Patterns and Disturbance-Induced Drivers of Plant Diversity and Endemism on High Elevation Islands

Titelangaben

Irl, Severin D. H.:
Patterns and Disturbance-Induced Drivers of Plant Diversity and Endemism on High Elevation Islands.
Bayreuth , 2014 . - VI, 213 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In the seven manuscripts presented in this dissertation I contribute to our understanding of the drivers of plant diversity, endemism and speciation by using empirical, experimental and theoretical approaches. I introduce and define the concept of high elevation islands (HEI), which – in my opinion – are ideal research objects to address ecological and biogeographic questions. I intend to bridge the gap between island biogeography (i.e. by focusing on the global scale) and island ecology (i.e. by addressing the within-island scale). As a model HEI the mountainous island of La Palma (Canary Islands) is used and all field-related research was conducted there. HEIs are found in all major oceans from mid to low latitudes. Characteristic features are elevational range reaching more than 1000m a.s.l. and possessing ecosystems ranging from coastal to alpine systems. The alpine treeline, as the borderline between forest and treeless alpine systems, is therefore fundamental in describing HEIs. Interestingly, I demonstrate that globally treeline elevation on HEIs, which is generally lower on HEIs than on the mainland, is mainly driven by island elevation, and not, as expected, by latitude. Another characteristic feature of HEIs is the phenomenon described by the elevation-driven ecological isolation hypothesis, which suggests increasing speciation rates with elevation due to geographical and environmental isolation. Although island climates are generally considered to be buffered by the surrounding ocean, the reviewed literature indicates that global climate change poses a considerable threat to HEIs, especially to systems adapted to climatic stability (e.g. cloud or laurel forests) and alpine ecosystems. La Palma is a typical trade wind-dominated subtropical HEI hosting a variety of different environmental gradients, subsequent vegetation zones and a rich endemic flora. Topography and climate (including different measures of precipitation variability) express varying importance in explaining the distribution of species richness, endemic richness and endemicity (i.e. floristic uniqueness) on La Palma. Besides environmental gradients, I show that island ecological processes and patterns on La Palma are in a large measure shaped by human-mediated disturbances. Harsh environmental conditions, a high degree of endemism and the presence of several introduced herbivores, especially the European rabbit Oryctolagus cuniculus and the feral goat Capra hircus, characterize the high elevation ecosystem of La Palma. In a 11-yr exclosure experiment I am able to show that introduced herbivores have likely led to a vegetation shift in the high elevation ecosystem, which changed from a diverse shrub community to the mono-dominance of a single shrub species (Adenocarpus viscosus subsp. spartioides). In addition, introduced herbivores selectively browse rare endemics (some even on the brink of extinction) and reduce endemic seedling establishment to nearly zero, making a recuperation of the natural system impossible without substantial herbivore control measures and conservation efforts. Although fire frequencies have increased due to human interference, fire seems to have a positive effect on species richness and seedling establishment in the high elevation ecosystem. Contrary to our expectations, roads have a positive effect on endemic species on La Palma. Many rupicolous endemics profit from roadside cliffs because these cliffs function as ‘safe sites’ and protect them from introduced herbivores and fire. As a result of this dissertation several intriguing research questions have arisen in HEI science. These questions focus on within-island patterns of plant species diversity and especially endemism, the novel field of disturbance-driven island ecology, and global and macroecological patterns. HEI science is a promising research field with the potential to substantially advance our knowledge of ecology and biogeography in the future.