Animals in space and time : spatio-temporal movement pattern analysis

Titelangaben

Bevanda, Mirjana:
Animals in space and time : spatio-temporal movement pattern analysis.
Bayreuth , 2016 . - 125 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Movements of animals are important and highly complex processes which influences the outcome of many large–scale ecological processes. Especially within a changing world understanding the responses of species to environmental change is of fundamental importance for effective management and conservation of biodiversity and hence to maintain ecosystem services for human well–being like access to water or pollination. These changes are affecting the distribution of populations in space and time as well as their resource use. An improved understanding of these processes will contribute to a better ecological understanding and to ensure the survival of populations. With increasing advances in the technologies of tracking devices and remote sensing applications we are nowadays able to follow animals within their natural habitat and evaluate species–environment relationships. This thesis investigates different aspects of movement patterns on the individual level of red and roe deer which are equipped with GPS devices within the Bohemian Forest. Studying individuals promotes recognition of between– individual variation in movement patterns and allows for general mechanism to be identified which are directly affecting the population level. Although the Bohemian Forest, formed by two national parks, the National Park Bavarian Forest on the German side and the Šumava National Park on the Czech side, covers a large area, it does not encompass all occurring processes within this ecosystem. The administration is responsible to institute appropriate arrangements to ensure negative impacts to conventional forestry and agricultural use in the adjoining areas to the borders of the national parks. However this area can only serve as a summer range for red deer and typically deer would migrate to lower elevational regions to stay there during winter time. Due to anthropogenic influences natural migration routes are no longer accessible. Therefore winter enclosures were established in the national parks where red deer are staying during the winter time to prevent possible damage to the adjoining economic forests by e.g. bark stripping. The processes driving migration patterns of red deer are investigated in a first step. Little is known about the behaviour of red deer after the opening of the winter enclosures. After the forage maturation hypothesis, the animals should follow the phenological gradient of the green–up and hence the emerging food resources in spring. The investigation shows that for the majority of the animals the emerging food resources only partially shape the movement pattern of red deer after the opening of the winter enclosures and that further factors beside the chosen spatio–temporal information about the environmental conditions need to be considered to explain the movement patters, such as memory effects for resources or threats. After the release of the winter enclosures deer disperse into the national parks. Mammals do not tend to move at random, they rather restrict their movements to particular areas, so called home ranges. They are generally defined as the spatial expression of all behaviours an animal performs in order to survive and reproduce. As home ranges are the fundamental measure of space use by animals and furthermore link individual movement paths to population dynamics understanding the mechanisms shaping home range size pattern is relevant to understand patterns of space use, habitat preferences and responses to environmental change. The variation of home range sizes in red and roe deer was investigated by taking not only the dominant habitat type into account but also the explicit spatial configuration of habitat types within the home range. The results show that the spatial configuration of the landscape is a dominant factor for the explanation of temporal variation in home range size of red and roe deer. Furthermore the shape of the relationship between home range size and landscape configuration depends on a species’ habitat requirements: while roe deer increase their home range size with increasing landscape patchiness, the relationship is hump–shaped for red deer. A critical point in understanding movement patterns of animals is the definition of resources. While we’re gaining increasingly better data by animal tracking devices, the way we define our landscape remains the same. Usually landscapes are defined by the human perception of different land cover types forming categorical classes (e.g. forest or meadows). However, categorical representations of the landscape cannot capture within class variability which might occur within a class, e.g. tree cover variability of small forest gaps within the forest class. A remote sensing approach, fractional cover, is tested and evaluated for the use in habitat selection studies of red deer in the Bohemian Forest. These fractional cover layers provide continuous land cover information per pixel and hence represent a more differentiated landscape. The application of fractional cover in the context of spatio–temporal animal movement analysis proofed to be valuable by providing information of the within land cover class variability. Home ranges increase with increasing mean values of forest fractional cover and increasing variation of forest fractional cover. This thesis investigated different aspects of animal movement pattern and especially the importance of spatial patterns of resource patches and their representation for animal movement studies. The combination of these different information sources provide new valuable information for the better understanding of ecological processes and will increase with improving technical advances.

