TY - JOUR A1 - Esther, Alexandra A1 - Groeneveld, Jürgen A1 - Enright, Neal J. A1 - Miller, Ben P. A1 - Lamont, Byron B. A1 - Perry, George L. W. A1 - Tietjen, Britta A1 - Jeltsch, Florian T1 - Low-dimensional trade-offs fail to explain richness and structure in species-rich plant communities JF - Theoretical ecology N2 - Mathematical models and ecological theory suggest that low-dimensional life history trade-offs (i.e. negative correlation between two life history traits such as competition vs. colonisation) may potentially explain the maintenance of species diversity and community structure. In the absence of trade-offs, we would expect communities to be dominated by 'super-types' characterised by mainly positive trait expressions. However, it has proven difficult to find strong empirical evidence for such trade-offs in species-rich communities. We developed a spatially explicit, rule-based and individual-based stochastic model to explore the importance of low-dimensional trade-offs. This model simulates the community dynamics of 288 virtual plant functional types (PFTs), each of which is described by seven life history traits. We consider trait combinations that fit into the trade-off concept, as well as super-types with little or no energy constraints or resource limitations, and weak PFTs, which do not exploit resources efficiently. The model is parameterised using data from a fire-prone, species-rich Mediterranean-type shrubland in southwestern Australia. We performed an exclusion experiment, where we sequentially removed the strongest PFT in the simulation and studied the remaining communities. We analysed the impact of traits on performance of PFTs in the exclusion experiment with standard and boosted regression trees. Regression tree analysis of the simulation results showed that the trade-off concept is necessary for PFT viability in the case of weak trait expression combinations such as low seed production or small seeds. However, species richness and diversity can be high despite the presence of super-types. Furthermore, the exclusion of super-types does not necessarily lead to a large increase in PFT richness and diversity. We conclude that low-dimensional trade-offs do not provide explanations for multi-species co-existence contrary to the prediction of many conceptual models. KW - Plant diversity KW - Plant functional types KW - Co-existence KW - Spatially explicit model KW - Individual-based model KW - CART KW - Regression tree analysis KW - Boosted regression tree Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1007/s12080-010-0092-y SN - 1874-1738 VL - 4 IS - 4 SP - 495 EP - 511 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Esther, Alexandra T1 - Investigating mechanisms maintaining plant species diversity in fire prone Mediterranean-type vegetation using spatially-explicit simulation models T1 - Untersuchung von Mechanismen zum Erhalt von Pflanzenartendiversität in feuergeprägter mediterraner Vegetation durch räumlich explizite Simulationsmodelle N2 - Fire prone Mediterranean-type vegetation systems like those in the Mediterranean Basin and South-Western Australia are global hot spots for plant species diversity. To ensure management programs act to maintain these highly diverse plant communities, it is necessary to get a profound understanding of the crucial mechanisms of coexistence. In the current literature several mechanisms are discussed. The objective of my thesis is to systematically explore the importance of potential mechanisms for maintaining multi-species, fire prone vegetation by modelling. The model I developed is spatially-explicit, stochastic, rule- and individual-based. It is parameterised on data of population dynamics collected over 18 years in the Mediterranean-type shrublands of Eneabba, Western Australia. From 156 woody species of the area seven plant traits have been identified to be relevant for this study: regeneration mode, annual maximum seed production, seed size, maximum crown diameter, drought tolerance, dispersal mode and seed bank type. Trait sets are used for the definition of plant functional types (PFTs). The PFT dynamics are simulated annual by iterating life history processes. In the first part of my thesis I investigate the importance of trade-offs for the maintenance of high diversity in multi-species systems with 288 virtual PFTs. Simulation results show that the trade-off concept can be helpful to identify non-viable combinations of plant traits. However, the Shannon Diversity Index of modelled communities can be high despite of the presence of ‘supertypes’. I conclude, that trade-offs between two traits are less important to explain multi-species coexistence and high diversity than it is predicted by more conceptual models. Several studies show, that seed immigration from the regional seed pool is essential