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Microclimatic effects on Central European deciduous tree species and their interactions with arthropod herbivory (Buch / Monographie / Herausgeberschaft) - Einzelansicht


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Grunddaten

Titel der Arbeit (title) Microclimatic effects on Central European deciduous tree species and their interactions with arthropod herbivory
Erscheinungsjahr 2018
Verlag (publisher) Universitätsverlag Hildesheim
Seitenzahl (pages) 181 S.
Bemerkung (note) Kumulative Diss., Universität Hildesheim 2018
Publikationsart Buch / Monographie / Herausgeberschaft
Digital Object Identifier (DOI) 10.18442/014

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Beschreibung Link QR-Code
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Inhalt
Abstract

Arthropod herbivores act as mediators for effects that cascade up and down the trophic chain. Therefore, herbivory plays an important role for driving ecosystem processes and influencing ecosystem structures and functions. Generally, ecosystem processes are mediated by interactions between organisms. The plant community composition is influenced by competitive interactions among plants, which is affected by herbivore species. Leaf area loss to insects can reduce tree growth, but alters material flows from canopies to forest soils. Therefore, the chemical quality of litter is changed (increases in nitrogen content) through enhanced nutrient cycling rates caused by herbivory.
Climate and microclimate can affect insect physiology and behaviour directly or indirectly through climate-induced changes of host plants. Temperature determines the geographical range, site and timing of activities, success of oviposition and hatching, and the duration of developmental stages of arthropod herbivores. The activity of poikilothermic insects increases with temperature, and therefore growth and consumption rates are enhanced. However, morphological and functional leaf traits that determine host plant palatability often mediate indirect environmental effects on herbivory. Leaf palatability is determined by leaf toughness, nutrients, and defence compounds. In warm environments, expected high rates of arthropod herbivory can then be suppressed by negative changes of leaf traits.
Microclimate gradients are found across the different strata of forest ecosystems. Abiotic factors change vertically between forest layers due to a micro-environmental gradient. Along the vertical gradient, microclimate is affected by the light regime, with increasing temperatures and decreasing humidity from understorey to upper canopies. Various organisms are distributed along the vertical forest gradient based on changes in environmental conditions and in the quality and quantity of available resources. Temperate deciduous forests reveal highly stratified arthropod communities with vertical and horizontal distribution patterns. Microclimatic requirements and the availability of food resources along the vertical forest gradient can reflect spatial distributions and preferences of arthropods.
This research study investigated arthropod herbivory on leaves of deciduous tree species along the vertical gradient of temperate forests. A field study with ten forests sites in Central Germany and an experimental study in greenhouses were conducted, addressing effects of microclimate and leaf traits on arthropod herbivory. Juvenile and adult individuals of Fagus sylvatica L. (European beech), the dominant deciduous tree species in Central Europe, were chosen as main research subjects. Furthermore, Acer pseudoplatanus L. (Sycamore maple) and Carpinus betulus L. (hornbeam), two frequent tree species in the forest understorey, were also surveyed. The aim of the study was to detect patterns of herbivory along the vertical forest gradient, and if they are dependent on different feeding guilds like leaf-chewing, sap-sucking, leaf-mining, and gall-inducing. Herbivory patterns were tried to link to microclimate and leaf trait factors.
Leaf damaged on F. sylvatica, caused by leaf-chewing insects, decreased from the understorey to upper canopies, along with changes towards unfavourable leaf trait characteristics for insect herbivores (tough leaves, low nitrogen and high carbon content). Changes of leaf traits along the vertical forest gradient were in accordance with effects of the light-induced microclimatic gradient of forest stands. Furthermore, herbivory differences between juvenile tree species in the understorey, with highest levels found on A. pseudoplatanus and C. betulus compared to F. sylvatica, seemed to be in accordance with patterns of defensive traits (indicated by carbon content).
In addition, arthropod herbivores also showed variability in their preferences for plant ontogenetic stages, because the distribution of identified feeding traces revealed distinct patterns with differences between juvenile and adult F. sylvatica individuals. Herbivory of gall-inducing species was increased on adult compared to juvenile trees. The distribution of galls is strongly linked to the theory of harsh environment, which is based on top-down control through predation. Further impact on arthropod herbivores was detected for decreasing herbivory with an increase in phytodiversity.
In conclusion, the choice of quantitative measure is essential for determining and comparing herbivory, and differs between distinct feeding guilds. Along the vertical forest gradient, herbivory patterns can be linked to environmental and ontogenetic processes, and microclimate essentially affects herbivory intensities, patterns, and processes. Despite direct impacts on arthropod herbivores, the environment influences herbivory through effects on leaf traits and the top-down control by predators. In addition, plant ontogeny affects herbivory indirectly through alterations of leaf traits and top-down processes of predation.

