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Zentrale und periphere Populationen von Hornungia petraea: Biodiversität und Demographie auf unterschiedlichen raum-zeitlichen Skalenebenen

dc.contributor.advisorBruelheide, Helge Prof. Dr.de
dc.contributor.authorKluth, Christiande
dc.date.accessioned2012-05-16T12:11:32Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:33Zde
dc.date.issued2004-06-14de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B699-Dde
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-1385
dc.description.abstractHornungia petraea ist eine winterannuelle Brassicaceae mit submediterraner-subatlantischer Verbreitung. Anhand dieses Untersuchungsobjektes wurden unterschiedliche Aspekte von Biodiversitätsmustern und Demographie über verschiedene raum-zeitliche Skalen untersucht. Das höchste untersuchte Skalenniveau war der Vergleich zentraler und peripherer Populationen über die gesamte geographische Verbreitung. Als zentrales Untersuchungsgebiet wurde Mittelitalien (Marken, Umbrien) gewählt. Stellvertretend für periphere Populationen war eine Exklave am nordöstlichen Arealrand in Mitteldeutschland (Thüringen, Sachsen-Anhalt) gewählt worden. Die hierarchisch nächstniedrigere Skalenebene stellten die einzelnen Populationen von H. petraea (Plots) dar. In jedem Untersuchungsgebiet wurden zehn Populationen entlang eines 100 km langen Transektes ausgewählt. Die niedrigste untersuchte Skalenebene waren zufällig innerhalb dieser Populationen ausgewählte Kleinquadrate (Subplots). Über drei Vegetationsperioden von H. petraea wurden die Individuenzahl und die Populationsdichte aller Lebensstadien einschließlich der Samenbank bestimmt.Anhand dieses formalisierten hierarchischen Beprobungsdesigns wurden Biodiversitätsmuster über die verschiedenen Skalenebenen analysiert und Biodiversitäts-Indices für die verschiedenen Skalen miteinander und mit Charakteristika der Untersuchungsflächen in Beziehung gesetzt. Gängige Diversitäts-Indices für α-, β- und γ-Diversität (unabhängig von der betrachteten Skalenebene) wurden mit Diversitäts-Indices verglichen, die sich aus der Auswertung von Artenakkumulationskurven über die Michaelis-Menten-Gleichung ergeben. Die zu erwartende Übereinstimmung der Ergebnisse wurde hergeleitet und die Vorteile dieser Methode zur einheitlichen Auswertung von Biodiversität über verschiedene Skalenebenen hinweg herausgestellt. Für das Untersuchungsobjekt selbst ergab sich, dass erstens die Art auf dem kleinsten betrachteten Skalenniveau der Subplots im Arealzentrum ebenso viele direkt benachbarte Arten hat wie am Arealrand, d.h. der Artenreichtum gleich war. Zweitens zeigte sich, dass auf dem Niveau gesamter Populationen im Arealzentrum mehr Arten vorkommen als am Arealrand und dass drittens die italienischen Untersuchungsflächen sich in ihrer Artenzusammensetzung stärker voneinander unterschieden als deutsche Flächen. Das heißt, dass H. petraea im italienischen zentralen Untersuchungsgebiet in einer größeren Anzahl unterschiedlicher Habitate vorkommt als im peripheren deutschen Untersuchungsgebiet.Aus dem sogenannten central-marginal model" ergeben sich Annahmen hinsichtlich der Populationsdichten für das Skalenniveau der gesamten geographischen Verbreitung von Arten. Nach diesem Modell ist davon auszugehen, dass periphere Populationen geringere Dichten aufweisen als Populationen im Zentrum des Verbreitungsgebietes einer Art. An Pflanzen wurde diese Annahme bisher selten direkt untersucht. In dieser Untersuchung wurden alle Lebensstadien der Art H. petraea im Hinblick auf die Vorhersagen des Modells überprüft. Die anhand des streng hierarchischen Beprobungsdesigns gewonnenen Daten wurden mittels einer der Methode angepassten Varianzanalyse ausgewertet. Dabei können die Effekte der verschiedenen Faktoren des Landes, der im Land verschachtelten Populationen und die zeitliche Wiederholung - adäquat getrennt und ihr Einfluss auf die Dichte des entsprechenden Lebensstadiums verglichen werden. Auf der Zeitskala werden sowohl interannuelle als auch saisonale Dynamiken berücksichtigt. Anders als erwartet zeigte sich für alle Lebensstadien im deutschen Untersuchungsgebiet eine - verglichen mit dem italienischen Gebiet - höhere Populationsdichte. Der Einfluss der Population war geringer als der Einfluss der Lage im Verbreitungsgebiet. Die stärkste interannuelle Dynamik wies die Fekundität auf. In der saisonalen Dynamik sind die Unterschiede der Samenbankpopulationen besonders deutlich. Diese scheinen die Hauptursache für die unterschiedlichen Dichtemuster von H. petraea zu sein, da bei den zentralen Populationen deutlich weniger Samen nach ihrer Ausbreitung in die Samenbank inkorporiert werden als bei peripheren Populationen. In Verbindung mit Beobachtungen zur Neugründung von Populationen lassen diese Ergebnisse auf eine höhere Metapopulationsdynamik im italienischen zentralen Untersuchungsgebiet schließen.Weitere mögliche demographische Ursachen wurden auf dem Skalenniveau der gesamten Populationen untersucht, wobei alle Übergangsraten im Lebenszyklus von H. petraea genauer betrachtet