Bridging ecophysiological trade-offs and population dynamics - How competition and climate shape community structure

Titelangaben

Bohn, Kristin:
Bridging ecophysiological trade-offs and population dynamics - How competition and climate shape community structure.
Bayreuth , 2014 . - 2,VI, 77 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The regional climate is the primary selective factor for whether a plant species is successful or not. Under favorable climatic conditions more species can thrive than under unfavorable conditions. Furthermore, it is competitive interactions that strongly affect the relative abundances of plant species within communities through competition for light, water, or space. Additionally disturbances such as fire or wind throw can strongly affect community composition. Examine the abundances of plants in a realistic community therefore still remains as challenging. In my thesis I investigate the role of competition, disturbances and climate on the development of vegetation community structure and diversity patterns.
To answer these research questions the model DIVE (Dynamics and Interactions of VEgetation) has been developed. It determines population dynamics of plant communities while calculating the abundances of each plant species dependent on its establishment at open sites, competition for occupied sites and mortality in the presence of different rates of disturbances and strengths of r- and K-selection. Thereby r-selection favors the selection of colonizers that quickly establish on open sites and K-selection favors the selection of competitors that grow slowly but can exclude less competitive plants. As follows, r-selection influences establishment, K-selection competition and the disturbance rate mortality.
DIVE is a simple general model linking plant strategies to their competitive dynamics, using growth and reproduction characteristics. These characteristics serve as input information for DIVE. The input information for DIVE is gains from simulations with the JeDi (Jena Diversity) model. This model simulates a variety of hypothetical functional plant strategies that emerge from climatic constraints. Thereby our approach bridges from theoretical population dynamics models such as Lotka-Volterra to realistic vegetation models, which calculate biogeochemical exchange fluxes but usually simulate only a few so called plant functional types instead of diverse communities. In the first study of my thesis examined the dynamics of DIVE using a community out of 5 plant strategies under different sensitivities of strength of r- and K-selection and disturbances. The results show that the simulated successional dynamics are reasonable if K-selection is present. Under K-selection big competitive strategies slowly overgrow the smaller ones. The highest levels of diversity are found in simulations in the absence of selection. Under high levels of selection strength, intermediate levels of disturbances are required to obtain coexistence.
The second study investigates the relation of diversity to disturbances. The results show that, depending on the presence or absence of r- or K-selection, four different diversity-disturbance curves appear: flat under absence of selection, increasing under K-selection, decreasing under r-selection and hump-shaped under r- and K-selection. We show that these curves develop through the different realizations of the colonization-competition trade-off. This trade-off means, that either a plant strategy can quickly occupy open sites or it can competitively exclude smaller strategies.
The second study blocked out the role of climate, as simulation were done for a moist tropical climate only. But climate in fact represents a first filter that sorts out plant strategies, while competition can be seen as second additional filter. The third study therefore explores the effects of climate onto the relation of diversity to disturbances using four different climates: a moist and a dry tropical climate and a warm and a cold temperate climate. First of all, in absence of selection the model reproduces the observed diversity gradient from the poles towards the tropics. The temperate climates are more restricted to high disturbances than the tropical ones. Therefore in our simulations flat diversity-disturbance curves are only observed in the tropical climates. Nevertheless an additional increase in disturbances would also lead in the tropical climates to no strategies surviving. Further r- and K-selection show the same effects in the different climates, as already proposed in the second study. Interestingly the tropics are highly influenced by strong r-selection which means that diversity proportionally decreases while in the cold temperate climates r-selection takes the less influence. Remarkably under both strong r- and K-selection the warm temperate climate reach highest diversity.
My thesis shows the importance of competition for population dynamics. During this thesis the first model has been developed that independently controls strength of r- and K-selection. The results can help to explain found diversity-disturbance relations with strength of selection. Furthermore, because of the simplicity and generality of DIVE, it could be used to understand vegetation structure and functioning at the global scale and the response of vegetation to global change.

