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Collembola in a plant diversity gradient: Interactions between the aboveground and belowground system

Sabais, Alexander Christian Wolf :
Collembola in a plant diversity gradient: Interactions between the aboveground and belowground system.
TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Collembola in a plant diversity gradient: Interactions between the aboveground and belowground system
Language: English
Abstract:

During the past few decades, there has been growing understanding that human well-being is fundamentally linked to the state of the environment. The rapid decline of global biodiversity and its consequences for ecosystem functioning therefore has become a focal point of scientific interest and prompted a multitude of biodiversity studies aiming to investigate the complex relationship between plant species richness and ecosystem functioning in terrestrial grassland ecosystems. However, the majority of these studies predominantly focused on the aboveground aspects of terrestrial ecosystems such as plant productivity, neglecting the role of the belowground decomposer community as an important driver of fundamental ecosystem processes. Soil microorganisms and decomposer animals control decomposition processes and nutrient mineralization in soil, processes that are key determinants for plant performance and ecosystem functioning. Collembola are among the most important microarthropods in terrestrial ecosystems as they are known to affect ecosystem processes and plant nutrition by a variety of direct and indirect mechanisms. The present thesis was conducted within the framework of the Jena Experiment, a large biodiversity experiment aiming to investigate the impacts of declining plant diversity on ecosystem processes and trophic interactions in grassland ecosystems. The overall objective of my thesis was to investigate the effects of plant species richness, plant functional group richness and particular plant functional groups on Collembola communities in temperate grassland and to explore the main mechanisms by which Collembola in turn affect plant communities. These questions were addressed in a field study and two greenhouse experiments. The intentions of the field study were to assess the effects of plant species richness, plant functional group richness and plant functional identity on the structure of Collembola communities in temperate grassland and if plant community effects on Collembola vary with season. Collembola density and diversity significantly increased with plant species and plant functional group richness, highlighting the importance of the singular hypothesis for soil invertebrates. Generally, grasses and legumes beneficially affected Collembola density and diversity, whereas effects of small herbs usually were detrimental. These impacts were largely consistent in spring and autumn. The results indicate a distinct time-lag of the response of Collembola to vegetation manipulations, suggesting that effects of plant functional group identity on the belowground system are more immediate whereas effects of plant species and plant functional group richness will become important in the long-term. The first greenhouse experiment investigated how plant productivity and decomposition processes are influenced by Collembola diversity and if effects of Collembola vary with plant functional group identity. Collembola decreased soil surface litter decomposition whereas root litter decomposition was enhanced. Furthermore, Collembola diversity changed root depth distribution in a plant functional group specific way, indicating distinct changes in plant competition due to changes in Collembola diversity and composition. However, effects of Collembola on plant performance appeared to be idiosyncratic and point to strong context-dependent interactions among Collembola species, such as facilitation or competition for nutrients and living space. The results therefore suggest that changes in Collembola diversity may have unpredictable consequences for ecosystem functioning. The aim of the second greenhouse experiment was to investigate effects of Collembola and arbuscular-mycorrhizal fungi (AMF) on plant competition