Ecological analysis of large floristic and plant-sociological datasets – opportunities and limitations

by Florian Goedecke
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-05-04
Date of issue:2018-05-07
Advisor:Prof. Dr. Erwin Bergmeier
Referee:Prof. Dr. Erwin Bergmeier
Referee:Prof. Dr. Holger Kreft
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6843

 

 

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Name:GoedeckeF_2018_Thesis.pdf
Size:4.93Mb
Format:PDF
Description:Dissertation: Plant species distributions are analysed in a Mediterranean island context

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Abstract

English

This thesis comprises opportunities and limitations for the analysis of floristic and plant-sociological datasets and presents four related exemplary case studies. Woody plant species, their isolated metapopulations and vegetation units are considered as study objects in a Mediterranean island context. Studies address the islands of Crete and Sicily. The first chapter introduces to general methodologies and positions the conducted studies within this frame. The second chapter addresses the ecology and co-occurrence of woody species in Cretan landscape context. For precise coordinates of almost 9700 records of 37 species site-information on geology, geomorphology and climate were compiled. The resulting ecological spectra for each species were clustered by similarity, which revealed ecological species groups. These groups reflect distinct ecological units in the Cretan landscape and match partly with published vegetation and habitat schemes (EUNIS, Natura 2000, European vegetation classification). Results thus enable to compare plant ecological spectra of the woody flora of a region and their relation to vegetation patterns. The third chapter deals with the numerical classification of plant sociological relevées of alluvial Platanus orientalis forests; thereby two new plant associations were described. They differ markedly from a third vegetation unit published earlier; for all three associations, species composition, ecology and distribution were discussed. Within 74 Platanus stands in Crete nature conservation monitoring was performed, addressing adverse effects and conservation status. About one third was in good conservation status, 42 % had an inadequate status and 24 % had a bad status; thereby water abstraction, pollution and garbage were the main adverse effects. The study revealed ecologically and floristically founded vegetation units within a regionally common but neglected vegetation type, which is severely threatened in habitat quality. The study in the fourth chapter is an ecological comparison of metapopulations of Zelkova abelicea, an endemic Tertiary relict in the mountains of Crete. The tree species occurs in isolation in high altitudes of the main mountain ranges, whereas a previous genetic study found intraspecific differences. The mesic woody species occurs in the drier eastern mountains merely on shady slopes, while in the west it may occupy a wider site spectrum. These differences influence the prediction of species distribution models in MaxEnt. Models trained on the larger Western metapopulations fail to predict the smaller eastern ones. Isolation effects could apply even for these nearby mountains, which could explain differentiation and even potential speciation. The fifth chapter comprises a study comparing 12 maquis species occurring in Crete and Sicily. Species records and environmental variables (geomorphology, climate, geology) were included into species distribution models, trained on one of the two islands and tested on the other. Methodological issues in conjunction with extrapolation are discussed. We provide hinds for variable selection and adjustments, allowing for better models. Differences in ecological affinities hamper the extrapolation of species distribution in the test region, whereas species with broader ecological amplitude performed worse in models. Lowered isolation barriers with their according genetic uniformity and habitat filtering processes could be involved in the formation of such patterns. The studies comprise examples for opportunities and limitations in the analysis of large floristic and plant-sociological datasets. A conclusion in the context of several (ecological) disciplines is given in the sixth and last chapter, where also future analysis options for the region or similar datasets are presented.
Keywords: plant species distributions; extrapolation; species distribution modeling; nature conservation; woody species; Mediterranean; Crete; Sicily

