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Land use and climate change: Anthropogenic effects on arthropod communities and functional traits

Mangels, Jule-Kristin :
Land use and climate change: Anthropogenic effects on arthropod communities and functional traits.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Land use and climate change: Anthropogenic effects on arthropod communities and functional traits
Language: English
Abstract:

Today, the world’s surface is strongly influenced by human activities and thus the present-day geological era has been termed the Anthropocene. One of the strongest anthropogenic drivers is land use influencing habitats and species worldwide. Additionally, global climate is shaped by human activities, and since climatic conditions have strong effects on the distribution and fitness of organisms, this is the also one of the most important anthropogenic impacts on ecosystems. Hence, both factors affect diversity of species and habitats, but also ecosystem functioning and services. Analysing species diversity is a well-established method to draw conclusions on ecosystem functioning, because the stability of ecosystems increases with species richness and abundance. It is also possible to measure species’ responses in ecosystems, using functional diversity as a predictor. Species traits are features or measurable properties that may be related to the effect or response of a species in an ecosystem (e.g. nutrition specialisation or distribution) and play an important role to determine functional diversity. In this thesis, I analyse and combine the effects of land use and temperature on arthropods in general but also on moths as a case study, which is an unattended but diverse taxonomic group. I consider different levels as (1) Arthropod communities in general, (2) moths as a functional group, (3) morphological variability of single species, and (4) physiological variability of single individuals and show how specialists and generalists differ in their response and effect traits and how these differences have effects on the different levels. Main parts of this thesis were performed in the Biodiversity-Exploratories, a research platform that focuses on effects of land-use intensity on biodiversity and ecological processes in forests and grasslands in three different regions in Germany The first study focussed on beech herbivory affected by harvesting intensity and beech dominance. For this purpose, we determined leaf damage and collected Arthropod herbivores in three different regions distributed across Germany. The results suggest a general negative effect of intensive land-use on forest herbivores and the strongest negative effect appeared early in the growing season. For the second and third study, we collected more than 5000 moths from the same three regions, and focussed on grasslands. We determined 461 different species, assigned several interspecific life-history traits (describing specialisation on resources or reproductive strategies), and additionally measured morphological traits (body mass and wing area) of more than 2000 individuals. In the second study, we analysed the effect of land-use intensity (as grazing, mowing and fertilisation) on species diversity and trait composition in moth communities. With increasing land-use intensity, a general decrease of species diversity across all regions was apparent, but also a shift to generalised species, which leads to functional homogenisation in ecosystems. Mowing had the strongest negative effect. The third study focused on intraspecific effects based on morphological changes with increasing land-use intensity. We found several species that benefit from the application of fertilisers due to an increasing body mass, which enhances reproduction success of insects. Such species are mostly generalists, but were still not able to increase their abundance in stronger managed habitats in contrast to other species. In the fourth study, we analysed transpiration and metabolic rate from 557 different arthropod individuals of forest and grassland sites. For this I developed a simple and effective method to measure water loss of several samples within a short period, which we describe in detail in this chapter. Specimen from grassland sites, representing arid habitats in contrast to forests, show generally lower water loss rates. These species developed strategies decreasing cuticular transpiration, resulting in a higher effect of respiratory transpiration on total water loss. In the fifth study, we kept caterpillars of 30 species in different temperature treatments analysing the survival and growth rate in response to the surrounding temperature. Additionally we measured transpiration and metabolic rate. All species showed in general a lower survival rate and increasing growth, transpiration and metabolic rate with higher temperature and especially specialists face a higher risk from increasing temperature. Hence, this thesis shows similar effects of land use and climate change, as both drivers lead to a general loss of diversity and a shift towards more generalistic communities. Communities of specialists are, however, important to decrease homogenisation and thus receive ecosystem functions. These results provide important information for national and international policies and to support the development of sustainable land-use methods and to reduce climate change.