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Determinants of species diversity across spatial scales


Karger, Dirk Nikolaus. Determinants of species diversity across spatial scales. 2013, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

ZUSAMMENFASSUNG Eine der größten Fragen der heutigen Wissenschaft lautet: Was bestimmt Artenvielfalt? Die reine Anzahl an Arten, die auf der Erde existieren, ist atemberaubend. Aber warum gibt es so viele Arten von Lebewesen? Warum gibt es einige Regionen auf der Erde, an der viel mehr Arten vorkommen als in anderen Regionen? Seit dem Beginn der Biogeographie haben sich Wissenschaftler diese Fragen gestellt und versucht sie zu beantworten. Stück für Stück beginnen wir zu verstehen, was die Artenvielfalt auf der Erde und ihre Verteilung bestimmt. Die vorliegende Arbeit trägt im Rahmen dieser übergeordneten Fragen zu unserem wachsenden Verständnis der Artenvielfalt unseres Planeten bei. Um die Frage zu beantworten, was Artenvielfalt bestimmt, beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Aspekt des räumlichen Massstabes. Räumlicher Massstab ist nicht unerheblich, wenn wir versuchen wollen, Artenvielfalt und die sie bestimmenden Faktoren zu verstehen. Wir können beispielsweise die Frage stellen: Warum gibt es in den Tropen mehr Arten als in gemässigtem Klima? Warum gibt es auf großen Inseln mehr Arten als auf kleinen? Dies sind Fragen, die sich ergeben, wenn wir großräumige, regionale Karten von Artenvielfalt betrachten. Andererseits können wir aber auch folgende Fragen stellen: Warum wächst eine Pflanze wo sie wächst, und nicht einfach paar Meter weiter? Warum gibt es beispielsweise in einem Wald Stellen mit vielen Arten und Stellen mit wenigen Arten? Dies sind Fragen, die wir uns stellen, wenn wir die Natur in einem kleinräumigen Massstab betrachten. Das entspräche dem Massstab einer Person, die in einem Wald steht und um sich schaut. Um zu verstehen, was Artenvielfalt bestimmt, müssen wir uns all diese räumlichen Massstäbe anschauen. Weder ist es möglich Artenvielfalt zu verstehen, wenn man nur auf eine Karte schaut, noch ist es möglich sie zu verstehen, wenn wir im Wald stehen und uns lediglich umschauen. In dieser Arbeit betrachte ich Artenvielfalt in unterschiedlichen räumlichen Massstäben, um besser zu verstehen, wie großräumige Muster der Artenvielfalt kleinräumige Muster beeinflussen. Ich tue dies, indem ich Artenvielfalt sowohl entlang verschiedener Höhengradienten, als auch auf verschiedenen Inseln des südostasiatischen Archipels studiere. Um einer Antwort auf übergeordnete Frage „Was bestimmt Artenvielfalt?“ näher zu kommen, stelle ich drei spezifische Fragen die im Zusammenhang mit dem räumlichen Massstab stehen auf dem wir Artenvielfalt betrachten. 1.) Beeinflusst räumliche Fläche die Unterschiede zwischen groß- und kleinräumigen Muster der Artenvielfalt entlang von Höhengradienten? 2.) In welcher Weise bestimmen großräumiger Artenpool und kleinräumige Unterschiede in Umweltfaktoren die Unterschiede in der Artzusammensetzung von kleinräumigen Artgemeinschaften (β Diversität)? 3.) Ist die Theorie der Inselbiogeographie auf großen wie auf kleinen räumlichen Massstäben gleichwertig anwendbar? Um Frage 1 zu beantworten habe ich die groß-und kleinräumige Artenvielfalt entlang von fünf Höhengradienten studiert (Kapitel 1). Ich kann zeigen, dass die Fläche in der die großräumige Artenvielfalt aufgenommen wurde für den Unterschied zwischen groß- und kleinräumiger Artenvielfalt verantwortlich ist. Die Fragen 2 und 3 behandele ich durch die Untersuchung der Artenvielfalt von Farnen auf Inseln unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Artenpools im südostasiatischen Archipel Indonesiens und der Philippinen. Im Bezug auf die zweite Frage kann ich zeigen, dass die Artenzusammensetzung in kleinräumigen Artgemeinschaften signifikant von der Größe des Artenpools abhängt und dass Konkurrenz zwischen Arten eine Erklärung für die beobachteten Muster liefert (Kapitel 2). Die Ergebnisse der Untersuchung der dritten Frage zeigen, dass die Theorie der Inselbiogeographie nicht auf allen räumlichen Massstäben gültig ist (Kapitel 3). Der Grund dafür ist, dass der Einfluss des Artenpools sich mit abnehmendem Massstab verringert. Zuletzt beschäftige ich mich mit einer praktischen Fragestellung, die bei Studien auf kleinräumigen Massstab von Bedeutung ist: Die Benützung von Mossdeckung auf