TY - THES A1 - Crawford, Michael Scott T1 - Using individual-based modeling to understand grassland diversity and resilience in the Anthropocene N2 - The world’s grassland systems are increasingly threatened by anthropogenic change. Susceptible to a variety of different stressors, from land-use intensification to climate change, understanding the mechanisms driving the maintenance of these systems’ biodiversity and stability, and how these mechanisms may shift under human-mediated disturbance, is thus critical for successfully navigating the next century. Within this dissertation, I use an individual-based and spatially-explicit model of grassland community assembly (IBC-grass) to examine several processes, thought key to understanding their biodiversity and stability and how it changes under stress. In the first chapter of my thesis, I examine the conditions under which intraspecific trait variation influences the diversity of simulated grassland communities. In the second and third chapters of my thesis, I shift focus towards understanding how belowground herbivores influence the stability of these grassland systems to either a disturbance that results in increased, stochastic, plant mortality, or eutrophication. Intraspecific trait variation (ITV), or variation in trait values between individuals of the same species, is fundamental to the structure of ecological communities. However, because it has historically been difficult to incorporate into theoretical and statistical models, it has remained largely overlooked in community-level analyses. This reality is quickly shifting, however, as a consensus of research suggests that it may compose a sizeable proportion of the total variation within an ecological community and that it may play a critical role in determining if species coexist. Despite this increasing awareness that ITV matters, there is little consensus of the magnitude and direction of its influence. Therefore, to better understand how ITV changes the assembly of grassland communities, in the first chapter of my thesis, I incorporate it into an established, individual-based grassland community model, simulating both pairwise invasion experiments as well as the assembly of communities with varying initial diversities. By varying the amount of ITV in these species’ functional traits, I examine the magnitude and direction of ITV’s influence on pairwise invasibility and community coexistence. During pairwise invasion, ITV enables the weakest species to more frequently invade the competitively superior species, however, this influence does not generally scale to the community level. Indeed, unless the community has low alpha- and beta- diversity, there will be little effect of ITV in bolstering diversity. In these situations, since the trait axis is sparsely filled, the competitively inferior may suffer less competition and therefore ITV may buffer the persistence and abundance of these species for some time. In the second and third chapters of my thesis, I model how one of the most ubiquitous trophic interactions within grasslands, herbivory belowground, influences their diversity and stability. Until recently, the fundamental difficulty in studying a process within the soil has left belowground herbivory “out of sight, out of mind.” This dilemma presents an opportunity for simulation models to explore how this understudied process may alter community dynamics. In the second chapter of my thesis, I implement belowground herbivory – represented by the weekly removal of plant biomass – into IBC-grass. Then, by introducing a pulse disturbance, modelled as the stochastic mortality of some percentage of the plant community, I observe how the presence of belowground herbivores influences the resistance and recovery of Shannon diversity in these communities. I find that high resource, low diversity, communities are significantly more destabilized by the presence of belowground herbivores after disturbance. Depending on the timing of the disturbance and whether the grassland’s seed bank persists for more than one season, the impact of the disturbance – and subsequently the influence of the herbivores – can be greatly reduced. However, because human-mediated eutrophication increases the amount of resources in the soil, thus pressuring grassland systems, our results suggest that