Assessment of species composition, productivity and functionality of grassland in the Greater Caucasus (Georgia, Kazbegi Region) by means of remote sensing

Abstract

High mountain ecosystems and their services are of global importance. They take 20 percent of the terrestrial surface, offer habitat to humans, a diverse fauna and flora, and play a key role for fresh water supply. But for all that, they are prone to global change. Remote, high mountain regions, especially from former Soviet Union States experience a strong change in the agricultural sector, mainly the abandonment of agricultural land use, which impacts socio economy, ecosystem functioning and biodiversity in the end. The unique species composition of high mountain grassland and the related ecosystem services, such as biomass or erosion mitigation are most likely to change with the ongoing abandonment in high mountain regions, mapping and monitoring of high mountain grassland properties and key ecosystem processes is therefore highly needed. Thus, this study focuses on modelling the vegetation composition, biomass and plant functional groups (content of graminoid, herbaceous and legume plants) of the subalpine grassland, as well as the recognition of shrub encroachment, by means of remote sensing. Shrub encroachment has already been observed in the study region and plays a key role in many arctic and alpine environments. The identification of species identity is of great importance to assess potential consequences. The species-rich, extensive grassland in the isolated Kazbegi region, Greater Caucasus, Georgia is the main winter fodder source and thus of importance for the local subsistence agriculture, based on pastured cattle for dairy production. The results of the vegetation analysis show that the subalpine grassland vegetation is closely related to the physical site conditions (elevation a.s.l. and exposition to the east), characterized by broad transitions between grassland types with distinct attributes, such as aboveground biomass, vegetation cover, species richness and plant functional groups. The shrub stands of Betula litwinowii, Rhododendron caucasicum and Hippophae rhamnoides are of distinct growth forms and species composition. However, Betula litwinowii, Rhododendron caucasicum and the tall herb Verartrum lobelianum co-occur in the tree line ecotone, challenging a clear delineation. The results of the gradual modelling approaches show that species composition, biomass and to a lesser degree plant functional groups can be modelled by multispectral imagery, vegetation indices and topographical parameters. Species composition is furthermore a good predictor for biomass, even though the saturation effect is present at high yields in both approaches. Moreover, hyperspectral and multispectral data result in similar model fits. The separation of shrub reflectance indicated that Betula litwinowii and Hipopphae rhamnoides can be delineated in imagery, whereas Betula litwinowii and Rhododendron caucasicum, as well as Betula litwinowii and Veratrum lobelianum show a more similar reflectance pattern. However, overall separability was high, especially in simulated RapidEye and WorldView-2 reflectance. The satellite image taken in September further showed a better separability than the one acquired in July. Identification of species-rich grassland types with a high conservational value, from the resulting multi scale maps helps to apply site specific and case sensitive grassland management. At the same time the yield map can be used to identify the few highly productive sites in the landscape. The distribution of plant functional groups provides important information about the usability, such as hay meadow, and the erodibility. The encroaching shrub species and their distinct growth forms offered an excellent opportunity to study distinctiveness and the applicability of different sensors. A multi scale prognosis of grassland properties, as well as the delineation of shrub encroachment on species level, are important factors for sustainable land use planning in the high mountain landscape. They further allow an integrative analysis of the high mountain landscape for modified, site specific agricultural land use measures, with the help of normative scenarios. Gebirgsökosysteme und ihre Ökosystemleistungen sind global von großer ökonomischer und ökologischer Bedeutung. Sie nehmen 20 Prozent der Landfläche ein und bieten somit Lebensraum für Mensch, Pflanze und Tier. Allerdings sind