Teilprojekt 2: Biodiversitätskipppunkte im Klima- und Landnutzungswandel

Projektleitung:

Juliano Cabral und Anne Lewerentz, Jana Blechschmidt, Stefan Fallert

University of Birmingham, KIT & Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Update Dezember 2021

Dieses Teilprojekt implementiert mechanistische Modelle, um mithilfe detaillierter biologischer Prozesse Vorhersagen zum Einfluss des Klima- und Landnutzungswandels auf die Biodiversität in Bayern zu treffen.
Für TP 2-1 wurde zuerst die aktuelle Artenvielfalt von Makrophyten sowie ihre Verbreitung in Bayerischen Seen erfasst. In den großen Bayerischen Seen sind gesamt 71 untergetauchte und 34 emerse Makrophytenarten beheimatet, die in unterschiedlichen Seen und Tiefenstufen vorkommen (Lewerentz & Cabral, in press). Entlang der Tiefe bildet die Artenvielfalt der untergetauchten Makrophyten eine hügelförmige Verteilung (Lewerentz et al 2021). Mit diesen Daten wird das implementierte öko-physiologische Modell optimiert (Abb. 2a) sowie anschließend zukünftige Klima- und Landnutzungsszenarien mit dem optimierten Modell simuliert. Basierend auf dem Modell ist in Zusammenarbeit mit dem Institut Games Engineering der Universität Würzburg ein Computerspiel für Kinder entstanden (Premiere auf den Münchner Wissenschaftstagen 2021), mit dem spielerisch Wissen zum Ökosystem See und der Relevanz von Wasserpflanzen vermittelt wird (Lewerentz et al, in press).
Für TP 2-2 haben wir ein metabolisches Verbreitungsmodell für terrestrische krautige Pflanzen implementiert (Abb. 1b), welches auf einem Modell für terrestrische Insekten basiert (Li 2020; Fallert 2021) und für Pflanzenarten angepasst worden ist. Für dieses Modell wird gerade durch den virtual ecologist approach die beste Optimierungsmethode definiert, um das Modell anschließend mit empirischen Daten zu optimieren und verschiedene Szenarien zu simulieren.
TP 2-3 hat kürzlich begonnen und erweitert derzeit das Modell von TP 2-2, um mikroevolutionäre und Interaktionsprozesse für Insektenarten zu integrieren. Ausstehend ist noch ein Synthese-Unterprojekt (TP 2-4), welches im Frühjahr 2022 beginnen wird.

Abb. 1: Vereinfachte Schemata des Wasserpflanzen-Modells MGM (a) und von terrestrischen Organismen metaRange (b). Abgebildet sind die implementierten Mechanismen und Einflussfaktoren. Beide Modelle wurden für Software Komplexität und Runtime optimiert (s. Vedder et al. 2021 über Modellkomplexität).

Publikationen

Lewerentz, A., Hoffmann, M., & Cabral, J. S. (2021) Depth diversity gradients of macrophytes: Shape, drivers, and recent shifts. Ecology and Evolution, 11: 13830-13845. https://doi.org/10.1002/ece3.8089
Lewerentz, A. & Cabral, J. S. (in press) Wasserpflanzen in Bayern : Der Blick auf den See verrät nicht, was unter der Oberfläche passiert. In: Mitteilungen der Fränkischen Geographischen Gesellschaft Band 67: Herausforderungen des Klimawandels in Bayern. Erlangen 2021.
Lewerentz, A., Schantz, D., Gröh, J., Knote, A., von Mammen, S. & Cabral, J. S. (in press) bioDIVERsity: ein Computerspiel gegen das Imageproblem von Wasserpflanzen. In: Mitteilungen der Fränkischen Geographischen Gesellschaft Band 67: Herausforderungen des Klimawandels in Bayern. Erlangen 2021.
Vedder, D., Ankenbrand, M., Cabral, J. S. (2021) Dealing with software complexity in individual-based models. Methods in Ecology and Evolution, early view. https://doi.org/10.1111/2041-210X.13716

Abgeschlossene Abschlussarbeiten:

Bachelorarbeit: Lea Li. The extinction of species as a result of global warming: how increased metabolic rates upscale to species extinction dynamics. 2020, University of Würzburg.
Masterarbeit: Stefan Fallert. Predicting the Future Distribution and Abundance of Species: a Mechanistic Range Model for Orthoptera in Bavaria. 2021, University of Würzburg.

