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Global Change Impacts on Biodiversity and their Implications for Species Conservation

Global Change Impacts on Biodiversity and their Implications for Species Conservation

Auswirkungen des Globalen Wandels auf Biodiversitätsmuster und deren Bedeutung für den angewandten Naturschutz

  • Global change, i.e. climate and land use changes, severely impact natural ecosystems at different scales. Poikilothermic animals as butterflies, amphibians and reptiles have proven to be useful indicators for global change impacts as their phenology, spatial distribution, individual fitness and survival strongly depend on external environmental factors. In this aspect, phenological changes in terms of advanced flight or breeding periods, immigrations of foreign species, range shifts concomitant with temperature increases and even local population declines have been observed in both species groups. However, to date much attention has been paid to global change impacts on the species or population level and analyses concerning entire ecosystems are scarce. Applying a novel statistical modelling algorithm we assessed future changes in the extent and composition of terrestrial ecoregions as classified by the World Wide Fund for Nature (WWF). They are defined as coarse-scale conservation units containing exceptional assemblages of species and ecological dynamics. Our results demonstrate dramatic geographical changes in the extent and location of these ecoregions across all continents and even imply a repriorisation of conservation efforts to cope with future climate change impacts on biodiversity. On the local scale, climate change impacts become unequivocal. Comparing historical to contemporary butterfly assemblages on vineyard fallows of the Trier Region, a significant decline in butterfly richness, but also a severe depletion in trait diversity was observed. Comparisons of community temperature indices reveal a striking shift in community composition leading to a replacement of sedentary and monophagous habitat specialists by ubiquitous species. Similar changes have been observed in nature reserves in the Saar-Mosel-area. Monitoring data reveal strong losses of species diversity and remarkable shifts of community compositions at the expense of habitat specialists. Besides climatic variability, these findings are largely attributed to changes in habitat structures, mostly due to eutrophication and monotonisation. Management activities are unlikely to counterbalance these effects, thus severely questioning current conservation strategies. Most dramatic global change impacts are suspected on closely associated species and disruptions of biotic interactions are often hold responsible for species declines. A strong host-parasite association has developed in Myrmica ants and Maculinea butterflies, the later crucially depending on specific host ants for their larval survival. Applying environmental niche models we determined considerable niche dynamics in the observed parasite-host relation with a pronounced niche plasticity in the butterfly species adapting to previous evasive niche shifts in their host ants. Moreover, the new emergence of species continuously expanding their northernmost range borders concomitant with global warming like the Short-tailed blue (Cupido argiades) is attributed to climate change. However, species distribution models predict a severe habitat loss and shifts of potentially suitable habitats of this species towards north-eastern Europe and higher altitudes under several IPCC scenarios making the presence of this species in the Trier region a contemporary phenomenon. Species distribution models have emerged as powerful tools to predict species distributions over spatial and temporal scales. However, not only the presence of a species, but also its abundance have significant implications for species conservation. The ability to deduce spatial abundance patterns from environmental suitability might more efficiently guide field surveys or monitoring programs over large geographical areas saving time and money. Although the application of species distribution models to deduce vertebrate abundances is well recognized, our results indicate that this method is not an adequate approach to predict invertebrate abundances. Structural and ecological factors as well as climatic patterns acting at the microscale are key drivers of invertebrate occurrence and abundances limiting conclusions drawn from modeling approaches. Population declines should be interpreted with care as in butterflies and amphibians various reasons are debated. Both species groups are acknowledged to be highly susceptible to land use changes and variations in landscape structure. Moreover, climate and land use are not independently operating factors. The combined impact of both is demonstrated in our study linking climate-driven changes in amphibian phenologies to temporal advanced applications of pesticides and fertilizers. Both environmental factors already represent severe threats to amphibians when standing alone, but linking their combined impacts may result in an potentiated risk for amphibian populations. As all amphibians and numerous butterfly species are legally protected under the Federal Nature Conservation Act, intensifications of agricultural land use in large parts of Germany as well as new agrarian practices (including genetically manipulated plants accompanied by new herbicide technologies) might severely challenge regional conservation activities in the future.
