Remote Sensing of the Ecosystem Impact of Invasive Alien Plant Species

Invasive Pflanzenarten können Ökosysteme durch Beeinflussung von einheimischen Pflanzengesellschaften und Ökosystemprozessen verändern. Solche Ökosystemauswirkungen wurden mit Hilfe von Experimenten oder Feldaufnahmen umfassend untersucht. Großflächige Auswirkungen, zum Beispiel auf Habitat- oder Landschaftsebene wurden bisher jedoch kaum untersucht. Mit Hilfe von Fernerkundung können räumlich explizite Informationen über die Verteilung von Arten und Ökosystemeigenschaften erfasst werden und somit die Lücke in der Erforschung der großflächigen Auswirkungen invasiver Arten geschlossen werden. ... mehrBisher wurde Fernerkundung vor allem zur Kartierung von Vorkommen invasiver Pflanzenarten eingesetzt, jedoch nur selten zur Abschätzung ihrer Auswirkungen. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Potential der Fernerkundung für die Bewertung von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden drei Forschungsarbeiten angefertigt, die verschiedene Aspekte dieses Potenzials beleuchten: (1) Die Ermittlung von Vegetationseigenschaften in von Invasionen betroffenen Ökosystemen, (2) die Analyse von Auswirkungen invasiver Arten auf unterschiedlichen räumlichen Skalen und (3) eine räumlich explizite Darstellung von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten.

Die erste Studie beschäftigt sich mit der Kartierung von Blattstickstoff (N) und -phosphorgehalten (P) in einem Laubmischwald mit Vorkommen der frühblühenden Traubenkirsche (Prunus serotina Ehrh.). Für die Kartierung wurden hyperspektrale und Laserscanning (LiDAR) Daten kombiniert. Die Studie ergab, dass die Bestimmung von N und P aus hyperspektalen Fernerkundungdaten in Baumkronen mit hoher struktureller Heterogenität erschwert wird. Allerdings konnte auch ein Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung und der Struktur des Kronendaches festgestellt werden. So konnten die von LiDAR-Daten abgeleiteten Strukturinformationen genutzt werden, um die Vorhersagen von N und P zu verbessern. In der zweiten Studie wurden aus Fernerkundungsdaten erstellte Karten von Ökosystemeigenschaften genutzt, um Gebiete mit und ohne P. serotina zu vergleichen. Die Karten umfassten N und P, sowie das N:P-Verhältnis von Blättern, das Holzvolumen und den Blattflächenindex (LAI). Es wurden sowohl Unterschiede in den Werten von Blattinhaltsstoffen als auch in der Waldstruktur für Standorte mit und ohne P. serotina festgestellt. Diese Unterschiede waren auch auf Bestandsebene erkennbar, wenn auch in geringem Maße. In der dritten Studie wurden hyperspektrale Luftbilder verwendet um die prozentuale Deckung des Kaktusmooses (Campylopus introflexus (Hedw.) Brid.) in einem Dünenökosystem großflächig zu kartieren. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen dem Deckungsgrad von C. introflexus und der Artenvielfalt von Pflanzen untersucht. In Kombination wurden diese Ergebnisse verwendet, um potenzielle Bereiche mit hohen Auswirkungen zu kennzeichnen.

Basierend auf diesen drei Studien wurden in dieser Arbeit zwei grundlegende methodische Ansätze zur Analyse von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten per Fernerkundung identifiziert und angewandt. Der erste Ansatz besteht darin, mit Hilfe von Fernerkundung erstellte Karten von Ökosystemeigenschaften zu verwenden, um diese Eigenschaften in Abhängigkeit des Vorkommens invasiver Arten auszuwerten. Wie gezeigt werden konnte, ist dies auch für große Flächen, beispielsweise auf der Habitat- oder Landschaftsebene, möglich. Somit kann Fernerkundung zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von invasiven Arten beitragen. Der zweite Ansatz basiert auf der Kartierung von Abundanzen invasiver Pflanzenarten. Diese können als Indikator für die Stärke der Auswirkungen genutzt werden. Die resultierenden Karten können verwendet werden, um Bereiche mit hohen Auswirkungen zu identifizieren. Darüber hinaus ermöglicht dieser zweite Ansatz den Vergleich der Auswirkungen zwischen verschiedenen Arten oder Lebensraumtypen und kann somit wertvolle Informationen für Managemententscheidungen liefern.