Bäumen als Mass für Relative Luftfeuchte, die häufig eine finanziell und logistisch schwer zu messenden Variable in unzugänglichen Gebieten ist. Durch diese Resultate komme ich zu der Schlussfolgerung, dass Artenvielfalt von Faktoren bestimmt wird, die bei unterschiedlichen räumlichen Massstäben relevant sind, und es wichtig ist, diese Verknüpfungen im Detail zu verstehen. SYNOPSIS One of the biggest questions of today’s science is to understand: What determines species diversity? The shear amount of species on earth is overwhelming, but why? Why do we have so many species on earth? Why do we have some regions on earth which have so much more species than others? Scientists have tried to answer these questions since the beginning of biogeography when it came apparent that species diversity is not equally distributed on earth. Bit by bit we are beginning to understand why what determines the diversity of species and why it is so unevenly distributed on earth. This thesis lies on the hard of this question and is a contribution to our growing understanding of the diversity of nature. To help solving the puzzle of species diversity, it focuses on the aspect of diversity across spatial scale. Spatial scale is essential in understanding determinants of species diversity. We might question why do we have more species in the tropics than in temperate climates? Why have large islands more species than small ones? Questions which arise when we look at maps showing the large, regional scale distribution of species diversity: We might also ask: Why a plant grows where it grows, and not a few meters beside? How does it come that at one spot in a forest we see a lot of species and in another spot only a few? A question which arises when we look at diversity at a small, local scale: The scale of a person standing in a forest. To understand species diversity we have to consider all these spatial scales. Neither is it possible to answer what determines species diversity by only looking at a map, nor is it possible by standing in a forest, looking around us. In this thesis I look at species diversity at different spatial scales whit the attempt to better understand what determines species diversity and how large scale patterns are linked with small scale patterns. I do this by studying the diversity of ferns along different elevational gradients and on different islands of the Southeast Asian archipelago. I ask three specific questions to help building our knowledge about determinants of species diversity across spatial scale. 1: Does area link regional to local diversity along elevational gradients of species diversity? 2: In what way does the regional species pool and local environmental heterogeneity influence local community composition (β diversity) and how are these two aspects linked? 3: the equilibrium theory of island biogeography, a theory applicable at large scales equally applicable at local scales? I address question 1 by studying five elevational gradients in the tropics and comparing regional, large scale diversity with local, small scale diversity (Chapter 1). I show that the area at which regional diversity is sampled is mainly responsible for the differences between local and regional diversity. Question 2 and 3 I address by studying the diversity of ferns on islands of different size and different species pools in the Philippines and Indonesia. Regarding Question 2 I show the species composition of local communities is significantly influenced by the size of the species pool and that competition between species gives a biotic explanation for the observed pattern (Chapter 2). The results obtained by answering question 3 show that the equilibrium theory of island biogeography is not applicable at all spatial scales. The reason for this seems to be that the influence of the species pool is not equally strong across spatial scales (Chapter 3). Finally I answer a practical question regarding the study of species diversity at local scales by providing a proxy for relative air humidity in the tropics: Bryophyte cover on trees (Chapter 4), a financial and logistically challenging variable to measure in the field. From these answers I draw the conclusion that species diversity is driven by factors operating at different spatial scales and that it is important to understand what links this scales to be able to answer: What determines species diversity?

