@phdthesis{Guill2022,
  author    = {Guill, Christian},
  title     = {Structure, stability and functioning of food webs},
  doi       = {10.25932/publishup-56115},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561153},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {250},
  year      = {2022},
  abstract  = {In this thesis, a collection of studies is presented that advance research on complex food webs in several directions. Food webs, as the networks of predator-prey interactions in ecosystems, are responsible for distributing the resources every organism needs to stay alive. They are thus central to our understanding of the mechanisms that support biodiversity, which in the face of increasing severity of anthropogenic global change and accelerated species loss is of highest importance, not least for our own well-being. The studies in the first part of the thesis are concerned with general mechanisms that determine the structure and stability of food webs. It is shown how the allometric scaling of metabolic rates with the species' body masses supports their persistence in size-structured food webs (where predators are larger than their prey), and how this interacts with the adaptive adjustment of foraging efforts by consumer species to create stable food webs with a large number of coexisting species. The importance of the master trait body mass for structuring communities is further exemplified by demonstrating that the specific way the body masses of species engaging in empirically documented predator-prey interactions affect the predator's feeding rate dampens population oscillations, thereby helping both species to survive. In the first part of the thesis it is also shown that in order to understand certain phenomena of population dynamics, it may be necessary to not only take the interactions of a focal species with other species into account, but to also consider the internal structure of the population. This can refer for example to different abundances of age cohorts or developmental stages, or the way individuals of different age or stage interact with other species. Building on these general insights, the second part of the thesis is devoted to exploring the consequences of anthropogenic global change on the persistence of species. It is first shown that warming decreases diversity in size-structured food webs. This is due to starvation of large predators on higher trophic levels, which suffer from a mismatch between their respiration and ingestion rates when temperature increases. In host-parasitoid networks, which are not size-structured, warming does not have these negative effects, but eutrophication destabilises the systems by inducing detrimental population oscillations. In further studies, the effect of habitat change is addressed. On the level of individual patches, increasing isolation of habitat patches has a similar effect as warming, as it leads to decreasing diversity due to the extinction of predators on higher trophic levels. In this case it is caused by dispersal mortality of smaller and therefore less mobile species on lower trophic levels, meaning that an increasing fraction of their biomass production is lost to the inhospitable matrix surrounding the habitat patches as they become more isolated. It is further shown that increasing habitat isolation desynchronises population oscillations between the patches, which in itself helps species to persist by dampening fluctuations on the landscape level. However, this is counteracted by an increasing strength of local population oscillations fuelled by an indirect effect of dispersal mortality on the feeding interactions. Last, a study is presented that introduces a novel mechanism for supporting diversity in metacommunities. It builds on the self-organised formation of spatial biomass patterns in the landscape, which leads to the emergence of spatio-temporally varying selection pressures that keep local communities permanently out of equilibrium and force them to continuously adapt. Because this mechanism relies on the spatial extension of the metacommunity, it is also sensitive to habitat change. In the third part of the thesis, the consequences of biodiversity for the functioning of ecosystems are explored. The studies focus on standing stock biomass, biomass production, and trophic transfer efficiency as ecosystem functions. It is first shown that increasing the diversity of animal communities increases the total rate of intra-guild predation. However, the total biomass stock of the animal communities increases nevertheless, which also increases their exploitative pressure on the underlying plant communities. Despite this, the plant communities can maintain their standing stock biomass due to a shift of the body size spectra of both animal and plant communities towards larger species with a lower specific respiration rate. In another study it is further demonstrated that the generally positive relationship between diversity and the above mentioned ecosystem functions becomes steeper when not only the feeding interactions but also the numerous non-trophic interactions (like predator interference or competition for space) between the species of an ecosystem are taken into account. Finally, two studies are presented that demonstrate the power of functional diversity as explanatory variable. It is interpreted as the range spanned by functional traits of the species that determine their interactions. This approach allows to mechanistically understand how the ecosystem functioning of food webs with multiple trophic levels is affected by all parts of the food web and why a high functional diversity is required for efficient transportation of energy from primary producers to the top predators. The general discussion draws some synthesising conclusions, e.g. on the predictive power of ecosystem functioning to explain diversity, and provides an outlook on future research directions.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schmidtke2009,
