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Diversity, traits and ecosystem services of pollinators along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro

Diversität, Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bestäubern entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-101292
  • Since more than two centuries naturalists are fascinated by the profound changes in biodiversity observed along climatic gradients. Although the theories explaining changes in the diversity and the shape of organisms along climatic gradients belong to the foundations of modern ecology, our picture on the spatial patterns and drivers of biodiversity is far from being complete. Ambiguities in theory and data are common and past work has been strongly concentrated on plants and vertebrates. In the last two decades, interest in the fundamentalSince more than two centuries naturalists are fascinated by the profound changes in biodiversity observed along climatic gradients. Although the theories explaining changes in the diversity and the shape of organisms along climatic gradients belong to the foundations of modern ecology, our picture on the spatial patterns and drivers of biodiversity is far from being complete. Ambiguities in theory and data are common and past work has been strongly concentrated on plants and vertebrates. In the last two decades, interest in the fundamental processes structuring diversity along climatic gradients gained new impetus as they are expected to improve our understanding about how ecosystems will respond to global environmental changes. Global temperatures are rising faster than ever before; natural habitats are transformed into agricultural land and existing land use systems get more and more intensified to meet the demands of growing human populations. The fundamental shifts in the abiotic and biotic environment are proclaimed to affect ecosystems all over the world; however, precise predictions about how ecosystems respond to global changes are still lacking. We investigated diversity, traits and ecosystem services of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro (Tanzania, East Africa). Wild bees play a major role in ecosystems, as they contribute to the reproduction and performance of wild and crop plants. Their responsiveness to environmental changes is therefore of high ecological and economic importance. Temperature and energy resources have often been suggested to be the main determinants of global and local species richness, but the mechanisms behind remain poorly understood. In the study described in chapter II we analyzed species richness patterns of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro and disentangled the factors explaining most of the changes in bee richness. We found that floral resources had a weak but significant effect on pollinator abundance, which in turn was positively related to species richness. However, temperature was the strongest predictor of species richness, affecting species richness both directly and indirectly by positively influencing bee abundances. We observed higher levels of bee-flower-interactions at higher temperatures, independently of flower and bee abundances. This suggests that temperature restricts species richness by constraining the exploitation of resources by ectotherms. Current land use did not negatively affect species richness. We conclude that the richness of bees is explained by both temperature and resource availability, whereas temperature plays the dominant role as it limits the access of ectotherms to floral resources and may accelerate ecological and evolutionary processes that drive the maintenance and origination of diversity. Not only species numbers, but also morphological traits like body size are expected to be shaped by both physiological and energetic constraints along elevational gradients. Paradoxically, Bergmann´s rule predicts increases of body sizes in cooler climates resulting from physiological constraints, while species-energy theory suggests declines in the mean body size of species caused by increased extinction probabilities for large-bodied species in low-energy habitats. In chapter III we confronted this ambiguity with field data by studying community-wide body size variation of wild bees on Mt. Kilimanjaro. We found that along a 3680 m elevational gradient bee individuals became on average larger within species, while large species were increasingly absent from high-elevational communities. This demonstrates, on the one hand, how well-established, but apparently contrasting ecological theories can be merged through the parallel consideration of different levels of biological organization. On the other hand it signals that the extinction risk in the course of environmental change is not equally distributed among species within a community. Land use intensification is known to threaten biodiversity, but the consequences for ecosystem services are still a matter of debate. In chapter IV, we experimentally tested the single and combined contributions of pest predators and pollinators to coffee production along a land use intensification gradient on Mount Kilimanjaro. We found that pest predation increased fruit set by on average 9%, while pollination increased fruit weight of coffee by on average 7.4%. Land use had no significant effect on both ecosystem services. However, we found that in coffee plantations with most