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Pollinator trait diversity: functional implications at different land-use intensities and environmental conditions

Kühsel, Sara :
Pollinator trait diversity: functional implications at different land-use intensities and environmental conditions.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Pollinator trait diversity: functional implications at different land-use intensities and environmental conditions
Language: English
Abstract:

It is increasingly noticed that species richness alone is not a sufficient predictor of ecosystem functioning and resilience. The diversity of species responses to environmental variation could be a stabilizing factor to ecosystems, as it can ensure a higher probability that at least some species continue to perform their functions even at unfavorable conditions. Specific functional traits (morphological-, physiological- or life-history traits) could be more beneficial in some habitats and under certain conditions, than others. When species with particular traits and responses to environmental variation are lost, this may cause changes in ecosystem processes and thus have profound consequences for services that humans depend on. It is critical that we understand how these different issues of species diversity influence the role of organisms in ecosystem functioning and resilience. Therefore, we investigated the response diversity and functional traits in pollinator communities experiencing different land-use intensities and varying environmental conditions in three studies. The first study focuses on the variation of thermal niches of pollinator communities and whether the diversity of thermal responses and the projected thermal resilience are affected by land-use intensity. We recorded pollinator communities including flies, bees, beetles and butterflies (511 species) in 40 grasslands at various weather conditions and determined the thermal niche of each species. Temperature generally explained 84% of the variation in pollinator activity. Species in more intensively used grasslands had broader thermal niches and were also more complementary in their thermal optima. Quantified thermal resilience increased with land-use intensification mainly driven by flies that prefer cooler temperatures and compensated for losses of other taxa. We show that the diversity of thermal responses of pollinators contributes to a higher projected resilience of ecosystems under land-use change. The second study addressed to the variability in water loss as physiological trait of pollinators that can influence many aspects of species performance. In the view of ongoing climate change, associated with rising temperatures and longer periods of dryness, water loss can be crucial. We measured water loss of 67 pollinator species gravimetrically at extremely dry air conditions for two hours at 15° and 30°C. To investigate differences in water loss of pollinators, we quantified for the first time surface to volume ratios (SA/V ratios) of insects, by creating 3D surface models as obtained by structured light scanning methods. Quantified SA/V ratios better explained the variation in water loss across species than body mass alone. Small insects with a proportionally larger surface area had the highest water loss rates and, therefore, are most vulnerable to high temperatures and dryness. The four orders did not differ significantly. Directly measured SA/V ratios thus provide a promising method to predict physiological responses of insects, improving the potential of extrapolated relative changes of SA/V ratios based on body mass allometry alone. The third study shows how morphological traits of pollinator communities are filtered by land-use intensity. We recorded pollinator communities on 40 grassland sites along a land-use gradient and measured several morphological characteristics of 476 pollinator species. Community means of body size, hairiness, relative wing size and proboscis length decreased with land-use intensity, although species diversity remain constant. Relative femur length, eye size, antenna length and mandible length were unaffected by land-use. The variation in size of head and relative size of wings and eyes increased with land-use intensity. Shifts in trait means with land-use intensity strongly correspond to shifts in relative abundance of insect orders, whereas consistent land-use changes were rarely found within an order. These findings highlight that functional traits may be more sensible indicators of land-use effects than species diversity alone, and many of these traits can be relevant for ecosystem functionality. Taken together, quantifying the diversity of responses and mean functional traits of pollinator communities is a promising approach to assess the vulnerability of ecosystems to land-use intensification and climate change. Knowledge about the vulnerability of communities to several factors and the potential for predictions enables us to initiate steps for protection, rather than just documenting the negative impact of already occurred disturbances. And unlike a community of specific species, functional traits can be easily generalized across functional groups and extrapolated to different regions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Es wird zunehmend festgestellt, dass die Anzahl der Arten eine Ökosystems allein kein ausreichender Prädiktor sein Funktionieren und die Resilienz ist. Die Diversität der Reaktionen von Arten auf Umweltschwankungen (im Folgenden bezeichnet als „response diversity“) könnte ein stabilisierender Faktor für Ökosysteme