Anne F. Lewerentz

• 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 theirMacrophytes 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.…
• 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 dieMakrophyten 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.…