for maintaining local species diversity. However, systematical studies on the seed rain composition to multi-species communities are missing. The results of the simulation experiments, as presented in part two of this thesis, show clearly, that without seed immigration the local species community found in Eneabba drifts towards a state with few coexisting PFTs. With increasing immigration rates the number of simulated coexisting PFTs and Shannon diversity quickly approaches values as also observed in the field. Including the regional seed input in the model is suited to explain more aggregated measures of the local plant community structure such as species richness and diversity. Hence, the seed rain composition should be implemented in future studies. In the third part of my thesis I test the sensitivity of Eneabba PFTs to four different climate change scenarios, considering their impact on both local and regional processes. The results show that climate change clearly has the potential to alter the number of dispersed seeds for most of the Eneabba PFTs and therefore the source of the ‘immigrants’ at the community level. A classification tree analysis shows that, in general, the response to climate change was PFT-specific. In the Eneabba sand plains sensitivity of a PFT to climate change depends on its specific trait combination and on the scenario of environmental change i.e. development of the amount of rainfall and the fire frequency. This result emphasizes that PFT-specific responses and regional process seed immigration should not be ignored in studies dealing with the impact of climate change on future species distribution. The results of the three chapters are finally analysed in a general discussion. The model is discussed and improvements and suggestions are made for future research. My work leads to the following conclusions: i) It is necessary to support modelling with empirical work to explain coexistence in species-rich plant communities. ii) The chosen modelling approach allows considering the complexity of coexistence and improves the understanding of coexistence mechanisms. iii) Field research based assumptions in terms of environmental conditions and plant life histories can relativise the importance of more hypothetic coexistence theories in species-rich systems. In consequence, trade-offs can play a lower role than predicted by conceptual models. iv) Seed immigration is a key process for local coexistence. Its alteration because of climate change should be considered for prognosis of coexistence. Field studies should be carried out to get data on seed rain composition. N2 - Feuer geprägte, mediterrane Vegetationstypen, wie sie im Mittelmeerraum und Süd-West Australien zu finden sind, gelten als globale „hotspots“ für Pflanzendiversität. Um sicher zu stellen, dass Managementprogramme zum Erhalt dieser hoch diversen Pflanzengesellschaften zielgerichtet beitragen, ist ein profundes Verständnis der wesentlichen Koexistenzmechanismen notwendig. In der aktuellen Literatur werden verschiedene Mechanismen diskutiert. Das Ziel meiner Doktorarbeit ist es, die Bedeutung der Mechanismen für den Erhalt der artenreichen, feuergeprägten Vegetation anhand eines Modells systematisch zu untersuchen. Das von mir dafür entwickelte Modell ist räumlich-explizit, stochastisch und regel- und individuenbasiert. Es ist unter Zuhilfenahme von Daten zu Populationsdynamiken parametrisiert, die über 18 Jahre im Mediterranen Buschland von Eneabba Westaustraliens gesammelt wurden. Anhand von 156 Arten sind sieben für meine Studie relevante Pflanzeneigenschaften identifiziert wurden: Regenerationsart, jährlich maximale Samenproduktion, Samengröße, maximaler Durchmesser, Trockentoleranz, Ausbreitungsart und Samenbanktyp. Kombinationen der Eigenschaften bilden funktionelle Pflanzentypen (PFTs), deren jährliche Dynamik über Lebenszyklusprozesse im Modell simuliert wird. Der erste Teil meiner Arbeit präsentiert die Studie zur Bedeutung von „trade-offs“ für den Erhalt der hohen Diversität in artenreichen Systemen. Die Simulationsergebnisse mit 288 virtuellen PFTs zeigen, dass das „trade-offs“-Konzept für die Identifizierung nicht-lebensfähiger Kombinationen von Pflanzeneigenschaften hilfreich sein kann. Allerdings kann der Shannon-Diversitäts-Index der modellierten Pflanzengesellschaft trotz der Anwesenheit von „Supertypen“ hoch sein. Ich schlussfolgere, dass „trade-off“ zwischen zwei Eigenschaften weniger wichtig für die Erklärung der Koexistenz von vielen Arten und hoher Diversität sind, als es durch konzeptionelle Modelle vorhergesagt wird. Viele Studien zeigen, dass Sameneintrag aus dem regionalen Samenpool essenziell für den Erhalt lokaler Artendiversität ist. Es gibt allerdings noch keine systematischen Studien zur Zusammensetzung des Samenregens artenreichen Systemen. Die Ergebnisse der Simulationsexperimente im zweiten Teil meiner Arbeit machen deutlich, dass ohne Sameneintrag die lokale Pflanzengesellschaft Eneabbas sich in eine Richtung entwickelt, in der nur wenige PFTs koexistieren. Mit steigender Samenimmigrationsrate erreicht die Anzahl an koexistierenden PFTs und die Shannon-Diversität schnell die Werte, die auch im Feld gefunden werden. Der regionale Sameneintrag kann also als Erklärung zur Struktur lokaler Pflanzengesellschaften dienen. Seine Zusammensetzung sollte jedoch in zukünftigen Studien berücksichtigt werden. Im dritten Teil meiner Doktorarbeit präsentiere ich Analysen zur Sensibilität der PFTs von Eneabba vorhergesagte Klimaszenarien und der Auswirkungen auf die Samenimmigration. