TY - JOUR A1 - Leins, Johannes A. A1 - Grimm, Volker A1 - Drechsler, Martin T1 - Large-scale PVA modeling of insects in cultivated grasslands BT - the role of dispersal in mitigating the effects of management schedules under climate change JF - Ecology and evolution N2 - In many species, dispersal is decisive for survival in a changing climate. Simulation models for population dynamics under climate change thus need to account for this factor. Moreover, large numbers of species inhabiting agricultural landscapes are subject to disturbances induced by human land use. We included dispersal in the HiLEG model that we previously developed to study the interaction between climate change and agricultural land use in single populations. Here, the model was parameterized for the large marsh grasshopper (LMG) in cultivated grasslands of North Germany to analyze (1) the species development and dispersal success depending on the severity of climate change in subregions, (2) the additional effect of grassland cover on dispersal success, and (3) the role of dispersal in compensating for detrimental grassland mowing. Our model simulated population dynamics in 60-year periods (2020-2079) on a fine temporal (daily) and high spatial (250 x 250 m(2)) scale in 107 subregions, altogether encompassing a range of different grassland cover, climate change projections, and mowing schedules. We show that climate change alone would allow the LMG to thrive and expand, while grassland cover played a minor role. Some mowing schedules that were harmful to the LMG nevertheless allowed the species to moderately expand its range. Especially under minor climate change, in many subregions dispersal allowed for mowing early in the year, which is economically beneficial for farmers. More severe climate change could facilitate LMG expansion to uninhabited regions but would require suitable mowing schedules along the path. These insights can be transferred to other species, given that the LMG is considered a representative of grassland communities. For more specific predictions on the dynamics of other species affected by climate change and land use, the publicly available HiLEG model can be easily adapted to the characteristics of their life cycle. KW - bilinear interpolation KW - climate change KW - dispersal success KW - land use KW - large marsh grasshopper KW - spatially explicit model Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/ece3.9063 SN - 2045-7758 VL - 12 IS - 7 PB - Wiley CY - Hoboken ER - 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 - Lachmuth, Susanne A1 - Henrichmann, Colette A1 - Horn, Juliane A1 - Pagel, Jörn A1 - Schurr, Frank M. T1 - Neighbourhood effects on plant reproduction BT - an experimental-analytical framework and its application to the invasive Senecio inaequidens JF - The journal of ecology N2 - Density dependence is of fundamental importance for population and range dynamics. Density-dependent reproduction of plants arises from competitive and facilitative plant-plant interactions that can be pollination independent or pollination mediated. In small and sparse populations, conspecific density dependence often turns from negative to positive and causes Allee effects. Reproduction may also increase with heterospecific density (community-level Allee effect), but the underlying mechanisms are poorly understood and the consequences for community dynamics can be complex. Allee effects have crucial consequences for the conservation of declining species, but also the dynamics of range edge populations. In invasive species, Allee effects may slow or stop range expansion. Observational studies in natural plant communities cannot distinguish whether reproduction is limited by pollination-mediated interactions among plants or by other neighbourhood effects (e.g. competition for abiotic resources). Even experimental pollen supply cannot distinguish whether variation in reproduction is caused by direct density effects or by plant traits correlated with density. Finally, it is unknown over which spatial scales pollination-mediated interactions occur. To circumvent these problems, we introduce a comprehensive experimental and analytical framework which simultaneously (1) manipulates pollen availability and quality by hand pollination and pollinator exclusion, (2) manipulates neighbourhoods by transplanting target plants, and (3) analyses the effects of con- and heterospecific neighbourhoods on reproduction with spatially explicit trait-based neighbourhood models. Synthesis. By manipulating both pollen availability and target plant locations within neighbourhoods, we can comprehensively analyse spatially explicit density dependence of plant reproduction. This experimental approach enhances our ability to understand the dynamics of sparse populations and of species geographical ranges. KW - Allee effect KW - biological invasion KW - competition KW - density dependence KW - facilitation KW - plant-plant interactions KW - pollination KW - reproductive success KW - spatially explicit model KW - trait-based neighbourhood model Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1111/1365-2745.12816 SN - 0022-0477 SN - 1365-2745 VL - 106 IS - 2 SP - 761 EP - 773 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - GEN A1 - Köchy, Martin A1 - Mathaj, Martin A1 - Jeltsch, Florian A1 - Malkinson, Dan T1 - Resilience of stocking capacity to changing climate in arid to Mediterranean landscapes N2 - Small livestock is an important resource for rural human populations in dry climates. How strongly will climate change affect the capacity of the rangeland? We used hierarchical modelling to scale quantitatively the growth of shrubs and annual plants, the main food of sheep and goats, to the landscape extent in the eastern Mediterranean region. Without grazing, productivity increased in a sigmoid way with mean annual precipitation. Grazing reduced productivity more strongly the drier the landscape. At a point just under the stocking capacity of the vegetation, productivity declined precipitously with more intense grazing due to a lack of seed production of annuals. We repeated simulations with precipitation patterns projected by two contrasting IPCC scenarios. Compared to results based on historic patterns, productivity and stocking capacity did not differ in most cases. Thus, grazing intensity remains the stronger impact on landscape productivity in this dry region even in the future. N2 - Kleinvieh ist eine wichtige Lebensgrundlage für die Landbevölkerung in trockenen Regionen. Wie stark wird sich der Klimawandel auf die Tragfähigkeit der Weideflächen auswirken? Wir benutzten hierarchische Modellierung, um das Wachstum von Sträuchern und einjährigen Kräutern, das wichtigste Futter für Ziegen und Schafe, quantitativ auf die Fläche von Landschaften in der östlichen Mittelmeerregion zu dimensionieren. Die Produktivität ohne Beweidung stieg sigmoidal mit dem mittleren Jahresniederschlag. Je trockener die Landschaft, desto stärker verminderte Beweidung die Produktion. An einem Punkt knapp unter der Tragfähigkeit der Vegetation, sank die Produktion stark mit zunehmender Beweidung, weil die Samenproduktion der Kräuter zu gering war. Wir wiederholten die Simulationen mit Niederschlagsverteilungsmustern gemäß zweier gegensätzlicher IPCC-Szenarien. Zukünftige Produktivität und Tragfähigkeit unterschieden sich in den meisten Fällen nicht von Ergebnissen auf Grund von historischer Niederschlagsverteilung. Allerdings war die zukünftige Produktivität in trockenen Habitaten der semiariden und trocken-mediterranen Regionen niedriger. Somit hat auch in Zukunft die Besatzdichte die größere Auswirkung auf die Produktivität dieser trockenen Landschaft als das Klima. "This abstract is provided by the authors, and is for convenience of the users only. The author certifies that the translation faithfully represents the official version in the language of the journal, which is the published Abstract of record and is the only Abstract to be used for reference and citation." T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 066 KW - topography KW - spatially explicit model KW - climate change KW - Middle East KW - stocking capacity Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18720 ER -