Alternative stable states between subtropical forest and grassland: A palaeoecological case study in southern Brazil

• Applicant: Professor Dr. Thomas Giesecke
• Subject Area: Palaeontology ; Ecology and Biodiversity of Plants and Ecosystems
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 299080296

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Wälder und Grasländer sind Ökosysteme mit unterschiedlicher Funktionalität in ihren Stoffkreisläufen, wie auch der Kohlenstoff Speicherung. In vielen Regionen existieren beide Ökosysteme nebeneinander, was vermuten lässt, dass natürliche Feuer ein wichtiger Faktor sind, um die Grasländer offen zu halten. Wälder trocknen weniger schnell aus und hemmen dadurch Feuer. Somit ist zu vermuten, dass sich beide Systeme in Bezug auf Feuer selbst stabilisieren. Dieses Projekt hat an einem Beispiel die Hypothese untersucht, ob diese Stabilisierung so weit geht, dass unter gleichem Klima Wälder oder Grasländer natürlich existieren könnten. In Südbrasilien existiert ein Mosaik aus Wald und Grasland, in dem sich die Wälder aufgrund von Klimaveränderungen im Laufe der letzten 8.000 Jahre auf Kosten der Grasländer ausgebreitet haben. Ältere Untersuchungen zeigen oft eine plötzliche Ausbreitung des Waldes, was eine Bistabilität vermuten lässt. Dies war Anlass für diese neue hochauflösende Studie von Sedimenten eines kleinen Sees im Bundesstaat Parana in der Nähe der Stadt Ponta Grossa. Im Februar 2017 gelang es einen 14,4 m langen Sedimentkern aus dem See Lagoa Dourada zu entnehmen, der geochemisch, pollenanalytisch und auf ihren Gehalt an Holzkohlepartikeln hin untersucht wurde. Die Geochemie der Sedimente zeigt starke Veränderungen, welche durch die Zunahme der Niederschläge im Laufe der letzten 10.000 Jahre hervorgerufen wurden. Die Konzentration von Holzkohlepartikeln zeigt, einen deutlichen Anstieg der Häufigkeit und Intensität von Feuer für die letzten 5.000 Jahre. Das feuchter werdende Klima hat also zu einer höheren Biomasseproduktion geführt, was durch den Anstieg von leicht brennbarem Material die Häufigkeit von Feuer erhöht hat. Das feuchtere Klima hat auch die Ausbreitung der Wälder gefördert, nur fand diese allmählich statt. Es gab also keine plötzliche Ausbreitung der Wälder, die zuvor von der hohen Feuerfrequenz zurückgehalten wurden. Anzeichen für eine Bistabilität von Wäldern und Grasländern in Südbrasilien lassen sich aus dieser Studie also nicht ableiten. Der Vergleich zwischen den Pollenprozenten in Oberflächenproben mit der Umgebenden Vegetation zeigt, dass Bäume in dieser Region im Pollenbild stark unterrepräsentiert sind. Dieser Umstand kann das Muster von plötzlichen ansteigenden Pollenproportionen von Bäumen in Pollendiagrammen der Region als erklären. Auch an Lokalitäten, an denen das Pollendiagramme einen starken sprunghaften Anstieg des Waldes zeigen, hat sich wahrscheinlich der Wald langsam und nicht sprunghaft ausgebreitet. Die hohe Pollenproduktion und schlechte Verbreitung der Pollen von Araukarien führen zu diesem starken Anstieg des Pollensignals, wenn der Baum lokal dominant wird. Somit hat die Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der Dynamik am Grenzgebiet zwischen Wäldern und Grasländern beigetragen. Die Dokumentation der Frequenz von natürlichen Feuern in der Region bietet wichtige Informationen zum Management der Grasvegetation in geschützten Gebieten in Südbrasilien. Darüber hinaus hat die Arbeit einen wichtigen Beitrag geleistet die Klima-, Vegetations- und Landschaftsgeschichte der Region besser zu charakterisieren. Aufgrund der hohen Sedimentationsrate stehen die Ergebnisse zum großen Teil in dekadischer Auflösung zur Verfügung und stellen damit einen wichtigen Datensatz für weitere Untersuchungen dar.

Publications

• (2019). A new modern pollen dataset describing the Brazilian Atlantic Forest. The Holocene, 29(8), 1253-1262
  Montade, V., Ledru, M.-P., Giesecke, T., Flantua, S. G., Behling, H., & Peyron, O.
  
• (2021). Towards quantifying changes in forest cover in the Araucaria forest-grassland mosaic in southern Brazil. Vegetation History and Archaeobotany
  Piraquive Bermúdez, D., Theuerkauf, M., & Giesecke, T.
  
• (2021). Vegetation and fire history in Araucaria forest and Grasslands, Southern Brazil
  Piraquive Bermúdez, D.
  
• 2021. Environmental variability at the margin of the South American monsoon system recorded by a high-resolution sediment record from Lagoa Dourada (South Brazil). Quaternary Science Reviews 272, 107204
  Zolitschka, B., Lee, A.-S., Bermúdez, D.P., Giesecke, T.