Sensorgestützte Früherkennung von Ökosystemveränderungen durch eingeschleppte Akazien

Neuer Ansatz mit Flugzeug-Sensordaten zeigt deutliche Auswirkungen auf Nährstoff-Haushalt geschützter Küstendünen in Portugal

Die Akazie in Portugal ist ein Paradebeispiel dafür, dass eine eingebürgerte Pflanze die einheimischen Ökosysteme erheblich gefährden kann: Im 20. Jahrhundert wurde die aus Australien stammende Langblättrige Akazie zur Befestigung von Sanddünen angepflanzt. Seither breitet sich der gelb blühende Strauch als sogenannte invasive Art massiv aus und beeinflusst den Wasser- und Nährstoff-Haushalt zu Ungunsten einheimischer Pflanzen. Wissenschaftlern der Universitäten Münster, Hamburg, Freiburg und Bielefeld ist es nun erstmals gelungen, den gesamten Akazienbestand in einem mediterranen Dünen-Ökosystem und die damit einhergehenden Veränderungen des Nährstoffgehalts mit hoher Genauigkeit zu kartieren. Dazu nutzte das Team hoch aufgelöste Flugzeug-Sensordaten. Die Studie ist aktuell in der Fachzeitschrift „Remote Sensing of Environment" veröffentlicht.
 
Typische Küstendünen mit in Portugal heimischen Arten, vor allem Stauracanthus, Portugiesische Krähenbeere, Zistrosen und Kiefer. © André Große-Stoltenberg„Die Langblättrige Akazie verändert sehr sensible und artenreiche Dünen-Ökosysteme im Südwesten Portugals grundlegend", unterstreicht Landschaftsökologe Dr. André Große-Stoltenberg von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU), Erstautor der Studie. „Sie ist eine der größten Bedrohungen für die einheimische Pflanzenvielfalt. Das betrifft auch streng geschützte Arten." Die Akazie reichert das nährstoffarme Dünen-Ökosystem mit Stickstoff an – ein Problem für jene Pflanzen, die nur auf nährstoffarmen Böden gedeihen. Gleichzeitig entzieht sie dem Boden mit ihrem Wurzelwerk viel Wasser, was sich negativ auf die Wasserversorgung der einheimischen Arten auswirkt. Zudem verdichtet sie die offene Vegetationsstruktur und nimmt den anderen Dünenpflanzen das Licht.
 
Die untersuchte Fläche ist etwa elf Quadratkilometer groß und liegt an Portugals Westküste südlich von Lissabon in einem „Natura 2000"-Schutzgebiet der Europäischen Union. Für die Studie kombinierten die Wissenschaftler eine GPS-gestützte Geländekartierung mit Fernerkundungsdaten. Dazu gehörten „normale" Luftbilder sowie Laserscanning- und Hyperspektral-Daten. Per Laserscanner („Lidar-Technik") erstellten die Forscher ein dreidimensionales Höhenmodell des Geländes. Durch die Hyperspektral-Daten gelang es ihnen, die sogenannte Brutto-Primärproduktion sichtbar zu machen, also die insgesamt durch Fotosynthese produzierte pflanzliche Biomasse. Dieser Faktor ist ein Indikator für den Grad der Akazien-Invasion: Je mehr Akazien in den Dünen wachsen beziehungsweise je älter die Sträucher werden, desto stärker ist die „Düngung" mit Stickstoff – und desto größer ist die Brutto-Primärproduktion. Dieses Fernerkundungs-Verfahren ermöglicht es, die durch die Akazie verursachten Veränderungen des Ökosystems bereits in einem sehr frühen Stadium der Invasion bei einer Bedeckung von weniger als zehn Prozent der Fläche zu erkennen, noch bevor die Akazie ihre typischen Dickichte ausbildet. Die Forscher sehen dies als Chance, rechtzeitig gegenzusteuern und die Akazien-Invasion einzudämmen, bevor sie nicht mehr umkehrbar ist. Die Analyse der Daten erfolgte mit einem Algorithmus, der anhand der Referenzdaten aus der GPS-gestützten Geländekartierung „lernt", Akazien in den Luftbildern sicher zu erkennen.
 
Ein frühes Stadium der Akazien-Invasion. Hier hat sich die Langblättrige Akazie inmitten der dichten einheimischen Strauchvegetation etabliert. In Echtfarben erscheint alles wie eine Mischung aus Grüntönen, sodass die Arten mehr oder weniger gut zu unterscheiden sind. Im Infrarot sticht die Akazie, die Dr. André Große-Stoltenberg hier vermisst, klar hervor. © Jörg LülingZum Hintergrund: Hyperspektral-Sensoren erkennen deutlich mehr Lichtwellenlängen („Farben") als das menschliche Auge, auch im infraroten Bereich. Anhand dieser Daten können Wissenschaftler die biochemischen Eigenschaften von Pflanzen untersuchen. „Die Akazie hinterlässt ein deutliches Produktivitätssignal im Ökosystem. Es wird erst durch den Einsatz von Infrarotsensoren sichtbar – so ähnlich wie bei ‚Geheimtinte‘", veranschaulicht André Große-Stoltenberg. Diese Methode wurde im vergangenen Jahr von amerikanischen Wissenschaftlern vorgestellt und nun erstmals für eine ökologische Studie eingesetzt.
 
„Vor allem mithilfe der Sensordaten aus dem Infrarot-Bereich konnten wir räumlich explizit zeigen, dass die Akazie das Dünenökosystem bezogen auf die Primärproduktion Schritt für Schritt in ein waldähnliches Ökosystem verwandelt", fasst André Große-Stoltenberg zusammen. Er und seine Teamkollegen gehen davon aus, dass das Muster der Akazien-Invasion auf andere nährstoff-fixierende Baum- oder Straucharten in nährstoffarmen Ökosystemen weltweit übertragbar ist. Die Kombination von Gelände- und Fernerkundungsdaten sei auch in diesen Fällen eine geeignete Methode und berge großes Potenzial für eine standardisierte, sensorgestützte Früherkennung von typischen Invasionsmustern.
 
An der Studie beteiligt waren neben Dr. André Große-Stoltenberg: Privatdozent Dr. Jan Thiele (ebenfalls WWU Münster), Dr. Christine Hellmann (Universitäten Freiburg und Bielefeld), Prof. Dr. Christiane Werner (Universität Freiburg) und Dr. Jens Oldeland (Universität Hamburg). Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der European Facility for Airborne Research und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst unterstützt.
 
Originalveröffentlichung:
Große-Stoltenberg A. et al.: Early detection of GPP-related regime shifts after plant invasion by integrating imaging spectroscopy with airborne LiDAR. Remote Sensing of Environment Volume 209, May 2018, Pages 780–792.
 
Kontakt:
Christina Heimken, Pressestelle der Universität Münster

Umwelt | Naturschutz, 23.03.2018
     
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