title: Hierarchical top-down control of biodiversity in agricultural landscapes across organisational levels and spatial scales
Creators: name: Schweiger, Oliver
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2005
Subjects: subject: Molekulargenetik
subject: Biodiversity
subject: Skalenniveau
subject: Life sciences
subject: Biowissenschaften, Biologie
subject: Landschaftsökologie
subject: Biodiversität
subject: Schnecke
subject: Population ecology
subject: Genetik
subject: Agrarlandschaft
subject: Community ecology
subject: Agro-ecology
subject: Genetics
subject: FOS: Biological sciences
subject: FOS: Biological sciences
subject: Agrarökologie
subject: Genetische Variabilität

description: Biodiversität ist eine der fundamentalen Erscheinungsformen des Lebens. Dessen ungeachtet unterliegt die Vielfalt des Lebens einer zunehmenden weltweiten Bedrohung durch menschliche Aktivitäten. Unter der Vielzahl von Ursachen liegt die Intensivierung der Landnutzung an vorderster Stelle. In Europa ist Landwirtschaft die dominierende Landnutzungsform mit erheblichen Auswirkungen auf die Biodiversität. Dünger und Pestizide auf den Agrarflächen beeinflussen die Biodiversität ebenso wie der Anteil und die räumliche Anordnung von natürlichen und naturnahen Habitaten. Die Vielfalt des Lebens äußert sich nicht nur in Artenzahlen pro Fläche, sondern besteht aus einer Vielzahl an Komponenten. Biodiversität manifestiert sich auf der Ebene von Genen, Individuen, Populationen, Lebens-gemeinschaften und Ökosystemen und auf unterschiedlichen räumlichen Skalen. Ziel dieser Dissertation ist, die Auswirkungen von unterschiedlichen Landnutzungs-formen auf drei wichtige organisatorische Ebenen der Biodiversität über mehrere Skalenbereiche hinweg zu untersuchen: Gene, Populationen und Lebensgemeinschaften. Dazu wurden vier Detailstudien im Rahmen des EU-Projekts GREENVEINS Vulnerability of Biodiversity in the Agroecosystem as influenced by Green Veining and Land-use Intensity in 25 Agrarlandschaften in sieben Europäischen Ländern vorgenommen, die unabhängige Gradienten der Landschaftsstruktur und der agrarischen Nutzungsintensität bildeten. Der erste Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der räumlichen genetischen Struktur der Landschnecke Cepaea nemoralis (L.) in einer fragmentierten Agrarlandschaft. Der zweite Teil der Dissertation untersucht das lokale Vorkommen von Populationen des Schmetterlings Pararge aegeria, der aufgrund der engen Bindung an natürliche und naturnahe Habitate als Modellorganismus ausgewählt wurde. Der dritte Teil untersucht die Ähnlichkeit von lokalen Lebens-gemeinschaften in Abhängigkeit von unterschiedlichen Landnutzungsformen, wobei nicht nur die Artenzahl sondern auch deren Identität und Abundanz berücksichtigt werden. Der vierte Teil der Dissertation untersucht die relative Bedeutung einzelner Landnutzungsfaktoren über drei verschiedene Skalen auf die organismische und ökologische Zusammensetzung von lokalen Arthropodengemeinschaften. Die vier Detailstudien haben gezeigt, dass Änderungen in der Landnutzung die Biodiversität auf allen organisatorischen Ebenen beeinflussen. Um die zentrale Frage zu beleuchten, welche Faktoren die jeweilige Biodiversitätskomponente maßgeblich beeinflussen, versuchten wir die einzelnen Umweltfaktoren und deren Skalen zu entwirren. Alle drei untersuchten organisatorischen Ebenen zeigten, dass der Einfluss eines Umweltfaktors auf lokale Lebensgemeinschaften mit der Skala steigt, auf der er wirkt. Die Ergebnisse unterstützen eine Theorie der Biodiversität, die eine hierarchische top-down Kontrolle annimmt und somit zu einem Brückenschlag zwischen den Sichtweisen von Makroökologen und Community-Ökologen führen könnte. Einen viel versprechenden Ansatz könnte das Artenpool-Konzept darstellen, das besagt, dass lokale Diversität durch eine Serie von hierarchisch wirkenden Filtern determiniert wird, die entweder makro-ökologisch oder community-ökologisch wirken. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diversität hauptsächlich durch Faktoren bestimmt wird, die auf regionaler Skala wirken wie Klima oder die biogeografische Geschichte. Diese Faktoren bestimmen den regionalen Artenpool, aus dem sich die lokalen Lebensgemeinschaften rekrutieren, wobei sie eine weitere Reihe an Umweltfiltern passieren müssen. In Agrarlandschaften stellen agrarische Landnutzung und die Landschaftsstruktur wichtige Filter auf der Landschaftsebene dar. Hat eine Art diese Filter passiert, kommen Faktoren der lokalen Skala wie Habitatqualität oder biologische Interaktionen zum tragen, wobei die lokale Habitatqualität allerdings von geringerer Bedeutung zu sein scheint als Faktoren der Landschaftsskala. Die Effekte von agrarischer Landnutzung und Landschaftsstruktur auf lokale Lebens-gemeinschaften waren voneinander unabhängig und annähernd gleich groß. Die Analyse der Einzelfaktoren und den Reaktionen aller Biodiversitätskomponenten deutete darauf hin, dass sowohl Ressourcenlimitierung als auch Dispersallimitierung die Zusammen-setzung lokaler Lebensgemeinschaften determinieren. Unsere Ergebnisse legen allerdings nahe, dass Dispersallimitierung in Agrarlandschaften einen größeren Einfluss hat als Ressourcenlimitierung, was Dispersal und somit Habitatfragmentierung zu einer der wichtigsten Einflussgrößen auf alle Organisationsebenen der Biodiversität macht.