Abstract

ZUSAMMENFASSUNG Eine der größten Fragen der heutigen Wissenschaft lautet: Was bestimmt Artenvielfalt? Die reine Anzahl an Arten, die auf der Erde existieren, ist atemberaubend. Aber warum gibt es so viele Arten von Lebewesen? Warum gibt es einige Regionen auf der Erde, an der viel mehr Arten vorkommen als in anderen Regionen? Seit dem Beginn der Biogeographie haben sich Wissenschaftler diese Fragen gestellt und versucht sie zu beantworten. Stück für Stück beginnen wir zu verstehen, was die Artenvielfalt auf der Erde und ihre Verteilung bestimmt. Die vorliegende Arbeit trägt im Rahmen dieser übergeordneten Fragen zu unserem wachsenden Verständnis der Artenvielfalt unseres Planeten bei. Um die Frage zu beantworten, was Artenvielfalt bestimmt, beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Aspekt des räumlichen Massstabes. Räumlicher Massstab ist nicht unerheblich, wenn wir versuchen wollen, Artenvielfalt und die sie bestimmenden Faktoren zu verstehen. Wir können beispielsweise die Frage stellen: Warum gibt es in den Tropen mehr Arten als in gemässigtem Klima? Warum gibt es auf großen Inseln mehr Arten als auf kleinen? Dies sind Fragen, die sich ergeben, wenn wir großräumige, regionale Karten von Artenvielfalt betrachten. Andererseits können wir aber auch folgende Fragen stellen: Warum wächst eine Pflanze wo sie wächst, und nicht einfach paar Meter weiter? Warum gibt es beispielsweise in einem Wald Stellen mit vielen Arten und Stellen mit wenigen Arten? Dies sind Fragen, die wir uns stellen, wenn wir die Natur in einem kleinräumigen Massstab betrachten. Das entspräche dem Massstab einer Person, die in einem Wald steht und um sich schaut. Um zu verstehen, was Artenvielfalt bestimmt, müssen wir uns all diese räumlichen Massstäbe anschauen. Weder ist es möglich Artenvielfalt zu verstehen, wenn man nur auf eine Karte schaut, noch ist es möglich sie zu verstehen, wenn wir im Wald stehen und uns lediglich umschauen. In dieser Arbeit betrachte ich Artenvielfalt in unterschiedlichen räumlichen Massstäben, um besser zu verstehen, wie großräumige Muster der Artenvielfalt kleinräumige Muster beeinflussen. Ich tue dies, indem ich Artenvielfalt sowohl entlang verschiedener Höhengradienten, als auch auf verschiedenen Inseln des südostasiatischen Archipels studiere. Um einer Antwort auf übergeordnete Frage „Was bestimmt Artenvielfalt?“ näher zu kommen, stelle ich drei spezifische Fragen die im Zusammenhang mit dem räumlichen Massstab stehen auf dem wir Artenvielfalt betrachten. 1.) Beeinflusst räumliche Fläche die Unterschiede zwischen groß- und kleinräumigen Muster der Artenvielfalt entlang von Höhengradienten? 2.) In welcher Weise bestimmen großräumiger Artenpool und kleinräumige Unterschiede in Umweltfaktoren die Unterschiede in der Artzusammensetzung von kleinräumigen Artgemeinschaften (β Diversität)? 3.) Ist die Theorie der Inselbiogeographie auf großen wie auf kleinen räumlichen Massstäben gleichwertig anwendbar? Um Frage 1 zu beantworten habe ich die groß-und kleinräumige Artenvielfalt entlang von fünf Höhengradienten studiert (Kapitel 1). Ich kann zeigen, dass die Fläche in der die großräumige Artenvielfalt aufgenommen wurde für den Unterschied zwischen groß- und kleinräumiger Artenvielfalt verantwortlich ist. Die Fragen 2 und 3 behandele ich durch die Untersuchung der Artenvielfalt von Farnen auf Inseln unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Artenpools im südostasiatischen Archipel Indonesiens und der Philippinen. Im Bezug auf die zweite Frage kann ich zeigen, dass die Artenzusammensetzung in kleinräumigen Artgemeinschaften signifikant von der Größe des Artenpools abhängt und dass Konkurrenz zwischen Arten eine Erklärung für die beobachteten Muster liefert (Kapitel 2). Die Ergebnisse der Untersuchung der dritten Frage zeigen, dass die Theorie der Inselbiogeographie nicht auf allen räumlichen Massstäben gültig ist (Kapitel 3). Der Grund dafür ist, dass der Einfluss des Artenpools sich mit abnehmendem Massstab verringert. Zuletzt beschäftige ich mich mit einer praktischen Fragestellung, die bei Studien auf kleinräumigen Massstab von Bedeutung ist: Die Benützung von Mossdeckung auf Bäumen als Mass für Relative Luftfeuchte, die häufig eine finanziell und logistisch schwer zu messenden Variable in unzugänglichen Gebieten ist. Durch diese Resultate komme ich zu der Schlussfolgerung, dass Artenvielfalt von Faktoren bestimmt wird, die bei unterschiedlichen räumlichen Massstäben relevant sind, und es wichtig ist, diese Verknüpfungen im Detail zu verstehen. SYNOPSIS