Context-dependent impact of the invasive Impatiens glandulifera on native vegetation

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Bieberich, Judith:
Context-dependent impact of the invasive Impatiens glandulifera on native vegetation.
Bayreuth , 2021 . - 173 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005736

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Abstract

Biological invasions are an important aspect of anthropogenic global change and considered to be one of the major threats to biodiversity worldwide. Invasive species can change native species abundance, community structure, and ecosystem processes in invaded communities. However, due to context-dependencies it is often difficult to generalize the impact of invasive species. The outcome of an invasion is for example influenced by species traits, the invaded ecosystem, and invasion stage. Developmental stages and site-specific conditions can modify the performance of the invader and its interaction with other organisms. Another challenge is to disentangle cause and effect of an invasion. An alien species can cause changes in a previously intact ecosystem, thus be the “driver” of the changes. Alternatively, it can be a “passenger” which is facilitated by previous ecosystem changes. Context-dependencies as well as causality of invasions are important issues to understand and evaluate invasions, and to develop more targeted management plans.
Thus, I investigated context-dependencies and causality of the impact of invasions using the model plant species Impatiens glandulifera. It heavily invaded several habitat types in Central Europe, but its impact on native plant communities is rated ambiguously, pointing towards context-dependencies. In an experimental study under controlled conditions I assessed the competitive and allelopathic effects of I. glandulifera on native co-occurring plant species. I found that seedlings and juvenile plants were negatively affected by a combination of allelopathy and competition. Native species differed in their susceptibility to I. glandulifera, and juveniles were more affected than seedlings. 2-metoxy-1,4-naphtoquinone (2-MNQ), the supposed main allelochemical, led to minor reductions in plant growth, suggesting that it may not be the only allelopathic substance of I. glandulifera. With two field studies I tested whether this species-specific response of native plants to allelopathy and competition of I. glandulifera leads to changed community patterns. I performed an observational vegetation survey within heterogeneous riparian meadows and alder forests in Germany. The vegetation was recorded in summer and spring because of seasonal species turnover and thus potentially different impact of I. glandulifera. The abundance of I. glandulifera as well as its impact on native vegetation depended on the environmental conditions at a particular patch. Plant species α-diversity was found to be not affected, but native plant cover was reduced specifically to species and season. To see whether the impact of I. glandulifera is causal and thus I. glandulifera a driver of ecosystem changes, I conducted a field experiment within the same study sites. Invaded and uninvaded plots were compared with plots from which I. glandulifera was removed and plots where I. glandulifera was planted. A negative impact of planting I. glandulifera and a concurrent positive effect of removal on native vegetation biomass and Urtica dioica performance indicated a causal but low effect of I. glandulifera. Species α-diversity was again not affected. I suggest that I. glandulifera is a “back-seat driver” of changes, which is facilitated by previous ecosystem changes but is also a driver of further changes. In summary, I found that the impact of I. glandulifera depended on the native target species, their developmental stage, on the habitat, and season. Dominant plant species, especially U. dioica were most affected, species α-diversity was not affected, species composition only under specific conditions. I conclude that the impact of I. glandulifera on native vegetation is only minor to moderate. However, from literature it is known that I. glandulifera has a negative impact on several additional ecosystem properties such as mycorrhiza, soil properties, and herbivores.
The results of my studies are also relevant to develop management strategies for I. glandulifera. Generally, eradication measures are not feasible at large scales because of the wide distribution of I. glandulifera. They should primarily be applied to sites which are valuable in terms of nature conservation and to sites, where the strongest impact of I. glandulifera is to be expected. This is the case in habitats with high light conditions in combination with high soil moisture. Attention should also be paid to habitats with distinct spring communities, because they were also affected by I. glandulifera. The understanding that I. glandulifera is not a clear driver of ecosystem changes, but has some characteristics of a back-seat driver, indicates that removal is not sufficient for management of an I. glandulifera population. Additionally, habitat-restoration is required to counter those changes that benefited the invasion of I. glandulifera.

