TY  - THES
A1  - Lewerentz, Anne F.
T1  - Spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes under environmental change
T1  - Raum-zeitliche Dynamik der Makrophyten in bayerischen Seen unter sich ändernden Umweltbedingungen
N2  - Macrophytes are key components of freshwater ecosystems because they provide habitat, food, and improve the water quality. Macrophyte are vulnerable to environmental change as their physiological processes depend on changing environmental factors, which themselves vary within a geographical region and along lake depth. Their spatial distribution is not well understood and their importance is publicly little-known. In this thesis, I have investigated the spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes to understand their diversity pattern along different scales and to predict and communicate potential consequences of global change on their richness.
In the introduction (Chapter 1), I provide an overview of the current scientific knowledge of the species richness patterns of macrophytes in freshwater lakes, the influences of climate and land-use change on macrophyte growth, and different modelling approaches of macrophytes.
The main part of the thesis starts with a study about submerged and emergent macrophyte species richness in natural and artificial lakes of Bavaria (Chapter 2). By analysing publicly available monitoring data, I have found a higher species richness of submerged macrophytes in natural lakes than in artificial lakes. Furthermore, I showed that the richness of submerged species is better explained by physio-chemical lake parameters than the richness of emergent species. In Chapter 3, I considered that submerged macrophytes grow along a depth gradient that provides a sharp environmental gradient on a short spatial scale. This study is the first comparative assessment of the depth diversity gradient (DDG) of macrophytes. I have found a hump-shaped pattern of different diversity components. Generalised additive mixed-effect models indicate that the shape of the DDG is influenced mainly by light quality, light quantity, layering depth, and lake area. I could not identify a general trend of the DDG within recent years, but single lakes show trends leading into different directions. In Chapter 4, I used a mechanistic eco-physiological model to explore changes in the distribution of macrophyte species richness under different scenarios of environmental conditions across lakes and with depths. I could replicate the hump-shaped pattern of potential species richness along depth. Rising temperature leads to increased species richness in all lake types, and depths. The effect of turbidity and nutrient change depends on depth and lake type. Traits that characterise “loser species” under increased turbidity and nutrients are a high light consumption and a high sensibility to disturbances. “Winner species” can be identified by a high biomass production. In Chapter 5, I discuss the image problem of macrophytes. Unawareness, ignorance, and the poor accessibility of macrophytes can lead to conflicts of use. I assumed that an increased engagement and education could counteract this. Because computer games can transfer knowledge interactively while creating an immersive experience, I present in the chapter an interactive single-player game for children.
Finally, I discuss the findings of this thesis in the light of their implications for ecological theory, their implications for conservation, and future research ideas (Chapter 6). The findings help to understand the regional distribution and the drivers of macrophyte species richness. By applying eco-physiological models, multiple environmental shaping factors for species richness were tested and scenarios of climate and land-use change were explored.
N2  - Makrophyten sind wichtige Bestandteile des Lebensraums See. Sie schaffen Habitate und verbessern die Wasserqualität, sind in der Öffentlichkeit jedoch kaum bekannt. Makrophyten sind sehr anfällig für Umweltveränderungen, da ihre physiologischen Prozesse von Umweltfaktoren abhängen, die ihrerseits innerhalb einer geografischen Region und entlang der Seetiefe variieren. Diese Arbeit untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik von Makrophyten in bayerischen Seen, um die Muster ihrer Artenvielfalt auf verschiedenen Skalen zu verstehen und um die Folgen von Klima- und Landnutzungswandel auf ihre Artenvielfalt zu untersuchen.
Die Einleitung (Kapitel 1) gibt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Artenvielfalt von Makrophyten in Seen, zu Einflüssen von Klima- und Landnutzungswandel auf das Wachstum von Makrophyten, sowie zu verschiedenen Modellierungsansätzen von Makrophyten.
