Abstract

The UN Decade on Ecosystem Restoration (2021–2030) calls for extensive action to prevent and reverse ecosystem degradation. Thus, the main objective of this thesis is to assess the effects of climate change and hydrological alterations on coastal ecosystems in the most water-stressed regions, Central Asia and the Middle East. As a result, a thorough understanding of Catchment-Estuary-Coastal systems is needed to enable the development of effective management and restoration strategies.

A starting assumption for the thesis was that coastal zones are susceptible to both the decline and rise in water level. The first study site is the world’s largest endorheic lake, the Caspian Sea, which faces continuous water decline. The second study site is a vulnerable coastal ecosystem in the Persian Gulf experiencing sea level rise. For both sites, the freshwater input from river discharge and precipitation has been decreasing. It can also be assumed that the causes of water level changes are both natural and anthropogenic. Therefore, this work attempts to separate and quantify the impact of anthropogenic activities and climate change on river flow alteration, lakes, and coastal systems.

In Publication I, we addressed the effect of change in water balance parameters on the desiccation of different areas of the Caspian Sea. Publication III took the first step in quantifying and decoupling the effect of anthropogenic activities and climate change effect on river flow alteration impacting the water level in the southern Caspian Sea. Results suggested the major role played by anthropogenic activities in the fluctuation of the Caspian Sea level. To assess the direct impact of climate change on lake conditions, we determined the changes in the ice regime and their socio-ecological implications in Publication V.

The high complexity of the catchment-estuary-coastal system was examined in Publication II, showing the necessity of a basin-level perspective and the integration of the entire hydrological continuum, including upstream river regulation, land use changes, and coastal studies. By considering the interconnection between temperature, rain, flow, and salinity in Publication IV, we addressed the cumulative impacts of these variables on mangrove health. Understanding the hydrological requirements of mangroves enables policymakers to justify environmental flow strategies for mangrove restoration.

Tiivistelmä

YK:n ekosysteemien ennallistamisen vuosikymmen (2021–2030) vaatii laajoja toimia ekosysteemien tilan parantamiseksi. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli arvioida ilmastonmuutosten ja hydrologisten muutosten vaikutuksia rannikon ja suistoalueiden ekosysteemeihin alueilla, jossa veden niukkuus uhkaa ekosysteemejä Keski-Aasiassa ja Lähi-idässä. Tavoitteena oli lisätä ymmärrystä erityisesti valuma-alueen ja suisto-rannikkojärjestelmien ymmärtämiseksi tehokkaampien maankäyttö ja vesien ennallistamisstrategioiden kehittämiseksi.

Väitöstyön lähtökohtana oli, että rannikkoalueet ovat alttiita sekä vedenpinnan laskulle että nousulle. Ensimmäinen tutkimuskohde oli maailman suurin sisävesimuodostuma eli Kaspianmeri, jonka vedenpinta on pitkään ollut laskeva. Toisena tutkimuskohteena olivat Persianlahden haavoittuvat rannikkoekosysteemit, joissa merenpinta on nouseva. Molemmissa tapauksissa makean veden määrä on vähentynyt sateiden ja jokien virtaamien vähentyessä. Työn oletuksena oli, että vedenpinnan muutosten syyt olivat sekä luonnollisia että ihmisperäisiä. Tämän vuoksi työ pyrki erottelemaan ja kvantifioimaan ihmisperäisen toiminnan ja ilmastonmuutoksen vaikutukset jokien virtauksen muutoksiin, järvien vedenkorkeuteen ja rannikkojärjestelmiin.

Artikkelissa I käsiteltiin vesitaseen muutoksien vaikutuksia Kaspianmeren eri alueiden kuivumiseen. Artikkeli III otti ensimmäisen askeleen kvantifioidakseen ja erottaakseen toisistaan ihmisen toiminnan ja ilmastonmuutoksen vaikutukset Kaspianmeren vedenkorkeuteen vaikuttavien jokien virtaamien muutoksiin. Julkaisun perusteella ihmisperäisillä valuma-alueiden toimilla on hallitseva rooli Kaspianmeren tulovirtaaman vaihteluissa. Koska Kaspianmeri on talvella osittain jään peittämä, työssä tutkittiin myös merijään muutoksia ja arvioitiin tarkemmin näiden muutosten vaikutuksia Kaspianmeren taloudellisiin ja ekologisiin olosuhteisiin.

Valuma-alue sekä suisto- ja rannikkojärjestelmän monimutkaisuutta ja vuorovaikutuksia tarkasteltiin artikkelissa II. Tutkimus osoitti valuma-aluetason näkökulman ja koko hydrologisen jatkumon integroinnin tarpeellisuuden, mukaan lukien latvavesien ja niiden jokien sääntelyn, maankäytön muutoksien tarkastelun ja rannikon tutkimukset. Lämpötilan, sademäärän, virtauksen ja suolaisuuden välisiä yhteyksiä ja kumulatiivisia vaikutuksia mangroven tilaan käsiteltiin artikkelissa IV.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Akbari, M., Baubekova, A., Roozbahani, A., Gafurov, A., Shiklomanov, A., Rasouli, K., Ivkina, N., Kløve, B., & Torabi Haghighi, A. (2020). Vulnerability of the Caspian Sea shoreline to changes in hydrology and climate. Environmental Research Letters, 15(11), 115002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/abaad8

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Baubekova, A., Akbari, M., Etemadi, H., Ashraf, F. B., Hekmatzadeh, A., & Haghighi, A. T. (2023). Causes & effects of upstream-downstream flow regime alteration over Catchment-Estuary-Coastal systems. Science of The Total Environment, 858(Pt 3), 160045. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160045

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Sharifi, A., Baubekova, A., Patro, E.R., Kløve, B., & Haghighi, A.T. (2023). The impact of anthropogenic activities and climate change on river flow alteration. Manuscript in preparation.

4. Baubekova, A., Ahrari, A., Etemadi, H., Kløve, B., & Haghighi, A. T. (2023). Environmental Flow Assessment for intermittent rivers supporting the most poleward mangroves. Manuscript in preparation.

5. Naurozbayeva, Z., Baubekova, A., Kvasha, A., Lobanov, V., Kløve, B., & Torabi Haghighi, A. (2023). Determining factors for changes in the ice regime of the Caspian Sea. International Journal of Water Resources Development. Advance online publication. https://doi.org/10.1080/07900627.2023.2231099