intensified land use, pollination services were virtually exclusively provided by the honey bee (Apis mellifera). The reliance on a single pollinator species is risky, as possible declines of that species may directly lower pollination services, resulting in yield losses. In contrast, pollination services in structurally complex homegardens were found to be provided by a diverse pollinator community, increasing the stability of pollination services in a long term. We showed that on Mount Kilimanjaro pollinator communities changed along elevational gradients in terms of species richness (chapter II) and trait composition (chapter III). Temperature and the temperature-mediated accessibility of resources were identified as important predictors of these patterns, which contributes to our fundamental understanding about the factors that shape ectothermic insect communities along climatic gradients. The strong temperature-dependence of pollinators suggests that temperature shifts in the course of global change are likely to affect pollinator communities. Pollinators might either profit from rising temperatures, or shift to higher elevations, which could result in related biotic attrition in the lowland with consequences for the provision of ecosystem services in cropping systems. Up to now, land use intensification had no significant impact on the diversity of pollinator communities and their ecosystem services. Pollinators might profit from the strong landscape heterogeneity in the region and from the amount of flower resources in the understory of cropping systems. However,progressing homogenization of the landscape and the pronounced application of pesticides could result in reduced diversity and dominance of single species, as we already found in sun coffee plantations. Such shifts in community compositions could threaten the stability of ecosystem services within cropping and natural systems in a long term.show moreshow less
  • Die Biodiversität auf der Erde ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern verändert sich entlang klimatischer Gradienten – ein Phänomen, das Naturwissenschaftler schon seit mehr als zwei Jahrhunderten fasziniert. Über die Mechanismen, welche die Verteilung von Arten entlang von Klimazonen bestimmen, besteht nach wie vor keine Einigkeit, auch wenn viele der hier hervorgebrachten Theorien zu den Grundlagen der modernen Ökologie gehören. Ambivalenzen in den Erklärungsmodellen und erhobenen Daten sind häufig und bisherige Studien konzentrierten sichDie Biodiversität auf der Erde ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern verändert sich entlang klimatischer Gradienten – ein Phänomen, das Naturwissenschaftler schon seit mehr als zwei Jahrhunderten fasziniert. Über die Mechanismen, welche die Verteilung von Arten entlang von Klimazonen bestimmen, besteht nach wie vor keine Einigkeit, auch wenn viele der hier hervorgebrachten Theorien zu den Grundlagen der modernen Ökologie gehören. Ambivalenzen in den Erklärungsmodellen und erhobenen Daten sind häufig und bisherige Studien konzentrierten sich vorrangig auf Pflanzen und Vertebraten, während andere Taxa weniger Beachtung fanden. Die Unsicherheit über die Auswirkungen des globalen Wandels auf Ökosysteme und die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen setzte neue Impulse im Bereich der Biodiversitätsforschung. Temperaturen steigen so schnell wie nie zuvor; natürliche Habitate werden zunehmend in Agrarflächen umgewandelt und bestehende Landwirtschaftssysteme werden intensiviert. Präzise Vorhersagen darüber, wie Ökosysteme auf solch drastische Umweltveränderungen reagieren, fehlen jedoch weitgehend. In dieser Dissertation wird gezeigt, wie sich die Artenvielfalt, morphologische Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos (Tansania, Ostafrika) verändern. Bienen spielen eine wichtige Rolle in Ökosystemen, da sie als Bestäuber zur Reproduktion und Produktivität von Wild- und Nutzpflanzen beitragen. Die Veränderung ihres Artenreichtums, ihrer Merkmale und ihrer Ökosystemdienstleistungen entlang von Umweltgradienten ist somit von großer ökologischer und ökonomischer Relevanz. Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen sind die Faktoren, mit denen globale und lokale Muster von Diversität am häufigsten erklärt werden. Die kausalen Zusammenhänge über welche die Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen eine Erhöhung der Artenvielfalt bewirken, sind jedoch nach wie vor unklar. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Artenreichtum von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos verändert und welche Faktoren für diese Veränderungen verantwortlich sind. Blühressourcen hatten einen schwachen, aber signifikanten Einfluss auf die Bestäuberabundanzen, welche wiederum einen Großteil des Artenreichtums erklärten. Insgesamt hatte die Temperatur jedoch einen deutlich stärken Einfluss auf die Artenvielfalt als die Verfügbarkeit von Blühressourcen: Die Temperatur wirkte sich direkt, möglicherweise über einen Erhöhung von Speziationsraten, und indirekt, über eine Erhöhung der Bienenabundanz, auf die Artenvielfalt von Bienen aus. Zusätzlich konnte beobachtet werden, dass die Blütenbesuche von Bienen unabhängig von der Blütendichte und der Bienenabundanz, mit einem Anstieg der Temperatur zunahmen. Aus diesen Beobachtungen folgern wir, dass bei Ektothermen die Nutzbarkeit von Ressourcen durch die Temperatur gesteuert sein könnte. Die