Abteilung Aquatische Ökologie

Räumlich-zeitliche Dynamik in Meta-Ökosystemen

Fluktuationen sind in ökologischen Systemen allgegenwärtig und prägen die Funktionsweise von Organismen und Ökosystemen auf mehreren Ebenen. Dennoch stützt sich die ökologische Theorie seit langem auf Annahmen zum Gleichgewichtszustand und behandelt Ökosysteme als statische Einheiten, die von Gleichgewichtsdynamiken bestimmt werden. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass zeitliche Schwankungen nicht einfach nur Hintergrundrauschen sind, sondern eine grundlegende Triebkraft für ökologische Charakteristika wie die Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften, die Struktur der Biomasse oder Funktionen darstellen. Während die Auswirkungen zeitlicher Schwankungen auf lokaler und individueller Ebene untersucht wurden, sind ihre Auswirkungen auf die Dynamik von Meta-Ökosystemen noch weitgehend unverstanden.

Unsere Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, unser Verständnis der Meta-Ökosystemdynamik durch eine Kombination aus mathematischen Modellen und Experimenten zu vertiefen. Wir entwickeln mathematische Modelle und nutzen Experimente mit Protisten, um Vorhersagen über die Auswirkungen zeitlicher und räumlicher Schwankungen auf (Meta-)Ökosysteme zu erstellen und zu testen, die die Biodiversität und die Funktionen von Ökosystemen in einer sich verändernden Welt beeinflussen. Darüber hinaus beziehen wir räumliche Verbindungen zwischen Ökosystemen über den Fluss von Ressourcen und Organismen (wie Krebstieren) in diesen zeitlich schwankenden Ökosystemen mit ein. Wir interessieren uns für die Untersuchung des zeitlichen Zusammenwirkens ökologischer Ereignisse.

Publikationen

Resource flow network structure drives metaecosystem function

Nonliving resources frequently flow across ecosystem boundaries, which can yield networks of spatially coupled ecosystems. Yet the significance of resource flows for ecosystem function has predominantly been understood by studying two or a few coupled ecosystems, overlooking the broader resource flow network and its spatial structure. Here, we investigate how the spatial structure of larger resource flow networks influences ecosystem function at metaecosystem scales by analyzing metaecosystem models with homogeneously versus heterogeneously distributed resource flow networks but otherwise identical characteristics. We show that metaecosystem function can differ strongly between metaecosystems with contrasting resource flow networks. Differences in function generally arise through the scaling up of nonlinear local processes interacting with spatial variation in local dynamics, the latter of which is influenced by network structure. However, we find that neither network structure guarantees the greatest metaecosystem function. Rather, biotic (organism traits) and abiotic (resource flow rates) properties interact with network structure to determine which yields greater metaecosystem function. Our findings suggest that the spatial structure of resource flow networks coupling ecosystems can be a driver of ecosystem function at landscape scales. Furthermore, our study demonstrates how modifications to the structural, biotic, or abiotic properties of metaecosystem networks can have nontrivial large-scale effects on ecosystem function.
Peller, T.; Gounand, I.; Altermatt, F. (2024) Resource flow network structure drives metaecosystem function, American Naturalist, 204(6), 546-560, doi:10.1086/732812, Institutional Repository

Cross-ecosystem carbon flows connecting ecosystems worldwide

Ecosystems are widely interconnected by spatial flows of material, but the overall importance of these flows relative to local ecosystem functioning remains unclear. Here we provide a quantitative synthesis on spatial flows of carbon connecting ecosystems worldwide. Cross-ecosystem flows range over eight orders of magnitude, bringing between 10−3 and 105 gC m−2 year−1 to recipient ecosystems. Magnitudes are similar to local fluxes in freshwater and benthic ecosystems, but two to three orders of magnitude lower in terrestrial systems, demonstrating different dependencies on spatial flows among ecosystem types. The strong spatial couplings also indicate that ecosystems are vulnerable to alterations of cross-ecosystem flows. Thus, a reconsideration of ecosystem functioning, including a spatial perspective, is urgently needed.
Gounand, I.; Little, C. J.; Harvey, E.; Altermatt, F. (2018) Cross-ecosystem carbon flows connecting ecosystems worldwide, Nature Communications, 9, 4825 (8 pp.), doi:10.1038/s41467-018-07238-2, Institutional Repository

Meta-Ecosystems 2.0: rooting the theory into the field

The meta-ecosystem framework demonstrates the significance of among-ecosystem spatial flows for ecosystem dynamics and has fostered a rich body of theory. The high level of abstraction of the models, however, impedes applications to empirical systems. We argue that further understanding of spatial dynamics in natural systems strongly depends on dense exchanges between field and theory. From empiricists, more and specific quantifications of spatial flows are needed, defined by the major categories of organismal movement (dispersal, foraging, life-cycle, and migration). In parallel, the theoretical framework must account for the distinct spatial scales at which these naturally common spatial flows occur. Integrating all levels of spatial connections among landscape elements will upgrade and unify landscape and meta-ecosystem ecology into a single framework for spatial ecology.
Gounand, I.; Harvey, E.; Little, C. J.; Altermatt, F. (2018) Meta-Ecosystems 2.0: rooting the theory into the field, Trends in Ecology and Evolution, 33(1), 36-46, doi:10.1016/j.tree.2017.10.006, Institutional Repository

Kontakt

Prof. Dr. Florian Altermatt Tel. +41 58 765 5592 E-Mail senden
Lara Chaouat PhD Student Tel. E-Mail senden

Kollaborationen

Dr. Tianna Peller, University of Toronto

Weitere Informationen

www.altermattlab.ch