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Klimaänderungen das Potential haben, die Anzahl an ausgebreiteten Samen der meisten Eneabba PFTs zu verändern. Die Entscheidungsbaum-Analyse veranschaulicht, dass die Reaktion auf Klimaänderung PFT-spezifisch ist. In den Eneabba hängt die Sensitivität der PFTs gegenüber klimatischen Veränderungen von den PFT-spezifischen Eigenschaftskombinationen und vom Klimaszenarium ab, d.h. von der Entwicklung der Regenfallmenge und der Feuerfrequenz. Dieses Ergebnis betont, dass PFT-spezifische Reaktionen und die klimabedingten Änderungen in der Samenimmigration in Studien zum Einfluss von Klimaänderungen auf die zukünftige Artenverteilung berücksichtigt werden sollten. Die Ergebnisse aus den drei Kapiteln werden in der allgemeinen Diskussion zusammengeführt und analysiert. Das Modell wird diskutiert und Verbesserungen und Vorschläge für weitere Forschung aufgezeigt. Meine Arbeit führt zu folgenden Schlussfolgerungen: i) Es ist notwendig, empirische Arbeit und Modellierung zu kombinieren, um Koexistenz in artenreichen Systemen zu erklären. ii) Durch den gewählten Modellansatz kann die Komplexität von Koexistenz erfasst und das Verständnis vertieft werden. iii) Auf Felddaten basierende Annahmen bezüglich Umweltbedingungen und Lebenzyklus können zur Relativierung der Bedeutsamkeit von Mechanismen führen. So können Trade-offs eine geringere Rolle spielen, als konzeptionelle Modelle nahe legen. iv) Samenimmigration ist ein Schlüsselprozess für lokale Koexistenz. Deren Änderung aufgrund von Klimawandel sollte für Prognosen zu Artenvorkommen berücksichtigt werden. Feldstudien sollten durchgeführt werden, um die Datenlücken zur Samenregenzusammensetzung zu füllen. KW - Feuer KW - Artenreichtum KW - individuelle Modellierung KW - fire KW - plant functional types KW - species richness KW - individual based modeling Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-44632 ER - TY - JOUR A1 - Esther, Alexandra A1 - Groeneveld, Juergen A1 - Enright, Neal J. A1 - Miller, Ben P. A1 - Lamont, Byron B. A1 - Perry, George L. W. A1 - Blank, F. Benjamin A1 - Jeltsch, Florian T1 - Sensitivity of plant functional types to climate change : classification tree analysis of a simulation model N2 - Question: The majority of studies investigating the impact of climate change on local plant communities ignores changes in regional processes, such as immigration from the regional seed pool. Here we explore: (i) the potential impact of climate change on composition of the regional seed pool, (ii) the influence of changes in climate and in the regional seed pool on local community structure, and (iii) the combinations of life history traits, i.e. plant functional types (PFTs), that are most affected by environmental changes. Location: Fire-prone, Mediterranean-type shrublands in southwestern Australia. Methods: Spatially explicit simulation experiments were conducted at the population level under different rainfall and fire regime scenarios to determine the effect of environmental change on the regional seed pool for 38 PFTs. The effects of environmental and seed immigration changes on local community dynamics were then derived from community-level experiments. Classification tree analyses were used to investigate PFT- specific vulnerabilities to climate change. Results: The classification tree analyses revealed that responses of PFTs to climate change are determined by specific trait characteristics. PFT-specific seed production and community patterns responded in a complex manner to climate change. For example, an increase in annual rainfall caused an increase in numbers of dispersed seeds for some PFTs, but decreased PFT diversity in the community. Conversely, a simulated decrease in rainfall reduced the number of dispersed seeds and diversity of PFTs. Conclusions: PFT interactions and regional processes must be considered when assessing how local community structure will be affected by environmental change. Y1 - 2010 UR - http://www3.interscience.wiley.com/journal/121642345/home U6 - https://doi.org/10.1111/j.1654-1103.2009.01155.x SN - 1100-9233 ER - TY - JOUR A1 - Esther, Alexandra A1 - Groeneveld, Jürgen A1 - Enright, Neal J. A1 - Miller, Ben P. A1 - Lamont, Byron B. A1 - Perry, George L. W. A1 - Schurr, Frank Martin A1 - Jeltsch, Florian T1 - Assessing the importance of seed immigration on coexistence of plant functional types in a species-rich ecosystem N2 - Modelling and empirical studies have shown that input from the regional seed pool is essential to maintain local species diversity. However, most of these studies have concentrated on simplified, if not neutral, model systems, and focus on a limited subset of species or on aggregated measures of diversity only (e.g., species richness or Shannon diversity). Thus they ignore more complex species interactions and important differences between species. To gain a better understanding of how seed immigration affects community structure at the local scale in real communities we conducted computer simulation experiments based on plant functional types (PFTs) for a species-rich, fire-prone Mediterranean-type shrubland in Western Australia. We developed a spatially explicit simulation model to explore the community dynamics of 38 PFTs, defined by seven traits - regeneration mode, seed production, seed size, maximum crown diameter, drought tolerance, dispersal mode and seed bank type - representing 78 woody species. Model parameterisation is based on published and unpublished data on the population dynamics of shrub species collected over 18 years. Simulation experiments are based on two contrasting seed immigration scenarios: (1) the 'equal seed input number' scenario, where the number of immigrant seeds is the same for all PFTs, and (2) the 'equal seed input mass' scenario, where the cumulative mass of migrating seeds is the same for all PFTs. Both scenarios were systematically tested and compared for different overall seed input values. Without immigration the local community drifts towards a state with only 13 coexisting PFTs. With increasing immigration rates in terms of overall mass of seeds the simulated number of coexisting PFTs and Shannon diversity quickly approaches values observed in the field. The equal seed mass scenario resulted in a more diverse community than did the seed number scenario. The model successfully approximates the frequency distributions (relative densities) of all individual plant traits except seed size for scenarios associated with equal seed input mass and high immigration rate. However, no scenario satisfactorily approximated the frequency distribution for all traits in combination. Our results show that regional seed input can explain the more aggregated measures of local community structure, and some, but not all, aspects of community composition. This points to the possible importance of other (untested) processes and traits (e.g., dispersal vectors) operating at the local scale. Our modelling framework can readily allow new factors to be systematically investigated, which is a major advantage compared to previous simulation studies, as it allows us to find structurally realistic models, which can address questions pertinent to ecological theory and to conservation management. Y1 - 2008 UR - http://www.sciencedirect.com/science/journal/03043800 U6 - https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2008.01.014 SN - 0304-3800 ER - TY - JOUR A1 - Lettow, Julia A1 - Wendland, Mirko A1 - Ebel, Karina A1 - Haack, Johannes A1 - Esther, Alexandra A1 - Klauss, Frank A1 - Angelow, Jürgen T1 - Portal = Exzellente Geistesleistungen: Die Kognitionswissenschaften BT - Das Potsdamer Universitätsmagazin N2 - Aus dem Inhalt: - Exzellente Geistesleistungen: Die Kognitionswissenschaften - Studierende werben Schüler - Uni fördert Spitzensportler T3 - Portal: Das Potsdamer Universitätsmagazin - 04-06/2008 Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440149 SN - 1618-6893 IS - 04-06/2008 ER - TY - JOUR A1 - Tews, Jörg A1 - Esther, Alexandra A1 - Milton, Sue J. A1 - Jeltsch, Florian T1 - Linking a population model with an ecosystem model : assessing the impact of land use and climate change on savanna shrub cover dynamics N2 - In semiarid savannas of Southern Africa current land use practices and climate change may lead to substantial changes of vegetation structure in the near future, however uncertainty remains about the potential consequences and the magnitude of change. In this paper we study the impact of climate change, cattle grazing, and wood cutting on shrub cover dynamics in savannas of the southern Kalahari. We use an established savanna ecosystem model to simulate landscape dynamics in terms of rainfall, fire and distribution of the dominant tree Acacia erioloba. We then incorporate these data into a spatial population model of the common, fleshy-fruited shrub Grewia flava and investigate shrub cover dynamics for a period of 100 