Positive and negative dynamics of plant-plant interactions along environmental gradients: Effects at individual and community level

Biodiversity and the functioning of communities, habitats or even ecosystems are closely connected as worldwide large-scale biodiversity grassland experiments reveal. Current climate and land use changes are often related to a loss of plant species diversity from natural grassland habitats and as a consequence, the delivery of “ecosystem functions” (e.g. productivity, stability against disturbance or total nutrient use) is endangered. But information about the underlying mechanisms, which drive Biodiversity and the functioning of communities, habitats or even ecosystems are closely connected as worldwide large-scale biodiversity grassland experiments reveal. Current climate and land use changes are often related to a loss of plant species diversity from natural grassland habitats and as a consequence, the delivery of “ecosystem functions” (e.g. productivity, stability against disturbance or total nutrient use) is endangered. But information about the underlying mechanisms, which drive relationships between biodiversity and these functions, is still missing, although all processes observable at community scale depend on processes between species or individuals within communities. The study of plant-plant interactions, with a special focus on legume-neighbour interactions, within grassland habitats of the temperate region is the main focus of this thesis. I investigated legume-neighbour interactions on individual and population level (i) along biotic gradients of community composition (species richness and species identity), (ii) along abiotic gradients (extreme weather events, nitrogen availability) and (iii) at different spatial scales (from the climate chamber to the field). Three main research questions linked individual projects: Is it possible to test ecological theories, which are derived from large-scale observations, on a much smaller scale? Is it possible to identify a threshold, where positive effects of nitrogen-fixing legume species (N-facilitation) shift to competition for above- or belowground resources? How does community diversity modulate species-specific plant-plant interactions? To answer these questions I used different invasive and non-invasive methods like the analyses of the isotopic composition of N or chlorophyll a fluorescence in different species as well as traditional ecological census techniques. Results from the five studies presented within this thesis (manuscripts 1-4 and Supplementary Material) provide strong evidence that it is indeed possible to simulate field-effects at a much smaller scale because multiple similarities occurred between field studies and studies at smaller scales. In micro- and mesocosm studies, we were able to confirm the decrease in d15N natural abundance values with decreasing N-availability in the substrate and with increasing species richness, as it has been reported, to our knowledge, exclusively from field studies. We found positive effects of increasing species richness on plant-plant interactions and positive effects of legume presence (N-facilitation either by N-sparing or by N-transfer) on N-availability for neighbouring receiver species in undisturbed communities, which are comparable to field observations. In the short-term, receivers profited mostly from N-sparing but in addition a bidirectional N-transfer between functionally different individuals occurred. We were also able to simulate differences in the use of extra N from N-facilitation in relation to the identity of receiver species, which are known from field studies: grass species in microcosms showed a better use of extra N from N-facilitation (both N-sparing and N-transfer) compared to non-fixing forb species. Furthermore, we found a totally novel pattern of the modulating effect of species diversity on species-specific N-dynamics after disturbance: whereas N-transfer increased in monocultures, it decreased in mixtures after simulated grazing in microcosm communities. Although treated with a totally different disturbance (extreme drought event), N-parameters of a common grass species in different diversity levels in the EVENT-Experiment indicate a similar pattern. This is a possible explanation for a non-invasively detected performance reduction (via measurements of chlorophyll a fluorescence) of this species, although at community level no negative effects of increased species richness were observed. Relative constant community fluorescence signals provide first evidence, that it is possible to use fluorescence measurements as a non-invasive method to test the insurance hypothesis. These findings imply that studies on smaller scales under controlled environmental conditions are very useful to test effects of species richness and identity as well as ecological theories. Patterns of N-dynamics in microcosms resemble those observed in field experiments and thus, some theories (e.g. the stress gradient hypothesis) are indeed testable on a much smaller scale. I provide novel insights on changes in plant-plant interactions within different abiotic and biotic environments and to what extent different invasive and non-invasive methods are useful to elucidate interaction processes. Further research on plant-plant interactions is needed, e.g. with regard to the cost-effective restoration of degraded grassland habitats.show moreshow less