Abstract in weiterer Sprache

Biologische Invasionen sind ein wichtiger Aspekt des anthropogenen globalen Wandels und wohl eine der größten Bedrohungen der Biodiversität weltweit. Invasive Arten können einheimische Arten verdrängen und Strukturen und Prozesse von Ökosystemen verändern. Allerdings ist es aufgrund von Kontext-Abhängigkeiten schwierig, den Einfluss invasiver Arten zu verallgemeinern. Der Einfluss hängt beispielsweise von den einheimischen Arten, dem betroffenen Ökosystem und dem Stadium der Invasion ab. Umweltbedingungen und Entwicklungsstadien einer invasiven Art bestimmen deren Wachstum und Interaktion mit einheimischen Arten. Eine weitere Herausforderung ist es, Ursache und Wirkung einer Invasion zu unterscheiden. Eine invasive Art kann ein vormals intaktes Ökosystem verändern, also der „Treiber“ von Ökosystemveränderungen sein. Alternativ ist es möglich, dass die invasive Art durch vorangegangene Veränderungen des Ökosystems begünstigt wird und damit nur deren „Passagier“ ist. Sowohl Kontext-Abhängigkeiten als auch die Kausalität von Invasionen sind wichtige Aspekte, um Invasionen verstehen und beurteilen zu können, aber auch um adäquate Managementstrategien entwickeln zu können.
Aus diesem Grund war es das Ziel dieser Dissertation, Kontext-Abhängigkeiten und die Kausalität von Pflanzen-Invasionen zu untersuchen. Als Modellart wurde Impatiens glandulifera, das Drüsige Springkraut, verwendet. Es ist in Europa in vielen Habitaten weit verbreitet. Sein Einfluss auf die einheimische Vegetation wird aber kontrovers beurteilt, was auf Kontext-Abhängigkeiten hinweist. Mithilfe eines Experiments unter kontrollierten Bedingungen wurde der Effekt von Konkurrenz und Allelopathie von I. glandulifera auf mehrere einheimische Begleitarten untersucht. Es zeigte sich, dass Keimlinge und Jungpflanzen der Begleitarten durch eine Kombination aus Konkurrenz und Allelopathie von I. glandulifera im Wachstum gehemmt wurden. Die Pflanzenarten reagierten unterschiedlich stark, Jungpflanzen wurden stärker gehemmt als Keimlinge. 2-metoxy-1,4-naphtoquinone (2-MNQ), von dem angenommen worden war, dass er der wichtigste allelopathische Stoff des Springkrauts ist, bewirkte nur eine geringe Wachstumshemmung. Dies lässt darauf schließen, dass das Springkraut weitere allelopathische Stoffe besitzt. In zwei Freilandstudien wurde geprüft, ob der artabhängige Einfluss von I. glandulifera auch zu einer Veränderung der Vegetation führt. In heterogenen Bruchwäldern und Feuchtwiesen entlang von Flüssen wurden im Frühjahr und im Sommer Vegetationsaufnahmen durchgeführt. Sowohl die Abundanz von I. glandulifera als auch dessen Einfluss auf die einheimische Vegetation hingen von den Umweltbedingungen ab. Die Artendiversität wurde durch I. glandulifera nicht reduziert, wohl aber die Deckung der einheimischen Pflanzen, und zwar abhängig von Pflanzenart und Jahreszeit. Um herauszufinden, ob dieser Effekt kausal und I. glandulifera damit der “Treiber” der Veränderungen ist, wurde ein Freilandexperiment durchgeführt. Dabei wurden Plots mit I. glandulifera und Plots ohne I. glandulifera mit Plots verglichen, in denen I. glandulifera entfernt oder eingepflanzt wurde. Das Entfernen von I. glandulifera wirkte sich positiv auf die Biomasse der einheimischen Vegetation und auf das Wachstum von Urtica dioica aus, das Einpflanzen dagegen negativ. Dies belegt einen kausalen Effekt von I. glandulifera, der allerdings nicht stark war. Die Artendiversität wurde wiederum nicht von I. glandulifera beeinflusst. Ich leite aus den Ergebnissen ab, dass I. glandulifera ein “Trittbrettfahrer” von Ökosystemveränderungen ist, der sowohl von vorangegangenen Veränderungen profitiert, als auch weitere Änderungen verursacht. Insgesamt ergaben meine Untersuchungen, dass der Einfluss von I. glandulifera von den jeweiligen einheimischen Arten, deren Entwicklungsstadium, vom Habitat und von der Jahreszeit abhängt. Dominante Arten, wie vor allem U. dioica, sind besonders betroffen, während die Artendiversität nie von I. glandulifera verändert wurde und die Artenzusammensetzung nur unter bestimmten Bedingungen. Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass I. glandulifera nur einen geringen bis moderaten Einfluss auf die einheimische Vegetation nimmt. Aus der Literatur ist allerdings bekannt, dass I. glandulifera auch Auswirkungen auf viele andere Ökosystemkomponenten hat, wie Mykorrhiza, Herbivore oder Bodeneigenschaften.
Die Ergebnisse dieser Dissertation können helfen, eine zielgerichtete Managementstrategie für I. glandulifera zu entwickeln. Grundsätzlich sind großflächige Bekämpfungsmaßnahmen aufgrund der weiten Verbreitung von I. glandulifera nicht zu empfehlen. Sie sollten daher prioritär nur auf Flächen von hohem naturschutzfachlichem Wert durchgeführt werden, oder nur in Habitaten, in denen ein starker Einfluss von I. glandulifera zu erwarten ist. Dies sind Habitate mit hoher Bodenfeuchte und hoher Lichtverfügbarkeit. Aufmerksamkeit sollte man auch Flächen mit einer ausgeprägten Frühjahrsgeophyten-Vegetation schenken, da auch diese von I. glandulifera verändert wurde. Da I. glandulifera kein eindeutiger Treiber von Ökosystemveränderungen ist, sondern einige Eigenschaften eines Trittbrettfahrers hat, reicht es bei der Bekämpfung eines Bestandes nicht aus, I. glandulifera zu entfernen. Zusätzlich sollte das ursprüngliche Ökosystem wiederhergestellt und die Veränderungen, die I. glandulifera gefördert haben, möglichst rückgängig gemacht werden.