Long-term changes of wildfire regimes in eastern Siberia | Langzeitliche Veränderungen von Waldbrandregimes in Ostsibirien

English. Wildfires constitute a key ecological disturbance in the world’s boreal forests. Driven by conditions of the atmosphere and vegetation, wildfires are also inherently connected to recent global change. Unusually intense fire seasons in Siberia, Canada, or Alaska in recent years are making headlines around the world. With their location in the high latitudes, boreal forests experience above-average climatic warming, and continued climate change is expected to further intensify boreal fire regimes. Remote sensing data and paleo-ecological methods are commonly used to evaluate relationships between fire regimes, climate, vegetation, and human activity, on various temporal and spatial scales. However, satellite data remains limited to only few decades of observations, preventing a direct assessment of long-term wildfire dynamics. Studies utilizing paleo-ecological approaches, on the other hand, including the well-established analysis of charcoal particles in lake sediments as an indicator of past wildfires, remain scarce in Siberia. Compared to other regions of the boreal zone, wildfire activity in boreal Siberia and its drivers and impacts remain poorly understood, especially on long timescales. Eastern Siberia is particularly under-represented in the global distribution of paleo-ecological reconstructions of long-term wildfire activity. Despite the high ecological significance of eastern Siberia’s unique deciduous larch forests, growing on deep permafrost in one of the coldest regions on Earth, this pronounced lack of data means that little is known about past trends of wildfire activity or long-term relationships of fire to its environment and human livelihoods. This thesis uncovers long-term fire regime changes in the Republic of Sakha (Yakutia), eastern Siberia, throughout the past c. 20,000 years by applying a combination of paleo-ecological and modeling approaches. Eleven new records of wildfire activity throughout the Holocene are obtained, based on macroscopic charcoal particles in lake sediments from south-west Yakutia, Central Yakutia, the southern Verkhoyansk Mountains, and the Oymyakon Highlands. The new data, covering periods of the last c. 700 to 10,800 years, enable the creation of the first composite of Holocene charcoal accumulation for the region, representing trends of biomass burning. A high-resolution record of wildfire activity for the first time allows for a determination of fire return intervals throughout the past two millennia. Reconstructed wildfire activity is compared to reconstructions of past vegetation cover and human land use from palynological analyses and sedimentary ancient DNA, as well as climate data. The paleo-ecological approach is complemented by simulations in the individual-based, spatially explicit forest model LAVESI (Larix Vegetation Simulator). The model is expanded by a new fire module and applied to simulate long-term impacts of climate-driven fire regime changes on fine-scale forest dynamics since the Last Glacial Maximum. Findings show that open woodlands and a warm climate coincided with severe wildfires in the Early Holocene, c. 10,000 years ago, from which a potential positive feedback between thinning forests and intensifying wildfires is inferred. Simulations suggest medium-intensity wildfires at return intervals of 50 years or more are benefitting the dominance of fire-resisting larches, whereas stand-replacing fires facilitate the establishment of evergreen conifers. Over the last two millennia, the role of climatic trends was increasingly overruled by human interference as key driver of fire regime changes. A combination of both paleo-ecological and modeling approaches enables a preliminary identification of indigenous land use 800 years ago and its ability to decrease wildfire severity around settlements. Considering that many indigenous land use practices today are less often conducted, or, in the case of the traditional, controlled use of fire in the landscape, were prohibited, these findings have implications for present-day policies in a region where fire regimes are expected to continue intensifying. This thesis for the first time uncovers regional wildfire activity in Yakutia throughout the Holocene by applying a novel combination of paleo-ecological and modeling approaches, unravelling natural and human drivers, and discussing findings and their implications for present and future wildfire activity in a unique region already faced with rapid environmental changes.

