TY  - THES
A1  - Leins, Johannes A.
T1  - Combining model detail with large scales
T1  - Die Verbindung von Modelldetails und großen Skalen
BT  - a simulation framework for population viability analyses in changing and disturbed environments
BT  - ein Simulationswerkzeug zur Analyse der Überlebensfähigkeit von Populationen in einer sich verändernden und gestörten Umwelt
N2  - The global climate crisis is significantly contributing to changing ecosystems, loss of biodiversity and is putting numerous species on the verge of extinction. In principle, many species are able to adapt to changing conditions or shift their habitats to more suitable regions. However, change is progressing faster than some species can adjust, or potential adaptation is blocked and disrupted by direct and indirect human action. Unsustainable anthropogenic land use in particular is one of the driving factors, besides global heating, for these ecologically critical developments. Precisely because land use is anthropogenic, it is also a factor that could be quickly and immediately corrected by human action.
In this thesis, I therefore assess the impact of three climate change scenarios of increasing intensity in combination with differently scheduled mowing regimes on the long-term development and dispersal success of insects in Northwest German grasslands. The large marsh grasshopper (LMG, Stethophyma grossum, Linné 1758) is used as a species of reference for the analyses. It inhabits wet meadows and marshes and has a limited, yet fairly good ability to disperse. Mowing and climate conditions affect the development and mortality of the LMG differently depending on its life stage.
The specifically developed simulation model HiLEG (High-resolution Large Environmental
Gradient) serves as a tool for investigating and projecting viability and dispersal success under different climate conditions and land use scenarios. It is a spatially explicit, stage- and cohort-based model that can be individually configured to represent the life cycle and characteristics of terrestrial insect species, as well as high-resolution environmental data and the occurrence of external disturbances. HiLEG is a freely available and adjustable software that can be used to support conservation planning in cultivated grasslands.
In the three case studies of this thesis, I explore various aspects related to the structure of simulation models per se, their importance in conservation planning in general, and insights regarding the LMG in particular. It became apparent that the detailed resolution of model processes and components is crucial to project the long-term effect of spatially and temporally confined events. Taking into account conservation measures at the regional level has further proven relevant, especially in light of the climate crisis. I found that the LMG is benefiting from global warming in principle, but continues to be constrained by harmful mowing regimes. Land use measures could, however, be adapted in such a way that they allow the expansion and establishment of the LMG without overly affecting agricultural yields.
Overall, simulation models like HiLEG can make an important contribution and add value
to conservation planning and policy-making. Properly used, simulation results shed light
on aspects that might be overlooked by subjective judgment and the experience of individual stakeholders. Even though it is in the nature of models that they are subject to limitations and only represent fragments of reality, this should not keep stakeholders from using them, as long as these limitations are clearly communicated. Similar to HiLEG, models could further be designed in such a way that not only the parameterization can be adjusted as required, but also the implementation itself can be improved and changed as desired. This openness and flexibility should become more widespread in the development of simulation models.
N2  - Die globale Klimakrise trägt maßgeblich dazu bei, dass sich Ökosysteme verändern, die Artenvielfalt sinkt und zahlreiche Spezies vom Aussterben bedroht sind. Viele Arten sind prinzipiell in der Lage, sich wandelnden Bedingungen anzugleichen oder ihre Habitate in geeignetere Regionen zu verlagern. Allerdings schreitet der Wandel schneller voran als sich einige Spezies anpassen können oder die mögliche Anpassung wird durch direkte und indirekte menschliche Eingriffe blockiert und gestört. Gerade die nicht-nachhaltige Landnutzung durch den Menschen ist neben der Klimaerhitzung einer der treibenden Faktoren für diese ökologisch kritischen Entwicklungen. Gleichzeitig ist sie durch ihre unmittelbare menschliche Ursache ein Faktor, der sich kurzfristig und schnell korrigieren ließe.
Zu diesem Zweck untersuche ich in dieser Dissertation, wie sich drei Klimawandelszenarien ansteigender Intensität im Zusammenspiel mit unterschiedlich terminierten Mahdregimen im Nordwestdeutschen Grünland auf die langfristige Entwicklung und Ausbreitung von Insekten auswirken. In der Untersuchung fungiert die Sumpfschrecke (Stethophyma grossum, Linné 1758) als Bezugsspezies. Sie ist in Feucht- und Nasswiesen zu Hause und zu räumlicher Ausbreitung fähig, auch wenn sie nur eingeschränkt mobil ist. Mahd und Klimabedingungen wirken sich je nach Lebensstadium unterschiedlich stark auf die Entwicklung und Mortalität der Sumpfschrecke aus.
Das eigens entwickelte Simulationsmodell HiLEG (High-resolution Large Environmental Gradient) dient als Werkzeug zur Untersuchung und Projektion der Überlebens- und Ausbreitungswahrscheinlichkeit unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien. Es ist ein räumlich explizites, stadien- und kohortenbasiertes Modell, das individuell konfiguriert werden kann, um den Lebenszyklus und die Charakteristiken terrestrischer Insektenarten sowie hochaufgelöste Umweltdaten und das zeitlich variierende Auftreten externer Störfaktoren abzubilden. HiLEG ist eine frei verfügbare Software und kann zur Unterstützung bei der Planung von Umweltschutzmaßnahmen in kultiviertem Grünland verwendet werden.