Abstract in weiterer Sprache

Die klimatischen Bedingungen bestimmen in erster Linier, ob eine Pflanze in ihrer Umwelt überleben kann oder nicht. So existieren z.B. unter einem Klima mehr Arten als in einem anderen. Auf der anderen Seite, sind es die Interaktionen zwischen einzelnen Pflanzen, wie z.B. Wettbewerb um Raum, Licht oder Wasser, die die Häufigkeit der einzelnen Arten bestimmen. Weiterhin können Störungen, z.B. Feuer oder Dürren, die Artzusammensetzung stark beeinflussen. Der Erfolg einer Art hängt also von vielen verschiedenen Faktoren ab, wodurch es auch heutzutage noch sehr schwer ist, Artzusammensetzungen zu berechnen.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Rolle von Wettbewerb, Störungen und Klima auf die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaften und auf Mustern von pflanzlicher Artenvielfalt.
Um die bestehende Frage anzugehen, wird als erstes ein Modell entwickelt (DIVE), welches Populationsdynamik von verschiedenen Artgemeinschaften berechnet. DIVE berechnet die Abundanz einer jeden Art in Abhängigkeit von ihrer Neuansiedlung und ihrem Sterben sowie dem Wettbewerb um bereits besetzten Raum. Diese drei Prozesse werden beeinflusst von drei Sensitivitätsparametern: der Stärke der r-Selektion, die die Neuansiedlungsrate verändert, der Stärke für K-Selektion, die die Stärke des Wettbewerb verändert, und die Störungsrate, die die Sterberate beeinflusst. Die Populationsdynamik, also z.B. Sukzession, verändert sich in Abhängigkeit der gewählten drei Sensitivitätsparameter.
Wie jedes Populationsmodell, benötigt auch das Modell DIVE Parameter der modellierten Arten, um die Populationsdynamik zu berechnen, wie z.B. Wachstumsrate, Sterberate, Samenproduktion und Biomasse. Wir benutzen das Model Jena Diversity (JeDi) - DGVM um diese Daten zu erzeugen. JeDi-DGVM, ein Vegetationsmodell, wendet einen klimatischen Filter auf hypothetische funktionelle pflanzliche Wachstumsstrategien an, übrig bleiben die Typen, die das Klima überleben. Damit schließt unser Ansatz eine Brücke zwischen den sehr theoretischen Populationsmodellen, wie z.B. Lotka-Volterra, und den realistischen Vegetationsmodellen, die zwar biogeochemische Kreisläufe berechnen, aber Vielfalt kaum beachten.
Die erste Studie dieser Arbeit untersucht die Dynamik des Modells DIVE mithilfe einer 5- Arten Gemeinschaft mit unterschiedlichen Stärken von r- und K-Selektion und Störungen. Die Sukzessionsdynamik ist plausibel unter K-Selektion, denn dann überwachsen größere Arten langsam die kleineren. Die höchste Artenvielfalt wird in Simulationen erzeugt, in der r- und K-Selektion sehr schwach ist. Wenn r- und K-Selektion stark sind, führen mittlere Störungen zur Koexistenz von verschiedenen Pflanzenstrategien. Dieses Szenario bestätigt damit die Hypothese, die sagt, dass Diversität am höchsten ist unter mittleren Störungen.
Die zweite Studie untersucht die Beziehung von Diversität zu Störungen in einem feucht tropischen Klima. Es wird festgestellt, dass je nach dem ob r- oder K-Selektion wirkt, sich vier Beziehungen ergeben: eine flache Kurve ohne Selektion, eine ansteigende Kurve unter ausschließlich K-Selektion, eine abnehmende Kurve unter ausschließlich r-Selektion und eine buckelartige Kurve unter r- und K-Selektion. Wir zeigen den Grund dafür auf, nämlich dass r- und K- Selektion jeweils unterschiedliche Pflanzenstrategien fördern. Strategien, die eher schnell freie Flächen besiedeln werden durch r-Selektion gefördert, während K-Selektion solche fördert, die wettbewerbsfähig sein aber langsam wachsen (colonization-competition trade-off).
In der dritten Studie untersuchen wir die Auswirkungen des Klimas auf die Beziehung von Diversität zu Störungen, denn in der zweiten Studie wurde die Bedeutung des Klimas ausgeblendet. Wobei das Klima ja eine Schlüsselrolle spielt, denn es wirkt wie ein erster Filter, der pflanzliche Strategien aussortiert, die hier nicht überleben können. Wettbewerb wirkt dann als ein zweiter Filter. In dieser Studie wurden vier verschiede Klimate untersucht: immerfeuchte Tropen, wechselfeuchte Tropen, warmgemäßigte Zone und kaltgemäßigte Zone. In erster Linie stellen wir fest, dass wir ohne Selektion die typische Diversitätsreihenfolge von den Tropen zu den Polen erhalten. Die gemäßigte Zone ist stärker von hohen Störungen limitiert als die Tropen, daher ist die Beziehung zwischen Diversität und Störungen nur in den tropischen Klimaten eine flache Kurve. Nichtsdestotrotz, würde man den gleichen Effekt in den Tropen erwarten, unter noch höheren Störungen. Ansonsten haben r- und K-Selektion die gleichen Auswirkungen in alles Klimaten auf die Beziehung von Diversität zu Störungen. Bemerkenswert ist, dass in den Tropen r-Selektion besonders starke Auswirkungen auf die Diversität hat, also die Diversität besonders stark erniedrigt. Während in der kaltgemäßigten Zone r-Selektion weniger Einfluss hat. Interessanterweise erreicht unter starker r- und K-Selektion die warmgemäßigten Zone die höchste Diversität.
Diese Dissertation zeigt auf, wie wichtig Wettbewerb für die Populationsdynamik ist. Es wird zum ersten Mal ein Modell konstruiert, dass r- und K-Selektion in unterschiedlichen Stärken und unabhängig voneinander testen kann. Unsere Ergebnisse können helfen gefundene Beziehungen von Diversität zu Störungen anhand von möglichen Stärken für Selektion zu erklären. Weiterhin können wir mit unserem Modell gekoppelt an Globale Vegetationsmodelle untersuchen wie Klimaveränderungen Vegetation, Diversitätsmuster und Kohlenstoffausstausch beeinflüssen.