years. Depending on the intensity of commercial wood cutting practices tree removal of A. erioloba led to a strong decline of the G. flava population, as shrub recruitment is concentrated in tree sub-canopies due to bird-mediated seed dispersal. Under climate change shrub cover slightly decreased with decreasing precipitation and was unchanged with increase in precipitation variability. Contrarily, grazing by cattle strongly increased shrub cover and facilitated shrub encroachment because of cattle-induced distribution of G. flava seeds into the matrix vegetation. Knowledge of the latter process is particularly important because shrub invasion is a major concern for conservation and savanna rangeland management as a result of its adverse effects on livestock carrying capacity and biodiversity Y1 - 2006 UR - http://www.mendeley.com/research/linking-a-population-model-with-an-ecosystem-model-assessing-the-impact- of-land-use-and-climate-change-on-savanna-shrub-cover-dynamics/#page-1 U6 - https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.11.025 ER - TY - THES A1 - Esther, Alexandra T1 - Modellgestützte Untersuchungen zum Überleben einer Steinkauzpopulation (Athene noctua) in Thüringen T1 - Modelling study of a Little Owl (Athene noctua) population in Thuringia, Germany N2 - Der Rückgang des Steinkauzes (Athene noctua) hat in Thüringen und Sachsen seit den 60er Jahren dramatische Ausmaße angenommen. In den 50er Jahren noch flächendeckend beobachtet, wurden für das Jahr 2000 nur noch 18 Individuen durch Bestandserfassungen registriert. Die vielfach diskutierten Rückgangsursachen beziehen sich vor Allem auf die großflächige Änderung der Landschaftsstrukturen, die zum Verlust der Lebensgrundlagen des Steinkauzes führten. So haben u.a. der Verlust an Brut- und Vorratshöhlen und an ganzjährig kurzgehaltenen Grünlandflächen, sowie der zunehmende Einfluss von Prädatoren erheblich zum Rückgang beigetragen. Eingeleitete Schutzmaßnahmen, ehrenamtlich oder auf dem allgemeinen Naturschutzprogramm des Freistaates Thüringen beruhend, wie das Anbringen von Nisthilfen mit Marderschutz oder Pflegeverträge für Streuobstwiesen, zeigen bisher keine sichtbare Wirkung. Als weitergehende Maßnahmen stehen die Reduzierung von Füchsen (Vulpes vulpes) und Steinmardern (Martes foina), Ausbreitungskorridore für Steinkäuze und ein Auswilderungsprogramm zur Diskussion. Angesichts des Populationsrückgangs des Steinkauz war es Aufgabe dieser Arbeit durch ein Simulationsmodell Untersuchungen zum Überleben einer Steinkauzpopulation (Athene noctua) in Thüringen durchzuführen. Die zusammengetragenen Bestandszahlen ergaben geringe Individuenzahlen in den thüringischen Landkreisen Altenburger Land, Greiz und der Stadt Gera sowie in den sächsischen Landkreisen Chemnitzer Land und Mittweida. Die Bestandszahlen der Jahre 1989-2001, sowie weitere der Literatur entnommene Daten zum populationsökologischen Hintergrund, wie auch Analysen des Gebietes in Thüringen und Sachsen und dessen besetzter Reviere der Jahre 1989- 2001, wurden in ein stochastisches, räumlich-explizites, auf Individuen basierendes Simulationsmodell eingebracht. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die beruhend auf den erfassten Populationsentwicklungen in Thüringen und Sachsen und auf Literaturangaben, ausgewählte Parameterkonstellationen für die Untersuchungenergab. Die Untersuchungen zum Überleben vor dem Hintergrund möglicher Gefährdungsfaktoren und zur Ermittelung des Nutzens von Managementoptionen, wurden mit Schwerpunkten auf „Prädation“, „Habitatverbesserung“ und „Auswilderung“ durchgeführt. Als Ergebnis der Simulationen kam heraus, dass die Prädation keinen großen Einfluss auf das Überleben der Population hat, und Schutzmaßnahmen die Chancen für das Überleben der Population nicht erhöhen würden. Habitatverbesserungen, die die Juvenilen animieren sich im Umkreis von bis zu 5 km vom elterlichen Revier anzusiedeln, würden aber deutlich zum Überleben der Population, auch in längerfristiger Perspektive, beitragen. Habitatverbesserungen, die zu weiter entfernteren Ansiedlungen animieren, könnten sich dagegen ungünstig auf das Überleben der Population auswirken. Für eine mögliche Auswilderung als Schutzmaßnahme ergab sich im Modell, dass eine Auswilderung von 5 Individuen pro Jahr über einen Zeitraum von 5 Jahren, die Überlebenswahrscheinlichkeit kurzfristig deutlich verbessern würde. Es ergab sich allerdings kein Unterschied, ob 5, 10 oder 15 Individuen ausgewildert werden. Eine länger durchgeführte Auswilderung würde vermutlich die Überlebenswahrscheinlichkeit entsprechend langfristiger verbessern. KW - räumlich explizit KW - indivuduenbasiert KW - Simulationsmodell KW - Management KW - spatially-explicit KW - individual based KW - simulation modell KW - management Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-44519 ER -