Predator diversity and ecosystem functioning: An allometric approach

• Main Author: Schneider, Florian Dirk
• Format: Others
• Language: German; en
• Published: 2012
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3206/1/FDSchneider_Dissertation.pdf; Schneider, Florian Dirk <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Schneider=3AFlorian_Dirk=3A=3A.html> (2012): Predator diversity and ecosystem functioning: An allometric approach.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

Viele Ökosystemdienstleistungen und -funktionen stellen eine Gesamtleistung lokaler Nahrungsnetze dar. Jede einzelne Art trägt zu diesen emergenten Eigenschaften des Systems bei. Die größte Komplexität wird jedoch in Nahrungsnetzen mit hoher Diversität an generalistischen, räuberischen Arten beobachtet. Deren Fraß umfasst zahlreiche Beutearten zugleich und beinhaltet auch andere Räuber. Der Nettoeffekt nach dem Verlust einer Räuberart kann folglich positiv, negativ oder neutral ausfallen, abhängig vom Nahrungsnetzkontext und den artspezifischen Eigenschaften. Diese sogenannten “Artidentitäts-Effekte” haben die Unvorhersagbarkeit der Konsequenzen zufälliger Artverluste auf die Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen zur Folge. Das Abschätzen dieser Effekte durch generalisierende Modelle ist das vorrangige Ziel dieser Doktorarbeit. Um dieses Ziel zu erreichen, bediene ich mich der Allometrischen Theorie um vielfältige Arteigenschaften – eingeschlossen den Stoffwechsel, die Populationsdichten, das Beutespektrum und die Fraßintensität – durch den leicht messbaren Parameter “Körpermasse” vorherzusagen. Zwei Annahmen finden in den Experimenten und Modellen Anwendung: (1) Allometrische Fraßraten beschreiben die Präferenz des Räubers für eine bestimmte Beutekörpermasse, wobei die Fraßrate bei kleineren und größeren Beutearten abnimmt; (2) Die allometrische Beziehung von Masse und Abundanz sagt voraus, dass kleine Arten höhere Populationsdichten aufweisen als große Arten. Ich zeige, dass die Allometrische Theorie durch dieses Regelwerk alle Ebenen ökologischer Komplexität abbilden kann – von Populationen über Räuber–Beute Systeme bis hin zu Nahrungsnetzen und Ökosystemen. Daher ermöglicht sie die Beantwortung folgender vier Forschungsfragen: (Q1) Können die beobachteten Fraßraten eines Räubers auf einer Beute durch die beobachteten Körpermassen erklärt werden? (Q2) Können diese allometrischen Fraßraten den Effekt eines Räubers im Kontext einer Artengemeinschaft vorhersagen? (Q3) Wie skalieren diese Vorhersagen mit ansteigender Räuberdiversität? (Q4)Können durch allometrisch definierte Räuber auch Muster auf der Ökosystemebene erklärt werden? Als experimentelles Modellsystem verwende ich das Nahrungsnetz der Laubstreu in sommergrünen Laubwäldern. Dieses umfasst körpermassenstrukturierte Artengemeinschaften generalistischer Räuber. Der für das Nährstoffrecycling und die CO2-Freisetzung relevante Prozess des Laubstreuabbaus durch Zersetzer ist dabei die betrachtete Ökosystemfunktion. In Kapitel 2 parameterisiere ich ein Modell für allometrische Fraßraten auf Basis eines umfangreichen experimentellen Datensatzes von Fraßexperimenten. Unter Anwendung eines neuartigen allometrischen Designs, das den Einfluss von Populationsdichte und Biomassedichte ausbalanciert, wurden in Mikrokosmen-Experimenten unterschiedlich große, generalistische Räuberarten miteinander kombiniert. In Kapitel 3 konnte ich die ineinander geschachtelten Effekte von drei vollfaktoriel kombinierten Räubern auf eine Springschwanz-Population und die mikrobielle Biomasse statistisch auflösen (als Räuber dienten der Hundertfüßer Lithobius forficatus, die Spinne Pardosa lugubris sowie die Raubmilbe Hypoaspis miles). Intragildeprädation der großen Hundertfüßer dämpfte den unterdrückenden Effekt der kleinen Raubmilben auf die Springschwänze. Diese Interaktion konnte in Kapitel 4 durch eine Simulation körpermasseabhängiger Fraßraten der drei Arten reproduziert werden. In Kapitel 5 wurde die Vorhersagbarkeit von Interaktionsstärken fünf generalistischer Räuber auf sieben Zersetzer getestet. Die Räuberkörpermasse und die Beutedichte stellten sich dabei als die besten Vorhersageparameter heraus. Überraschenderweise war die Vorhersagbarkeit komplexer Artengemeinschaften besser als in einfachen Monokulturen der Prädatoren. Dies war auf das Vorhandensein von körpermasseninduzierter Intragildeprädation in den komplexen Artgemeinschaften zurückzuführen. In Kapitel 6 wurde die Körpermassenstruktur einer Räuberpopulation (die Strandkrabbe, Carcinus maenas) in einem marinen, subtidalen Habitat graduell manipuliert, um indirekte Folgen des Klimawandels zu simulieren. Die Artengemeinschaft reagierte auf die graduell verringerte Räuberkörpermasse mit zunehmender Gesamtbiomasse und mittlerer Körpermasse. Darüber hinaus wurde eine graduelle trophische Kaskade beobachtet. In Kapitel 7 wurde das validierte Modell für allometrische Fraßraten angewandt, um die Beziehung von Biodiversität und Ökosystemfunktion mechanistisch zu simulieren. Mit ansteigender Räuberdiversität wurde die Gesamtbiomasse der Basalarten unterdrückt, obwohl die Gesamtbiomasse der Räuberarten von hohen Respirationsraten und Intragildeprädation niedrig gehalten wurde. Dies steht im Widerspruch zu den klassischen Erwartungen an trophische Kaskaden. Zusammenfassend lassen sich folgende Antworten auf die Forschungsfragen (Q1–4) ableiten: (A1) Die quantitativen Fraßraten lassen sich durch die Körpermasse von Räuber und Beute vorhersagen. (A2) Die kontextabhängigen, positiven und negativen, schwachen und starken Effekte von Räubern auf das darunterliegende trophische Level können durch körpermassenabhängige Fraßraten erklärt werden. (A3) In zunehmend komplexen Artengemeinschaften wird die Vorhersage von Interaktionsstärken einfacher. (A4) Ein mechanistisches Modell der Prädatorendiversität sagt einen negativen Effekt von Diversität auf das darunterliegende trophische Level voraus.