the influence of these herbivores may become more important over time. In the third chapter of my thesis, I delve further into understanding the mechanistic underpinnings of belowground herbivores on the diversity of grasslands by replicating an empirical mesocosm experiment that crosses the presence of herbivores above- and below-ground with eutrophication. I show that while aboveground herbivory, as predicted by theory and frequently observed in experiments, mitigates the impact of eutrophication on species diversity, belowground herbivores counterintuitively reduce biodiversity. Indeed, this influence positively interacts with the eutrophication process, amplifying its negative impact on diversity. I discovered the mechanism underlying this surprising pattern to be that, as the herbivores consume roots, they increase the proportion of root resources to root biomass. Because root competition is often symmetric, herbivory fails to mitigate any asymmetries in the plants’ competitive dynamics. However, since the remaining roots have more abundant access to resources, the plants’ competition shifts aboveground, towards asymmetric competition for light. This leads the community towards a low-diversity state, composed of mostly high-performance, large plant species. We further argue that this pattern will emerge unless the plants’ root competition is asymmetric, in which case, like its counterpart aboveground, belowground herbivory may buffer diversity by reducing this asymmetry between the competitively superior and inferior plants. I conclude my dissertation by discussing the implications of my research on the state of the art in intraspecific trait variation and belowground herbivory, with emphasis on the necessity of more diverse theory development in the study of these fundamental interactions. My results suggest that the influence of these processes on the biodiversity and stability of grassland systems is underappreciated and multidimensional, and must be thoroughly explored if researchers wish to predict how the world’s grasslands will respond to anthropogenic change. Further, should researchers myopically focus on understanding central ecological interactions through only mathematically tractable analyses, they may miss entire suites of potential coexistence mechanisms that can increase the coviability of species, potentially leading to coexistence over ecologically-significant timespans. Individual-based modelling, therefore, with its focus on individual interactions, will prove a critical tool in the coming decades for understanding how local interactions scale to larger contexts, and how these interactions shape ecological communities and further predicting how these systems will change under human-mediated stress. N2 - Grasland ist durch anthropogene Veränderungen bedroht. Im Rahmen dieser Dissertation verwende ich ein individuelles und räumlich-explizites Modell der Grasland-Gemeinschaftsversammlung (IBC-Gras), um verschiedene Prozesse zu untersuchen, die als Schlüssel zum Verständnis ihrer Biodiversität und Stabilität und deren Veränderung unter Stress gelten. Im ersten Kapitel meiner Dissertation untersuche ich die Bedingungen, unter denen eine intraspezifische Merkmalsvariation die Vielfalt der simulierten Graslandgemeinschaften beeinflusst. Im zweiten und dritten Kapitel meiner Dissertation verlege ich den Schwerpunkt auf das Verständnis, wie unterirdische Pflanzenfresser die Stabilität dieser Grünlandsysteme beeinflussen, und zwar entweder durch eine Störung, die zu erhöhter, stochastischer Pflanzensterblichkeit oder Eutrophierung führt. Intraspezifische Merkmalsvariation (ITV) oder Variation der Merkmalswerte zwischen Individuen derselben Art ist für die Struktur ökologischer Gemeinschaften von grundlegender Bedeutung. Da sie sich jedoch historisch gesehen nur schwer in theoretische und statistische Modelle einbauen lässt, wurde sie bei Analysen auf Gemeindeebene weitgehend übersehen. Diese Realität ändert sich jedoch schnell, da ein Forschungskonsens darauf hindeutet, dass sie einen beträchtlichen Anteil der Gesamtvariation innerhalb einer ökologischen Gemeinschaft ausmachen kann und dass sie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Koexistenz von Arten spielen kann. Trotz dieses zunehmenden Bewusstseins, dass das ITV von Bedeutung ist, gibt es kaum einen