Climate change impacts on habitats and biodiversity : 
From environmental envelope modelling to nature conservation strategies

Titelangaben

Bittner, Torsten:
Climate change impacts on habitats and biodiversity : 
From environmental envelope modelling to nature conservation strategies.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Climate change will pose entirely new challenges for nature conservation. A literature study of 852 publications (between 2003 and 2010) illuminates this topic, examines driving research forces as well as focal points and shows recent research gaps. Here could be shown that changes in species distribution, diverse consequences for habitats, changing communities as well as biotic interactions and general aspects of diversity are the major challenges. The potential climatic modifications can alter deeply the distribution of animals and plants. Range changes due to recent climate change already exist and are traceable. In order to quantify such changes, environmental envelope modelling can be used. In addition to individual species, changes in distribution of more complex units are also conceivable. The present work mainly focuses on habitat types listed in the Annex I of the European Habitats Directive. To reveal the potential range changes of habitat types, two principally different modelling approaches have been developed. An indirect approach modelling the distribution of a habitat type using the distribution of its characteristic plant species and a direct approach, using the distribution of the habitat type itself. These two approaches were tested by modelling five grassland habitat types. Looking at the modelled results all habitats are projected to lose between 22% and 93% of their range in the ‘no dispersal’ scenario. Both approaches produce reasonable results. However, modelling an extensive set of habitat types using the indirect approach is currently not possible, because of the required but actually lacking amount of plant distribution data. Therefore, the direct approach is an appropriate instrument for modelling habitat types. Here, all 127 widespread terrestrial habitat types defined in the Annex I of the Habitats Directive were modelled and, resulting from this, a map of terrestrial habitat type diversity was calculated. Several habitat types are projected to lose many of their actually suitable areas, in particular bogs, rocky habitats, grassland and in part forests. Due to their developmental time or rather due to their special abiotic requirements, bogs and rocky habitats even lose under the assumption of a full dispersal scenario. However, most heath and grassland habitats are also projected to lose in the full dispersal scenario. Pooling all modelled results together, terrestrial habitat type diversity is shifting partly to mountain regions and the atlantic biogeographical region is projected to decrease in habitat type diversity. According to the Habitats Directive habitat types listed in Annex I are protected in ‘sites of community interest’ aiming to maintain or restore them at a favourable conservation status. Due to the projected changes a static nature conservation concept could face problems which particularly concern the coherence of the protected area network. This could lead to a loss of protective goods in spite of protected areas. To illustrate the potential problems and difficulties emerging with respect to spatial coherence of habitat types between protected areas, an analysis of spatial coherence under future conditions for a variety of habitat types in Germany was conducted. Here, a combination of environmental envelope modelling and graph theory is presented to assess the coherence of nature conservation networks. The possible incapacity of species to reach all climatically suitable areas is currently debated. Therefore, spatial scales are not only crucial for the coherence of protected areas but also for the question if future projected suitable areas could be colonized. Dispersal movements of species are only infrequently possible in our highly fragmented landscape. To answer this raising question, Odonata listed in the Habitats Directive with known dispersal distances were contemplated. The species Coenagrion ornatum, C. mercuriale and Ophiogomphus cecilia are projected to lose range when incorporating specific dispersal distances, while they are projected to extend their range in the unrestricted dispersal scenario. Furthermore, suitable climatic conditions tend to decline for Leucorrhinia albifrons and L. caudalis, whereas L. pectoralis is projected to gain distribution area assuming either species-specific or unrestricted dispersal. The nature conservation measure of translocation is an at least 100 years old methodology with pros and cons. In this thesis, the emerging problems and opportunities of this species preservation strategy are presented. Further, a new question about the ‘focal unit’ is pointed out as well as the problem of genetic variability and the aspect of pre-adopted subspecies. Moreover, a selective assisted colonisation not by moving species but ecotypes is referred.