Abstract in weiterer Sprache

Bewegungsmuster von Tieren sind hochkomplexe Prozesse, die viele großräumige ökologische Prozesse beeinflussen. Besonders innerhalb einer sich immer schneller verändernden Welt ist das Verständnis, wie bestimmte Tierarten auf Veränderungen reagieren, von grundlegender Bedeutung für den Naturschutz und zur Erhaltung der Biodiversität, sowie für verschiedene Ökosystemleistungen, wie beispielsweise dem Zugang zu Wasser oder der Bestäubung von Pflanzen. Bewegungsmuster von Tieren sind grundlegende Prozesse, welche die Verbreitung von Populationen in Raum und Zeit beschreiben und sind daher ein Schlüsselmechanismus, um zukünftige Veränderungen zu verstehen. Zudem ist das Verständis der zeitlichen und räumlich variierenden Ressourcennutzung von großem Interesse für das bessere Verständnis der Ökosystemfunktionen. Ein besseres Verständnis von Bewegungsmustern ermöglicht ausserdem, Naturschutzstrategien effektiver zu gestalten und so das Überleben von Populationen zu sichern. Die Entwicklung von GPS–Ortungsgeräten und Fernerkundungs-methoden ermöglicht es heutzutage, Tiere permanent in ihrem natürlichen Habitat zu verfolgen und die Tier–Umwelt–Interaktionen zu analysieren. In dieser Dissertation werden verschiedene Aspekte der Bewegungsmuster von Hirschen und Rehen im Böhmerwald auf der Individual–Ebene analysiert. Die Tiere sind mit GPS–Ortungsgeräten ausgestattet. Die Untersuchung von individuellen Aspekten innerhalb der Bewegungsmuster fördert das Verständnis über die Variationen innerhalb der Muster. Auf diese Weise können generelle Mechanismen, welche sich direkt auf die Populationen auswirken, identifiziert werden. Der Böhmerwald wird durch zwei Nationalparks geformt: dem Nationalpark Bayerischer Wald auf deutscher Seite und dem Šumava Nationalpark auf tschechischer Seite. Trotz seiner Größe ist es nicht möglich alle vorkommenden Prozesse innerhalb dieses Ökosystems zu bewahren. Die Verwaltungen der Nationalparks sind daher in der Pflicht, Schutzmaßnahmen zu etablieren, um die angrenzenden ökonomisch genutzten Wälder sowie landwirtschaftlich genutzten Flächen vor Schaden durch z.B. Tiere zu schützen. Der Böhmerwald kann für die Hirsche nur als Sommergebiet dienen. Typischerweise würden die Tiere im Herbst zu ihren Überwinterungsgebieten wandern. Durch anthropogene Einflüsse sind jedoch die ehemaligen Migrationsrouten unterbrochen. Daher wurden innerhalb der Na- tionalparks Wintergehege errichtet, in denen die Hirsche überwintern. Dadurch sollen mögliche Schäden, durch z.B. Schälungen an den Bäumen, in angrenzenden Wäldern verhindert werden. Zunächst werden Prozesse, die die Migrationsmuster der Hirsche nach der Öffnung der Wintergehege beeinflussen, untersucht. Nach der forage maturation Hypothese sollten die Tiere dem phänologischen Gradienten der Vegetationsentwicklung und daher den neu entstehenden Futterquellen im Frühling folgen. Die Analysen zeigen, dass für die Mehrheit der Tiere, die zeitlich dynamisch verfügbaren Ressourcen nur teilweise die Bewegungsmuster nach der Öffnung der Wintergehege beeinflussen und dass weitere Faktoren neben der gewählten raum–zeitlichen Information berücksichtigt werden müssen. So ist unter Umständen der Gedächtniseffekt für Ressourcen oder Gefahren ein wichtiger weiterer erklärender Faktor. Nach der Öffnung der Wintergehege, sollten die Tiere diese verlassen und sich im Park ausbreiten. Säugetiere tendieren nicht dazu, sich zufällig zu bewegen, stattdessen beschränken sie ihre Bewegungsmuster meist auf ein bestimmtes Gebiet, das so genannte Streifgebiet. Faktoren, die die Variationen in den Streifgebietsgrößen von Hirschen und Rehen erklären können, wurden hierbei untersucht. Nicht nur das dominante Habitat innerhalb eines Streifgebietes wurde berücksichtigt, sondern zusätzlich wurde auch die explizite räumliche Konfiguration von Habitattypen innerhalb eines Streifgebietes in die Analysen mit aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass die räumliche Konfiguration der Landschaft ein dominanter Faktor ist, der die Variationen der Streifgebietsgröße bei Hirschen und Rehen erklärt. Darüber hinaus ist die Form der Beziehung zwischen Streifgebietsgröße und Landschaftskonfiguration abhängig von den Ansprüchen der Art an ihr Habitat. Während Rehe ihre Streifgebietsgröße bei steigender Klumpung der Habitattypen vergrößern, ist das Verhältnis bei Hirschen unimodal. Des Weiteren wurde das Potential von Umweltinformationen innerhalb von Landoberflächenklassen zur Erklärung von Bewegungsmustern untersucht. Eine kategoriale Repräsentation der Landschaft liefert keine Informationen über die Variabilität innerhalb einer Klasse, z.B. die Variabilität der Kronendecke oder kleine Lichtungen innerhalb der Klasse Wald. Ein fernerkundlicher Ansatz, fractional cover, welcher kontinuierliche Landbedeckungsinformationen liefert, wurdefür die Analyse der Habitatselektion von Hirschen verwendet. Die kontinuierlichen Landbedeckungsinformationen zur Quantifizierung der Landoberflächenklassenvariabilität im Kontext von räumlich–zeitlichen Bewegungsmusteranalysen zeigte sich durch die Bereitstellung von Informationen über die Variabilität innerhalb einer Landbedeckungsklasse als nützlich. Die Größe der Streifgebiete nimmt mit steigendem Mittelwert, sowie mit steigender Variation des fractional cover Werts von Wald zu. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Bewegungsmuster von Tieren analysiert, insbesondere die Bedeutung von räumlichen Mustern in der Landschaft und ihre Repräsentation für Bewegungsmusterstudien. Die Kombination von Tierbewegungsdaten und Fernerkundungsinformationen liefert wichtige neue Erkenntnisse für die ökologische Forschung und wird mit zunehmender Verfügbarkeit weiterer technologischer Fortschritte zunehmend an Bedeutung gewinnen.