Sequenzielle Entstehung von Funktioneller Multidiversität

Biodiversität ist für Erhaltung und die Stabilität von Ökosystemen von unschätzbarem Wert. Weiterhin stellen diverse Ökosysteme viele Dienstleistungen bereit, die das menschliche Wohlbefinden fördern. Die verschiedenen voneinander abhängigen ökologischen Funktionen von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen erfordern umfassende Bestandsaufnahmen der gesamten Organismen, die in einem Gebiet vorkommen. Solche Bestandsaufnahmen bieten die Möglichkeit, die Multidiversität eines Ökosystems zu erfassen, d.h. die kumulierte Diversität aller Organismen. Ursachen und Wirkungen von Diversitätsverlusten werden intensiv beforscht, ähnliche Untersuchungen zur Entstehung von diversen Ökosystem fehlen jedoch. Österreichische Gletschervorfelder bieten die einzigartige Möglichkeit, den gemeinsamen Anstieg in der Pflanzen-, Tier- und Mikroorganismendiversität in praktisch unbelebten Habitaten bis hin zu artenreichen Ökosystemen zu beobachten. In diesen Gegenden kann die Zeit seit der ersten Kolonisierung durch die Datierung des Gletscherrückgangs genau bestimmt werden und mit der Multidiversität korreliert werden. Die Erkenntnisse, die durch die Feldarbeit gewonnen werden, sollen weiterhin gezielt in Mikrokosmosversuchen überprüft werden. Die Datensätze, die im Laufe des Projekts anfallen werden mit modernsten statistischen Methoden analysiert bzw. mit Methoden, die spezifisch für diese Daten entwickelt werden sollen. Diese Analysen werden die zeitlichen Wandlungen in den Artengemeinschaften sichtbar machen und die gegenseitige Abhängigkeit von Organismen messen. Damit können ökologische Prozesse erkannt werden, die mit verfügbaren Methoden nicht messbar wären. Die wesentlichen Ziele des Projekts sind a) statistische Methoden zu entwickeln um die komplexen Multidiversitätsdaten zu analysieren und damit fundamentale ökologische Fragen zu beantworten und diese auch für andere Disziplinen abseits der Ökologie verfügbar zu machen und b) um ein umfassenden Verständnis für die Ökosystemprozesse zu bekommen, die für die Entstehung von Multidiversität verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse sind essentiell, um zukünftige Naturschutz- oder Restaurationsmaßnahmen in natürlichen oder anthropogen veränderten Ökosystemen zu planen und zu ergreifen.

Der Verlust der Biodiversität bedroht Ökosysteme und das menschliche Wohlergehen. Während der Verlust der Biodiversität multipler Taxa häufig Gegenstand der Forschung ist, wurde das Zusammenspiel mehrerer Taxa in ökologische Sukzessionen noch nicht ausreichend erforscht. Im Sommer 2019 und 2020 haben wir 140 Dauerbeobachtungsflächen entlang des Sukzessionsgradienten des Gletschervorfeldes des Ödenwinkelkees (Land Salzburg, Österreich) angelegt und eine vollständige Bestandsaufnahme von Gefäßpflanzen, Moosen, bodenbewohnenden und pflanzenassoziierten Bakterien und Pilzen sowie unter- und oberirdischen Arthropoden durchgeführt. Außerdem wurden verschiedene Umweltparameter erfasst. Auf der Grundlage dieser Daten zeichneten wir die Zunahme der Diversität sowie Veränderungen in der Zusammensetzung der Gemeinschaften nach und untersuchten Assemblierungsprozesse bei verschiedenen Taxa sowie in verschiedenen Sukzessionsstadien. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass stochastische, wahrscheinlich von Ausbreitung dominierte Prozesse nach etwa 60 Jahren der Sukzession durch eher deterministische Prozesse wie Umweltfilterung und biotische Interaktionen ersetzt werden. Diese Änderungen der Prozesse entlang der Sukzessionsgradienten treten abrupt auf, sobald abiotische und biotische Faktoren an Einfluss gewinnen. Um die aus den Felddaten gewonnenen korrelativen Ergebnisse zu validieren, haben wir Laborexperimente entwickelt, um Hypothesen zu überprüfen, die sich aus den Felddaten ergaben. Diese Laborexperimente bestätigten die abrupte Veränderung der Sukzessionsprozesse und die gegenseitige Abhängigkeit der Taxa bei der Bildung von Gemeinschaften. Darüber hinaus wurden im Rahmen unseres Projekts auch statistische Verfahren eingeführt, mit denen nicht-monotone oder nicht-funktionale Abhängigkeiten aufgedeckt werden können. Wir entwickelten qad (kurz für quantification of asymmetric dependence), ein nichtparametrisches statistisches Verfahren zur Quantifizierung gerichteter und asymmetrischer Abhängigkeiten von bivariaten Stichproben, und demonstrierten seine Anwendbarkeit auf ökologische Daten. Mithilfe von qad konnten wir zeigen, dass bis zu 59 % aller signifikanten Assoziationen im untersuchten Gletschervorfeld nicht monoton sind. Außerdem konnten wir zeigen, dass paarweise Assoziationen zwischen Pflanzen, Bakterien und Pilzen spezifisch durch ihre Stärke und den Grad der Monotonie charakterisiert sind, d.h. Assoziationen zwischen Pflanzen und Mikroben grenzen sich klar von Assoziationen zwischen Mikroben und Mikroben ab. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse das Verständnis ökologischer Sukzessionen förderten, neue statistische Methoden für die Ökologie und darüber hinaus bereitstellen und die Bedeutung ökologischer Nicht-Monotonie aufzeigen.