German

Diese Dissertation zeigt anhand von vier Studien Möglichkeiten und Grenzen für die Analyse von floristischen und pflanzensoziologischen Datensätzen auf. Gehölzarten, ihre isolierten Metapopulationen und ihre Vegetation werden im Mittelmeerraum bearbeitet, dabei beschränken sich die Arbeiten auf die Inseln Kreta und Sizilien. Im ersten Kapitel werden allgemeine Auswertungsmöglichkeiten, das Untersuchungsgebiet und die Ziele der Arbeit vorgestellt. Die Studie im zweiten Kapitel bedient Aspekte der Pflanzenökologie und das gemeinsame Vorkommen von Gehölzarten auf Kreta. Für genaue Koordinaten von fast 9700 Funden von 37 Arten wurden Standortsangaben zu Geologie, Geomorphologie und Klima zusammengestellt. Die ökologischen Spektren der eingenommenen Standortsbedingungen wurden nach Ähnlichkeit klassifiziert, wodurch ökologische Artengruppen entstanden. Die Gruppen spiegeln abgrenzbare ökologische Einheiten in der kretischen Landschaft wider und stimmen teils mit Vegetationseinheiten aus der Literatur und Einheiten in Habitat-Handbüchern überein (EUNIS, Nature 2000, Europäische Vegetationsklassifikation). Damit erlauben die Ergebnisse einen Vergleich von pflanzenökologischen Spektren der regionalen Gehölzflora und deren Bezug zu Vegetationsmustern. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der Klassifikation von pflanzensoziologischen Aufnahmen von Platanus orientalis-Auwäldern; dadurch wurden zwei neue Pflanzengesellschaften beschrieben. Diese unterscheiden sich deutlich von einer früher beschriebenen Gesellschaft; für alle drei Assoziationen wurden die jeweilige Artenzusammensetzung, die Ökologie und die Verbreitung besprochen. Für 72 Platanenauwald-Bestände auf Kreta wurde zudem eine naturschutzfachliche Bewertung durchgeführt, wobei negative Einflüsse und der Erhaltungszustand erfaßt wurden. Etwa ein Drittel der Bestände war in gutem Erhaltungszustand, 42 % hatten einen unzureichenden Zustand und die restlichen 24 % hatten einen schlechten Zustand; dabei waren Entwässerung, Wasserverschmutzung und Müll die entscheidendsten negativen Einflüsse. Die Studie zeigt ökologisch wie floristisch begründete Vegetationseinheiten in einem regional häufigen Vegetationstyp auf, welcher ernsthaft in seiner Qualität bedroht ist. Die Studie im vierten Kapitel stellt einen ökologischen Vergleich von Metapopulationen von Zelkova abelicea dar, einem endemischem Tertiärrelikt in den kretischen Bergen. Die Baumart tritt in isolierten Vorkommen in den Höhenlagen der wichtigsten Bergketten auf, wobei eine frühere genetische Untersuchung intraspezifische Unterschiede fand. Die mesophile Art ist im trockenen Osten hauptsächlich auf schattige Hänge beschränkt, während sie im Westen eine breitere Standortsamplitude einnimmt. Diese Unterschiede beeinflussen die Vorhersage von MaxEnt-Modellen zur Verbreitung der Art; sodaß die kleineren östlichen Vorkommen schlecht über Modelle vorhergesagt werden können, welche die Westpopulationen als Grundlage haben. Es wirken vielleicht Isolationseffekte, die eine Differenzierung und sogar Artbildung erklären könnten. Das fünfte Kapitel umfaßt eine Studie bei der 12 Macchia-Arten untersucht wurden, die auf Kreta und Sizilien vorkommen. Fundpunkte von Arten und Umweltvariablen (Geomorphologie, Klima, Geologie) wurden in Modellen zur Vorhersage von Artverbreitungen verwendet, um letztere auf einer Insel zu trainieren und auf der jeweils anderen zu testen. Methodische Probleme im Zusammenhang mit Extrapolationen werden besprochen. Wir geben zudem Hinweise zur Auswahl von Variablen und Einstellungen die bessere Modelle erlauben. Unterschiede in den standörtlichen Spektren der Arten hemmen die Extrapolation von Artenverbreitungsmodellen im Testgebiet. Arten mit sehr speziellen Standortspräferenzen ließen sich gut auf der jeweils anderen Insel vorhersagen, während Arten mit breiter Standortsamplitude schlechter zu modellieren waren. Geringe Isolationsbarrieren und entsprechende genetische Uniformität für Küstenarten und Habitatfilterprozesse könnten an der Entstehung solcher Muster beteiligt sein. Die Studien enthalten Beispiele für die Möglichkeiten und Grenzen bei der Auswertung von großen floristisch-pflanzensoziologischen Datensätzen, die im sechsten und letzten Kapitel zusammengefaßt und im Kontext verschiedener (ökologischer) Disziplinen erörtert werden; außerdem werden dort Analsyeoptionen aufgezeigt die sich in der Region oder mit ähnlichen Datensätzen in Zukunft ergeben könnten.
 
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