Abteilung Aquatische Ökologie

Warming-related community turnover in terrestrial and freshwater
ecosystems


Dieses Projekt leistet einen Beitrag zur Blue Green Biodiversity Research Initiative - einer Eawag-WSL-Kollaboration, die sich auf die Biodiversität an der Schnittstelle von aquatischen und terrestrischen Ökosystemen konzentriert.

Eine entscheidende Herausforderung in der Ökologie besteht darin, zu verstehen, wie Veränderungen in der Biodiversität und der Zusammensetzung der Gemeinschaften in den Biomen der Erde mit der schnellen Geschwindigkeit des anthropogenen Klimawandels Schritt halten werden. Es hat sich gezeigt, dass die Zusammensetzung der Gemeinschaften auf Temperaturgradienten sowohl in terrestrischen als auch in aquatischen Systemen auf der ganzen Welt reagiert: arktische und alpine Landpflanzen, Phytoplankton, Vögel und Schmetterlinge sowie zahlreiche andere ekto- und endotherme Taxa. Reichweitenverschiebungen zu höheren Breitengraden und Erhebungen sind heute für viele Arten und Systeme allgemein zu beobachten, da die Organismen ihre geographische Verteilung verschieben, um ihren Wärmebedarf zu verfolgen. Mit steigenden Temperaturen an einem bestimmten Ort ist zu erwarten, dass das Vorkommen oder die Häufigkeit von Arten, die an höhere Temperaturen angepasst sind, zunimmt, während Arten, die an niedrigere Temperaturen angepasst sind, abnehmen und schließlich ausgeschlossen werden können. Solche Richtungsverschiebungen in der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften zugunsten warmaffiner Arten werden als "Thermophilisierung" bezeichnet, ein Phänomen, das sowohl bei Wasser- als auch bei Landpflanzen und -tieren zunehmend dokumentiert wird. Die Muster der Thermophilisierung sind jedoch idiosynkratisch und variieren je nach taxonomischer Gruppe und Ökosystem, was die Notwendigkeit systematischer, hypothesengesteuerter Vergleiche unterstreicht.

Wir führen eine vergleichende Analyse zwischen Land- und Süßwasser-Ökosystemen und zwischen verschiedenen trophischen Zünften durch, um die potenziellen Triebkräfte der Variation der Thermophilisierungsraten zu untersuchen. Wir streben ein mechanistischeres Verständnis der Variation an, die den Reaktionen auf die Klimaerwärmung auf Gemeindeebene zugrunde liegt, und werden die Identifizierung von taxonomischen Gruppen und Gemeinschaften ermöglichen, die bei künftigen Szenarien der Klimaerwärmung besonders anfällig für lokale Ausrottungen sind. Wir stellen die Hypothese auf, dass Unterschiede in den Thermophilisierungsraten von der Größe, der Geschwindigkeit, der Varianz und dem Zeitpunkt der Umwelterwärmung in jedem Ökosystem sowie von der Variation der Eigenschaften der Organismen über trophische Gilden hinweg abhängen, darunter: Generationszeit, Mobilität, thermische Strategie (Ekto- vs. Endothermie) und die Breite der thermischen Toleranz. Konkret erwarten wir eine stärkere Thermophilisierung an Standorten mit stärkerer, weniger variabler und jüngerer Erwärmung sowie bei Organismen mit kürzeren Generationszeiten (z.B. Phytoplankton im Vergleich zu Pflanzen, Abb. 1a), höherer Mobilität (z.B. Vögel im Vergleich zu Fischen, Abb. 1a), die Ektothermen sind und engere thermische Toleranzen aufweisen.

Abbildung 1
Abbildung 1

Wir wenden Schätzungen der thermischen Eigenschaften der Arten auf bestehende Daten der aquatischen und terrestrischen Lebensgemeinschaften an, die über Zeit und/oder Raum gemessen wurden, um Schätzungen der Thermophilisierung zu erstellen (z.B. Abb. 1a). Wir testen auch den Grad, in dem die thermischen Eigenschaften der einzelnen Arten ihre relativen Wachstumsraten in einer Gemeinschaft als Reaktion auf die Erwärmung vorhersagen (z.B. Abb. 1b). Wir verwenden bestehende Datensätze zu Land- und Süsswassergemeinschaften in der Schweiz und weltweit. Die schweizerischen Datensätze decken zahlreiche trophische und taxonomische Gruppen ab, von Gefässpflanzen, Schmetterlingen und Vögeln im terrestrischen Bereich bis hin zu Phytoplankton, Zooplankton und Fischen im Bereich des Süsswassers. Wir konzentrieren uns auf die in der Schweiz erhobenen Datensätze aufgrund der klimatischen und geographischen Vergleichbarkeit der Ökosysteme (z.B. alpine oder peri-alpine), der Harmonisierung der Stichprobenpläne für zahlreiche taxonomische Gruppen und der Vergleichbarkeit des zeitlichen und räumlichen Bereichs, in dem die Daten erhoben wurden. Zu diesen Datensätzen gehören landesweite Wiedererhebungen von Pflanzen, Schmetterlingen und Vögeln aus terrestrischen Systemen im Rahmen des Schweizerischen Biodiversitätsmonitorings (BDM) sowie Phytoplankton- und Zooplanktondaten aus Seen, die von den Kantonen generiert wurden, und räumlich ausgedehnte Fischuntersuchungen in Seen und Flüssen, die von Mitarbeitenden durchgeführt wurden. Darüber hinaus umfassen wir auch Analysen von weltweit beprobten Lebensgemeinschaften zum Zwecke eines breiteren wissenschaftlichen Vergleichs. Dazu gehören Erhebungen von enormer räumlicher Ausdehnung (z.B. die nationale Erhebung der EPA in den USA zur Bewertung der Seen und die schwedischen Erhebungen zu Seen und Flussfischen), Langzeitreihen (z.B. LTER-Daten in den USA und neu beprobte Walderhebungen in ganz Europa), RivFishTime-Daten für globale Süßwasserfische und BioTime-Daten für terrestrische und aquatische Taxa.