Ergebnisse großer Grünland-Biodiversitätsexperimente legen einen positiven Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen (z.B. Produktivität, Ressourcennutzung, Stabilität der Gemeinschaften) nahe. Der durch Klima- und Landnutzungswandel andauernde Artenverlust bedroht die Bereitstellung dieser Funktionen. Und obschon die Zusammenhänge zwischen Artenreichtum und Ökosystemfunktionen, die man auf Gemeinschaftsebene beobachten kann, abhängig von Interaktionen zwischen Individuen und AErgebnisse großer Grünland-Biodiversitätsexperimente legen einen positiven Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen (z.B. Produktivität, Ressourcennutzung, Stabilität der Gemeinschaften) nahe. Der durch Klima- und Landnutzungswandel andauernde Artenverlust bedroht die Bereitstellung dieser Funktionen. Und obschon die Zusammenhänge zwischen Artenreichtum und Ökosystemfunktionen, die man auf Gemeinschaftsebene beobachten kann, abhängig von Interaktionen zwischen Individuen und Arten sind, sind Informationen über diese Mechanismen rar. Die vorliegende Dissertation stellt fünf Projekte vor, die sich mit Mechanismen der Pflanze-Pflanze-Interaktion am Beispiel von Grünlandarten der gemäßigten Breiten befassen, speziell mit der Leguminose-Nachbar-Interaktion. Auf der Ebene von Individuen und Populationen wurden Veränderungen der Interaktionen untersucht: entlang von biotischen Gradienten (Vielfalt, Zusammensetzung und Identität der Arten einer Gemeinschaft), entlang von abiotischen Gradienten (Extremwetterereignisse, Stickstoffverfügbarkeit) und in Einheiten verschiedener räumlicher Abmessungen. Drei Leitfragestellungen motivierten die Projekte: Ist das Testen ökologische Theorien, die von großräumigen Beobachtungen abgeleitet wurden, auch in kleinräumigen Einheiten möglich? Gibt es eine Grenze, an der positive Leguminosen-Effekte (N-facilitation) auf den Stickstoffhaushalt der Nachbarn (receiver), in Konkurrenz um andere Ressourcen umschlagen? Wie wirken sich Anzahl und Identitäten der Arten einer Gemeinschaft auf artspezifische Interaktionen aus? Zur Beantwortung dieser Fragen habe ich traditionelle, invasive und nicht-invasive Methoden benutzt. Die in der Dissertation vorgestellten Studien belegen die Möglichkeit, „Feld-Effekte“ auch in kleineren räumlichen Einheiten zu untersuchen, da zahlreiche Übereinstimmungen zwischen Untersuchungen im Feld und in Mikrokosmen auftraten. So konnten wir die Abnahme der d15N Werte mit abnehmender N-Versorgung und zunehmender Artenzahl, die unserem Wissen nach bisher ausschließlich in Feldversuchen nachgewiesen wurde, in Mikrokosmen feststellen. Ebenso konnten wir zum Feld vergleichbare positive Effekte zunehmender Artenzahlen und vorhandener N2-Fixierer auf Interaktionen zwischen Pflanzen in ungestörten Gemeinschaften nachweisen. N-facilitation finden über N-Transfer von N2-Fixierern zu receivers und über Ressourcenumverteilung des Boden-N (N-sparing) statt. Kurzfristig bot N-sparing den größeren Vorteil für receiver; wir haben aber ebenso kurzfristigen N-Transfer zwischen Arten verschiedener Identitäten nachgewiesen. Die Artidentität spielt für die Nutzung des durch Leguminosen bereitgestellten Extra-N aus N-facilitation eine wesentliche Rolle: Gräser nutzten Extra-N aus N-sparing und N-Transfer effektiver als krautige Arten, sowohl im Feld als auch in Mikrokosmen. Darüber hinaus haben wir neue Muster des Einflusses der Artenzahl auf artspezifische N-Dynamiken in gestörten Gemeinschaften entdeckt. In Mikrokosmen mit einer Gras-, Kraut- und Leguminosen-Art stiegt in Folge simulierter Beweidung der N-Transfer zwischen Individuen in Monokulturen unabhängig von der Artidentität an, nahm in Mischungen hingegen ab. Eine völlig andere applizierte Störung (Trockenstress statt Beweidung) resultierte in einem ähnlichen Muster bezüglich der N-Parameter eines Grases in unterschiedlichen Artgemeinschaften im EVENT-Experiment. Die Abnahme von N-facilitation nach Störungen könnte eine Erklärung für die verminderte Leistung des Grases in artenreicheren Gemeinschaften sein, auch wenn mit nicht-invasiven (und invasiven) Methoden auf Ebene der Gemeinschaft keine gravierenden negativen Effekte feststellbar waren. Diese Konstanz auf einer höheren Organisationsebene legt nahe, dass die verwendeten nicht-invasive Methoden neue Möglichkeit eröffnen, ökologische Theorien auf der Ebene von Artengemeinschafts (z.B. insurance hypothesis, „Versicherungshypothese“) in unterschiedlichen räumlichen Einheiten zu untersuchen. Die Ergebnisse lassen den Rückschluss zu, dass Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen in kleineren räumlichen Einheiten ein geeignetes Mittel sind, um Effekte und Interaktionen von Faktoren (Vielfalt, Zusammensetzung, Identität der Arten einer Gemeinschaft) detailliert zu untersuchen. Insbesondere die vergleichbare N-Dynamik in Feld- und Mikrokosmosversuchen scheint das Testen mancher ökologischer Theorien, z.B. der stress gradient hypothesis, in kleinräumigen Einheiten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird im Rahmen der Dissertationsschrift die Nutzbarkeit verschiedener invasiver und nicht-invasiver Methoden zur Untersuchung von Pflanze-Pflanze-Interaktionen dargestellt. Diese Ergebnisse bilden das Fundament für weiterführende Projekte, die dazu beitragen sollen, Zusammenhänge zwischen Biodiversitätseffekten und Ökosystemfunktionen zu erhellen und damit z.B. eine kosteneffektive Renaturierung degradierter Standorte zu erleichtern.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Lea Lucia Anna Märtin
Title Additional (German):Dynamik der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen entlang von Umweltgradienten: Wechselwirkungen zwischen Pflanzenindiviuen und in Pflanzengemeinschaft
Advisor:Prof. Dr. Carl Beierkuhnlein
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:13.07.2010
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Helfende Beziehung; Stickstofffixierung; Stickstoffisotop; Symbiose
Tag:Leguminose; Makrokosmos; Stickstoff-15; Stickstoffkreislau f; Stickstoffübertrag; Umweltgradient
15N; facilitation; legume-neighbour interaction; scale; stable nitrogen isotop
Dewey Decimal Classification:580 Pflanzen (Botanik)
RVK - Regensburg Classification:TI 1000
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus4-7935
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):09.11.2012