Der Hauptteil der Arbeit beginnt mit der Analyse (Kapitel 2) der submersen und emergenten Makrophytenvielfalt in natürlichen und künstlichen Seen Bayerns. Mit Hilfe von öffentlich zugänglichen Monitoringdaten konnte gezeigt werden, dass es mehr submerser Makrophyten in natürlichen Seen als in künstlichen Seen gibt und dass sich die Anzahl an submersen Makrophyten je See besser mit physiko-chemischen Parametern erklären lässt als die von emergenten Arten. In Kapitel 3 wird die Verteilung der Artenvielfalt von submersen Makrophyten entlang des Tiefengradienten be-trachtet. Entlang der Tiefe ändern sich physikalisch-chemische Parameter auf einer kurzen räumli-chen Skala. Diese Studie ist die erste vergleichende Untersuchung des Tiefen-Diversitätsgradienten (DDG) von Makrophyten. Der DDG von verschiedenen Diversitätskomponenten verläuft buckelförmig. „Generalised additive mixed-effect models“ deuten darauf hin, dass die Form des DDG hauptsächlich von der Lichtqualität, der Lichtmenge, der Schichtungstiefe und der Fläche des Sees beeinflusst wird. Die Daten zeigen keine verallgemeinerbare Veränderung des höckerförmigen DDGs in den letzten Jahren. In einzelnen Seen gibt es jedoch Trends. In Kapitel 4 wird mit einem mechanistischen, ökophysiologischen Makrophyten-Wachstums-Modell (MGM) die potenziellen Veränderungen in der Verbreitung von Makrophyten unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien untersucht. Durch die Anwendung von MGM konnte das höckerförmige Muster des DDG repliziert werden. Unterschiede zum kartierten Artenreichtum lassen sich wahrscheinlich durch nicht modellierte Prozesse wie Konkurrenz und Umweltheterogenität innerhalb des Sees erklären. Steigende Temperaturen führen zu einer Zunahme des Artenreichtums in allen Seetypen, Artengruppen und Tiefen. Die Auswirkungen von Trübungen und Nährstoffveränderungen hängen von der Tiefe und dem Seetyp ab. Merkmale, die unter erhöhter Trübung und Nährstoffgehalt "Verlierer-Arten" kennzeichnen, sind ein hoher Lichtverbrauch und eine hohe Störungsempfindlichkeit, während "Gewinner-Arten" diejenigen sind, die eine hohe Biomasseproduktion aufweisen. Kapitel 5 stellt das Imageproblem von Makrophyten dar. Unkenntnis, Unwissenheit und die schlechte Zugänglichkeit können zu Nutzungskonflikten führen. Es ist anzunehmen, dass ein verstärktes Engagement und Aufklärung dem entgegenwirken könnten. Da Computerspiele eine Möglichkeit sind, Wissen interaktiv zu transportieren und ein immersives Erlebnis zu schaffen, wird in diesem Kapitel das entwickelte Spiel bioDIVERsity vorgestellt.
Abschließend werden die Ergebnisse im Hinblick auf ihre Bedeutung für ökologische Theorien, ihre Auswirkungen auf den Naturschutz und zukünftige Forschungsideen diskutiert (Kapitel 6). Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die regionale Verbreitung und die Treiber einer oft übersehenen Artengruppe zu verstehen. Durch die Anwendung öko-physiologischer Modelle konnten verschiedene Einflussfaktoren auf den Artenreichtum von Makrophyten getestet und Szenarien von Klima- und Landnutzungswandel erforscht werden.
KW  - Ökologie
KW  - Makrophyten
KW  - Biologisches Modell
KW  - Klimaänderung
KW  - Artenreichtum
KW  - Ecology
KW  - Macrophytes
KW  - Global change
KW  - Species richness
KW  - Mechanistic model
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287700
ER  - 
TY  - THES
A1  - Njovu, Henry Kenneth
T1  - Patterns and drivers of herbivore diversity and invertebrate herbivory along elevational and land use gradients at Mt. Kilimanjaro, Tanzania
T1  - Muster und Determinanten von Herbivorendiversität, von Herbivorieraten durch Invertebraten sowie die Diversität und Gesamtbiomasse von Säugetieren entlang von Höhen- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo (Tansania) untersucht
N2  - This thesis elucidates patterns and drivers of invertebrate herbivory, herbivore diversity, and community-level biomass along elevational and land use gradients at Mt. Kilimanjaro, Tanzania. 