In den drei Fallstudien dieser Arbeit habe ich verschiedene Aspekte in Bezug auf die Struktur von Simulationsmodellen an sich, deren Bedeutung im Naturschutz im Allgemeinen und Erkenntnisse für die Sumpfschrecke im Speziellen untersucht. Es zeigte sich, dass die detaillierte Auflösung der Modellprozesse und -komponenten entscheidend ist, um den langfristigen Effekt räumlich und zeitlich begrenzter Ereignisse projizieren zu können. Insbesondere in Anbetracht der Klimakrise hat sich die gesteigerte Relevanz von Naturschutzmaßnahmen auf regionaler Ebene herausgestellt. Ich konnte außerdem bestätigen, dass die Sumpfschrecke zwar im Prinzip von der Klimaerwärmung profitiert, aber weiterhin durch ungeeignete Mahdregime beschränkt wird. Bewirtschaftungspläne könnten allerdings in dem Sinne angepasst werden, dass sie die Ausbreitung und Etablierung der Sumpfschrecke erlauben, ohne sich über die Maßen auf den Ertrag der Landwirtschaft auszuwirken.
Insgesamt können Simulationsmodelle wie HiLEG einen wichtigen Beitrag und Mehrwert für die Planung von Naturschutzmaßnahmen und Politikinstrument leisten. Richtig eingesetzt beleuchten die Simulationsergebnisse Aspekte, die durch subjektive Bewertung und Erfahrung einzelner Akteure möglicherweise übersehen würden. Auch wenn es in der Natur von Modellen liegt, dass sie Einschränkungen unterworfen sind und nur Ausschnitte der Realität abbilden, sollte dies kein Hindernis für ihren Einsatz sein, solange diese Limitierungen klar kommuniziert werden.
Analog zu HiLEG könnten Modelle so konzipiert werden, dass nicht nur ihre Parametrisierung nach Bedarf angepasst, sondern auch die Implementierung selbst beliebig verbessert und verändert werden kann. Diese Offenheit und Flexibilität sollte sich bei der Entwicklung von Simulationsmodelle stärker durchsetzen.
KW  - spatially explicit model
KW  - large marsh grasshopper
KW  - simulation framework
KW  - climate change
KW  - land use
KW  - Open Source
KW  - Open Access
KW  - dispersal
KW  - PVA (population viability analysis)
KW  - high resolution
KW  - scaling
KW  - grassland
KW  - disturbance timing
KW  - Klimawandel
KW  - Ausbreitung
KW  - Zeitpunkt von Störungen
KW  - Grünland
KW  - hohe Auflösung
KW  - Landnutzung
KW  - Sumpfschrecke
KW  - Open Access
KW  - Open Source
KW  - Populationsgefährdungsanalyse
KW  - Skalierung
KW  - Simulationsframework
KW  - räumlich explizites Modell
KW  - Stethophyma grossum
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582837
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Meyer, Sebastian T.
A1  - Ebeling, Anne
A1  - Eisenhauer, Nico
A1  - Hertzog, Lionel
A1  - Hillebrand, Helmut
A1  - Milcu, Alexandru
A1  - Pompe, Sven
A1  - Abbas, Maike
A1  - Bessler, Holger
A1  - Buchmann, Nina
A1  - De Luca, Enrica
A1  - Engels, Christof
A1  - Fischer, Markus
A1  - Gleixner, Gerd
A1  - Hudewenz, Anika
A1  - Klein, Alexandra-Maria
A1  - de Kroon, Hans
A1  - Leimer, Sophia
A1  - Loranger, Hannah
A1  - Mommer, Liesje
A1  - Oelmann, Yvonne
A1  - Ravenek, Janneke M.
A1  - Roscher, Christiane
A1  - Rottstock, Tanja
A1  - Scherber, Christoph
A1  - Scherer-Lorenzen, Michael
A1  - Scheu, Stefan
A1  - Schmid, Bernhard
A1  - Schulze, Ernst-Detlef
A1  - Staudler, Andrea
A1  - Strecker, Tanja
A1  - Temperton, Vicky
A1  - Tscharntke, Teja
A1  - Vogel, Anja
A1  - Voigt, Winfried
A1  - Weigelt, Alexandra
A1  - Wilcke, Wolfgang
A1  - Weisser, Wolfgang W.
T1  - Effects of biodiversity strengthen over time as ecosystem functioning declines at low and increases at high biodiversity
JF  - Ecosphere : the magazine of the International Ecology University
KW  - biodiversity ecosystem functioning (BEF)
KW  - ecosystem processes
KW  - grassland
KW  - mechanism
KW  - plant productivity
KW  - plant species richness
KW  - temporal effects
KW  - trophic interactions
Y1  - 2016
U6  - https://doi.org/10.1002/ecs2.1619
SN  - 2150-8925
VL  - 7
PB  - Wiley-Blackwell
CY  - Hoboken
ER  - 
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  -