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Unser Planet ist durch menschliche Einflüsse so stark geprägt, dass die aktuelle geologische Ära auch als Anthropozän bezeichnet wird. Durch ihren weltweiten Einfluss auf Lebensräume und Arten, gilt Landnutzung in diesem Zusammenhang als einer der stärksten anthropogenen Faktoren. Auch das Weltklima wird hauptsächlich durch den Menschen geprägt und da klimatische Bedingungen einen starken Einfluss auf die Verbreitung und Fitness von Organismen haben, gilt auch Klimawandel als einer der wichtigsten Faktoren durch den Menschen auf Ökosysteme. Beide Faktoren haben einen starken Einfluss auf die Diversität von Arten und Habitaten, aber auch auf Ökosystemfunktionen und Dienstleistungen. Die Stabilität eines Ökosystems steigt mit der Anzahl der darin lebenden Arten und Individuen. Die Untersuchung der Diversität von Arten ist eine sehr etablierte Methode, um Rückschlüsse auf Ökosystemfunktionen zu ziehen. Analysen funktioneller Diversität ermöglichen, die Reaktionen und Eigenschaften der Arten im Ökosystem zu messen. Die Eigenschaft einer Art (engl. „species trait“) beschreibt dabei Merkmale, die mit dem Einfluss dieser Art auf das Ökosystem in Verbindung stehen (bspw. Nahrungsspezialisierung oder Verbreitung). Sie spielt eine wichtige Rolle für die Vorhersagbarkeit funktioneller Diversität. In dieser Arbeit analysiere und vergleiche ich die Effekte von Landnutzung und Temperatur auf Arthropoden im Allgemeinen, aber auch auf Nachtfalter als Fallbeispiel, da sie eine oft vernachlässigte und dennoch sehr diverse taxonomische Gruppe darstellen. Ich betrachte verschiedene Ebenen, wie (1) die Gemeinschaft von Arthropoden im Allgemeinen, (2) Nachtfalter als funktionelle Gruppe, (3) morphologische Veränderungen einzelner Nachtfalterarten, und (4) physiologische Veränderungen einzelner Individuen von Nachtfaltern. Außerdem zeige ich, wie sich Spezialisten und Generalisten in ihren Reaktionen und Eigenschaften unterscheiden und welchen Effekt diese Unterschiede auf den verschiedenen Ebenen haben. Wesentliche Abschnitte dieser Arbeit wurden im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien durchgeführt, ein Projekt in dem Wissenschaftler den Einfluss von Landnutzung auf Diversität und Ökosystemprozesse in Wäldern und im Grünland in drei Regionen innerhalb Deutschlands untersuchen. Die erste Studie konzentriert sich auf den Effekt von Holzernte und dem relativen Buchenanteil zu anderen Baumarten in Wäldern auf Herbivore (Pflanzenfresser) von Buchen. Wir haben in drei verschiedenen Regionen in Deutschland den Blattschaden von Buchen bestimmt und pflanzenfressende Arthropoden gesammelt. Die Ergebnisse zeigten einen allgemeinen negativen Effekt intensiver Landnutzung auf waldlebende Herbivore, der zu Beginn der Vegetationsperiode am stärksten war. Für die zweite und dritte Studie haben wir über 5000 Nachtfalter im Grünland der gleichen drei Gebiete gesammelt. Wir haben 461 verschiedene Arten bestimmt und ihnen Eigenschaften zugeordnet, welche die Fitness (bspw. Spezialisierung von Ressourcen oder Strategien der Reproduktion) der Arten beschreiben (engl. „Life-history taits“). Zusätzlich haben wir morphologische Eigenschaften (Körpergewicht und Flügelfläche) von über 2000 Individuen gemessen. In der zweiten Studie haben wir den Effekt von Landnutzung (Beweidung, Mahd und Düngung) auf die Diversität und Eigenschaften der Gemeinschaften untersucht. Mit steigender Landnutzung (besonders durch Zunahme der Mahd) nahm die Diversität der Arten ab. Zusätzlich nahm der relative Anteil von Generalisten zu, was zu funktioneller Homogenisierung in Ökosystem führt. Die dritte Studie hat sich auf intraspezifische morphologische Veränderungen mit steigender Landnutzung konzentriert. Wir haben einige Arten gefunden, die von zunehmender Düngung profitieren. Sie zeigten eine Zunahme ihrer Körpergröße was den Reproduktionserfolg erhöht. Diese Arten waren größtenteils Generalisten und haben sich im Vergleich zu den anderen Arten nicht besser auf stark genutzten Flächen etablieren können. In der vierten Studie untersuchten wir die Transpiration und den Metabolismus von 557 Arthropoden von Wald- und Grünlandflächen. Hierfür habe ich eine einfache und dennoch effektive Methode entwickelt und detailliert beschrieben, welche Wasserverlustraten mehrerer Proben in kurzer Zeit messen kann. Grünland stellt ein vergleichsweises arides Habitat dar und dessen Arthropoden wiesen generell niedrigere Wasserverlustraten auf, als Waldarthropoden. Sie reduzierten ihre kutikuläre Transpiration, wodurch sich der relative Anteil der respiratorischen Transpiration erhöht hat. Für die fünfte Studie haben wir Raupen von 30 verschiedenen Arten bei unterschiedlich temperierten Bedingungen gehalten, ihre Überlebens- und Wachstumsrate in Abhängigkeit zur Temperatur untersucht, sowie deren Transpiration und Metabolismus gemessen. Alle Arten zeigten eine niedrigere Überlebensrate und eine erhöhte Wachstumsrate sowie einen Anstieg von Transpiration und Metabolismus mit steigenden Temperaturen. Vor allem Spezialisten zeigten ein stärkeres Aussterberisiko mit einem Temperaturanstieg. Meine Studien zeigen ähnliche Effekte von Landnutzung und Klimawandel auf Ökosysteme. Beide Faktoren führen zu einem generellen Diversitätsverlust und einer Verschiebung zu generalistischen Gemeinschaften. Allerdings sind spezialisierte Gemeinschaften wichtig, um Homogenisierung zu reduzieren und Ökosystemfunktion stabil zu halten. Die Ergebnisse liefern somit wichtige Informationen für nationale und internationale Strategien um die Entwicklung nachhaltiger Landnutzung zu unterstützen und den Klimahandel zu reduzieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Ecological Networks
Date Deposited: 19 Dec 2017 14:18
Last Modified: 19 Dec 2017 14:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71565
Referees: Blüthgen, Prof. Dr. Nico and Jürgens, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 25 August 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7156
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