Chapter 1 - Evolution of local adaptations in dispersal strategies The optimal probability and distance of dispersal largely depend on the risk to end up in unsuitable habitat. This risk is highest close to the habitat’s edge and consequently, optimal dispersal probability and distance should decline towards the habitat’s border. This selection should lead to the emergence of spatial gradients in dispersal strategies. However, gene flow caused by dispersal itself is counteracting local adaptation. Using an individual based model I investigate the evolution of local adaptations of dispersal probability and distance within a single, circular, habitat patch. I compare evolved dispersal probabilities and distances for six different dispersal kernels (two negative exponential kernels, two skewed kernels, nearest neighbour dispersal and global dispersal) in patches of different size. For all kernels a positive correlation between patch size and dispersal probability emerges. However, a minimum patch size is necessary to allow for local adaptation of dispersal strategies within patches. Beyond this minimum patch area the difference in mean dispersal distance between center and edge increases linearly with patch radius, but the intensity of local adaptation depends on the dispersal kernel. Except for global and nearest neighbour dispersal, the evolved spatial pattern are qualitatively similar for both, mean dispersal probability and distance. I conclude, that inspite of the gene-flow originating from dispersal local adaptation of dispersal strategies is possible if a habitat is of sufficient size. This presumably holds for any realistic type of dispersal kernel. Chapter 2 - How dispersal propensity and distance depend on the capability to assess population density We analyze the simultaneous evolution of emigration probability and dispersal distance for species with different abilities to assess habitat quality (population density) and which suffer from distance dependent dispersal costs. Using an individual-based model I simulate dispersal as a multistep (patch to patch) process in a world consisting of habitat patches surrounded by lethal matrix. Our simulations show that natal dispersal is strongly driven by kin-competition but that consecutive dispersal steps are mostly determined by the chance to immigrate into patches with lower population density. Consequently, individuals following an informed strategy where emigration probability depends on local population density disperse over larger distances than individuals performing density-independent emigration; this especially holds when variation in environmental conditions is spatially correlated. However, already moderate distance-dependent dispersal costs prevent the evolution of long-distance dispersal irrespectively of the chosen dispersal strategy. Chapter 3 - Evolution of sex-biased dispersal: the role of sex-specific dispersal costs, demographic stochasticity, and inbreeding Inbreeding avoidance and asymmetric competition over resources have both been identified as factors favouring the evolution of sex- biased dispersal. It has also been recognized that sex-specific costs of dispersal would promote selection for sexspecific dispersal, but there is little quantitative information on this aspect. In this paper I explore (i) the quantitative relationship between cost-asymmetry and a bias in dispersal, (ii) the influence of demographic stochasticity on this effect, and (iii) how inbreeding and cost-asymmetry interact in their effect on sex-specific dispersal. I adjust an existing analytical model to account for sex-specific costs of dispersal. Based on numerical calculations I predict a severe bias in dispersal already for small differences in dispersal costs. I corroborate these predictions in individualbased simulations, but show that demographic stochasticity generally leads to more balanced dispersal. In combination with inbreeding, cost asymmetries will usually determine which of the two sexes becomes the more dispersive. Chapter 4 - Evolution of sex-biased dispersal: the role of sex-specific dispersal costs, demographic stochasticity, and inbreeding Inbreeding depression, asymmetries in costs or benefits, and the mating system have been identified as potential factors underlying