and the performance of Lolium perenne, Plantago lanceolata and Trifolium pratense representing three dominant plant functional groups (grasses, herbs and legumes). Further, we investigated variations in Collembola performance and AMF colonization rates of plant roots as influenced by the different plant communities. Collembola did not affect total colonization of roots by AMF but increased the number of mycorrhizal vesicles in P. lanceolata. AMF and Collembola both enhanced the amount of N and P in plant shoot tissue, but impacts of Collembola were less pronounced in the presence of AMF. Overall, the results suggest that AMF and Collembola interact in affecting plant competition. Presence of AMF modulated plant specific effects on Collembola and increased the competitiveness of P. lanceolata and T. pratense against L. perenne, pointing to a loose inter-kingdom mutualistic relationship between plant, mycorrhiza and Collembola. The results demonstrate that Collembola and AMF interactively impact the competition between plant species by differentially but concordantly affecting nutrient acquisition of the plant. The insights of the present thesis corroborate the importance of the belowground community for ecosystem functioning and human well-being by highlighting the interactions within the different levels of soil biota.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Während der letzten Jahrzehnte hat die Einsicht zugenommen, dass das Wohlergehen der Menschheit grundlegend vom Zustand der Umwelt abhängt. Der rasante globale Biodiversitätsverlust sowie die sich daraus ergebenden Konsequenzen für Ökosystemprozesse sind daher in den Fokus der Wissenschaft gerückt und haben zu einer Vielzahl von Biodiversitätsexperimenten geführt, um die komplexen Zusammenhänge zwischen Pflanzenartenreichtum und Ökosystemprozessen in terrestrischen Graslandgesellschaften zu untersuchen. Die Mehrzahl dieser Studien konzentrierte sich allerdings nur auf bestimmte Aspekte terrestrischer Ökosysteme, wie zum Beispiel Pflanzenproduktivität, und vernachlässigte dabei die fundamentale Rolle des unterirdischen Zersetzersystems für die Steuerung von Ökosystemprozessen. Mikroorganismen und Bodentiere steuern Zersetzungsprozesse und Nährstoffkreisläufe, welche als Schlüsselprozesse für die Produktivität und das Funktionieren von Ökosystemen angesehen werden. Collembolen gehören zu den wichtigsten Mikroarthropoden in terrestrischen Ökosystemen, da sie Ökosystemprozesse und die Nährstoffversorgung von Pflanzen durch eine Vielzahl direkter und indirekter Wechselwirkungen beeinflussen können. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Jena Experiments erstellt, einem großen Biodiversitätsexperiment, in dem die Auswirkungen abnehmender Pflanzendiversität auf Ökosystemprozesse und trophische Interaktionen in einem Graslandökosystem untersucht werden. Die übergeordnete Zielsetzung meiner Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen abnehmender Pflanzendiversität und Anzahl bzw. Identität bestimmter funktioneller Pflanzengruppen auf Collembolengemeinschaften in gemäßigten Graslandsystemen. Zudem sollten die wesentlichen Mechanismen erforscht werden, durch welche Collembolen Pflanzengesellschaften beeinflussen. Um diese Fragestellungen zu beantworten, wurden im Rahmen meiner Promotion ein Feldversuch und zwei Gewächshausexperimente durchgeführt. Das Ziel des Feldversuchs war es, die Einflüsse von Pflanzenartenzahl, Anzahl funktioneller Pflanzengruppen und der Identität bestimmter funktioneller Pflanzengruppen auf Collembolengemeinschaften zu untersuchen, und herauszufinden, ob es saisonale Variationen im Einfluss der Pflanzengesellschaft auf die Collembolen gibt. Sowohl Dichte als auch Diversität der Collembolengemeinschaft stiegen mit zunehmendem Pflanzenartenreichtum und Anzahl funktioneller Pflanzengruppen an, was auf die Wichtigkeit der „Singular-Hypothese“ für Bodeninvertebraten hindeutet. Grundsätzlich übten Gräser und Leguminosen einen positiven Einfluss auf Collembolen aus, während die Anwesenheit von kleinen Kräutern in der Regel nachteilig war. Darüber hinaus waren diese Einflüsse im Frühjahr und im Herbst überwiegend einheitlich. Die Ergebnisse weisen zudem auf eine ausgeprägte