Chapter I provides background information on the response and predictor variables, study system, and the study design. First, I give an overview of the elevational patterns of species diversity/richness and herbivory published in the literature. The overview illuminates existing debates on elevational patterns of species diversity/richness and herbivory. In connection to these patterns, I also introduce several hypotheses and mechanisms put forward to explain macroecological patterns of species richness. Furthermore, I explain the main variables used to test hypotheses. Finally, I describe the study system and the study design used. 
Chapter II explores the patterns of invertebrate herbivory and their underlying drivers along extensive elevational and land use gradients on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. I recorded standing leaf herbivory from leaf chewers, leaf miners and gall-inducing insects on 55 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 866 to 3060 meters above sea level (m asl) on Mt. Kilimanjaro. Standing leaf herbivory was related to climatic variables [mean annual temperature - (MAT) and mean annual precipitation - (MAP)], net primary productivity (NPP) and plant functional traits (leaf traits) [specific leaf area (SLA), carbon to nitrogen ratio (CN), and nitrogen to phosphorous ratio (NP)]. Results revealed an unimodal pattern of total leaf herbivory along the elevation gradient in natural habitats. Findings also revealed differences in the levels and patterns of herbivory among feeding guilds and between anthropogenic and natural habitats. Changes in NP and CN ratios which were closely linked to NPP were the strongest predictors of leaf herbivory. Our study uncovers the role of leaf nutrient stoichiometry and its linkages to climate in explaining the variation in leaf herbivory along climatic gradients. 
Chapter III presents patterns and unravels direct and indirect effects of resource (food) abundance (NPP), resource (food) diversity [Functional Dispersion (FDis)], resource quality (SLA, NP, and CN rations), and climate variables (MAT and MAP) on species diversity of phytophagous beetles. Data were collected from 65 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 866 to 4550 m asl on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. Sweep net and beating methods were used to collect a total of 3,186 phytophagous beetles representing 21 families and 304 morphospecies. Two groups, weevils (Curculionidae) and leaf beetles (Chrysomelidae) were the largest and most diverse families represented with 898 and 1566 individuals, respectively. Results revealed complex (bimodal) and dissimilar patterns of Chao1-estimated species richness (hereafter referred to as species diversity) along elevation and land use gradients. Results from path analysis showed that temperature and climate-mediated changes in NPP had a significant positive direct and indirect effect on species diversity of phytophagous beetles, respectively. The results also revealed that the effect of NPP (via beetles abundance and diversity of food resources) on species diversity is stronger than that of temperature. Since we found that factors affecting species diversity were intimately linked to climate, I concluded that predicted climatic changes over the coming decades will likely alter the species diversity patterns which we observe today. 
Chapter IV presents patterns and unravels the direct and indirect effects of climate, NPP and anthropogenic disturbances on species richness and community-level biomass of wild large mammals which represent endothermic organisms and the most important group of vertebrate herbivores. Data were collected from 66 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 870 to 4550 m asl on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. Mammals were collected using camera traps and used path analysis to disentangle the direct and indirect effects of climatic variables, NPP, land use, land area, levels of habitat protection and occurrence of domesticated mammals on the patterns of richness and community-level biomass of wild mammals, respectively. Results showed unimodal patterns for species richness and community-level biomass of wild mammals along elevation gradients and that the patterns differed depending on the type of feeding guild. Findings from path analysis showed that net primary productivity and levels of habitat protection had a strong direct effect on species richness and community-level biomass of wild mammals whereas temperature had an insignificant direct effect. Findings show the importance of climate-mediated food resources in determining patterns of species richness of large mammals. While temperature is among key predictors of species richness in several ectotherms, its direct influence in determining species richness of wild mammals was insignificant. Findings show the sensitivity of wild mammals to anthropogenic influences and underscore the importance of protected areas in conserving biodiversity.