the evolution of sex-biased dispersal. We use individual-based simulations to explore how the mating system and demographic stochasticity influence the evolution of sex-specific dispersal in a metapopulation with females competing over breeding sites, and males over mating opportunities. Comparison of simulation results for random mating with those for a harem system (locally, a single male sires all offspring) reveal that even extreme variance in local male reproductive success (extreme male competition) does not induce a male bias in dispersal. The latter evolves if between-patch variance in reproductive success is larger for males than females. This can emerge due to demographic stochasticity if habitat patches are small. More generally, members of a group of individuals experiencing higher spatio-temporal variance in fitness expectations may evolve to disperse with greater probability than others. / Die optimale Dispersal- oder Ausbreitungsstrategie (eine Kombination aus Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz) hängt hauptsächlich von dem Risiko ab, in einem für Reproduktion ungeeigneten Habitat zu enden. Dieses Risiko ist am Rand eines Habitats am höchsten, und daher sollten die evolvierenden Ausbreitungsdistanzen und Auswanderwahrscheinlichkeiten zum Rand des Habitats hin abnehmen. Dieser Selektionsdruck sollte zu räumlichen Gradienten in Ausbreitungsstrategien führen. Der Genfluss, der durch Dispersal verursacht wird, wirkt jedoch lokaler Anpassung der Ausbreitungsstrategie an die jeweilige Umgebung entgegen. Mit einem individuenbasierten Modell untersuchen wir die Evolution lokaler Anpassungen von Ausbreitungsstrategien innerhalb eines einzelnen, kreisförmigen Habitats. Ich vergleiche die evolvierenden Auswanderwahrscheinlichkeiten und -distanzen von sechs verschiedenen Ausbreitungsfunktionen (sog. Kernels, welche die Kombination aus Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz abbilden: zwei negativ-exponentielle Kernels, zwei schiefe Kernels, ein Kernel, der Ausbreitung nur in die unmittelbare Nachbarschaft der Mutterpflanze erlaubt (nearest-neighbor dispersal), und ein Kernel, der darin besteht, einen zufälligen Zielort auszuwählen (global dispersal)). Die Evolution der Form der Kernels untersuchen wir in Habitatinseln unterschiedlicher Größe. Ich konnte zeigen, dass eine minimale Habitatgröße nötig ist, um lokale Anpassungen der Ausbreitungsstrategien zu ermöglichen. In Habitatinseln, die diese minimale Größe überschreiten, nimmt die Differenz der Ausbreitungsdistanz zwischen Mitte und Rand des Habitats linear zu, wobei jedoch der Betrag der Differenz vom Kernel abhängt. Mit Ausnahme der Kernels “global dispersal” und “nearest-neighbor dispersal” gleichen sich die evolvierenden räumlichen Muster qualitativ für Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz der Kernels. Ich schließe daraus, dass trotz des Genflusses, der mit Ausbreitung einhergeht, lokale Anpassungen der Ausbreitungsstrategien möglich sind, wenn die Habitatinsel groß genug ist. Dies gilt wahrscheinlich für jede realistische Ausbreitungsfunktion. Kapitel 2 - Wie hängen Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz von der Fähigkeit ab, Populationsdichten zu bestimmen? Ich untersuche die gleichzeitige Evolution von Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz für Arten, die die Populationsdichte in ihren Habitaten unterschiedlich gut wahrnehmen können. In diesem System werden die Überlebenswahrscheinlichkeiten für Nachkommen von steigender Populationsdichte negativ beeinflusst. Mit einem individuenbasierten Modell simuliere ich Dispersal als einen schrittweisen Prozess, in dem Individuen von einem Habitat zum nächsten dispergieren können, wobei sie in jedem dieser Schritte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit sterben. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Emigration aus dem Geburtshabitat stark von Verwandtenselektion beeinflusst wird, wohingegen die Tendenz, weitere Dispersalschritte zu unternehmen, zum größten Teil von der Aussicht bestimmt wird, in ein Habitat einzuwandern, das eine geringere Populationsdichte – und damit bessere Bedingungen für das Überleben der Nachkommen – aufweist, als das Geburtshabitat. Hierbei wird deutlich, dass Individuen, die sich abhängig von der lokalen Populationsdichte dazu “entscheiden”, auszuwandern, im Durchschnitt größere Distanzen zurücklegen, als Individuen die unabhängig von der Populationsdichte auswandern. Dies gilt vor allem dann, wenn die Populationsdichten räumlich korreliert sind und damit dicht und weniger dicht besiedelte Habitate geklumpt vorkommen. Jedoch sorgen schon geringe Wahrscheinlichkeiten, während des Dispersal zu sterben, dafür, dass mit keiner Ausbreitungsstrategie Ausbreitungsdistanzen evolvieren, die im Schnitt mehr als zwei Schritte beinhalten. Kapitel 3 - Evolution von geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrategien: die Rolle von geschlechtsspezifischer Wandermortalität, demographischer Mortalität und Inzucht-Depression Inzucht-Vermeidung und asymmetrische Ressourcen-Konkurrenz wurden schon als mögliche Auslöser der Evolution von geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrate gien identifiziert. Daneben können jedoch auch unterschiedliche Wandermortalitäten die geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrategien beeinflussen, insofern als dasjenige Geschlecht mit der höheren Wandermortalität wahrscheinlich philopatrisch wird, das andere hingegen das Dispersal übernimmt. Leider gibt es dazu wenig quantitative Daten. In diesem Kapitel untersuche ich den quantitativen Zusammenhang zwischen der Differenz in Wandermortalität und dem Ungleichgewicht in der Auswanderwahrscheinlichkeit der Geschlechter. Weiterhin untersuche ich den Einfluss von demographischer Stochastizität und wie Inzucht-Depression in Zusammenspiel mit Unterschieden in der Wandermortalität das Ungleichgewicht der Auswanderwahrscheinlichkeit beeinflusst. Dazu habe ich ein existierendes mathematisches Modell so angepasst, dass geschlechtsspezifische Wandermortalitäten betrachtet werden können. Auf dieser numerischen Basis kann ich Unterschiede in der Auswanderwahrscheinlichkeit von Geschlechtern selbst für sehr kleine Differenzen in der Mortalität vorhersagen. Ich bestätige diese Ergebnisse mit individuenbasierten Simulationen und zeige, dass demographische Stochastizität einen ausgleichenden Einfluss auf die Auswanderwahrscheinlichkeiten der beiden Geschlechter hat. Selbst bei gleichzeitig wirkender Inzucht-Depression bestimmen dieMortalitätsunterschiede welches Geschlecht die höhere Auswanderwahrscheinlichkeit entwickelt. Kapitel 4 - Geschlechtsspezifische räumlich-zeitliche Variabilität des reproduktiven Erfolgs fördert die Evolution von geschlechtsspezifischen Ausbreitungsstrategien Inzucht-Depression, asymmetrische Wandermortalität und unterschiedliche Paarungssysteme wurden als mögliche Auslöser für die Evolution von Ausbreitungsstrategien identifiziert, in denen die Auswanderwahrscheinlichkeit eines Geschlechtes die des anderen überwiegt. Wir verwenden individuenbasierte Simulationen, um den Einfluss des Paarungssystems und demographischer Stochastizität auf die Evolution geschlechtsspezifischen Dispersals zu untersuchen. Wir betrachten dabei Meta-Populationen, in denen Weibchen um Brutplätze und Männchen um Paarungen mit erfolgreichen Weibchen konkurrieren. Der Vergleich der Ergebnisse der Paarungssysteme “random-mating” (alle Weibchen wählen zufällig Männchen als Paarungspartner aus) und “harem” (alle Weibchen eines Habitats paaren sich mit demselben Männchen) zeigt, dass ein Unterschied in der Intensität der Konkurrenz um reproduktionsrelevante Ressourcen alleine nicht genügt, um einen Unterschied in den Auswanderwahrscheinlichkeiten der Geschlechter hervorzurufen. Vielmehr kommt es in solchen Fällen zu besagtem Ungleichgewicht, in denen ein Geschlecht eine größere Variabilität der Nachkommenzahl zwischen Habitaten erfährt. Dann evolviert das Geschlecht mit der höheren Varianz der Nachkommenzahl zwischen Habitaten die höhere Auswanderwahrscheinlichkeit.

