Interacting climate change pressures drive temporal dynamics of mountain plant communities

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Schuchardt, Max A.:
Interacting climate change pressures drive temporal dynamics of mountain plant communities.
Bayreuth , 2023 . - V, 164 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007184

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Abstract

Mountain ecosystems and high latitudes are especially prone to pronounced temperature increases (Appenzeller et al., 2008; Box et al., 2019; Pepin et al., 2015; Schickhoff et al., 2022). Extreme weather events such as heatwaves and droughts are rarely observed in high-elevation, alpine ecosystems (Körner, 2021) but will likely become more frequent at mid elevations in the subalpine and montane belt (IPCC, 2021; Spinoni et al., 2018; Stephan et al., 2021). Thus, subalpine plant communities’ vulnerability to future climate change is raised, and the same will likely be true for alpine plant communities at higher elevations by the middle of the current century. Increased sensitivity to climate change becomes especially important, as various experimental studies (Alexander et al., 2015; Berauer et al., 2019; Cui et al., 2018; De Boeck et al., 2016, 2018; Haider et al., 2022; Nomoto & Alexander, 2021) and modelling approaches (Engler et al., 2011; Hülber et al., 2016; but see Dagnino et al., 2020) have found the highest species turnover and local extinction rates of various mountain species at the trailing range edge (often the subalpine belt) or under the most severe experimental climate treatments (often warming interacting with either drought or soil disturbances). So far, many studies have focused on climate warming effects on mountain tops only (Steinbauer et al., 2018), creating a knowledge gap for novel biotic outcomes for species and plant communities growing at lower elevations.
Interestingly, evidence of local extinctions in natural mountain plant communities is almost lacking. Most long term observational studies have only found an increase in species richness (Steinbauer et al., 2018), a thermophilisation of species (Lamprecht et al., 2018) and sometimes tendencies of native species abundance to decrease (Rumpf et al., 2018; Steinbauer et al., 2020). The lack of local extinctions creates the so called ‘extinction debt’, which describes an expected local extinction due to climate change and novel biotic interactions that has not yet occurred (Alexander et al., 2018).

Through a combination of various experimental setups across the European Alps created by the Disturbance Ecology team of the University of Bayreuth, I address critical gaps in the knowledge of climate change-induced novel biotic interactions in mountain plant communities. We have implemented a downslope translocation experiment (SusAlps) along an elevational gradient in the German Alps to investigate shifts in mountain plant species phenologies in response to changing climate (Manuscript 1). Furthermore, we have exposed mountain plant communities originating from a subalpine grassland just below treeline (Stubai, Kaserstattalm, Austria, 1850 m a.s.l) and an alpine pasture just above treeline (Furka AlpFor, Switzerland, 2440 m a.s.l) to interacting climate change stressors by translocating them down to Bayreuth (Germany, 350 m a.s.l). Our aim was to push those high-elevation plant communities beyond their resistance thresholds, in order to explore novel biotic interactions under severely changing climate (TransAlps ; Manuscripts 2 and 3).

Abstract in weiterer Sprache

Berg-Ökosysteme und die hohen geografischen Breiten der nördlichem Hemisphäre sind besonders stark und schnell vom global beobachteten Temperaturanstieg betroffen (Appenzeller et al., 2008; Box et al., 2019; Pepin et al., 2015; Schickhoff et al., 2022). Extremwetterereignisse wie lang anhaltende Dürren sind bisher seltene Phänomene in der alpinen Stufe (Körner, 2021), während diese in den Höhenlagen der montanen und subalpinen Stufe in Zukunft zunehmen werden (IPCC, 2021; Spinoni et al., 2018; Stephan et al., 2021). Deshalb sind Pflanzengemeinschaften der subalpinen Stufe besonders vulnerabel gegenüber dem zukünftigen Klima. Die Vulnerabilität der alpinen Stufe wird sich bis Mitte dieses Jahrhunderts sehr sicher auch erhöhen (IPCC, 2021).
Die Ergebnisse verschiedener Verpflanzungs-Experimente (Alexander et al., 2015; Berauer et al., 2019; Cui et al., 2018; De Boeck et al., 2016, 2018; Haider et al., 2022; Nomoto & Alexander, 2021) und Modellierungen (Engler et al., 2011; Hülber et al., 2016; aber siehe Dagnino et al., 2020) deuten darauf hin, dass ein starker Artenwechsel und lokaler Artenverlust der Bergpflanzen unter einer Klimaerwärmung stattfinden wird. Dies ist insbesondere verstärkt, wenn Erwärmung mit Dürre oder einer mechanischen Störung des Oberbodens einhergeht. Bisher haben viele Studien ein besonderes Augenmerk auf Berggipfel gelegt (Steinbauer et al., 2018), was dazu führte, dass Ergebnisse zu neuen biotischen Interaktionen in niedrigeren Höhenlagen in der Literatur unterrepräsentiert sind.
Unter natürlichen Bedingungen, also ohne experimentelle Manipulation, wurden jedoch bisher keine lokalen Artenverluste in Berg-Ökosystemen beobachtet. Die meisten Langzeit-Beobachtungen haben bisher einen Anstieg der Artenzahl (Steinbauer et al., 2018), eine Thermophilisierung der Arten (Lamprecht et al., 2018) und selten einer Abnahme der Abundanzen heimischer Arten (Rumpf et al., 2018; Steinbauer et al., 2020) aufgezeigt. Dieses durch den Klimawandel und neue biotische Interaktionen erwartete, jedoch ausbleibende Aussterben von heimischen Arten wird als ‘Aussterbe Schuld’ (engl. ‘extinction debt’) beschrieben (Alexander et al., 2018).

In dieser Arbeit behebe ich kritische Wissenslücken in Bezug auf durch den Klimawandel bedingte neuartige biotische Interaktionen in Bergpflanzengemeinschaften. Wir haben ein Verpflanzungsexperiment entlang eines Höhengradienten in den deutschen Alpen durchgeführt (SusAlps), um Verschiebungen in der Phänologie von Bergpflanzenarten zu untersuchen (Manuskript 1). Darüber hinaus haben wir Bergpflanzengemeinschaften aus dem Stubai Tal, gerade unterhalb der Baumgrenze (Österreich, Kaserstattalm, 1850 m ü. M.) und dem Furka Pass, gerade oberhalb der Baumgrenze (Schweiz, AlpFor, 2440 m ü. M.) in einem Verpflanzungsexperiment nach Bayreuth (Deutschland, 350 m ü. M.) verwendet, um Artengemeinschaften über ihre Resistenzschwelle hinaus zu bringen und neuartige biotische Interaktionen unter dem Einfluss von Klimawandelstressoren zu untersuchen (TransAlps ; Manuskript 2 und 3).