wurden. Die zu erwartenden Effekte Dichteabhängigkeit und zeitliche Dynamik sowie der Effekt des Faktors Land auf die Übergangsraten wurden in einem adäquaten statistischen Modell berücksichtigt. Bei gegebenen Dichten waren Inkorporationsrate, Keimrate und Winterüberlebensrate in den peripheren Populationen höher als in zentralen Populationen. Besonders dichteabhängig waren Keimrate und Inkorporationsrate, deren Dichteabhängigkeit in der Literatur bisher wenig Eingang gefunden hat. Es erwies sich, dass die Dynamik der Übergangsraten bei den italienischen Populationen stärker war als bei den deutschen Populationen, was eine zusätzliche Erklärung der geringeren Populationsdichten im Arealzentrum sein kann. Ohne die Berücksichtigung der Dichteabhängigkeit hätte der Unterschied in den Übergangsraten zwischen zentralen und peripheren Populationen nicht gezeigt werden können.Die Ergebnisse dieser Untersuchung verändern die Erwartungen zur genetischen Struktur der Populationen. Erstens legt die höhere Anzahl unterschiedlicher von H. petraea besiedelter Habitate in Italien den Schluss nahe, dass die genetische Diversität zwischen den italienischen Populationen größer ist als die zwischen den deutschen Populationen. Zweitens kann erwartet werden, dass die geringeren Populationsdichten in Italien die genetische Varianz innerhalb der Populationen verringert. Drittens führt jedoch die höhere Metapopulationsdynamik im italienischen Untersuchungsgebiet zu einem höheren genetischen Austausch zwischen den Populationen. Derartige Zusammenhänge zeigen die Wichtigkeit der Implementierung demographischer Gegebenheiten, wie z.B. Populationsdichten, Populationsdynamik und Dichteabhängigkeit, in das central-marginal model" und könnten damit auch erklären, warum eine reduzierte molekulargenetische Varianz am Arealrand bisher nicht als generelles Muster bestätigt werden konnte.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyrdiss.htmde
dc.titleZentrale und periphere Populationen von Hornungia petraea: Biodiversität und Demographie auf unterschiedlichen raum-zeitlichen Skalenebenende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedCentral and peripheral populations of Hornungia petraea: biodiversity and demography on different spatio-temporal scalesde
dc.contributor.refereeBruelheide, Helge Prof. Dr.de
dc.date.examination2004-04-27de
dc.description.abstractengHornungia petraea is a winter annual species of the Brassicaceae. The species has a submediterranean-subatlantic distribution. On the basis of H. petraea populations, different aspects of biodiversity patterns and demography were studied across different spatio-temporal scales. At the largest scale central and peripheral populations across the whole geographical distribution were studied. Central Italy (Marche, Umbria) had been chosen as a representative part of the species distribution centre, while the exclave in Central Germany (Thuringia, Saxony-Anhalt) had been selected as as study region representing the species´ range periphery at its north-eastern distribution limit. Single H. petraea populations (plots) represent the next lower scale level. In every study region, ten populations were selected along a 100 km transect. The lowest scale level consisted of small study quadrats (subplots) that had been randomly chosen within these populations. The number of individuals and the population density of all life cycle stages of H. petraea was measured over three vegetation cycles.With this formalized and hierarchic study design, biodiversity patterns could be analysed across the different scales. Biodiversity indices on all scale levels were compared with each other and were related to characteristics of the study sites. Well known diversity indices of α-, β- and γ-diversity (irrespective of the scale regarded) were compared with diversity indices that resulted from an evaluation of species-accumulation curves by means of the Michaelis-Menten-equation. The expected concordance of the results was deduced and the advantages of this method for a comparable evaluation of biodiversity across scale levels were emphasized. For H. petraea, it could be shown that, first, on the lowest level of subplots, species richness was similar for all subplots i.e. the species had as many directly neighbouring species at the distribution border as in the distribution centre. Second it was found, that on the population level, there were more species in the distribution centre than at the periphery. Third, the Italian study sites differed to a greater extent in their species composition than the German sites. This indicates that H. petraea is occurring in a greater diversity of habitats in the central Italian study region compared to the peripheral German region.The so called central-marginal model" assumes different population densities on the scale level of the whole distribution of a species. Following this model, peripheral populations should occur at lower densities compared to populations in the centre of the distribution of a species. This assumption has until now rarely been tested in plant species. In