German. Waldbrände stellen einen entscheidenden ökologischen Störungsprozess in den borealen Wäldern der Welt dar. Angetrieben von Verhältnissen der Atmosphäre und Vegetation sind Waldbrände inhärent verknüpft mit dem aktuellen globalen Wandel. Ungewöhnlich intensive Feuerperioden in Sibirien, Kanada, oder Alaska in den vergangenen Jahren sorgen für Schlagzeilen um die Welt. Durch ihre Lage in den hohen Breitengraden erfahren boreale Nadelwälder eine überdurchschnittliche Erwärmung der Temperatur, und es wird erwartet, dass der voranschreitende Klimawandel boreale Feuerregimes weiter intensiviert. Fernerkundungsdaten und paläo-ökologische Methoden werden weitverbreitet genutzt um Zusammenhänge zwischen Feuerregimes, Klima, Vegetation, und menschlicher Aktivität auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen auszuwerten. Allerdings bleiben Satellitendaten auf den Zeitraum weniger Jahrzehnte beschränkt, was eine direkte Einschätzung langfristiger Waldbranddynamiken verhindert. Studien, die dagegen paläo-ökologische Ansätze wie die gut etablierte Analyse von Holzkohlepartikeln in Seesedimenten nutzen, sind rar in Sibirien. Verglichen mit anderen Regionen der borealen Zone ist die Waldbrandaktivität in Sibirien, einschließlich ihrer Einflussgrößen und Auswirkungen, schlecht verstanden, besonders auf langen Zeitskalen. Vor allem Ostsibirien ist unterrepräsentiert bezüglich der globalen Verteilung von paläo-ökologischen Rekonstruktionen langfristiger Waldbrandaktivität. Trotz der großen ökologischen Signifikanz der einzigartigen, sommergrünen Lärchenwälder Ostsibiriens, die auf tiefem Permafrost in einer der kältesten Regionen der Welt wachsen, bedeutet der Mangel an Daten, dass wenig bekannt ist über frühere Trends der Waldbrandaktivität oder langfristige Zusammenhänge zu deren Umgebung und menschlichen Aktivitäten. Diese Dissertation deckt langfristige Veränderungen von Feuerregimes in der Republik Sacha (Jakutien), Ostsibirien, über die vergangenen ca. 20.000 Jahre auf, indem eine Kombination aus paläo-ökologischen und Modellierungsverfahren angewendet wird. Elf neue Aufzeichnungen zur Waldbrandaktivität im Holozän werden erzeugt, basierend auf makroskopischen Holzkohlepartikeln in Seesedimenten aus Süd-West Jakutien, Zentraljakutien, dem südlichen Werchojansker Gebirge, und dem Hochland von Oimjakon. Die neuen Daten, die Zeitabschnitte der letzten ca. 700 bis 10.800 Jahre abdecken, ermöglichen zum ersten Mal das Erstellen einer Zusammensetzung holozäner Holzkohleakkumulation für die Region, repräsentativ für Trends der Verbrennung von Biomasse. Eine hochaufgelöste Aufzeichnung der Waldbrandaktivität erlaubt eine erste Ermittlung von Waldbrand-Intervallen über die letzten zwei Jahrtausende. Die rekonstruierte Waldbrandaktivität wird mit Rekonstruktionen der früheren Vegetationsbedeckung und menschlicher Landnutzung aus palynologischen Analysen und sedimentärer alter DNA verglichen, wie auch mit Klimadaten. Der paläo-ökologische Ansatz wird ergänzt mit Simulationen im Individuen-basierten, räumlich expliziten Waldmodell LAVESI (Larix Vegetation Simulator). Das Modell wird um ein Feuermodul erweitert und angewendet um langfristige Auswirkungen klimagesteuerter Feuerregimes auf feinskalige Walddynamik seit dem letzten glazialen Maximum zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine offene Waldlandschaft und ein warmes Klima im frühen Holozän, ca. 10.000 Jahre vor heute, mit einer Phase schwerer Waldbrände überschnitten, woraus eine mögliche positive Rückkopplung zwischen lichteren Wäldern und intensiveren Feuerregimes abgeleitet wird. Simulationen legen nahe, dass Waldbrände mittlerer Intensität bei Wiederkehrintervallen von 50 Jahren oder mehr die Dominanz der feuer-resistenten Lärchen unterstützen, während dagegen hoch-intensive Waldbrände die Ansiedlung immergrüner Koniferen ermöglichen. In den letzten zwei Jahrtausenden wurde die Rolle klimatischer Trends als entscheidende Einflussgröße hinter Veränderungen von Feuerregimes zunehmend von menschlichen Einflüssen abgelöst. Eine Kombination aus paläo-ökologischen und Modellierungsverfahren ermöglicht eine vorläufige Identifizierung indigener Landnutzung vor 800 Jahren und deren Fähigkeit die Schwere von Waldbränden im Umfeld von Siedlungen zu verringern. In Anbetracht der Tatsache, dass viele indigene Landnutzungspraktiken heute selten betrieben werden oder, im Fall der traditionellen, kontrollierten Nutzung von Feuer in der Landschaft, verboten wurden, haben diese Erkenntnisse Implikationen für gegenwärtige Strategien in einer Region, in der Feuerregimes sich weiter intensivieren werden. Diese Dissertation enthüllt zum ersten Mal die regionale Waldbrandaktivität in Jakutien im gesamten Holozän indem eine neuartige Kombination aus paläo-ökologischen und Modellierungsverfahren angewendet wird, natürliche und menschliche Einflussgrößen entflechtet werden, und Erkenntnisse und deren Implikationen für gegenwärtige und zukünftige Waldbrandaktivität diskutiert werden in einer einzigartigen Region, die bereits heute mit rasanten Umweltveränderungen konfrontiert ist.