Plants must respond to multiple stimuli in a natural environment. Therefore they need the ability to rapidly reorganise and specifically build up appropriate metabolites to adapt to their environment. Abiotic cues, such as ambient solar radiation, influence the next trophic level directly, but also an altered plant composition triggered by these environmental cues can have an effect on the behaviour of herbivores. The aim of this study was to test effects of the important ultraviolet (UV) radiation on plants and on plant-insect interactions using multi-level investigations. The focus was on the conduction of controlled experiments with broccoli plants in highly engineered greenhouses covered with innovative materials, which only differed in their UV-B transmission. For the first time in this controlled environment the plant-mediated UV-B effects on phloem-feeding aphids were studied. Broccoli plants (Brassica oleracea L. convar. botrytis, Brassicaceae) were under filter tents either exposed to (inclusion, +UV) or not exposed to (exclusion, -UV) UV-A / UV-B radiation. In greenhouses covered with new, innovative materials transmitting high (80%), medium (23%) or low (4%) levels of ambient solar UV-B radiation, in particular the influence of UV-B radiation on broccoli was examined. Plants respond highly specific to environmental stimuli such as UV-B radiation and herbivory. UV-B radiation has a strong impact on the plants’ architecture and flavonoid contents, which can in turn influence plant-insect interactions. Phloem-feeding aphids can be negatively affected by UV-B mediated plant changes. However, a direct effect of UV radiation on the behaviour of herbivores is also evident. Mainly the number, composition and quality of herbivorous species as well as an exceeding of a certain infestation threshold determine the mode of plant changes. In conclusion, UV-B radiation has the potential to harden plants against herbivores and simultaneously increases the concentrations of valuable secondary metabolites for human nutrition in important crop species such as broccoli. / In ihrer natürlichen Umgebung sind Pflanzen verschiedensten und vor allem wechselnden Umwelteinflüssen ausgesetzt, auf die sie schnell und angemessen reagieren müssen. Das Insektenverhalten der nächsten trophischen Ebene wird direkt durch abiotische Umweltfaktoren, wie zum Beispiel Sonnenstrahlung, sowie durch daraus resultierende Veränderungen in Pflanzen gesteuert. Das Ziel dieser Untersuchung war es, herauszufinden, wie sich ultraviolette (UV) Strahlung auf Pflanzen und Pflanzen-Insekten Interaktionen auswirken kann. Dies wurde auf verschiedensten Ebenen untersucht. Mit Hilfe von speziell angefertigten Gewächshäusern konnten Brokkolipflanzen unter kontrollierten UV-B Bedingungen angezogen werden. Der Einfluss von UV-B Strahlung auf Brokkoli und von UV-B induzierten Effekten in Brokkoli auf phloem-fressende Blattläuse wurde erstmals untersucht. Die Experimente wurden mit Brokkolipflanzen (Brassica oleracea L. convar. botrytis, Brassicaceae) durchgeführt, die in Folienzelten mit unterschiedlicher UV-Strahlungsdurchlässigkeit exponiert wurden. Die Eindeckungen der Folienzelte waren entweder UV-A / UV-B durchlässig (+UV) oder undurchlässig (-UV). Gewächshäuser mit innovativen Eindeckungsmaterialien, die speziell UV-B in hohen (80%), mittleren (23%) oder geringen (4%) Mengen transmittierten, wurden genutzt, um den alleinigen Effekt von UV-B Strahlung auf Pflanzen hervorzuheben. Pflanzen reagieren auf verschiedene Umweltreize wie zum Beispiel UV-B Strahlung und Herbivorie sehr zielgerichtet. UV-B Strahlung hat einen starken Einfluss auf das Pflanzenwachstum und die Flavonoidgehalte, was wiederum Pflanzen-Insekten Interaktionen artspezifisch steuern kann. Phloem-fressende Herbivoren können durch UV-B-induzierte Pflanzenveränderungen negativ beeinflusst werden. Ein direkter UV-Effekt auf das Verhalten von Herbivoren ist jedoch ebenfalls erwiesen. Sowohl die Anzahl, Zusammensetzung und Qualität von Herbivorenarten also auch das Überschreiten einer definierten Befallsschwelle bestimmen das Ausmaß der Pflanzenveränderungen. Zusammenfassend ist zu sagen, dass UV-B Strahlung Pflanzen gegenüber Fraßfeinden abhärten und gleichzeitig die Konzentration wertvoller pflanzlicher Inhaltsstoffe für die menschliche Ernährung in Feldfrüchten erhöhen kann.

