Resilience of Mangroves on the South Coast of Havana province, Cuba

Abstract

Mangroves are important worldwide for a wide range of ecosystem services that contribute to human well-being (e.g., food and water consumption, recreation). However, 35% of documented mangrove vegetation disappeared in 1980-2005 mainly due to direct and indirect human impacts. Mangrove resilience typically manifests as regeneration of mangrove vegetation, either naturally or promoted by restoration. <br /> The Gulf of Mexico and the Caribbean region are representative of the worldwide mangrove situation. The thesis addresses five study cases in Cuba, Mexico and USA. The cases are examples illustrating mangrove resilience through natural regeneration and restoration activities. Changes in vegetation, ground altitude and inundation as well as institutional aspects of mangrove restoration are addressed.<br /> Mangroves and wetlands of the south coast of Havana province in Cuba were studied. Across these mangroves and wetlands, a road-like freshwater barrier was built during 1985-1991 to guarantee an adequate freshwater supply for agriculture and settlements, including Havana City. The barrier is 52 km long, and slows down the flow of freshwater into the sea by retaining water landward of the barrier. Besides achieving enhanced groundwater quality and quantity, the barrier caused mangrove dieback through flooding. The assessment of mangrove resilience took advantage of an empirically supported historical perspective. First, remote sensing using satellite images of 1985 and 2001 indicated major land-cover changes related to the construction of the barrier. Second, in plots representative of those changes, vegetation and abiotic factors (e.g., water level and soil redox potential) were surveyed in 2005. The land-cover changes were concentrated landward of the barrier, e.g., a decrease in wetland forests (from 4847 to 1206 ha; mainly plantations) and increase in flooded mangroves (from 11 to 1425 ha). The access provided by the road-like barrier promoted new seaward mangrove plantations (774 ha). As expected from the analyses of the satellite images, in both the dry and the rainy season in 2005, the mean water level was higher in dammed wetlands (16 and 43 cm) than in those located seaward of the barrier (-5 and 7 cm). Also, the landward wetlands had a more negative mean soil redox potential (seasonal extremes were -240 mV and -40 mV). In contrast, the major accumulations of water landward of the barrier (i.e., highest water levels) occurred in the two sectors with the highest number and density of spillways (10 and 14 spillways, and 0.6 and 0.8 spillways per km). Resilience of the mangrove cover to the barrier-induced flooding manifests as early recovery of mangrove vegetation (mangrove cover less than 60%, trees typically smaller than 4 m), and also as advanced recovery leading to a closed forest canopy (trees 4-11 m). Recovered vegetation can progressively enhance the change from permanent to seasonal flooding. The study shows that decreasing the water level towards non-permanent flooding can prevent the establishment of vegetation. Maintaining the spillways of the barrier, however, can enhance the recovery of mangroves. Management interventions are a promising way of supporting the restoration of mangrove covers.<br /> The study proposes a methodological approach, based on qualitative mathematical modelling (loop analysis), for improving the assessment and management of resilience of environmental systems. The approach is presented through empirical data obtained in Cuban mangroves.