Konsens über das Ausmaß und die Richtung seines Einflusses. Um besser zu verstehen, wie ITV die Zusammensetzung von Grünlandgesellschaften verändert, beziehe ich daher im ersten Kapitel meiner Dissertation diese in ein etabliertes, auf dem Individuum basierendes Modell der Grünlandgesellschaften ein. Indem ich die Menge an ITV in den funktionellen Merkmalen dieser Arten variiere, untersuche ich das Ausmaß und die Richtung des Einflusses von ITV auf die paarweise Unsichtbarkeit und die Koexistenz von Gemeinschaften. Im zweiten und dritten Kapitel meiner Dissertation modelliere ich, wie eine der allgegenwärtigsten trophischen Interaktionen innerhalb von Grasland, die Pflanzenfresserei unter der Erde, deren Vielfalt und Stabilität beeinflusst. Bis vor kurzem hat die grundlegende Schwierigkeit, einen Prozess im Boden zu untersuchen, dazu geführt, dass Pflanzenfresser unter der Erde "aus den Augen, aus dem Sinn" geraten sind. Dieses Dilemma bietet eine Gelegenheit für Simulationsmodelle zu erforschen, wie dieser noch nicht untersuchte Prozess die Dynamik von Gemeinschaften verändern kann. Im zweiten Kapitel meiner Dissertation implementiere ich unterirdische Pflanzenfresserei - repräsentiert durch die wöchentliche Entfernung von pflanzlicher Biomasse - in IBC-Gras. Dann beobachte ich durch die Einführung einer Pulsstörung, die als stochastische Mortalität eines gewissen Prozentsatzes der Pflanzengemeinschaft modelliert wird, wie die Anwesenheit von unterirdischen Pflanzenfressern die Resistenz und Erholung der Shannon-Diversität in diesen Gemeinschaften beeinflusst. Ich stelle fest, dass Gemeinschaften mit hohen Ressourcen und geringer Diversität durch die Anwesenheit von unterirdischen Pflanzenfressern nach einer Störung wesentlich stärker destabilisiert werden. Abhängig vom Zeitpunkt der Störung und davon, ob die Saatgutbank des Graslandes länger als eine Saison besteht, können die Auswirkungen der Störung - und damit der Einfluss der Pflanzenfresser - stark reduziert werden. Im dritten Kapitel meiner Dissertation vertiefe ich das Verständnis der mechanistischen Grundlagen der unterirdischen Herbivoren für die Diversität von Grasland, indem ich ein empirisches Mesokosmos-Experiment repliziere, das die Anwesenheit von Herbivoren über- und unterirdisch mit Eutrophierung kreuzt. Ich zeige, dass, während oberirdische Pflanzenfresser, wie von der Theorie vorhergesagt und häufig in Experimenten beobachtet, die Auswirkungen der Eutrophierung auf die Artenvielfalt abschwächen, unterirdische Pflanzenfresser die Artenvielfalt kontraintuitiv reduzieren. Tatsächlich interagiert dieser Einfluss positiv mit dem Eutrophierungsprozess und verstärkt seine negativen Auswirkungen auf die Vielfalt. Ich schließe meine Dissertation mit einer Erörterung der Auswirkungen meiner Forschung auf den Stand der Technik bei der Variation intraspezifischer Merkmale und der unterirdischen Pflanzenfresserei, wobei der Schwerpunkt auf der Notwendigkeit einer vielfältigeren Theorieentwicklung bei der Untersuchung dieser grundlegenden Wechselwirkungen liegt. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einfluss dieser Prozesse auf die biologische Vielfalt und Stabilität von Graslandsystemen unterschätzt wird und mehrdimensional ist und gründlich erforscht werden muss, wenn Forscher vorhersagen wollen, wie die Grasländer der Welt auf anthropogene Veränderungen reagieren werden. Sollten sich Forscherinnen und Forscher darüber hinaus myopisch darauf konzentrieren, zentrale ökologische Wechselwirkungen nur durch mathematisch nachvollziehbare Analysen zu verstehen, könnten sie ganze Suiten potenzieller Koexistenzmechanismen übersehen, die die Begehrlichkeit von Arten erhöhen können und möglicherweise zu einer Koexistenz über ökologisch signifikante Zeitspannen hinweg führen. Daher wird sich die individuenbasierte Modellierung mit ihrem Schwerpunkt auf individuellen Interaktionen in den kommenden Jahrzehnten als ein entscheidendes Instrument erweisen, um zu verstehen, wie lokale Interaktionen sich auf größere Zusammenhänge ausdehnen und wie diese Interaktionen ökologische Gemeinschaften formen, und um weiter vorherzusagen, wie sich diese Systeme unter vom Menschen verursachtem Stress verändern werden. T2 - Einsatz von individualbasierten Modellen zum Verständnis der Grasland-Diversität und -Resilienz im Anthropozän KW - intraspecific trait variation KW - eutrophication KW - belowground herbivory KW - grassland KW - ecological modelling KW - intraspezifische Merkmalsvariation KW - Eutrophierung KW - Grasland KW - ökologische Modellierung KW - unterirdische Pflanzenfresser Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479414 ER - TY - THES A1 - Frauenstein, Andrea T1 - Erarbeitung einer P-Bilanz im Rahmen eines Konzeptes zur Sanierung und Restaurierung des Rangsdorfer Sees T1 - Development of a phosphorus balance as part of a concept for the restoration of Lake Rangsdorf N2 - Der Rangsdorfer See (A = 2,44 km² , z(max) = 6 m, z(mean) = 1,930 m) im Landkreis Teltow Fläming ist einer von vielen Gewässern in Brandenburg, die derzeit den nach EU-Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten Zustand nicht erreichen. Bekanntlich gilt Phosphor für viele Gewässer als der bedeutendste produktionslimitierende Nährstoff und ist somit aussichtsreicher Steuerfaktor für eine erfolgreiche Seentherapie. Ziel dieser Arbeit war es, die Gewässergüte des Rangsdorfer Sees nach trophischen Aspekten zu bewerten, Phosphor-Eintragspfade zu identifizieren, welche die höchsten Frachten verursachen sowie Therapiemaßnahmen zu finden, die eine langfristige Zustandsverbesserung ermöglichen. In einer Szenarioanalyse wurde das modifizierte Einbox Modell angewendet, um die Wirksamkeit externer und interner Therapiemaßnahmen abzuschätzen. Nach Abschluss der Studienarbeiten können folgende Schlüsse gezogen werden: Der Rangsdorfer See ist aufgrund seiner Morphometrie ein naturgegebenes nährstoffreiches Gewässer und war das auch schon, bevor anthropogene Einflüsse auf ihn einwirkten. Langjährige Nährstoffeinträge verschiedener Herkunft (Abwassereinleitungen, Fischintensivhaltung, Rieselfelder) führten jedoch zu einer übermäßigen Produktivität. Viele Belastungsquellen wurden ausgeschaltet, es findet jedoch immer noch ein relevanter Nährstoffaustrag aus dem Einzugsgebiet statt. Unter Verwendung von Phosphor-Bilanzmodellen und seetypspezifischen kritischen Phosphor-Seekonzentrationen zeigt sich, dass die aktuell stattfindende externe Phosphor-Belastung den kritischen Phosphor-Eintrag zur mutmaßlichen Erreichung des guten ökologischen Zustandes überschreitet. Anteilig die größte Fracht wird über den natürlichen Hauptzufluss in den Rangsdorfer See transportiert. Sanierungsmaßnahmen in dessen Einzugsgebiet stellen ein effektives Mittel dar. Eine technische Lösung zur Nährstoffminderung im Zufluss (Eliminierungsanlage) kann unterstützend eingesetzt werden, muss aber dann bei unveränderter hoher Phosphor-Konzentration im Zufluss dauerhaft betrieben werden. Das Einbox Modell stellte sich als hilfreiches Instrument zur Vorauswahl geeigneter Therapiemaßnahmen heraus. N2 - Lake Rangsdorf (A = 2.44 km² , z(max) = 6 m, z(mean) = 1.930) in the district of Teltow Fläming is one of many waters in Brandenburg that currently do not meet the good status required according to the EU- Water Framework Directive. Phosphorus is generally considered the limiting element for lakes and therefore is a promising key factor for a successful lake restoration. The main objectives of this thesis were to assess the water quality of Lake Rangsdorf according to trophic aspects, to identify input pathways of phosphorus that cause the highest load as well as finding restoration measures that allow for a long-term condition improvement. In a scenario analysis, the modified one-box model was applied for predicting the Phosphorus trend in the water under different management options. The findings from the research projects can be summarized as follows: As the result of its morphometry, Lake Rangsdorf can be considered a natural eutrophic water. This also applies to its state prior to anthropogenic impacts. However, longtime nutrient inputs from various sources (effluent discharge, intensive fish farming, runoff from sewage farms) have led to an excessive primary production. Many sources of impact have been eliminated, however, a relevant nutrient output from the catchment is still taking place. When applying phosphorus balance models and lake-type specific targets for phosphorus inlake concentration, it becomes obvious that the current external phosphorus load is exceeding the critical load required for achieving the good ecological status. The major load is