrive under the given site conditions or whether it will be impaired in its development. In sum, the results show that the two invasive species are weak competitors but profit opportunistically from anthropogenic disturbance. Their development in the widespread 'co-dominance stands' that were in the focus of this study is clearly related to and dependent on all four investigated factors, species identity, type of disturbance, life stage composition and species association. The effects of these factors may interact in a complex way. In general, given the present situation of land use in the region, the results suggest that both species will further advance their presence in moderately to intensively disturbed forb communities at sites with sufficient nutrient availability. Invasion success of R. austriaca will be more dependent on soil disruption, transport and deposition while B. orientalis is expected to particularly expand at mown sites that do not have dense cover by meadow grasses.

Zugl.: Heidelberg, Universiẗat, Habil.-Schr., 2007.