Floral scents are compositions of diverse volatile substances. Despite the chemical complexity, the interpretation of their ecological relevance was mostly confined to the attractive function facilitating interactions with pollinators. However, the negative impact on plants’ reproduction by non-pollinating flower visitors is pronounced and demands floral adaptations that exclude antagonists. The aim of this dissertation was to explore the defensive properties of floral odours and to imbed them into ecological contexts. The thesis covered four scopes: the scents’ impact on individual species and on flower-visitor communities, the mechanisms that explain the dual function of floral volatiles (attraction and defence), and the ecological consequences of missing defences for plants and pollinators. The most important floral antagonists that are known to reduce the reproductive fitness of plants were identified and their responses towards floral scents were examined. We found that representatives of non‐pollinating florivores (bush crickets), predators that lure for pollinators (spiders), and microorganisms that potentially colonize petals were repelled, deterred or inhibited in their growth by floral secondary metabolites. An earlier study revealed the same effect on nectar thieving ants. These experimental studies clearly demonstrate that scents universally serve as floral defences that have the potential to reduce or even prevent the visitation and exploitation of flowers by these antagonists. Within diverse communities, we tested whether species‐specific responses to odours reflect the structure of naturally occurring flower-visitor interactions in order to examine the ecological importance of defensive floral scents. On three Hawaiian Islands, ant-flower interactions involving co-occurring native and introduced plants were observed. Ants were historically absent from the geographically isolated Hawaiian archipelago. Thus, we hypothesized that native Hawaiian plants lack floral features that exclude ants and therefore would be heavily exploited by introduced, invasive ants. We quantified the residual interaction strength of each pair of ant/plant species as the deviation of the observed interaction frequency from a null-model prediction based on available nectar sugar in a local plant community and local ant activity at sugar baits. As predicted, flowers of plants that are endemic or indigenous to Hawaii were stronger exploited by ants than flowers of co- occurring introduced plants, which share an evolutionary history with ants. We showed experimentally that the absence of ants on flowers of most introduced and few native plants species was due to morphological barriers and/or repellent floral scents, examined in a mobile olfactometer. Analysis of floral volatiles, however, revealed no consistent ant- repellent “syndrome”, probably due to the high chemical variability within the floral scent bouquets. On a fallow land in Germany, we linked the responses of receivers (flower visitors) towards signals (flower scent) with the structure of a highly diverse natural flower-insect network. For each interaction, we defined link temperature – a newly developed metric – as the deviation of the observed interaction strength from neutrality, assuming that animals randomly interact with flowers. Link temperature was positively correlated to the specific visitors' responses to floral scents. Thus, communication between plants and consumers via phytochemical signals reflects a significant part of the microstructure in a complex network. Negative as well as positive responses towards floral scents contributed to these results, where individual experience was important, apart from innate behaviour. The demonstration of the contrasting functions of floral scents that control the visitor spectrum of flowers represents the first evidence that floral scents act as filters allowing access to some flower visitors but simultaneously exclude others. These findings raise the central question of this thesis: what evolutionary mechanism explains the dual function of floral scents? The view of flower visitors as mutualistic and antagonistic agents considers primarily the interest of plants. A classification emphasizing the consumer’s point of view, however, may be more useful when considering adaptations of animals to flower visits. Therefore, we introduced a novel classification that acknowledges the consumers’ interest in the interaction: some animals evolved an obligate dependence on floral resources, others use nectar and pollen as supplement to their diet and are thus regarded as facultative flower visitors. In a meta-analysis covering 18 studies on the responses of