carried via the natural main tributary into Lake Rangsdorf. Restoration measures for reducing surface output within its catchment represent an effective measure. Yet the scenarios also show that the adoption of further measures presumably will be necessary. A technical solution for the nutrient reduction of the inflow (P-elimination) can be used supportively, but has to be operated permanently when concentrations of phosphorus in the inflow remain at a high level. The one-box model is thus a powerful tool for selecting lake-restoration measures. KW - Eutrophierung KW - Phosphor Bilanz KW - Seentherapie KW - Trophie KW - Modelle KW - eutrophication KW - phosphorus balance KW - lake restoration KW - trophic level KW - models Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428760 ER - TY - GEN A1 - Mooij, Wolf M. A1 - Trolle, Dennis A1 - Jeppesen, Erik A1 - Arhonditsis, George B. A1 - Belolipetsky, Pavel V. A1 - Chitamwebwa, Deonatus B. R. A1 - Degermendzhy, Andrey G. A1 - DeAngelis, Donald L. A1 - Domis, Lisette Nicole de Senerpont A1 - Downing, Andrea S. A1 - Elliott, J. Alex A1 - Fragoso Jr., Carlos Ruberto A1 - Gaedke, Ursula A1 - Genova, Svetlana N. A1 - Gulati, Ramesh D. A1 - Håkanson, Lars A1 - Hamilton, David P. A1 - Hipsey, Matthew R. A1 - ‘t Hoen, Jochem A1 - Hülsmann, Stephan A1 - Los, F. Hans A1 - Makler-Pick, Vardit A1 - Petzoldt, Thomas A1 - Prokopkin, Igor G. A1 - Rinke, Karsten A1 - Schep, Sebastiaan A. A1 - Tominaga, Koji A1 - Van Dam, Anne A. A1 - Van Nes, Egbert H. A1 - Wells, Scott A. A1 - Janse, Jan H. T1 - Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - A large number and wide variety of lake ecosystem models have been developed and published during the past four decades. We identify two challenges for making further progress in this field. One such challenge is to avoid developing more models largely following the concept of others ('reinventing the wheel'). The other challenge is to avoid focusing on only one type of model, while ignoring new and diverse approaches that have become available ('having tunnel vision'). In this paper, we aim at improving the awareness of existing models and knowledge of concurrent approaches in lake ecosystem modelling, without covering all possible model tools and avenues. First, we present a broad variety of modelling approaches. To illustrate these approaches, we give brief descriptions of rather arbitrarily selected sets of specific models. We deal with static models (steady state and regression models), complex dynamic models (CAEDYM, CE-QUAL-W2, Delft 3D-ECO, LakeMab, LakeWeb, MyLake, PCLake, PROTECH, SALMO), structurally dynamic models and minimal dynamic models. We also discuss a group of approaches that could all be classified as individual based: super-individual models (Piscator, Charisma), physiologically structured models, stage-structured models and traitbased models. We briefly mention genetic algorithms, neural networks, Kalman filters and fuzzy logic. Thereafter, we zoom in, as an in-depth example, on the multi-decadal development and application of the lake ecosystem model PCLake and related models (PCLake Metamodel, Lake Shira Model, IPH-TRIM3D-PCLake). In the discussion, we argue that while the historical development of each approach and model is understandable given its 'leading principle', there are many opportunities for combining approaches. We take the point of view that a single 'right' approach does not exist and should not be strived for. Instead, multiple modelling approaches, applied concurrently to a given problem, can help develop an integrative view on the functioning of lake ecosystems. We end with a set of specific recommendations that may be of help in the further development of lake ecosystem models. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1326 KW - aquatic KW - food web dynamics KW - plankton KW - nutrients KW - spatial KW - lake KW - freshwater KW - marine KW - community KW - population KW - hydrology KW - eutrophication KW - global change KW - climate warming KW - fisheries KW - biodiversity KW - management KW - mitigation KW - adaptive processes KW - non-linear dynamics KW - analysis KW - bifurcation KW - understanding KW - prediction KW - model limitations KW - model integration Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429839 SN - 1866-8372 IS - 1326 ER -