Von der Landnutzung über Habitatheterogenität bis hin zur Biodiversität in Grünlandökosystemen: Eine kombinierte theoretische, experimentelle und beobachtende


Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Katja Tielboerger

Lara Braun

(Uni Tübingen)

Prof. Dr. Ronen Kadmon

Dr. Royi Zidon

(Uni Jerusalem)

Objectives


Temperate grassland communities harbor a great fraction of the Central European plant species diversity and responses of these communities to anthropogenic disturbances have been investigated by numerous studies during the last decades.   Our research focuses on one aspect that has been overlooked in previous studies: the role of micro-scale spatial heterogeneity in habitat conditions. This question is planned to be investigated in two phases. In the present phase we use a series of microcosm experiments and related models to uncover the fundamental mechanisms by which spatial heterogeneity in habitat conditions (habitat heterogeneity) affects the diversity of grassland communities. Our models and experiments are based on a novel concept termed 'the area-heterogeneity trade-off'. The results obtained from this phase will be used as a baseline for planning a second phase of experiments that will be designed to test predictions obtained from our models and microcosm experiments under natural field conditions. Importantly, although our research focuses on grassland communities, we expect that our theoretical and empirical findings would provide general insights that will be applicable to studies focusing on larger scales and other kinds of organisms.

 

Hypotheses

The 'area-heterogeneity trade-off' (Allouche et al. 2012) states that any increase in habitat heterogeneity must be associated with a corresponding decrease in the average amount of suitable area available per species (Fig.1). This geometric trade-off leads to a number of testable hypotheses:

1. Increasing habitat heterogeneity should increase the potential number of species in a community by providing suitable conditions for a larger number of species with different ecological requirements (this is the traditional prediction of niche theory).

2. At the same time, increasing heterogeneity reduces average population size (due to the proposed area-heterogeneity trade-off).

3. The reduction in population size should increase the likelihood of stochastic extinction.

4. The increase in extinction rates should reduce the number of species.

5. These contrasting positive and negative effects should lead to unimodal heterogeneity-diversity relationship, with habitat availability limiting richness at low levels of heterogeneity and area limiting richness at high levels of heterogeneity.

6. Specialist species should be more sensitive to the area-heterogeneity trade-off than generalist species and should therefore show stronger responses (both positive and negative) to variation in habitat heterogeneity.

7. The position of the inflection point (i.e., the level of heterogeneity that maximizes species diversity) should depend on properties of the relevant system. In general, any factor that increases the likelihood of stochastic extinction (habitat fragmentation, environmental stress, disturbance) should shift the inflection point to lower levels of heterogeneity and vice-versa.

The latter hypothesis implies that natural grassland communities can be expected to show various responses (positive, negative, unimodal, or flat) to increased habitat heterogeneity, depending on properties of the relevant system.

Von der Landnutzung über Habitatheterogenität bis hin zur Biodiversität in Grünlandökosystemen: Eine kombinierte theoretische, experimentelle und beobachtende


Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Katja Tielboerger

Lara Braun

Ronja Ratzbor

(Uni Tübingen)

Prof. Dr. Ronen Kadmon

Dr. Royi Zidon

Dr. Niv DeMalach

(Uni Jerusalem)

Theoretischer Projektteil

Der Hauptfokus des theoretischen Projektteils in Phase 1 war die Plausibilitätsprüfung der AHTO (Flächen-Herterogenitäts-Tradeoff). Dazu wurden mehr Szenarien und Bedingungen getestet als durch das Original Modell. Die Modellierungsstrategie wurde auf bei Organismen weit verbreitete Mechanismen und Interaktionen angepasst. Dieser stark abstrakte, generelle Ansatz musste jedoch Prozesse und Interaktionen außer Acht lassen, die für die Strukturierung von Grasslandgemeinschaften wichtig sind. Die Entwicklung des Modells hin zu diesen Prozessen und Interaktionen ist nun der Kern in der zweiten Phase des Projektes. Diese Erweiterung des Modells wird es uns erlauben unsere theoretischen, experimentellen und beobachtenden Ergebnisse direkt und eng zu verknüpfen.

 

Experimenteller Projektteil

In der ersten Phase des Projektes wurde ein Langzeit Mikrokosmus Experiment etabliert um von unseren Modellen generierte Hypothesen unter sehr kontrollierten Bedingungen zu testen. Die Langzeitbeobachtung des Experimentes ist unumgänglich, da Reaktionen der Gemeinschaft auf Veränderungen des Lebensraumes durch demografische Prozesse (Geburtenrate, Sterberate und Verteilung) stattfinden. Diese Prozesse benötigen besonders bei mehrjährigen Arten und solchen mit klonaler Fortpflanzung relativ viel Zeit. Daher ist ein großer Bestandteil des experimentellen Projektteils die Fortführung des Monitorings um die Reaktionen der künstlichen Gemeinschaften auf die unterschiedlichen Manipulatonen im Mikrokosmus zu erfassen. Durch die Veränderung des Moddelierungsansatzes müssen zur Parametrisierung der neuen Modelle geeignete empirische Daten erhoben werden. Daher wird ein weiteres Experiment aufgebaut, in dem individuelle Wachstumsantworten von Pflanzen auf die Manipulationen der Lebensraumbedingungen gemessen werden.

 

Beobachtender Projektteil

Der wichtigste Teil des laufenden Projektes ist es unsere bisherige Arbeit direkter mit den Exploratorien zu verknüpfen. Habitatheterogenität wird häufig als eine mögliche – doch nie bestätigte – Erklärung für viele Muster und Prozesse entlang des Landnutzungsgradienten heran geführt (e.g. Blüthgen et al. 2016, Solivieres et al. 2015, Manning et al. 2015). Daher sollen in dieser zweiten Phase Feldaufnahmen in den Exploratorien gemacht werden, bei denen entlang des Landnutzungsgradienten alle Faktoren der theoretischen und experimentellen Projektteile gemessen werden.

 

Projekt in vorigen Phasen