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation, die aus sieben Manuskripten besteht, trägt zum Verständnis über die Treiber von Pflanzendiversität, Endemismus und Artbildung bei, indem empirische, experimentelle und theoretische Ansätze gewählt werden. Das Konzept der Gebirgsinseln (HEI), die meiner Meinung nach ideale Untersuchungsobjekte sind um ökologische und biogeographische Fragestellungen zu bearbeiten, wird des Weiteren vorgestellt und definiert. Es ist mir ein Anliegen in dieser Dissertation inselbiogeographische (d.h. mit einem Fokus auf die globale Skala) und inselökologische Aspekte (d.h. mit einem Fokus auf die Subinselskala) zu verknüpfen. Als Model-HEI wurde die gebirgige Kanareninsel La Palma ausgewählt und alle Geländestudien dieser Arbeit wurden vor Ort durchgeführt. Man findet HEIs von den mittleren bis zu den niederen Breiten in allen großen Ozeanen. Die wichtigsten Charakteristika sind eine Mindesthöhe von mehr als 1000 m ü.N.N. und das Vorhandensein der gesamten Bandbreite von Ökosystemen, von der Küstenzone bis zu alpinen Systemen. Daher ist die alpine Baumgrenze, also die Grenze zwischen Wald und baumlosen alpinen Ökosystemen, von zentraler Bedeutung um HEIs zu beschreiben. Interessanterweise konnte ich zeigen, dass die Baumgrenzenhöhe auf HEIs, die durchschnittlich niedriger ist als auf dem Kontinent, vor allem durch die Inselhöhe bestimmt wird und nicht, wie angenommen, durch den Breitengrad. Ein weiteres Charakteristikum von HEIs wird von der Hypothese zur höhenbeeinflussten ökologischen Isolation beschrieben, welche postuliert, dass die Artbildungsrate bedingt durch zunehmende geographisch und ökologische Isolation mit der Höhe zunimmt. Obwohl üblicherweise angenommen wird, dass Inselklimate durch den umgebenden Ozean gepuffert werden, zeigt eine umfassende Literaturstudie, das der globale Klimawandel eine substantielle Bedrohung für die Floren und Ökosysteme von HEIs darstellen könnte. Insbesondere könnten Systeme, die an anhaltende klimatische Stabilität angepasst sind, wie z.B. Nebel- oder Lorbeerwald, aber auch alpine Ökosysteme und deren Arten gefährdet sein. La Palma ist eine typische, vom Passatwind beeinflusste HEI in den Subtropen, die eine Vielzahl an Umweltgradienten, davon abhängige Vegetationszonen und eine reiche endemische Flora besitzt. Topographie und Klima, welches auch verschiedene Maße von Niederschlagsvariabilität beinhaltet, haben einen unterschiedlichen Einfluss auf Artreichtum, Endemitenreichtum und Endemizität (d.h. die floristische Einzigartigkeit) von La Palma. Neben den Umweltgradienten zeige ich, dass inselökologische Prozesse und Muster auf La Palma zu großen Teilen durch menschengemachte Störungen gesteuert werden. Ungünstige Umweltbedingungen, ein hoher Endemismusanteil und die Präsenz einiger eingeschleppter Herbivoren, v.a. des Wildkaninchens Oryctolagus cuniculus und der Wildziege Capra hircus, charakterisieren das Hochlagenökosystem von La Palma. In einem 11-jährigen Auszäunungsexperiment konnte ich zeigen, dass wahrscheinlich eine Vegetationsverschiebung im Hochlagenökosystem durch eingeschleppte Herbivoren verursacht wurde, welche zu einer Veränderung des Systems von einer diversen Strauchgesellschaft zur Monodominanz einer einzigen Strauchart (Adenocarpus viscosus subsp. spartioides) geführt hat. Zusätzlich dazu fressen eingeschleppte Herbivoren bevorzugt seltene Endemiten (von denen sich einige sogar am Rande der Extinktion befinden) und reduzieren die Etablierung von endemischen Keimlingen fast komplett, was eine Erholung des natürlichen Systems ohne substantielle Herbivorenkontroll- und Naturschutzmaßnahmen unmöglich macht. Obgleich Feuerfrequenzen durch menschliches Zutun zugenommen haben, deutet vieles darauf hin, dass Feuer einen positiven Effekt auf Artreichtum und die Etablierung von Keimlingen im Hochlagensystem hat. Im Gegensatz zu unseren Erwartungen haben Straßen einen positiven Einfluss auf Endemiten auf La Palma. Viele felsenbewohnende Endemiten profitieren von den straßennahen Felswänden, weil diese Felswände als Refugium agieren und die Endemiten vor nicht-heimischen Herbivoren und Feuer schützen können. Aus dieser Dissertation ergeben sich eine Reihe spannender Forschungsfragen in den HEI-Wissenschaften. Der Fokus dieser Fragen liegt v.a. auf Pflanzendiversität und Endemismus auf der Subinselskala, das neuartige Forschungsfeld der störungsabhängigen Inselökologie und globale sowie makroökologische Muster gerichtet. Die Wissenschaft der HEI ist ein vielversprechendes Forschungsfeld mit dem Potenzial unser Wissen in der Ökologie und Biogeographie in der Zukunft substantiell zu erweitern.