  author    = {Schmidtke, Andrea},
  title     = {Biodiversity effects on the performance of terrestrial plant and phytoplankton communities},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-38936},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die {\"O}kosysteme unserer Erde sind durch das rasante Artensterben infolge von Umweltver{\"a}nderungen durch den Menschen und des globalen Klimawandels stark betroffen. Mit den Auswirkungen dieses Artenverlustes und der damit einhergehenden Ver{\"a}nderung der Diversit{\"a}t besch{\"a}ftigt sich die heutige Biodiversit{\"a}tsforschung. Spezieller wird der Effekt der Diversit{\"a}t auf {\"O}kosystemprozesse wie beispielsweise den Biomasseaufbau von Prim{\"a}rproduzenten oder der Resistenz einer Gemeinschaft gegen die Einwanderung neuer Arten untersucht. Die Quantifizierung des Einflusses der Diversit{\"a}t auf die Prim{\"a}rproduktion und das Verst{\"a}ndnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist von besonderer Wichtigkeit. In terrestrischen Pflanzengemeinschaften wurde bereits ein positiver Diversit{\"a}tseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse beobachtet. Dies wird haupts{\"a}chlich durch den Komplementarit{\"a}ts- und/oder den Dominanzeffekt erkl{\"a}rt. Die Komplementarit{\"a}t zwischen Arten ist beispielsweise bei Unterschieden in der Ressourcenausnutzung gegeben (z.B. unterschiedliche Wurzeltiefen). Diese kann zu einer besseren N{\"a}hrstoffausnutzung in diverseren Gemeinschaften f{\"u}hren, die letztlich deren h{\"o}here Biomassen erkl{\"a}rt. Der Dominanzeffekt hingegen beruht auf der in diverseren Gemeinschaften h{\"o}heren Wahrscheinlichkeit, eine hochproduktive Art anzutreffen, was letztlich die h{\"o}here Biomasse der Gemeinschaft verursacht. Diversit{\"a}tseffekte auf {\"O}kosystemprozesse wurden bisher haupts{\"a}chlich auf der Gemeinschaftsebene untersucht. Analysen {\"u}ber die Reaktionen, die alle Arten einer Gemeinschaft einschließen, fehlen bisher. Daher wurde der Einfluss der Diversit{\"a}t auf die individuelle Performance von Pflanzenarten innerhalb des Biodiversit{\"a}tsprojektes „Das Jena Experiment" untersucht. Dieses Experiment umfasst 60 Arten, die charakteristisch f{\"u}r Mitteleurop{\"a}ische Graslandschaften sind. Die Arten wurden in die 4 funktionellen Gruppen Gr{\"a}ser, kleine Kr{\"a}uter, große Kr{\"a}uter und Leguminosen eingeteilt. Im Freilandversuch zeigte sich, dass mit steigender Artenzahl die individuelle Pflanzenh{\"o}he zunahm, w{\"a}hrend die individuelle oberirdische Biomasse sank. Der positive Diversit{\"a}tseffekt auf die pflanzliche Gemeinschaftsbiomasse kann folglich nicht auf der individuellen oberirdischen Biomassezunahme beruhen. {\"U}berdies reagierten die einzelnen funktionellen Gruppen und sogar die einzelnen Arten innerhalb einer funktionellen Gruppe unterschiedlich auf Diversit{\"a}tsver{\"a}nderungen. Folglich ist zu vermuten, dass einige {\"O}kosystemprozesse auf Gemeinschaftsebene durch die Reaktionen von bestimmten funktionellen Gruppen bzw. Arten hervorgerufen werden. Diversit{\"a}tseffekte auf Gemeinschaftsbiomassen wurden bislang haupts{\"a}chlich mit terrestrischen Pflanzen und weniger mit frei-schwebenden Algenarten (Phytoplankton) erforscht. Demzufolge wurde der Einfluss der Diversit{\"a}t auf die Biomasse von Phytoplankton-Gemeinschaften experimentell untersucht, wobei es sowohl zu negativen als auch positiven Diversit{\"a}tseffekten kam. Eine negative Beziehung zwischen Diversit{\"a}t und Gemeinschaftsbiomasse zeigte sich, wenn schnell-w{\"u}chsige Algenarten nur geringe Biomassen in Mono- und Mischkultur aufbauten. Die vorhandenen N{\"a}hrstoffe in der Mischkultur wurden von den schnell-w{\"u}chsigen Arten monopolisiert und folglich standen sie den langsam-w{\"u}chsigen Algenarten, welche viel Biomasse in Monokultur aufbauten, nicht mehr zur Verf{\"u}gung. Zu einem positiven Diversit{\"a}tseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse kam es, wenn die Artengemeinschaft eine positive Beziehung zwischen Wachstumsrate und Biomasse in Monokultur zeigte, sodass die schnell-w{\"u}chsige Algenarten viel Biomasse aufbauten. Da diese schnell-w{\"u}chsigen Algen in der Mischkultur dominant wurden, bestand die Gemeinschaft letztlich aus hoch-produktiven Algenarten, was zu einer erh{\"o}hten Gesamtbiomasse f{\"u}hrte. Diese beiden Versuchsans{\"a}tze verdeutlichen Mechanismen f{\"u}r die unterschiedlichen Reaktionen der Gemeinschaften auf Diversit{\"a}tsver{\"a}nderungen, welche auch f{\"u}r terrestrische Pflanzengemeinschaften gefunden wurden. Ein anderer wichtiger {\"O}kosystemprozess, der von der Diversit{\"a}t beeinflusst wird, ist die Anf{\"a}lligkeit von Gemeinschaften gegen{\"u}ber invasiven Arten (Invasibilit{\"a}t). Die Invasibilit{\"a}t wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst und demzufolge wurde der Effekt der Diversit{\"a}t und der Produktivit{\"a}t (N{\"a}hrstoffgehalt) auf die Invasibilit{\"a}t von Phytoplankton-Gemeinschaften in An- und Abwesenheit eines Herbivoren untersucht. Die zwei funktionell unterschiedlichen invasiven Arten waren die Blaualge Cylindrospermopsis raciborskii (schlecht fressbar) und der Phytoflagellat Cryptomonas sp. (gut fressbar). Es zeigte sich, dass der Fraßdruck, welcher selber durch die Produktivit{\"a}t beeinflusst wurde, einen bedeutenden Effekt auf die Invasibilit{\"a}t von Phytoplankton-Gemeinschaften hat. Die funktionellen Eigenschaften der invasiven und residenten Arten waren zudem bedeutender als die Artenzahl.},
  language  = {en}
}