animals to floral scents, we assigned the animals to the categories of obligate or facultative flower visitors. Their responses to floral scents were compared. On average, obligate flower visitors, often corresponding to pollinators, were attracted to floral scent compounds. In contrast, facultative and mainly antagonistic visitors were strongly repelled by flower odours. The findings confirm that floral scents have a dual function both as attractive and defensive cues. Whether an animal depends on floral resources determines its response to these signals, suggesting that obligate flower visitors evolved a tolerance against primarily defensive compounds. These findings were confirmed in an experimental study. We conclude that floral scents protect flowers against visitors that would otherwise reduce the reproductive success of plants. In Hawaii, where flowers do not have defensive means against ants, we studied the impact of ants on the pollination effectiveness of endemic and introduced bees and on the fruit set of an endemic tree Metrosideros polymorpha (Myrtaceae). Ants were dominant nectar-consumers that mostly depleted the nectar of visited inflorescences. Accordingly, the visitation frequency, duration, and consequently the pollinator effectiveness of nectar-foraging bees strongly decreased on ant-visited flowers, whereas pollen-collecting bees remained largely unaffected by ants. Overall, endemic bees (Hylaeus spp.) were much poorer pollinators than introduced honeybees (Apis mellifera). The average net effect of ants on pollination of M. polymorpha was neutral, corresponding to a similar fruit set of ant-visited and ant-free inflorescences. A second Hawaiian plant species, Vaccinium reticulatum (Ericaceae), was visited by the caterpillars of an introduced plume moth (Stenoptilodes littoralis) that destroyed buds and flowers of this species. The ants’ presence on flowers strongly reduced flower parasitism by the caterpillars and consequently decreased the loss of flowers and buds. This is, to our knowledge, the first documented mutualism between invasive ants and an endemic plant species in Hawaii. Thus, ants that have been shown to be detrimental flower visitors elsewhere, had neutral (M. polymorpha) or even positive (V. reticulatum) effects on endemic Hawaiian plants. However, their overall negative effect on the Hawaiian flora and fauna should not be disregarded. / Blütendüfte sind aus vielen flüchtigen Einzelsubstanzen zusammengesetzt. Trotz ihrer chemischen Komplexität wurde das Anlocken von Bestäubern als nahezu alleinige ökologische Funktion angesehen. Viele Blütenbesucher haben allerdings schädliche Einflüsse auf die Fortpflanzung von Pflanzen, die davon profitieren würden, wenn sie diese antagonistischen Organismen vom Blütenbesuch ausschließen könnten. Das Ziel dieser Arbeit war es, die defensiven Funktionen von Blütendüften zu untersuchen und in einen ökologischen Kontext zu stellen. Hierbei wurden vier Aspekte genauer betrachtet: Wir untersuchten die Wirkung von defensiven Blütendüften auf einzelne antagonistische Arten und deren Einfluss auf die Strukturierung von diversen Gemeinschaften bestehend aus Blütenpflanzen und Insekten. Weiterhin haben wir Mechanismen beschrieben, die mögliche Lösungsansätze für die Frage liefern können, wie Blütendüfte in der Lage sind, eine zweifache Funktion zu erfüllen, nämlich Anlocken und Abschrecken. Die ökologischen Konsequenzen von fehlender Blütenabwehr bildeten den letzten Schwerpunkt der Arbeit. Nektardiebe, Florivore, die Blütengewebe konsumieren, aber dabei nicht bestäuben, Räuber, die Bestäuber fressen, und Mikroorganismen stellen die vier bedeutenden Organismengruppen dar, die Blüten potentiell Schaden zufügen. In experimentellen Studien konnten wir zeigen, dass Blütendüfte repellente, deterrente und wachstumsinhibierende Wirkungen haben und somit die Blüten gegen Vertreter jeder der genannten Gruppen verteidigen. Die repellente Wirkung von Blütendüften auf Ameisen, die häufig Nektardiebe darstellen, wurde in früheren Studien nachgewiesen, die nicht Teil dieser Arbeit sind. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass Blütendüfte universelle Abwehrstoffe darstellen, die den Besuch von antagonistischen Blütenbesuchern reduzieren oder ganz verhindern können. Die strukturierende Rolle defensiver Blütendüfte wurde innerhalb zweier Blütenbesucher Gemeinschaften untersucht. Erstens haben wir in Hawaii die Interaktionen zwischen Blüten und Ameisen untersucht. Hawaii stellt das größte Ökosystem dar, das in seiner Entstehungsgeschichte nicht mit Ameisen konfrontiert war, die in anderen Regionen bedeutenden Nektardiebe sind. Durch anthropogene Einflüsse konnten sich die Ameisen allerdings auf allen Hauptinseln der Inselgruppe ausbreiten und sind heute in den meisten Habitaten die dominanten Arthropoden. Aufgrund der historischen Abwesenheit von Ameisen, vermuteten wir, dass hawaiianische Pflanzen keinerlei Abwehrmechanismen besitzen, die Ameisen von den Blüten fernhalten könnten. Innerhalb kleiner Habitate haben wir Besuchsmuster von Ameisen auf Blüten aufgenommen und diese mit generierten Mustern verglichen, die auf Nullmodellen basierten. Die Nullmodelle berücksichtigten die Aktivität der Ameisen an Zuckerködern, sowie die gesamte Zuckermenge, die die einzelnen im Gebiet vorhandenen Pflanzen in Form von Blütennektar anboten. Wir konnten feststellen, dass heimische hawaiianische Blütenpflanzenarten stärker von Ameisen besucht wurden, als auf Grund des Nullmodells erwartet wurde. Dahingegen wurden eingeführte Pflanzenarten, die an Ameisen angepasst sind, deutlich weniger als erwartet aufgesucht. Verantwortlich für dieses Ergebnis waren morphologische Barrieren der Blüten und repellente Blütendüfte, wobei beide Mechanismen häufiger bei den eingeführten Pflanzenarten zu finden waren. Die zweite Studie, die sich mit den Effekten von Blütendüften auf Blüten-Besucher Gemeinschaften beschäftigte, wurde auf einer brachliegenden Wiese in Deutschland durchgeführt. Auch hier wurde die Abweichung der beobachteten Verteilung der Insekten auf Blüten von einer zufälligen Verteilung (Nullmodell) gemessen und untersucht, ob Reaktionen auf Blütendüfte diese Abweichungen erklären können. Wir konnten zeigen, dass Interaktionen zwischen Blütenpflanzenarten und Insekten verschiedener Ordnungen, die selten oder nie auftraten, oft mit negativen Verhaltensantworten einhergehen, häufige Interaktionen dagegen mit positiven Reaktionen. Die Ergebnisse geben Anlass zu der Feststellung, dass die anlockenden und abschreckenden Eigenschaften von Blütendüften stark zu der Strukturierung von Blüten-Besucher Netzwerken beitragen. Weiterhin ist diese Studie der erste direkte Beweis, dass Blütendüfte Filter darstellen, die den Besuch einiger Tiere zulassen, während andere vom Konsum von Nektar und Pollen abgehalten werden. Diese doppelte Funktion von Blütendüften führt zu der zentralen Fragestellung der vorliegenden Arbeit: Wie ist es evolutionär zu erklären, dass einige Tiere positive und andere negative Reaktionen auf die gleichen Düfte zeigen. Bislang wurden Blütenbesucher nach ihrer Auswirkung auf die Pflanzenreproduktion entweder in Mutualisten oder in Antagonisten eingeteilt. Diese Einteilung erscheint allerdings nicht geeignet zu sein, um die verschiedenen Reaktionen zu erklären, weil sie das tierische Interesse, den Konsum von Blütenressourcen, nicht berücksichtigt. Daher haben wir eine neue Einteilung vorgeschlagen, die die Konsumentensicht berücksichtigt: Einige Tiere sind obligat abhängig von Nektar oder Pollen, während andere diese Ressourcen nur nutzen, um ihr breiteres Nahrungsspektrum zu ergänzen. Das Ergebnis einer von uns durchgeführten Metaanalyse bestätigt die Relevanz dieser Dichotomie: Obligate Blütenbesucher waren zumeist von Blütendüften angelockt, während fakultative Besucher stark negative Reaktionen aufwiesen. Spezielle Mundwerkzeuge von Insekten, zum Beispiel, stellen eine Anpassung von obligaten Blütenbesuchern dar, die ihnen erlaubt die Blütenressourcen effektiv zu nutzen. Eine Toleranz gegenüber anderweitig repellenten und/oder giftigen Sekundärmetaboliten könnte eine weitere wichtige Anpassung sein. Die Ergebnisse der Metaanalyse konnten auch in einer experimentellen Arbeit bestätigt werden, bei der Ameisen (fakultative Blütenbesucher) von vielen Substanzen abgeschreckt waren, von denen sich Hummeln (obligate Blütenbesucher) anlocken ließen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass defensive Blütendüfte genutzt werden, um antagonistische Organismen von Blüten fernzuhalten. An hawaiianischen