Da die Ableitung vieler Ökosystemeigenschaften aus Fernerkundungsdaten nach wie vor eine Herausforderung darstellt, sollte die zukünftige Forschung darauf abzielen, die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften und der Reflektanz der Vegetation besser zu verstehen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige Vorhersage über verschiedene Lebensräume hinweg. Zukünftige Fernerkundungsstudien, mit dem Ziel invasive Arten zu kartieren, sollten sich auf die Vorhersage von Deckungsgraden konzentrieren. Darüber hinaus sind generalisierte Verfahren wünschenswert, die eine erfolgreiche Identifizierung von Arten unter verschiedenen ökologischen Gegebenheiten gewährleisten. Nicht zuletzt sollte diese Arbeit Invasionsökologen ermutigen, existierende Fernerkundungsprodukte häufiger zu verwenden, um großflächige Auswirkungen von invasiven Pflanzenarten auf Ökosysteme zu analysieren.

Invasive alien plant species can adversely affect ecosystems by altering native plant communities and ecosystem functioning. Such ecosystem impacts have been studied extensively using small-scale experiments or field surveys. However, there is a lack of studies investigating the severity of invasion impacts across larger scale, for example at the habitat or landscape level. Remote sensing techniques have high potential to provide insight on large-scale impacts by delivering spatially explicit information on species distribution and ecosystem properties. So far, remote sensing has frequently been used to map occurrences of invasive plant species, but only rarely to assess their impacts. ... mehrThis thesis aims to evaluate the benefit of remote sensing for assessing ecosystem impacts of invasive plant species. Based on three research papers this thesis is evaluating different aspects of this potential. These aspects include the retrieval of vegetation properties from invaded ecosystems, the detection of invasion impacts at different spatial scales, and a spatially explicit assessment of ecosystem impact of invasive plant species.

Paper 1 focused on mapping canopy nitrogen (N) and phosphorus (P) in a temperate forest invaded by the American black cherry (Prunus serotina Ehrh.) using a combination of imaging spectroscopy and airborne Laserscanning (LiDAR) data. This study revealed that high structural canopy heterogeneity hampers remote sensing of canopy chemistry, but also co-variation between canopy chemistry and structure. Thus, LiDAR-derived structural information can improve predictions of canopy chemistry from imaging spectroscopy in structurally heterogeneous ecosystems. Paper 2 compared differences in remotely sensed ecosystem properties between invaded and non-invaded parts of the same temperate forest. These properties included canopy N and P, the N:P ratio, timber volume and leaf area index (LAI). The study revealed differences in canopy chemical and forest structural properties indicating causes and effects of P. serotina occurrence. Differences were also detectable at the level of forest stands, albeit to a minor degree. Paper 3 focused on mapping fractional covers of the heath star moss (Campylopus introflexus (Hedw.) Brid.) in a dune ecosystem. Predicted covers were used as an indicator of impact magnitude in different habitat types. Paper 3 further assessed the relationship between C. introflexus cover and plant alpha diversity based on field data. These results were combined to highlight potential high impact areas.

This thesis identified and applied two basic approaches to assess ecosystem impacts of invasive plant species using advanced Earth observation techniques. One approach is using maps of ecosystem properties derived from remote sensing to compare characteristics of invaded and non-invaded areas. As demonstrated, this approach allows to study ecosystem impacts of invasive plant species across large areas, for example at the habitat or landscape level, and contribute to a better understanding of invasion impacts. The second approach is based on mapping abundances of invasive species and using these abundances as an indicator of ecosystem impact. An ideal abundance measure, from a remote sensing perspective is the fractional cover of a species in a reference area. Cover maps can then be used to identify high impact areas. Moreover, this approach compares the impact severity of different species or one species in different habitats, therefore delivering valuable information for management decisions.

Since the retrieval of many ecosystem properties is still challenging, future research should aim at understanding the linkages between vegetation attributes and reflectance. This is a prerequisite for reliable prediction of these properties from remote sensing. Future studies should focus on the retrieval of quantitative information when mapping invasive species distributions. More research is also necessary to ensure a successful identification of species in different ecological contexts. Finally, this thesis should encourage invasion ecologists to use remote sensing products when assessing large scale ecosystem impacts of invasive alien plant species.