 

Zusammenfassung

Herbivore Arthropoden fungieren als Mediatoren für Effekte entlang der Nahrungskette (trophische Kaskade). Daher spielt Herbivorie eine wichtige Rolle für die Lenkung von Ökosystemprozessen und beeinflusst Struktur sowie Funktionen von Ökosystemen. Die Zusammensetzung der Pflanzengesellschaft entsteht beispielsweise durch kompetitive Interaktion zwischen Pflanzen, die wiederum von herbivoren Arten beeinflusst wird. Der Blattflächenverlust durch Insekten kann einerseits das Wachstum der Bäume reduzieren. Andererseits verändert Herbivorie die Materialflüsse von den Kronen zum Waldboden und erhöht dadurch die Geschwindigkeit des Nährstoffkreislaufs, wodurch die Streuqualität verändert wird (Erhöhung des Stickstoffgehalts).
Klima und Mikroklima können die Physiologie und das Verhalten von Insekten direkt oder indirekt durch klimatisch induzierte Veränderungen der Wirtspflanze beeinflussen. Temperatur entscheidet über die geographische Verbreitung, den Ort und das Timing von Aktivitäten, den Erfolg der Eiablage und des Schlüpfens und die Dauer der Entwicklungsstadien von herbivoren Arthropoden. Die Aktivität der poikilothermen Insekten wächst mit der Temperatur, wodurch die Wachstums- und Konsumraten gesteigert werden. Jedoch vermitteln morphologische und funktionale Blattmerkmale (leaf traits), die die Schmackhaftigkeit der Wirtspflanze bestimmen, indirekte Umwelteffekte auf Herbivorie. Die Schmackhaftigkeit von Blättern wird bestimmt durch Festigkeit, sowie Nähr- und Abwehrstoffe. In warmer Umgebung können dadurch erwartet hohe Raten von Herbivorie durch negative Veränderungen der Blattmerkmale unterdrückt werden.
Mikroklimatische Gradienten existieren entlang der verschiedenen Straten von Waldökosystemen, wodurch sich abiotische Faktoren vertikal zwischen den Waldschichten verändern. Das Mikroklima des vertikalen Waldgradienten ist durch das Lichtregime beeinflusst und äußert sich durch steigende Temperaturen und abnehmende Luftfeuchtigkeit vom Unterwuchs zur Sonnenkrone. Diverse Organismen sind aufgrund der Veränderung der Umweltbedingungen sowie der Qualität und Quantität der verfügbaren Ressourcen entlang des vertikalen Waldgradienten verbreitet. Temperate Laubwälder zeigen hoch stratifizierte Gemeinschaften von Arthropoden mit vertikalen und horizontalen Verteilungsmustern. Mikroklimatische Anforderungen und die Verfügbarkeit von Nahrungsressourcen können dabei die räumliche Verteilung und Präferenzen von Arthropoden wiederspiegeln.
Die vorliegende Dissertation befasste sich mit der Blattherbivorie an Laubbäumen entlang des vertikalen Waldgradienten von temperaten Wäldern. Eine Feldstudie an zehn Waldstandorten in Mitteldeutschland und eine experimentelle Studie in Gewächshäusern adressierten die Effekte von Mikroklima und Blattmerkmale auf Herbivorie. Juvenile und adulte Individuen von Fagus sylvatica L. (Rotbuche) wurden als Hauptuntersuchungsgegenstand ausgewählt und juvenile Individuen von Acer pseudoplatanus L. (Bergahorn) und Carpinus betulus L. (Hainbuche) zusätzlich im Unterwuchs untersucht. Die Analyse von Herbivoriemustern entlang des vertikalen Waldgradienten und deren Abhängigkeit von verschiedenen Herbivoriegilden (Blattfresser, Saftsauger, Minierer und Gallbildner) war Ziel der Studie. Verursachende Faktoren des Mikroklimas und der Blattmerkmale für die Herbivoriemuster sollten identifiziert werden.
Schäden bei F. sylvatica, die durch Blattfressende Insekten verursacht wurden, nahmen vom Unterwuchs zur Sonnenkrone hin parallel zur Veränderung in Richtung ungünstiger Blattmerkmale ab (feste Blätter, niedriger Stickstoff- und hoher Kohlenstoffgehalt). Die Veränderungen der Blattmerkmale entlang der Waldschichten waren in Übereinstimmung mit den Effekten des Licht-induzierten Mikroklimagradienten der Waldbestände. Die Herbivorieunterschiede zwischen den juvenilen Baumindividuen im Unterwuchs, mit höchsten Werten bei A. pseudoplatanus und C. betulus im Vergleich zu F. sylvatica, schienen mit den Mustern von Abwehrstoffen übereinzustimmen. Zusätzlich zeigte die Herbivorie identifizierter Fraßspuren unterschiedliche Präferenzen zwischen juvenile und adulte Individuen von F. sylvatica (Effekt der Pflanzenontogenie). Die Herbivorie von Gallbildenden Arten war bei adulten im Vergleich zu juvenilen Bäumen erhöht. Die Verteilung von Gallen ist verbunden mit der harsh environment Theorie, die auf der top-down Kontrolle durch Prädation beruht.
Die Wahl der quantitativen Messmethode, die sich für verschiedene Gilden unterscheidet, ist essentiell für die Bestimmung und Vergleiche von Herbivorie. Die Herbivoriemuster entlang des vertikalen Waldgradienten stehen in direktem Zusammenhang mit umweltbedingten und ontogenetischen Prozessen und das Mikroklima beeinflusst essentiell die Intensitäten, Muster und Prozesse von Herbivorie. Neben direkten Auswirkungen auf herbivore Arthropoden beeinflusst die Umwelt die Herbivorie durch Effekte auf Blattmerkmale und top-down Kontrolle durch Prädatoren. Die Pflanzenontogenie beeinflusst Herbivorie indirekt durch Veränderungen der Blattmerkmale und top-down Prozesse der Prädation.

 


Beteiligte Personen

Stiegel, Stephanie, Dr.  

Einrichtung

Universitätsbibliothek

Schlüsselwörter

Außer der Reihe
Elektronische Publikationen
Gesamtprogramm
Naturwissenschaften
Qualifikations- und Verfasserschriften

Externe Dokumente

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