In conclusion, despite a multitude of data sets on species diversity and ecosystem functions along broad climatic gradients, there is little mechanistic understanding of the underlying causes. Findings obtained in the three studies illustrate their contribution to the scientific debates on the mechanisms underlying patterns of herbivory and diversity along elevation gradients. Results present strong evidence that plant functional traits play a key role in determining invertebrate herbivory and species diversity along elevation gradients and that, their strong interdependence with climate and anthropogenic activities will shape these patterns in future. Additionally, findings from path analysis demonstrated that herbivore diversity, community-level biomass, and herbivory are strongly influenced by climate (either directly or indirectly). Therefore, the predicted climatic changes are expected to dictate ecological patterns, biotic interactions, and energy and nutrient fluxes in terrestrial ecosystems in the coming decades with stronger impacts probably occurring in natural ecosystems. Furthermore, findings demonstrated the significance of land use effects in shaping ecological patterns. As anthropogenic pressure is advancing towards more pristine higher elevations, I advocate conservation measures which are responsive to and incorporate human dimensions to curb the situation. Although our findings emanate from observational studies which have to take several confounding factors into account, we have managed to demonstrate global change responses in real ecosystems and fully established organisms with a wide range of interactions which are unlikely to be captured in artificial experiments. Nonetheless, I recommend additional experimental studies addressing the effect of top-down control by natural enemies on herbivore diversity and invertebrate herbivory in order to deepen our understanding of the mechanisms driving macroecological patterns along elevation gradients.
 
N2  - In dieser Dissertation werden Muster und Determinanten von Herbivorendiversität, von Herbivorieraten durch Invertebraten sowie die Diversität und Gesamtbiomasse von Säugetieren entlang von Höhen- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo (Tansania) untersucht. 
Kapitel I liefert Hintergrundinformationen zu den betrachteten Variablen, dem Untersuchungssystem und dem generellen Studiendesign: Zuerst fasse ich den aktuellen Kenntnisstand über die Muster des Artenreichtums und der Herbivorie entlang von Höhengradienten zusammen und erläutere in diesem Zusammenhang verschiedene Hypothesen, die zur Erklärung von Gradienten des Artenreichtum herangezogen werden. Ich erkläutere verschiedene Variablen, die zum Testen dieser Hypothesen erhoben wurden und stelle dar, wie diese den Artenreichtum, die Herbivorieraten und die Biomasse beeinflussen könnten. Anschließend beschreibe ich das Untersuchungssystem, sowie das generelle Design der Studie.
In Kapitel II werden die Muster und Determinanten der Invertebratenherbivorie entlang von Höhen- und Landnutzungsgradienten an den südlichen Hängen des Kilimandscharos präsentiert. Auf insgesamt 55 Untersuchungsflächen, die sowohl natürliche als auch anthropogen genutzte Habitate am Kilimandscharo in Höhenlagen zwischen 866 und 3060 Meter über Normalnull (m ü. NN) umfassten, wurden die Herbivorieraten ektophager, minierender und gallbildener Insekten an Blättern erfasst. Die Blattherbivorie war sowohl mit klimatischen Variablen [Jahresmitteltemperatur und mittlere Jahresniederschlagsmenge], der Nettoprimärproduktivität (NPP) und mit funktionellen Blattmerkmalen von Pflanzen [spezifische Blattfläche (SLA), Kohlenstoff (C) / Stickstoff (N)-Verhältnis, sowie N / Phosphor (P)-Verhältnis] assoziiert. Die Gesamtherbivorie zeigte eine unimodale Verteilung über den Höhengradienten, wurde aber sowohl von der Herbivorengilde, als auch vom Habitattyp (natürlich versus anthropogen) beeinflusst. Das C/N-Verhältnis von Blättern war die stärkste Determinante der Blattherbivorie und wurde selbst stark durch die NPP bestimmt. Herbivorieraten sanken mit steigendem C/N-Verhältnis. Das C/N Verhältnis nahm mit steigender NPP zu.- Letztere konnte fast vollständig durch Änderungen der mittleren Jahrestemperatur (MAT) und des Jahresniederschlags (MAP) entlang des Höhengradienten erklärt werden. Damit zeigt unsere Studie, dass sich durch klimatische Faktoren und Energie, welche ihrerseits die Blattchemie beeinflussen und so Variationen in der Blattherbivorie entlang großer Klimagradienten ergeben.
