title: Seed dispersal and range dynamics of plants: understanding and predicting the spatial dynamics of serotinous Proteaceae
Creators: name: Schurr, Frank Martin
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2007
Subjects: subject: Biogeographie , Dispersion , Modell , Ausdauernde Pflanzen , Diaspore , Verbreitungsökologie , Kolonisierung , Silberbaumgewächse , , seed dispersal , biogeography , model , perennial plants
subject: 580 Pflanzen (Botanik)

description: Seed dispersal affects the rate at which plant populations colonize unoccupied habitat, and the speed at which plant species migrate. In this thesis, I aim (1) to better understand seed dispersal processes, (2) to investigate the consequences of dispersal for the geographical range dynamics of plants, and (3) to forecast the future range size of plant species under climate change. To this end, I developed process-based models for seed dispersal, colonization and range dynamics. These models were parameterised with empirical data for serotinous Proteaceae endemic to the Cape Floristic Region (South Africa). The study species are woody plants with a canopy seed bank and predominantly wind-dispersed seeds. To better understand the seed dispersal of these species, I formulated a process-based model for secondary seed dispersal by wind (the wind-driven movement of seeds along the ground surface). This model was successfully validated in a field experiment in which I released seeds of 7 species that cover the range of seed sizes and seed morphologies typical of the studied Proteaceae. The model predicts a unimodal relationship between dispersal distance and seed size. This indicates that the ecological consequences of secondary seed dispersal by wind are qualitatively different from those of airborne seed movement. To investigate the consequences of seed dispersal for large-scale range dynamics, I derived a model of habitat colonization that links seed dispersal models to data on local abundance and habitat arrangement. This model was used to estimate the colonization ability of 37 Proteaceae species. I found that the extent to which these species fill their potential ranges increases with colonization ability, decreases with the extinction probability of local populations, and is not related to a species' evolutionary age. This suggests that colonization and local extinction shape the range dynamics of the study species on ecological timescales. To forecast how climate change and migration ability will influence the range sizes of 26 Proteaceae species in the year 2050, I combined process-based models for seed dispersal and migration with an existing bioclimatic scenario. Model simulations indicate that informative forecasts of future range size can be made despite the substantial uncertainty inherent in forecasts of population-level migration rates. Although the simulations predict some long-distance dispersal for all study species and use assumptions that upwardly bias migration estimates, they forecast that several species will experience severe range losses or go extinct. This suggests that climate change-integrated conservation strategies should not exclusively rely on the intrinsic migration ability of plants. I nevertheless identify conservation measures by which colonization and migration rates of Proteaceae may be enhanced. The results of this thesis add to a functional understanding of seed dispersal and biogeography, help to predict the future range dynamics of plants, and may prove useful for other areas of ecology, evolutionary and conservation biology.
description: Die Ausbreitung von Diasporen beeinflusst die Rate, mit der Pflanzenpopulationen unbesiedeltes Habitat kolonisieren, und die Geschwindigkeit, mit der Pflanzenarten wandern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, (1) Ausbreitungsprozesse von Diasporen besser zu verstehen, (2) die Konsequenzen von Ausbreitung für die Arealdynamik von Pflanzen zu untersuchen und (3) die zukünftige Arealgröße von Pflanzenarten unter Klimawandel vorherzusagen. Zu diesem Zweck entwickelte ich prozessbasierte Modelle für Diasporenausbreitung, Habitatkolonisierung und Arealdynamik. Parametrisiert wurden diese Modelle mit empirischen Daten für serotine Proteaceen-Arten - endemische Gehölzpflanzen der südafrikanischen Capensis-Region, die eine Kronensamenbank haben und deren Diasporen vorwiegend windausgebreitet sind. Zum besseren Verständnis der Diasporenausbreitung dieser Arten entwickelte ich ein prozessbasiertes Modell für Chamaechorie (die windgetriebene Diasporenbewegung entlang der Bodenoberfläche). Erfolgreich validiert wurde dieses Modell in einem Freilandexperiment mit 7 Arten, deren Diasporen die für die untersuchten Proteaceen typische Variationsbreite in Diasporengröße und -morphologie abdecken. Das Modell sagt eine unimodale Beziehung zwischen Ausbreitungsdistanz und Diasporengröße vorher. Damit zeigt es, dass Chamaechorie sich in ihren ökologischen Konsequenzen qualitativ von der windgetriebenen Diasporenausbreitung durch die Luft unterscheidet. Zur Untersuchung der Auswirkungen von Diasporenausbreitung auf die Arealdynamik von Proteaceen formulierte ich ein Modell für Habitatkolonisierung, das Ausbreitungsmodelle mit Daten zur Populationsgröße und Habitatverteilung verknüpft. Mit diesem Modell schätzte ich die Kolonisierungsfähigkeit von 37 Proteaceen-Arten. Der Anteil des potentiellen Areals, den diese Arten ausfüllen, steigt mit der Kolonisierungsfähigkeit, sinkt mit der Aussterbewahrscheinlichkeit lokaler Populationen und zeigt keine Beziehung zum evolutionären Alter der Arten. Demnach scheinen Kolonisierung und lokales Aussterben die Arealdynamik der untersuchten Arten auf ökologischen Zeitskalen zu prägen. Zur Vorhersage der Effekte von Klimawandel und Wanderungsfähigkeit auf die Arealgrößen von 26 Proteaceen-Arten im Jahr 2050 entwickelte ich ein prozessbasiertes Modell, das Modelle für Diasporenausbreitung und Populationswanderung mit einem existierenden bioklimatischen Szenario kombiniert. Die Modellsimulationen zeigen, dass - trotz erheblicher Unsicherheit in den vorhergesagten Wanderungsraten von Populationen - informative Vorhersagen über zukünftige Arealgrößen möglich sind. Das Modell simuliert für alle Arten Fernausbreitung und trifft Annahmen, die Wanderungsraten überschätzen. Trotzdem sagt es vorher, dass mehrere Arten starke Arealverluste erleiden oder gar aussterben werden. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Strategien zum Naturschutz unter Klimawandel nicht ausschließlich auf das intrinsische Wanderungsvermögen von Pflanzen setzen sollten. Ich zeige dennoch Schutzmassnahmen auf, mit denen Kolonisierungs- und Wanderungsraten von Proteaceen erhöht werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum funktionellen Verständnis von Diasporenausbreitung und Biogeographie bei, helfen die zukünftige Arealdynamik von Pflanzen vorherzusagen und könnten sich als nützlich für andere Gebiete der Ökologie, Evolutions- und Naturschutzbiologie erweisen.
description: UFZ PhD Dissertation 06/2006, ISSN 1860-0387