  • Der globale Wandel, d.h. Klima- und Landnutzungswandel, beeinflussen Tiere und Pflanzen auf unterschiedlichen Ebenen. Wechselwarme Tiere, wie Tagfalter, Amphibien und Reptilien, eignen sich besonders gut als Indikatoren solcher Veränderungen, da ihre Verbreitung, Phänologie, Fitness und Überlebensraten wesentlich von äußeren Umweltfaktoren abhängen. Schon heute oft beobachtete Reaktionen dieser Tiergruppen beinhalten phänologische Veränderungen der Flug- und Laichzeiten, die Einwanderung neuer Arten, Verschiebungen der Arealgrenzen analog der Temperaturerhöhung nach Norden und in höhere Lagen bis hin zu rückläufigen Populationstrends. Die meisten bisherigen Untersuchungen beziehen sich jedoch auf die Art- oder Populationsebene. Vorhersagen gesamte Ökosysteme betreffend sind selten. In einer neuartigen Modellierungsstudie haben wir in dieser Arbeit die Auswirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme am Beispiel der Ecoregion-Klassifizierung des World Wide Fund for Nature (WWF) vorhergesagt. Diese sind als groß-skalige Biodiversitätseinheiten mit hoher Schutzpriorität definiert. Unsere Ergebnisse sagen nicht nur dramatische, klimabedingte Verschiebungen und Veränderungen innerhalb der Ökoregionen voraus, sondern implizieren darüber hinaus für die Zukunft eine Repriorisierung der globalen Naturschutzziele. Auch auf regionaler Ebene sind bereits ökologische Veränderungen durch Klima- und Landnutzungswandel spürbar. Über die vergangenen 40 Jahre konnten wir nicht nur einen signifikanten Rückgang des Tagfalterreichtums auf den Weinbergsbrachen des Trierer Raums beobachten, sondern vielmehr eine dramatische Verarmung der Tagfaltergemeinschaften in Bezug auf Habitatspezialisten. Wie Vergleiche der Zönosen und Berechnungen der Community Temperature Indices zeigen, setzen sich die Tagfaltergemeinschaften vermehrt auf Kosten von standorttreuen, monophagen und kälteangepassten Arten aus Wärme liebenden Habitatgeneralisten zusammen. Ähnliche Veränderungen sind über den gleichen Zeitraum auch in den Naturschutzgebieten des Saar-Mosel-Gaus zu beobachten gewesen. Auch hier zeigen Kartierungen der Tagfalterzönosen dramatische Populationsrückgänge und Verschiebungen in der Artenzusammensetzung zu Gunsten von Habitatgeneralisten. Neben klimatischen Veränderungen scheinen besonders Veränderungen der Habitatstruktur, vor allem bedingt durch Stickstoffeinträge, für die Diversitätsrückgänge verantwortlich zu sein. Diese scheinen auch durch Pflegemaßnahmen in den Naturschutzgebieten nicht gebremst zu werden und langfristig die derzeitigen Schutzbemühungen in Frage zu stellen. Besonders drastisch scheinen sich diese Veränderungen auf Arten auszuwirken, die auf enge biotische Interaktionen angewiesen sind, wie die Ameisenbläulinge der Gattung Maculinea, deren Larven einen Sozialparasitismus mit Ameisen der Gattung Myrmica ausgebildet haben. Am Beispiel dieser Tagfaltergattung haben wir die Nischendynamik in Wirts-Parasit-Beziehungen untersucht. Unsere Ergebnisse weisen auf eine erhebliche Nischenplastizität und Adaptionsfähigkeit der Tagfalter hin, um evolutionäre Nischenverschiebungen ihrer Wirte auszugleichen. Auch das Auftreten neuer Arten wie des Kurzschwänzigen Bläulings (Cupido argiades), der sein Areal seit einigen Jahren systematisch nach Norden erweitert und in unserer Region als Klimawandelgewinner gilt, wird der globalen Erwärmung zugeschrieben. Verbreitungsmodelle zeigen jedoch, dass das Auftreten dieser Art in Süddeutschland eher ein Gastspiel sein wird und sie sich unter Klimawandelbedingungen langfristig in die kühl-gemäßigten Lagen Nordost-Europas und des alpinen Raums zurückziehen wird. Artverbreitungsmodelle haben sich in den vergangen zehn Jahren als zuverlässige Methode entwickelt, um die Verbreitung von Arten über Zeit und Raum vorherzusagen. Für den Artenschutz ist jedoch nicht nur das Vorkommen einer Art, sondern auch deren Häufigkeit, respektive Seltenheit, relevant. Die mathematische Vorhersage der Häufigkeit einer Art auf Basis der prognostizierten Habitateignung innerhalb einer Region, könnte langfristig zeitaufwendige Monitoringprogramme ersetzen. Allerdings ist unseren Studien zur Folge diese Möglichkeit derzeit auf Säugetiere und Vögel beschränkt. Mikrohabitatstrukturen, wie sie oft Vorkommen und Häufigkeit von Invertebraten wie Tagfaltern bestimmen, werden von den heutigen Klima- und Verbreitungsmodellen nur unzureichend erfasst, um zuverlässige Aussagen über die Häufigkeit dieser Arten zu treffen. Jedoch ist zu sagen, dass weder für Tagfalter, noch für Amphibien und Reptilien, Klimaveränderungen als alleiniger Grund für Populationsrückgänge gelten. Beide Artengruppen zeigen auch eine hohe Anfälligkeit für Landschafts- und Landnutzungsveränderungen. Das Klima- und Landnutzungswandel nicht unabhängig von einander wirken zeigt unsere Studie, die das verfrühte Laichverhalten von Amphibien mit der zeitlichen Verschiebung des Pestizideinsatzes in der Landwirtschaft verbindet. Haben schon Pestizide als auch klimabedingte, phänologische Veränderungen im Laichverhalten allein ein hohes Schadpotenzial für Amphibienarten auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, potenziert die Kombination beider Wirkfaktoren das Risiko langfristiger Populationsschäden. Da alle in Deutschland vorkommenden Amphibienarten nach -§7 des Bundesnaturschutzgesetzes unter besonderem Schutz stehen, stellt die landwirtschaftliche Nutzung großer Teile Deutschlands sowie die potenzielle Einführung neuer Agrarmethoden im Rahmen effizienter Biotechnologien eine besondere Herausforderung für den Naturschutz dar.

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Metadaten
Author:Katharina Johanna Filz
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8353
Advisor:Thomas Schmitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:Multiple languages
Date of completion:2014/01/27
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2013/10/23
Release Date:2014/01/27
Tag:Amphibien; Biodiversitätsverlust
Amphibians; Biodiversity; Butterflies; Climate Change; Land Use Change
GND Keyword:Biodiversität; Klimaänderung; Landnutzung; Modellierung; Naturschutz; Tagschmetterlinge
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 13581 $