News

Ziel des Teilprojekts

Der Klimawandel hat bereits dramatische Auswirkungen auf Arten und Artengemeinschaften. Mit Modellen wurden bisher jedoch oft nur anthropogene Einflüsse auf einzelne Arten oder auf hypothetische Artengemeinschaften untersucht. Daher bleibt unerforscht, wie der Klimawandel Artengemeinschaften in natürlichen Systemen – sowohl terrestrisch als auch aquatisch – beeinflusst. Die Vielfalt und Komplexität bayerischer Landschaften ist besonders gut geeignet, um zu erforschen, wie Biodiversität auf den Klima- und Landnutzungswandel reagiert.

Um die potenziellen Effekte dieser zusammenwirkenden Faktoren zu verstehen, untersucht das Teilprojekt, wie aquatische und terrestrische Artengemeinschaften in bayerischen Seen und Landschaften auf verschiedene Änderungen der Umweltfaktoren reagieren. Hierzu werden räumlich-explizite Nischen- und Agenten-basierte Modelle für interagierende Pflanzen- und Tier-Gemeinschaften entwickelt. Aus den simulierten Interaktionen zwischen allen relevanten ökologischen Prozessen ergeben sich die realisierten Verteilungen und Vorkommen von Pflanzen- und Tierarten innerhalb räumlich strukturierter Gemeinschaften. Aus den Modellergebnissen werden schutzrelevante Biodiversitäts-Hotspots bayernweit abgeleitet und in Kartenmaterial dargestellt.

*Abb. 1: Beispielhafte Karte der aktuellen Verbreitung und Populationsdichte einer Pflanzenart (*Anacamptis pyramidalis) sowie eine mögliche Verbreitung der Art im Jahr 2100 in Bayern.

Das Teilprojekt ist in aquatische und terrestrische Biodiversität unterteilt: Makrophyten (TP2-1), terrestrische krautige Pflanzen (TP2-2) und Insekten (TP2-3). Die abschließende Synthese (TP2-4) steht noch aus. Die einzelnen Unterprojekte untersuchen die folgenden Fragestellungen:

TP2-1 Makrophyten: 1) Wie ist die heutige Verbreitung von Makrophyten in Bayerischen Seen und welche Treiber beeinflussen diese? 2) Kann die Verbreitung mit einem öko-physiologischen Modell repliziert werden? 3) Wie werden sich verschiedene Klima- und Landnutzungsszenarien auf die Verbreitung von Makrophyten auswirken?

TP2-2 Terrestrische krautige Pflanzen: 1) Welche Daten werden benötigt, um ein mechanistisches Modell für Verbreitungsdynamik von Pflanzen zuverlässig parametrisieren zu können? 2) Wie beeinflussen sich verschiedene Arten gegenseitig in ihrer Verbreitung? 3) Wie werden ausgewählte (auf der roten Liste stehende) Pflanzen von Klima- und Landnutzungswandel beeinflusst?

TP2-3 Insekten: 1) Welche Prozesse muss ein mechanistisches Modell beinhalten, um die Verbreitung heimischer Insektenarten zu beschreiben? 2) Wie kann ein solches Modell am besten parametrisiert werden? 3) Wie werden Arten von zukünftigem Klima- und Landnutzungswandel und von Mitigationsmaßnahmen beeinflusst?

TP2-4 Synthese: 1) Die Ergebnisse der oberen Unterprojekte sind zusammenzufassen; 2) Welche Schutzmaßnahmen und Biodiversitäts-Hotspots können wir identifizieren?