<strong>Resilienz der Mangroven an der Südküste der Havanna Provinz, Kuba</strong><br /> Mangroven sind weltweit äußerst wichtig für eine Reihe von Ökosystem-Dienstleistungen, die zum menschlichen Wohlergehen beitragen (z.B. Ernährung, Wasserkonsum und Erholung). Dennoch verschwanden in den letzten zwei Jahrzehnten weltweit 35% der Mangrovenvegetation, hauptsächlich durch direkte und indirekte menschliche Einwirkung. Resilienz von Mangroven zeigt sich in der Regeneration der Mangrovenvegetation, entweder durch natürliche Regeneration oder aber unterstützt durch Rekultivierungsmaßnahmen.<br /> Der Golf von Mexiko und die Karibik sind repräsentativ für den Zustand der Mangroven weltweit. Die Dissertation umfasst fünf Fallstudien in Kuba, Mexiko und den USA. Diese Studien zeigen Beispiele für Mangroven-Resilienz sowohl durch natürliche Regeneration als auch durch Rekultivierung. Änderungen in der Vegetation, der Topographie bzw. dem Ausmaß der Überschwemmungen sowie institutionelle Aspekte der Mangrovenrekultivierung werden untersucht.<br /> In der vorliegenden Studie werden insbesondere die Mangroven und Feuchtgebiete der Südküste der Havanna Provinz in Kuba betrachtet. In diesem Gebiet wurde zwischen 1985 und 1991 eine unterirdische Barriere errichtet, um die Versorgung von Landwirtschaft und Siedlungen, inklusive der Stadt Havanna, mit Frischwasser zu garantieren. Die Barriere ist 52 km lang und verlangsamt den Abfluss von Süßwasser ins Meer, indem sie das Wasser auf der landwärtigen Seite staut. Neben der Erhöhung der Grundwasserstands und der Verbesserung der Wasserqualität hat die Barriere aber auch das Mangrovensterben durch dauerhafte Überflutung verursacht. <br /> Die Beurteilung der Mangroven-Resilienz wird durch eine historische Betrachtung unterstützt. Mit Satellitenbildern aus den Jahren 1985 und 2001 können enorme Änderungen in der Vegetationsdecke nachgewiesen werden, die durch die Barriere verursacht wurden. 2005 wurden auf Parzellen, die diese Veränderungen zeigen, die Vegetation und abiotische Faktoren, wie z.B. der Wasserspiegel und das Redox-Potential des Bodens, untersucht. Die Änderungen in der Vegetationsdecke konzentrieren sich auf die landwärtige Seite der Barriere, z.B. nahmen die Feuchtgebietswälder von 4847 auf 1206 ha ab (vorwiegend Pflanzungen) und die überfluteten Mangroven von 11 auf 1425 ha zu. Durch die Barriere, auf der eine Straße verläuft, ist ein Zugang in das Gebiet entstanden, der zu neuen Mangrovenpflanzungen (774 ha) auf der dem Meer zugewandten Seite führte. Wie die Satellitenbilder zeigen, ist sowohl in der Trocken- als auch in der Regenzeit des Jahres 2005 der durchschnittliche Wasserspiegel in den aufgestauten Feuchtgebieten höher (16 und 43 cm) als in den seewärts gelegenen Gebieten (-5 und 7 cm). Darüber hinaus hatten die landwärts gelegenen Feuchtgebiete im Durchschnitt ein negativeres Redox-Potential des Bodens (die saisonalen Extrema lagen bei -240 mV und -40 mV). Die größten Wasseransammlungen (d.h. der höchste Wasserspiegel) auf der landwärtigen Seite der Barriere wurde in den zwei Sektoren mit der höchsten Anzahl und Dichte an Abflusskanälen festgestellt (10 und 14 Abflusskanäle; 0.6 und 0.8 Abflusskanäle per km). Die Resilienz der Mangrove in den durch die Barriere dauerhaft überfluteten Flächen zeigt sich in der Regeneration der Mangrovenvegetation binnen kurzer Zeit (Deckung 60%; Bäume <4m) und der schnellen Entwicklung einer geschlossenen Kronendecke. Die regenerierten Mangrovenflächen wandeln sich nach und nach von permanent zu saisonal überfluteten Standorten. Die Studie zeigt, dass die Senkung des Wasserspiegels, hin zu nicht dauerhaften Überflutungen, die Entwicklung von Vegetation verhindern kann. Allerdings kann das Aufrechterhalten der Abflusskanäle die Regeneration der Mangroven verbessern. Managementeingriffe sind eine vielversprechende Methode für die Wiederherstellung der Mangrovenvegetation.<br /> Es wird eine qualitative mathematische Modellierung (loop anlysis) vorgeschlagen, mit der die Beurteilung und das Management der Resilienz von Ökosystemen verbessert werden kann. Der methodische Ansatz wird anhand von Daten illustriert, die in den kubanischen Mangrovengebieten erhoben wurden.