In Kapitel III werden die Muster im Artenreichtum phytophager Käfer entlang der Höhen- und Landnutzungsgradienten untersucht und die direkten und indirekten Effekte von klimatischen Faktoren (MAT, MAP), NPP und funktionellen Pflanzenmerkmalen (funktionelle Dispersion, SLA, C/N - und N/P - Verhältnisse) auf diese Muster analysiert. Die entsprechenden Daten wurden auf 65 Untersuchungsflächen, die sowohl natürliche als auch anthropogene Habitate entlang eines Höhengradienten am Kilimandscharo von 866 bis 4550 m ü. NN abdeckten, erhoben. Mittels Kescher wurden insgesamt 3186 phytophage Käfer aus 21 Familien gesammelt und in 304 Morphospezies eingeteilt. Der Artenreichtum phytophager Käfer zeigte eine komplexe, zweigipflige Verteilung entlang der Höhen- und Landnutzungsgradienten. Eine Pfadanalyse ergab, dass sowohl die MAT, als auch NPP positiven direkte bzw. indirekte Effekt auf die Artendiversität phytophager Käfer hatte. Die NPP war positiv mit der funktionellen Dispersion von Blattmerkmalen, ein Maß für die Diversität der Nahrungsressourcen, korreliert. Letztere hatte einen positiven Effekt auf die Diversität der Käfer.  Die starken direkten und indirekten Effekte von Klima auf die Diversität und Abundanz von phytophagen Käfern, lassen vermuten dass der Klimawandel in den nächsten Dekaden großen Änderungen der Struktur von phytophagen Käfergemeinschaften bewirken wird.
In Kapitel IV untersuchen wir den Effekt von Klima, NPP und anthropogener Störung auf den Artenreichtum und die Gesamtbiomasse von Großwild. Dazu wurden auf 66 Untersuchungsflächen, welche natürliche und anthropogene Habitate in Höhenstufen zwischen 870 und 4550m ü. NN umfassten, Daten zum Artenreichtum un der Abundanz von Großwild  mittels Kamerafallen erfasst. Mittels einer Pfadanalyse wurden die direkten und indirekten Effekte von klimatischen Variablen, NPP, Landnutzung, Größe und Schutzstatus der Flächen, sowie der Präsenz von domestizierten Säugetieren auf den Artenreichtum und die Biomasse von Großwild untersucht. Artenreichtum und Gesamtbiomasse dieser endothermen Organismen zeigten eine unimodale Verteilung über den Höhengradienten. Verschiedene Nahrungsgilden zeigten unterschiedliche Muster. Es konnte gezeigt werden, dass NPP und der Schutzstatus der Fläche, aber nicht die Temperatur einen direkten, positiven Einfluss auf den Artenreichtum und die Gesamtbiomasse des Großwildes hatte. Die vom Klima abhängige Nahrungsressourcenverfügbarkeit ist also eine wichtige Determinante im Artenreichtum von Großwild. Die Temperatur hingegen, die den Artenreichtum verschiedener ektothermer Organismen entscheidend prägt, hatte keinen direkten Einfluss auf den Artenreichtum des Großwildes Dafür reagiert das Großwild besonders sensibel auf anthropogene Einflüsse, was wiederum die Wichtigkeit von Schutzgebieten unterstreicht.