this study, all life cycle stages of the species H. petraea were evaluated considering the predictions of the model. The data that were collected within the strongly hierarchical study design were analysed with an analysis of variance adapted to the methods used. Thereby the effects of the different factors can be adequately separated and their influence on the density of the respective life cycle stage can be compared. The factors namely are country, populations nested within a country and the temporal repetition. On the temporal scale both interannual and seasonal dynamics are considered. Contrary to what was expected, H. petraea had a higher population density in the German study region at all life cycle stages compared to the Italian study region. The influence of populations was less than that of the position in the distribution range. Fecundity expressed the largest interannual dynamics. Differences in the seasonal dynamics were most explicit in seed bank populations. They seem to be the main reason for the different density patterns of H. petraea, as considerably less seeds were incorporated into the seed bank after seed dispersal in central populations than in peripheral populations. Together with observations on population founding these results allow to draw the conclusion that metapopulation dynamics in the central Italian study region are higher than in the German study region.Other possible demographical causes were studied on the population level, whereby the single transition rates in the life cycle of H. petraea were regarded more closely. The expected effects of density dependence and temporal dynamics as well as the effect of country on transition rates were accounted for in an adequate statistical model. At given densities the incorporation rate, germination rate and winter survival rate were higher in peripheral populations than in the central populations. Especially germination rate and incorporation rate proved to be rather density dependent which by now has not been reflected in the literature. The dynamic of transition rates was found to be stronger in the Italian compared to the German populations, which may be considered as an additional explanation of the reduced population sizes in the distribution centre. Without considering density dependence, differences in the transition rates between central and peripheral populations would not have been detected.The results of this study alter expectations on the genetic structure of populations. First, the higher number of differing habitats occupied by H. petraea in Italy suggests that genetic diversity between the Italian populations may be higher than genetic diversity between German populations. Second, reduced population densities in Italy can be expected to reduce the genetic variance within these populations. And third, the higher metapopulation dynamics in the Italian study region increases gene flow among populations. These interactions show the importance to implement demographical data, e. g. on population densities, population dynamics and density dependence, in the central-marginal model". They can thereby also explain why a reduced molecular genetic variance at the distribution periphery could not be verified as a general pattern until today.de
dc.contributor.coRefereeRunge, Michael Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.ger580 Pflanzen (Botanik)de
dc.subject.ger“abundant centre”de
dc.subject.gerÄhnlichkeitde
dc.subject.gerAlysso-Sedionde
dc.subject.gerANCOVAde
dc.subject.gerArtenakkumulationde
dc.subject.gerArtenreichtumde
dc.subject.gerBiogeographiede
dc.subject.gerDemographiede
dc.subject.gerDichteabhängigkeitde
dc.subject.gerhierarchische Beprobungde
dc.subject.gerHornungia petraeade
dc.subject.gerinterannuelle und saisonale Samenbank-Dynamikde
dc.subject.gerMesswiederholungde
dc.subject.gerMichaelis-Mentende
dc.subject.gerPopulationsdynamikde
dc.subject.gerPopulationsökologiede
dc.subject.gerraum-zeitliche Variationde
dc.subject.gerSkalende
dc.subject.gerTrockenrasende
dc.subject.gerZentrale und periphere Populationende
dc.subject.eng“abundant centre” distributionde
dc.subject.engAlysso-Sedionde
dc.subject.engANCOVAde
dc.subject.engannual and seasonal seed bank dynamicsde
dc.subject.engbiogeographyde
dc.subject.engcalcareous grasslandsde
dc.subject.engcentral-marginal modelde
dc.subject.engdemographyde
dc.subject.engdensity dependencede
dc.subject.engHornungia petraeade
dc.subject.engMichaelis-Mentende
dc.subject.engnested repeated measures designde
dc.subject.engnested sampling designde
dc.subject.engpopulation dynamicsde
dc.subject.engpopulation ecologyde
dc.subject.engscalede
dc.subject.engsimilarity decayde
dc.subject.engspatio-temporal variationde
dc.subject.engspecies accumulationde
dc.subject.engspecies richnessde
dc.subject.bk42.07de
dc.subject.bk42.44de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-263-6de
dc.identifier.purlwebdoc-263de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullWLde
dc.subject.gokfullWNde
dc.identifier.ppn391891634de


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