One of the biggest questions of today’s science is to understand: What determines species diversity? The shear amount of species on earth is overwhelming, but why? Why do we have so many species on earth? Why do we have some regions on earth which have so much more species than others? Scientists have tried to answer these questions since the beginning of biogeography when it came apparent that species diversity is not equally distributed on earth. Bit by bit we are beginning to understand why what determines the diversity of species and why it is so unevenly distributed on earth. This thesis lies on the hard of this question and is a contribution to our growing understanding of the diversity of nature. To help solving the puzzle of species diversity, it focuses on the aspect of diversity across spatial scale. Spatial scale is essential in understanding determinants of species diversity. We might question why do we have more species in the tropics than in temperate climates? Why have large islands more species than small ones? Questions which arise when we look at maps showing the large, regional scale distribution of species diversity: We might also ask: Why a plant grows where it grows, and not a few meters beside? How does it come that at one spot in a forest we see a lot of species and in another spot only a few? A question which arises when we look at diversity at a small, local scale: The scale of a person standing in a forest. To understand species diversity we have to consider all these spatial scales. Neither is it possible to answer what determines species diversity by only looking at a map, nor is it possible by standing in a forest, looking around us. In this thesis I look at species diversity at different spatial scales whit the attempt to better understand what determines species diversity and how large scale patterns are linked with small scale patterns. I do this by studying the diversity of ferns along different elevational gradients and on different islands of the Southeast Asian archipelago. I ask three specific questions to help building our knowledge about determinants of species diversity across spatial scale. 1: Does area link regional to local diversity along elevational gradients of species diversity? 2: In what way does the regional species pool and local environmental heterogeneity influence local community composition (β diversity) and how are these two aspects linked? 3: the equilibrium theory of island biogeography, a theory applicable at large scales equally applicable at local scales? I address question 1 by studying five elevational gradients in the tropics and comparing regional, large scale diversity with local, small scale diversity (Chapter 1). I show that the area at which regional diversity is sampled is mainly responsible for the differences between local and regional diversity. Question 2 and 3 I address by studying the diversity of ferns on islands of different size and different species pools in the Philippines and Indonesia. Regarding Question 2 I show the species composition of local communities is significantly influenced by the size of the species pool and that competition between species gives a biotic explanation for the observed pattern (Chapter 2). The results obtained by answering question 3 show that the equilibrium theory of island biogeography is not applicable at all spatial scales. The reason for this seems to be that the influence of the species pool is not equally strong across spatial scales (Chapter 3). Finally I answer a practical question regarding the study of species diversity at local scales by providing a proxy for relative air humidity in the tropics: Bryophyte cover on trees (Chapter 4), a financial and logistically challenging variable to measure in the field. From these answers I draw the conclusion that species diversity is driven by factors operating at different spatial scales and that it is important to understand what links this scales to be able to answer: What determines species diversity?

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Linder Hans Peter, Schiestl H Peter Linder; Michael Kessler, Florian
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:580 Plants (Botany)
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2013
Deposited On:05 Sep 2013 08:34
Last Modified:25 Oct 2019 12:55
Number of Pages:91
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod009924149&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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