Obwohl die Muster im Artenreichtum und in Ökosystemfunktionen entlang großer klimatischer Gradienten bereits gut dokumentiert sind, ist das Wissen über die zu Grunde liegenden Prozesse nach wie vor unzureichend. Mit meinen drei Studien über die Muster und Determinanten der Herbivorendiversität, der Herbivorieraten und der Großwildbiomasse trage ich somit zur Verbesserung des mechanistischen Verständnisses solcher makroökologischer Muster bei. Wie die Pfadanalysen zeigten, wurden sowohl der Artenreichtum die Biomasse als auch ökologische Prozesse direkt oder indirekt vom Klima beeinflusst. Es ist somit zu erwarten, dass der vorhergesagte Klimawandel ökologische Muster, biotische Interaktionen, Energie- und Nährstoffkreisläufe in terrestrischen Ökosystemen wesentlich umstrukturieren wird, wobei natürliche Systeme wahrscheinlich besonders sensibel auf den Klimawandel reagieren werden. Meine Ergebnisse demonstrieren auch den Einfluss von Landnutzung auf Artenreichtum und ökologische Prozesse. Da der anthropogene Druck auf die natürlichen Ökosysteme des Kilimandscharos immer weiter zunimmt, sollten objektive Biodiversitätsmaße implementiert werden mit denen man Veränderungen in den Ökosystemen und in Ökosystemldienstleistungen schnell detektieren kann.  Meine Ergebnisse basieren auf Beobachtungsdaten, die von bestimmten Nebenfaktoren im Feld beeinflusst werden können. Dennoch ist es mir gelungen mit korrelativen Methoden, Organismen in ihrem biotischen und abiotischen Interaktionsumfeld zu untersuchen – ein Szenario, welches in einem rein experimentellen Aufbau in dieser Form wahrscheinlich nicht geschaffen werden kann. Über weiterführende Experimente könnte jedoch zum Beispiel der Einfluss von Prädatoren auf die Herbivorendiversität und Herbivorieraten quantifiziert werden, welches unser Verständnis über die  Determinanten makroökologischer Muster noch vertiefen würde.
 
KW  - Species richness
KW  - Invertebrate herbivory
KW  - Leaf traits
KW  - drivers and patterns of diversity and herbivory
KW  - Patterns and drivers of invertebrate herbivory
KW  - Patterns and drivers of species diversity of phytophagous beetles
KW  - Patterns and drivers of species richness and community biomass of large mammals
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172544
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Thormann, Birthe
A1  - Raupach, Michael J.
A1  - Wagner, Thomas
A1  - Wägele, Johann W.
A1  - Peters, Marcell K.
T1  - Testing a Short Nuclear Marker for Inferring Staphylinid Beetle Diversity in an African Tropical Rain Forest
JF  - PLoS ONE
N2  - Background: 

The use of DNA based methods for assessing biodiversity has become increasingly common during the last years. Especially in speciose biomes as tropical rain forests and/or in hyperdiverse or understudied taxa they may efficiently complement morphological approaches. The most successful molecular approach in this field is DNA barcoding based on cytochrome c oxidase I (COI) marker, but other markers are used as well. Whereas most studies aim at identifying or describing species, there are only few attempts to use DNA markers for inventorying all animal species found in environmental samples to describe variations of biodiversity patterns. 

Methodology/Principal Findings: 

In this study, an analysis of the nuclear D3 region of the 28S rRNA gene to delimit species-like units is compared to results based on distinction of morphospecies. Data derived from both approaches are used to assess diversity and composition of staphylinid beetle communities of a Guineo-Congolian rain forest in Kenya. Beetles were collected with a standardized sampling design across six transects in primary and secondary forests using pitfall traps. Sequences could be obtained of 99% of all individuals. In total, 76 molecular operational taxonomic units (MOTUs) were found in contrast to 70 discernible morphospecies. Despite this difference both approaches revealed highly similar biodiversity patterns, with species richness being equal in primary and secondary forests, but with divergent species communities in different habitats. The D3-MOTU approach proved to be an efficient tool for biodiversity analyses. 

Conclusions/Significance: 

Our data illustrate that the use of MOTUs as a proxy for species can provide an alternative to morphospecies identification for the analysis of changes in community structure of hyperdiverse insect taxa. The efficient amplification of the D3-marker and the ability of the D3-MOTUs to reveal similar biodiversity patterns as analyses of morphospecies recommend its use in future molecular studies on biodiversity.
KW  - DNA barcodes
KW  - Biological identifications
KW  - Species richness
KW  - Taxonomy
KW  - Conservation
KW  - Coleoptera
KW  - Parataxonomy
KW  - Assemblages
KW  - Madagascar
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142666
VL  - 6
IS  - 3
ER  -