zeitliche Verzögerung der Collembolenreaktion auf Vegetationsmanipulationen hin, was vermuten lässt, dass Effekte bestimmter funktioneller Pflanzengruppen vergleichsweise unmittelbar erfolgen, während die Einflüsse von Pflanzenartenreichtum und Anzahl funktioneller Pflanzengruppen mehr Zeit brauchen, um sichtbare Auswirkungen zu zeigen. Im ersten Gewächshausexperiment wurde untersucht, auf welche Weise Pflanzenwachstum und Zersetzungsprozesse durch Collembolendiversität beeinflusst werden und ob sich Effekte von Collembolen auf Pflanzen verschiedener funktioneller Gruppen unterscheiden. Es stellte sich heraus, dass die Zersetzung von Oberflächenstreu in Anwesenheit von Collembolen reduziert wurde, während die Zersetzung von Wurzelstreu beschleunigt wurde. Zudem änderte die Anwesenheit von Collembolen die Durchwurzelungstiefe der Pflanzen in Abhängigkeit ihrer funktionellen Identität, was auf eine ausgeprägte Veränderung der Konkurrenzverhältnisse zwischen Pflanzen aufgrund von Veränderungen in Diversität und Zusammensetzung der Collembolengemeinschaft hindeutet. Die teilweise idiosynkratischen Effekte von Collembolen auf das Wachstum der Pflanzen deuten allerdings auf ausgeprägte, kontextabhängige Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Arten hin, wie Förderung oder Konkurrenzkampf um Nahrung oder Lebensraum. Die Ergebnisse dieses Gewächshausexperiments zeigen, dass Veränderungen in der Diversität von Collembolengemeinschaften unvorhersehbare Auswirkungen auf Ökosystemprozesse haben können. Das Ziel des zweiten Gewächshausexperiments war es, die Einflüsse von Collembolen und arbuskulären Mykorrhizapilzen auf das Wachstum und die Konkurrenzbeziehungen von Lolium perenne, Plantago lanceolata und Trifolium pratense zu erkunden, welche drei dominante funktionelle Pflanzengruppen des Jena Experiments (Gräser, Kräuter und Leguminosen) repräsentieren. Des Weiteren wurde untersucht, inwieweit sich die verschiedenen Pflanzengesellschaften auf das Wachstum der Collembolen und die Mykorrhizierungsrate der Pflanzenwurzeln auswirken. Die Anwesenheit von Collembolen hatte zwar keine Auswirkungen auf die Mykorrhizierungsrate der Pflanzenwurzeln, erhöhte aber die Anzahl der Vesikel in P. lanceolata. Sowohl Mykorrhiza als auch Collembolen erhöhten die Stickstoff- und Phosphatmengen im Pflanzensprossgewebe; in Anwesenheit von Mykorrhiza waren die Effekte von Collembolen allerdings weniger stark ausgeprägt, als ohne die Pilze. Es konnte gezeigt werden, dass sich Mykorrhizapilze und Collembolen in ihrer Wirkung auf Konkurrenzbeziehungen zwischen Pflanzen wechselseitig beeinflussen. Mykorrhizapilze modulierten pflanzenspezifische Einflüsse auf Collembolen und erhöhten die Konkurrenzkraft von P. lanceolata und T. pratense gegenüber L. perenne, was auf eine mutualistische Beziehung zwischen Pflanzen, Mykorrhiza und Collembolen hindeutet. Die gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass Collembolen und Mykorrhizapilze in der Lage sind, durch ihr Zusammenwirken pflanzliche Konkurrenzbeziehungen zu verändern, indem sie die Nährstoffaufnahme der Pflanzen auf verschiedene aber gleichgerichtete Weise beeinflussen. Durch das Hervorheben komplexer Wechselwirkungen untermauern die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit die Wichtigkeit des unterirdischen Zersetzersystems für den Ablauf essenzieller Ökosystemprozesse.German
Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Collation: XXIV, 135 S.
Uncontrolled Keywords: Biodiversity, Collembola, Springtails, Plant Species Richness, Plant Functional Groups, Diversity, Mykorrhiza, The Jena Experiment, Greenhouse Experiment
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Biodiversität, Collembolen, Springschwänze, Diversität, Mykorrhiza, Das Jena Experiment, GewächshausexperimentGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: Biology
Date Deposited: 29 May 2012 09:12
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29900
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Blüthgen, Prof. Dr. Nico and Schwabe-Kratochwil, Prof. Dr. Angelika and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 16 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2990
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