Modellierung klimabedingter Arealänderungen Europäischer Schmetterlinge und ihrer Wirt

Der Verlust an Biodiversität gehört zu den bedeutendsten Effekten des anthropogen verursachten Klimawandels. Dabei stehen den Arten im Wesentlichen zwei Strategien zu Verfügung, um auf geänderte Klimabedingungen zu reagieren: Einerseits kann durch Adaptation vor Ort ein Aussterben vermieden werden. Andererseits kann eine Anpassung des Verbreitungsgebietes durch Migration erfolgen. Verschiebungen von Arealgrenzen unterliegen einer Vielzahl zugrundeliegender Prozesse wie der Stärke der Klimaveränderung, dem Populationswachstum unter gegebenen Bedingungen, der Ausbreitungsfähigkeit der betroffenen Arten und v.a. auch Wechselwirkungen mit anderen Arten der Lebensgemeinschaft. Da diese Faktoren noch nicht gemeinsam in einem Modellierungsansatz berücksichtigt werden konnten, ist unsere Fähigkeit zur Vorhersage zukünftiger Artverbreitungen und daher auch der Vorhersage regionaler und globaler Biodiversitätsmuster begrenzt. Das vorgeschlagene Projekt konzentriert sich auf Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und wirtsspezifischen Herbivoren als eine der wichtigsten trophischen Interaktionen. Um die Beziehungen von Schmetterlingslarven und ihren Wirtspflanzen zu modellieren, wollen wir das dynamische Ausbreitungsmodell CATS dahingehend erweitern, dass die parallele Simulation von mehreren Arten möglich wird. CATS modelliert, in jährlichen Zeitschritten, das lokale Populationswachstum in Abhängigkeit vom sich ändernden Klima und die darauffolgende Ausbreitung der Individuen im Untersuchungsgebiet. Für die Populationen der Schmetterlinge werden diese Prozesse zusätzlich in Abhängigkeit von der sich parallel verändernden Verbreitung der Wirtspflanzen modelliert. Das modifizierte CATS-Modell wird angewendet, um die Arealverschiebungen von ca. 30 Schmetterlingsarten mitsamt ihren Futterpflanzen in Europa unter der Annahme unterschiedlicher Klimawandelszenarien bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu modellieren. Die Ergebnisse werden helfen, (1) theoretische Fragen bezüglich möglicher Effekte von biotischen Interaktionen unter dem Einfluss des Kimawandels zu beantworten; und (2) zu evaluieren, ob und in welchem Umfang das Europäische Schutzgebietsnetzwerk Natura 2000 Arealanpassungen der Schmetterlings-Wirtspflanzen- Systeme unterstützt.

Durch den Klimawandel werden sich die lokalen Umweltbedingungen innerhalb des Verbreitungsgebiets einer Art in unterschiedlicher Weise verändern. Dies kann dazu führen, dass Arten in gewissen Regionen seltener werden oder sogar aussterben, anderenorts aber Zuwächse verzeichnen und neue Gebiete besiedeln. Daraus resultiere Verschiebungen der Areale der Arten werden von der Stärke der Klimaveränderung selbst, der Verfügbarkeit geeigneter Habitate, dem Wachstum und der Mobilität lokaler Populationen sowie den Interaktionen mit anderen Arten determiniert. Um das Zusammenwirken dieser Prozesse zu verstehen und ihren Effekt auf zukünftige Artverbreitungen abschätzen zu können, ist eine solide Kenntnis jener Faktoren nötig, welche die aktuellen Areale determinieren. In diesem Projekt wurden Europäische Schmetterlinge und die Wirtspflanzen ihrer Raupen als Modellsystem verwendet. Einerseits wurde der Einfluss von Merkmalen der Art selbst, aber auch der umgebenden Landschaft auf die aktuellen Artareale untersucht. So konnten wir verschiedene Komponenten der ökologischen Nische (Breite von Klima-, Habitat- und Futternische) aber auch weiträumig wirkende Faktoren (wie die Luftstickstoffdeposition und die klimawandelbedingten Veränderungen der Temperatur und des Niederschlags) als maßgeblich für die aktuelle Verbreitung identifizieren. Andererseits haben wir das dynamische Computermodell CATS verwendet um Prognosen zukünftiger Arealverschiebungen (bis zum Ende der 21. Jahrhunderts) von 22 Schmetterlingsarten als Reaktion auf klimatische Veränderungen und entsprechende Verfügbarkeiten von Futterpflanzen zu erstellen. Arealverluste (von bis zu 90%) vorwiegend in südlichen und südöstlichen Teilen des Verbreitungsgebietes wurden durch Arealgewinne (von bis zu 40%) in nördlichen Bereichen und in größerer Höhenlage nur teilweise kompensiert. Überraschenderweise konnten viele Arten stabile Populationen über weite Teile ihrer aktuellen Areale bis zum Ende des Jahrhunderts beibehalten. Die Arealverschiebungen in nördlicher Richtung betrugen überwiegend weniger als 10 km pro Jahrzehnt konnten aber bis zu 45 km erreichen. Trotz dieser Verschiebungen blieben jene Arealanteile, die vom bestehenden Natura2000-Schutzgebietsnetzwerk abgedeckt wurden, weitgehend unverändert. Trotz merkbarer Arealerweiterungen bei ca. jeder 3. Art, führte die Annahme der unbegrenzten Verfügbarkeit der Wirtspflanzen für die Europäischen Schmetterlinge gesamt gesehen weder zu einer signifikanten Arealvergrößerung noch zu einer signifikanten Arealverschiebung. Die Arealdynamiken der Europäischen Schmetterlinge werden hauptsächlich durch die Arealverluste determiniert. Die Verfügbarkeit von Futterpflanzen spielt daher für zukünftige Arealverschiebungen eine untergeordnete Rolle und ist auf jene Arten beschränkt, deren Wirtspflanzen empfindlicher auf den Klimawandel reagieren als die Schmetterlinge selbst. Bei diesen Arten kommt es zum Aussterben von Populationen in Gebieten, die für den Schmetterling selbst klimatisch noch geeignet wären. Basierend auf einem verbesserten Verständnis der bestimmenden Faktoren für die aktuellen Artverbreitungen, bedeuten diese Ergebnisse eine verbesserte Vorhersage des Schicksals der Schmetterlingsarten in Europa bis zum Ende des 21. Jahrhunderts.