Untersuchung morphologischer Merkmale entlang von Umweltgradienten erlaubt es, deterministische von stochastischen Prozessen bei der Zusammensetzung von Artengemeinschaften zu unterscheiden. Während bei stochastischen Prozessen Merkmale entlang von Umweltgradienten zufällig aus Artengemeinschaften ausscheiden sollten, wird im Falle deterministischer Prozesse ein gerichtetes Muster erwartet. Unter den deterministischen Prozessen konkurrieren bezüglich der Körpergröße zwei scheinbar konträre Theorien: Während die Bergmannsche Regel vorhersagt, dass große Tiere, aufgrund eines verbesserten Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, einen Vorteil in kühlen Regionen haben, weist die Arten-Energie-Theorie größeren Arten eine erhöhte Aussterbewahrscheinlichkeit in energielimitierten, kühlen Gebieten zu, so dass die mittlere Körpergröße von Lebensgemeinschaften bei kälterer Temperatur sinken sollte. Im dritten Kapitel dieser Dissertation untersuchten wir, ob sich morphologische Merkmale von Wildbienen mit zunehmender Höhe verändern. Dabei betrachteten wir nicht nur Merkmalsveränderungen innerhalb von Artengemeinschaften, sondern auch innerartliche Veränderungen. Sowohl physiologische als auch energetische Restriktionen prägten die Merkmalskompositionen, allerdings auf unterschiedlichen biologischen Ebenen. So nahm die Körpergröße innerhalb von Arten mit der Höhe im Durchschnitt zu (=Bergmannsche Regel), während auf Gemeinschaftsebene kleinere Arten die Hochgebirgsregionen dominierten (=energetische Restriktion). Die parallele Betrachtung der intra- und interspezifischen Ebene ermöglichte es uns, scheinbar konträre ökologische Theorien zusammenzuführen. Zudem konnten wir zeigen, dass Merkmale nicht zufällig, sondern gerichtet aus Artengemeinschaften gefiltert werden. Landnutzungsintensivierung bedroht Biodiversität, aber die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen sind nach wie vor ungewiss. Im vierten Kapitel dieser Arbeit prüften wir mit Hilfe von einzelnen und kombinierten Bestäuber- und Prädatorausschlussexperimenten, welchen Beitrag Bestäuber, Vögel und Fledermäuse in verschiedenen Anbausystemen zur Kaffeeproduktion am Kilimandscharo leisten. Wir zeigten, dass sich Bestäuber und Prädatoren in ihren Effekten ergänzten: Während Bestäuber eine Steigerung des Kaffeebohnengewichtes um durchschnittlich 7.4% bewirkten, konnte durch die Prädation von Schädlingen der Fruchtansatz des Kaffees um durchschnittlich 9% gesteigert werden. Landwirtschaftliche Intensivierung, von komplexen Waldwirtschaftssystemen, über beschattete Kaffeeplantagen, bis hin zu Sonnenplantagen hatte keinen negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleistungen von Bestäubern und Prädatoren. Wir konnten jedoch nachweisen, dass in Waldwirtschaftssystemen eine diverse Bestäubergemeinschaft den Kaffee bestäubt, während in Sonnenplantagen fast ausschließlich die Honigbiene als Bestäuber fungiert. Eine solche Verschiebung der Bestäuber-komposition könnte die langfristige Stabilität intensiv genutzter Flächen gefährden. In dieser Dissertation zeigten wir, wie sich Bestäubergemeinschaften am Kilimandscharo entlang von Höhengradienten bezüglich ihrer Artenvielfalt (Kapitel II) und ihrer Merkmale (Kapitel III) verändern. Temperatur und temperatur-gesteuerte Ressourcennutzbarkeit wurden als maßgebende Determinanten dieser Muster identifiziert. Damit wurde ein Beitrag zur Identifikation von Gesetzmäßigkeiten in der Verteilung ektothermer Insekten entlang von Klimagradienten geleistet. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass Klimaveränderungen im Zuge des globalen Wandels Konsequenzen für Bestäubergemeinschaften haben könnten. Eventuell könnten Bestäuber von den steigenden Temperaturen profitieren. Gleichsam könnte es aber auch zu einer Verschiebung von Bestäubern in höher gelegene Regionen und zu einem daran gekoppelten Einbruch der Bestäubungsleistungen in tiefliegenden Kulturlandschaften kommen. Im Hinblick auf die Konsequenzen anthropogener Landnutzung wurde festgestellt, dass die landwirtschaftliche Intensivierung am Kilimandscharo bisher keinen messbaren negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleitungen von Bestäubern hatte. Die Bestäuber profitieren vermutlich von der starken Landschaftsheterogenität der Region und zahlreichen krautigen Blühressourcen im Unterwuchs von Agrarflächen. Eine zunehmende Homogenisierung der Landschaft und ein verstärkter Einsatz von Pestiziden könnten jedoch, wie auf Sonnenplantagen bereits zu finden, zu einer Dominanz von einigen wenigen Arten führen, welches zusammen mit der klimabedingten Artenverschiebung die langfristige Stabilität von Agrarsystemen und natürlichen Systemen gefährden könnte.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alice Claßen
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-101292
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Ingolf Steffan-Dewenter, Prof. Dr. Alexandra-Maria Klein
Date of final exam:2014/12/03
Language:English
Year of Completion:2014
Sonstige beteiligte Institutionen:Institut für Tierökologie und Tropenbiologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Kilimandscharo; Bestäuber; Biodiversität
Tag:Arten-Energy-Theory; Höhengradient; Landnutzungsgradient
Kilimanjaro; diversity; ecology; ecosystem service; elevational gradient; pollinators; species-energy-theory
Release Date:2016/10/21
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