Gebirgsökosysteme stark durch den globalen Wandel betroffen. Dies gilt insbesondere für die peripheren Hochgebirgsregionen der vormaligen Staaten der Sowjetunion, welche einem weitreichenden Wandel in der Agrarstruktur unterliegen, der sich vor allem in der Aufgabe der Landnutzung zeigt und daher sowohl sozioökonomische als auch ökologische Konsequenzen hat. Die einzigartige Artenzusammensetzung des Hochgebirgsgrünlandes und die damit verbundenen Ökosystemleistungen, wie z. B. Biomasseertrag oder Erosionsminderung werden durch Landnutzungsaufgabe zumeist negativ beeinflusst, ihre Erfassung und Kartierung ist daher von großer Bedeutung. Aufgrund dessen stehen die Abbildbarkeit der graduellen Unterschiede von Grünlandeigenschaften wie z. B. der Artenzusammensetzung, der oberirdischen Biomasse und der funktionellen Artengruppen und auch die Erfassung von Verbuschungsprozessen, mithilfe von Fernerkundungsdaten im Fokus der Studie. Sukzession von Gebüschen spielt in einigen alpinen und arktischen Ökosystemen eine Schlüsselrolle, das Erkennen der Artidentität, um die möglichen Einflüsse auf das Ökosystem zu bewerten, ist hierbei von besonderer Bedeutung.Das artenreiche, großflächige Grünland der Untersuchungsregion Kazbegi im Großen Kaukasus Georgiens ist, aufgrund der Abgeschiedenheit der Region, die einzige Winterfutterquelle und daher von besonderer Bedeutung für die lokale Subsistenzlandwirtschaft, vor allem der Weidetierhaltung zur Milchgewinnung.Die Ergebnisse der Vegetationsanalysen zeigen, dass die primär durch die physischen Standortparameter (Höhe m NN, Ost-Ausrichtung) bedingte Grünlandvegetation in der subalpinen Höhenstufe in der Region Kazbegi durch breite Übergänge zwischen Wiesen- und Weidentypen gekennzeichnet ist und sich durch charakteristische Eigenschaften wie z.B. die Biomasse, Vegetationsdeckung, Artenreichtum, sowie funktionelle Gruppen (Anteil Grasartige, Krautige, Leguminosen) differenziert. Die Gebüsche von Betula litwinowii, Rhododendron caucasicum und Hippophae rhamnoides, zeigen deutlich unterschiedliche Wuchsformen und Artenspektren. Betula litwinowii, Rhododendron caucasicum und die Hochstaude Verartrum lobelianum treten allerdings in der Kampfzone gemeinsam auf, was eine Abgrenzung deutlich erschwert.Die Ergebnisse der fernerkundungsbasierten, graduellen Modellierungen zeigen, dass Artenzusammensetzung, Biomasse und mit Einschränkung die funktionellen Artengruppen der Bestände anhand von multispektralen Satellitenbildern, Vegetationsindizes und Topographievariablen modellierbar sind. Die Artenzusammensetzung eignet sich desweiteren als Vorhersagevariable für Biomasse, kann den Saturationseffekt der Vegetationsindizes jedoch nicht umgehen. Hyperspektrale und multispektrale Daten erreichen zudem eine ähnliche Modellgüte in der Modellierung. Die Analyse der Reflexionseigenschaften von Gebüschtypen zeigt, dass Betula litwinowii und Hipopphae rhamnoides sich deutlich voneinander abgrenzen lassen, wohingegen Betula litwinowii und Rhododendron caucasicum sowie Betula litwinowii und Veratrum lobelianum eine ähnliche Reflexion aufweisen. Die beste Unterscheidung wurde mit den simulierten Reflexionen der Sensoren RapidEye und WorldView-2 erreicht. In der Satellitenbildaufnahme vom September unterscheiden sich zudem die Arten besser als in der Aufnahme vom Juli.Aus den erarbeiteten, multiskaligen Karten können die floristische Zusammensetzung des Grünlandes sowie artenreiche, schützenswerte Grünlandtypen identifiziert werden und somit in entsprechende Pflege- und Schutzmaßnahmen der Umweltplanung einfließen. Zugleich bietet die Biomassekarte die Möglichkeit, die wenigen ertragreichen Standorte in der weitläufigen Landschaft zu identifizieren. Die charakteristische Verteilung der Anteile von Grasartigen, Krautigen und Leguminosen in den Grünlandtypen liefert wichtige Informationen über die Nutzbarkeit z. B. als Heuwiese und auch über die Erosionsanfälligkeit. Die unterschiedlichen Wuchsformen der sich ausbreitenden Gebüsche boten eine günstige Möglichkeit, Reflexionseigenschaften zu untersuchen und die Anwendbarkeit verschiedener Sensoren zu testen. Eine multiskalige Prognose von Grünlandeigenschaften sowie die Identifizierung von Verbuschungsstadien sind ein integraler Bestandteil für die Planung der landwirtschaftlichen Nutzung in peripheren Gebirgsregionen, sie erlauben auch die integrative Analyse der Hochgebirgslandschaft für modifizierte, standortgemäße landwirtschaftliche Nutzungsverfahren mithilfe normativer Szenarien.