Abstract in weiterer Sprache

Durch den Klimawandel werden völlig neue Herausforderungen auf den Naturschutz zukommen. Eine Literaturrecherche basierend auf 852 Veröffentlichungen (2003 bis 2010) beleuchtet die Thematik, stellt die treibenden wissenschaftlichen Kräfte sowie Schwerpunkte und aktuelle Forschungslücken dar. Die potentiellen klimatischen Veränderungen können die Verbreitungen von Tieren und Pflanzen maßgeblich verändern. Um solche Veränderungen quantifizieren zu können, werden Tendenzen der Änderungen durch Umwelthüllen-Modellierungen dargestellt. Neben einzelnen Arten sind auch räumliche Veränderungen bei komplexeren Einheiten denkbar. Diese Arbeit fokussiert daher zu einem großen Teil auf die Lebensraumtypen des Anhangs I der europäischen Fauna‑Flora‑Habitat‑Richtlinie (FFH-RL). Um räumliche Änderungen darzustellen wurden zwei unterschiedliche Ansätze zur Modellierung der Lebensraumtypen entwickelt. Ein indirekter Ansatz, welcher über die Verbreitung der charakteristischen Arten die Lebensraumtypen modelliert und einen direkten, welcher die Verbreitung der Lebensraumtypen selbst benutzt. Diese Ansätze wurden mit fünf Grasland Lebensraumtypen getestet. Bei den hieraus resultierenden Projektionen verlieren, unter der Annahme einer fehlenden Ausbreitung, alle Lebensraumtypen zwischen 22% und 93% ihrer aktuellen Verbreitung. In einem uneingeschränkten Ausbreitungsszenario gewinnen alle modellierten Lebensraumtypen zwischen 5% und 100% an klimatisch geeignetem Raum. Beide Ansätze produzieren dabei gute Ergebnisse, jedoch sind für den indirekten Ansatz Datenquellen von Pflanzen-Verbreitungsdaten notwendig von denen momentan nur etwa 20% für ganz Europa existieren. Der direkte Ansatz stellt daher ein probates Mittel dar Lebensraumtypen zu modellieren. Weiterhin wurden alle 127 weiterverbreiteten terrestrischen Lebensraumtypen des Anhangs I der FFH-RL modelliert und hiermit die Lebensraumtypen-Diversität analysiert. Verschiedene Lebensraumtypen, besonders Moore, Felslebensräume, Grasland und teilweise Wälder, könnten einen Großteil ihres aktuell geeigneten Umweltraums verlieren. Wie vermutet werden kann, verlieren Moore und Felslebensräume auch unter der Annahme der uneingeschränkten Ausbreitung an Fläche. Unter anderem auf Grund ihrer langen Entwicklungszeit und ihrer hoch spezifischen abiotischen Standort Anforderungen. Die modellierte Lebensraumtypen-Diversität steigt besonders in den höheren und Gebirgslagen an und insbesondere in der atlantischen biogeografischen Region könnte es zu einem Rückgang kommen. Gemäß der FFH-RL werden die Lebensraumtypen nach Anhang I in Schutzgebieten erhalten und in einem guten Erhaltungszustand gehalten bzw. soll dieser wiederhergestellt werden. Durch die projizierten Veränderungen könnte das eher statische Schutzgebietskonzept mit einigen Problemen konfrontiert werden. Um die möglichen Herausforderungen und aufkommenden Schwierigkeiten bzgl. der räumlichen Kohärenz von Lebensraumtypen zwischen den Schutzgebieten darzustellen, wurde eine Analyse der räumlichen Kohärenz unter zukünftigen Bedingungen für eine Auswahl von Lebensraumtypen in Deutschland durchgeführt. Eine Kombination aus Umwelthüllen-Modellierung und Methoden der Graphen-Theorie wurden dazu verwendet um die Kohärenz des Schutzgebietsnetzes unter zukünftigen Bedingungen zu bewerten. Das Unvermögen von Arten klimatisch geeigneten Flächen zu erreichen, ist ein aktuell diskutiertes Thema. Der räumliche Maßstab ist daher nicht nur bei der Kohärenz von Schutzgebieten entscheidend. Die allermeisten Arten besitzen durch ihre Ökologie und Morphologie eine begrenzte Ausbreitungskapazität, weiterhin lässt unsere stark fragmentierte Kulturlandschaft Ausbreitungsbewegungen von Arten nur in einem geringen Maße zu. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden FFH-Libellenarten betrachtet. Die Arten Coenagrion ornatum, C. mercuriale und Ophiogomphus cecilia könnten bis zu 68% ihres geeigneten Umweltraumes verlieren, wenn man die artspezifischen Ausbreitungsdistanzen berücksichtigt. Wobei diese Libellen in einem uneingeschränkten Ausbreitungsszenario bis zu 23% an geeignetem Umweltraum dazu gewinnen würden. Weiterhin scheinen unter der Berücksichtigung einer artspezifischen Ausbreitungsdistanz sowohl für Leucorrhinia albifrons und L.. caudalis klimatisch geeigneten Raum zu verlieren. Im Gegensatz dazu könnte L. pectoralis 37% an geeigneter Fläche dazugewinnen. Die Integration von realistischen Ausbreitungsdistanzen erbrachte neue Erkenntnisse zur Interpretation von Umwelthüllen-Model Ergebnissen. Die Naturschutzmaßnahme der Translokation stellt seit mindestens 100 Jahren eine Methodik mit Für und Wieder dar. Die damit entstehenden Probleme und Chancen werden dargestellt. Weiterhin werden neue Fragen zu dem Thema der ‚Zieleinheit‘, genetische Variabilität und Aspekte zu pre-adaptierten Unterarten diskutiert. Des Weiteren wird auf ein selektives Translokations-Verfahren hingewiesen, bei dem auf Ökotypen fokussiert werden sollte.