description: Biodiversity is one of the fundamental manifestations of life. Nevertheless, is has been increasingly threatened by anthropogenic activities. Land-use change is predicted to have the largest global impact on biodiversity by the year 2100. In European countries, land use is dominated by agriculture which shapes more than half of the land area. In the 20th century, industrialisation supported major changes in agricultural land use, which led to significant declines in biodiversity. These changes were driven by both the intensification of agricultural land management and a loss of area, connectivity and diversity of semi-natural habitats. Since multiple aspects of agrarian land-use change will affect not only species richness but all levels of biodiversity such as genes, individuals, populations, communities, landscapes and ecosystems in specific ways and act across different spatial scales, a detailed knowledge about the relative effects on particular dimensions of biodiversity is important for ecological theory and biodiversity research. The principal objective of this thesis is to explore the relative effects of scale and land-use changes on major organisational levels of biodiversity in European agricultural landscapes. Therefore, this thesis deals with three different aspects of biodiversity realised in the same landscapes: genetics, populations and communities. The first part deals with the spatial genetic structure of the land snail Cepaea nemoralis (L.) in a medium fragmented landscape at the local and landscape scale. The second part focuses on habitat modelling relating occurrence patterns in populations of the butterfly Pararge aegeria (L.) to environmental variables. The third part analyses two aspects of communities. Firstly, we related the similarities among local plant and arthropod communities to land-use variables at the landscape scale while controlling for local effects. We used similarities to consider species identities and abundances. Secondly, the relative effects of land-use factors at three spatial scales (region, landscape, local) on compositional and ecological aspects of local arthropod communities were investigated. Our studies emphasise that environmental change will affect biodiversity significantly at all major organisational levels. Population genetics, population structure, species richness, community similarity, community composition and ecological community characteristics, all responded to environmental factors but in a specific way. In order to address the fundamental question of which factors determine certain biodiversity levels, we disentangled the relative effects of single environmental factors that act on different spatial scales. All three analysed levels of biodiversity (genetics, populations, communities) revealed a clear trend of increasing importance of scale from the local level to the landscape and finally to the region. The genetic diversity of the land snail Cepaea nemoralis was not affected by local features such as patch size or habitat diversity, whereas the observed metapopulation structure indicated a pronounced effect of landscape features. The population response of the butterfly Pararge aegeria was a bit more complex. Under beneficial environmental conditions the impact of local and landscape-scale factors was similar but low. However, adverse conditions revealed an increasing effect of scale from local factors (suitable habitat) to landscape features (number of woody patches) and finally to regional factors (climate). Likewise, the analysis of community turnover, species composition and ecological groups supported these findings and were remarkably similar even between arthropod groups that differ markedly in their ecology. The analysis of biodiversity in agricultural landscapes across organisational levels and spatial scales supported a top-down hierarchical theory of biodiversity. It predicts that local communities are assembled from a regional species pool, which is modulated by large-scale factors such as climate or evolutionary and biogeographical history, through a series of hierarchical filters at the landscape scale and, to a lower extent, at the local scale according to both dispersal- and niche-assembly processes. Dispersal is suggested to be one of the main drivers of biodiversity at the landscape scale. Consequently, land-use change that affects the connectivity of habitats will significantly affect biodiversity by diminishing or even disrupting genetic, population and community processes. However, real species are not entirely neutral as the effects of niche-assembly related processes showed. This calls for a further unification of biodiversity theories that should consider species identities and their ecological role as well as their dispersal ability and spatial patterns across a variety of spatial and temporal scales if one wants to understand the multifaceted manifestations of live.