sein, da sie eine höhere Wahrscheinlichkeit gewährleistet, dass zumindest einige Arten ihrer Funktion nachkommen können, auch wenn die Bedingungen ungünstig sind. Spezifische funktionelle Merkmale (morphologische, physiologische oder lebensgeschichtliche) könnten in bestimmten Lebensräumen und bei speziellen Bedingungen, gegenüber anderen von Vorteil sein. Wenn Arten mit speziellen Merkmalen und Reaktionen auf Umweltveränderungen verloren gehen, kann das Änderungen in Ökosystemprozessen auslösen und so tiefgreifende Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen haben, von denen Menschen abhängig sind. Es ist entscheidend, das wir den Einfluss von diesen verschiedenen Aspekten von Diversität und ihre Rolle für das Funktionieren und die Resilienz von Ökosystemen verstehen. Daher untersuchen wir mithilfe von drei Studien die „response diversity“ und funktionelle Merkmale von Bestäubergemeinschaften, die unterschiedlichen Landnutzungsintensitäten und schwankenden Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Die erste Studie konzentriert sich auf die Variation von Temperaturnischen von Bestäubern und ob die Diversität der Reaktionen auf Temperatur sowie die thermische Resilienz von der Landnutzungsintensität beeinflusst werden. Wir haben Bestäubergemeinschaften inklusive Fliegen, Bienen, Schmetterlinge und Käfer (511 Arten) auf 40 Grünlandflächen bei unterschiedlichen Wetterbedingungen erfasst und die Temperaturnische von jeder Art ermittelt. Die Temperatur erklärte generell 84% der Variation in der Bestäuberaktivität. Arten in intensiver genutztem Grünland haben dabei breitere Temperaturnischen und sind komplementärer in ihrem Temperaturoptimum. Die quantifizierte thermische Resilienz stieg mit der Landnutzung, was hauptsächlich von den Fliegen verursacht wurde, die kühlere Temperaturen bevorzugen und die Verluste der anderen Taxa kompensierten. Dies zeigt, dass die „response diversity“ zu einer voraussichtlich höheren Resilienz von Ökosystemen beitragen kann, die Landnutzungsänderungen unterliegen. Die zweite Studie befasst sich mit der Variabilität des Wasserverlustes als physiologische Eigenschaft der Bestäuber, der viele Aspekte der Leistungsfähigkeit von Arten beeinflussen kann. Im Rahmen des fortschreitenden Klimawandels, der einhergeht mit steigenden Temperaturen und längeren Trockenperioden, kann hoher Wasserverlust zum Problem werden. Wir haben den Wasserverlust von 67 Bestäuberarten während 2 Stunden bei 15°C und bei 30°C und extrem trockener Luft gravimetrisch gemessen. Um die Unterschiede im Wasserverlust zu untersuchen, haben wir zum ersten Mal Oberflächen-Volumen Verhältnisse (A/V-Verhältnisse) von Insekten quantifiziert. Dafür wurden mit Hilfe der „Structured-Light-Technologie“ 3D-Oberflächenmodelle erstellt. Die berechneten A/V-Verhältnisse erklären die Schwankungen im Wasserverlust zwischen den Arten besser, als die Körpermassen allein. Kleine Insekten mit ihrer verhältnismäßig großen Oberfläche wiesen die höchsten Wasserverlustraten auf und sind daher am empfindlichsten gegenüber hohen Temperaturen und Trockenheit. Die vier Insektenordnungen unterschieden sich nicht signifikant. Die direkt gemessenen A/V-Verhältnisse stellen eine vielversprechende Methode dar, um physiologische Reaktionen von Insekten vorherzusagen und verbessern die Möglichkeiten der Körpermassen-Allometrie relative Änderungen der A/V-Verhältnisse vorherzusagen. Das Kapitel IV zeigt, dass morphologische Merkmale von Bestäubergemeinschaften von der Landnutzungsintensität gefiltert werden. Wir haben Bestäubergemeinschaften auf 40 Gründlandflächen entlang eines Landnutzungsgradienten erfasst und verschiedene morphologische Merkmale von 476 Bestäuberarten vermessen. Die mittlere Körpergröße, Behaarung, relative Flügelgröße und Rüssellänge der Gemeinschaften sank mit der Landnutzungsintensität, obwohl die Anzahl der Arten konstant blieb. Die relative Größe der Femora, Augen, Antennen und Mandibeln wurden nicht von der Landnutzung beeinflusst. Die Variabilität der Kopfgröße und der relativen Größe von Flügeln und Augen stieg mit der Landnutzung. Die Verschiebung der Merkmals-Mittelwerte mit der Landnutzungsintensität deckte sich stark mit Verschiebungen in der relativen Abundanz der Insektenordnungen, wohingegen innerhalb der Ordnungen kaum Änderungen zu verzeichnen waren. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass verschiedene funktionelle Merkmale sinnvollere Indikatoren von Landnutzungseffekten sind, als die Artenzahl allein. Zusammen genommen ist die Erfassung der „response diversity“ und der Mittelwerte von funktionellen Merkmalen einer Gemeinschaft ein vielversprechender Ansatz um die Sensitivität eines Ökosystem gegenüber der Intensivierung der Landwirtschaft und dem Klimawandel abzuschätzen. Das Wissen über die Sensitivität von Gemeinschaften gegenüber verschiedenen Faktoren sowie das Potenzial Vorhersagen zu machen, ermöglicht uns Schritte zum Schutz einzuleiten, anstatt nur die negativen Einflüsse von bereits aufgetretenen Störungen zu dokumentieren. Und anders als spezifische Artgemeinschaften, können funktionelle Merkmale einfach über verschiedene funktionelle Gruppen hinweg verallgemeinert und in verschiedenen Regionen angewendet werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Synthetic Ecological Networks
Date Deposited: 30 Dec 2015 14:08
Last Modified: 05 Jan 2016 14:26
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52147
Referees: Blüthgen, Prof Nico and Jürgens, Prof Andreas
Refereed: 6 November 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5214
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