Blüten, denen Abwehrmechanismen gegen Ameisen fehlen und die dementsprechend stark von Ameisen aufgesucht werden, haben wir untersucht, welchen Einfluss Ameisen auf die Reproduktion zweier endemischer Pflanzen und das Verhalten von Bestäubern haben. Invasive Ameisen und Honigbienen (Apis mellifera) und endemische Bienen (Hylaeus spp.) waren die dominierenden Besucher auf Blüten der endemischen Baumart Metrosideros polymorpha (Myrtaceae). Wir konnten feststellen, dass die Bestäubereffektivität der Bienen stark von der Bienenart, der Anwesenheit von Ameisen und der gesammelten Ressource (Nektar oder Pollen) abhängig war. Insgesamt betrachtet hatten Ameisen aber keinen Einfluss auf den Fruchtansatz der Pflanze. Die Blüten und Knospen einer zweiten endemische Art (Vaccinium reticulatum, Ericaceae) wurden von den Raupen einer eingeführten Federmotte (Stenoptilodes littoralis) gefressen und abgetötet. Auf Blüten, die stark von Ameisen frequentiert wurden, war der schädliche Einfluss der Raupen stark abgemildert. Dieses tritrophische System stellt den ersten dokumentierten Fall dar, bei dem eine endemische hawaiianische Pflanzenart von der Anwesenheit invasiver Ameisen profitiert. Diese neutralen und positiven Effekte von Ameisen auf edemische hawaiianische Pflanzen sollte aber nicht darüber hinweg täuschen, dass Ameisen die wohl schädlichsten Neozoen auf Hawaii darstellen.

In meiner Arbeit habe ich taxonomische, gemeinschaftsökologische und autökologische Aspekte im westmadagassischen Trockenwald untersucht. Ziel dieser Arbeit war es Antworten auf die Fragen zu geben wie die einzelnen Arten die Habitate in Raum und Zeit nutzen, welchen Einfluss abiotische Parameter, Austrocknungsrisiko der Laichgewässer und Mikrohabitat haben und wie Prädatoren die Gemeinschaft und das Verhalten einzelner Arten beeinflussen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die Zusammensetzung einer Lebensgemeinschaft bestimmen. Im Einzelnen untersuchte ich hierzu folgende Fragestellungen: Aus welchen Arten bestehen die Anurengemeinschaften des westmadagassischen Trockenwaldes, und wie lassen sich diese Arten morphologisch voneinander abgrenzen? Welche Unterschiede finden sich zwischen den Arten bezüglich ihres Paarungssystems, ihrer life-history und ihrer Habitatwahl bzw. den Anpassungen an ihr Habitat? Gibt es spezifische Kaulquappengemeinschaften, die sich anhand biotischer und abiotischer Umweltvariablen vorhersagen lassen? Unterscheiden sich die Muster der Vorhersagbarkeit von Gemeinschaften zwischen unterschiedlichen Habitattypen innerhalb eines lokalen räumlichen Skalenniveaus? Wie beeinflusst das Vorkommen von Raubfeinden die Verteilung von Kaulquappen und deren Verhalten auf der räumlichen Skalenebene einzelner Laichgewässer? Anhand welcher Umweltvariablen lässt sich die Laichplatzwahl von Anuren in diesem Habitat vorhersagen? Wie lassen sich die Ergebnisse nutzen, um Empfehlungen zum Schutz bedrohter Arten auszusprechen? In dieser Arbeit beschreibe ich eine Froschart wissenschaftlich neu. Diese Art, Scaphiophryne menabensis, ist die seltenste Froschart in ihrem Verbreitungsgebiet, und aus meiner Arbeit resultiert die dringende Empfehlung, sie in ein bestehendes Schutzkonzept für den Kirindy-Wald und seine Umgebung mit einzubeziehen. Weiterhin beschreibe ich wissenschaftlich erstmalig in dieser Arbeit fünf Kaulquappenarten und präsentiere Daten zu Ökologie, life-history und Verhalten dieser Arten. Die wissenschaftliche Beschreibung weiterer Frosch- und Kaulquappenarten ist Gegenstand noch andauernder Studien (Scaphiophryne sp., Heterixalus carbonei und H. tricolor; Revision der Kaulquappen von Scaphiophryne). Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen damit die Basis für alle weiteren ökologischen Studien an Fröschen und Kaulquappen dieses Ökosystems dar. FAZIT Die Amphibienfauna Madagaskars ist einzigartig, und sie stellt ein aufregendes Feld für ökologische Fragestellungen dar, sowohl als eigenständiges System betrachtet als auch als Modell für andere Systeme. Umso mehr verwundert es, dass bislang kaum detaillierte ökologische Studien an diesem System durchgeführt wurden. Die vorliegende Arbeit schafft zunächst mit der taxonomischen Beschreibung der vorkommenden Arten die Basis für ökologische Fragestellungen und zeigt dann auf den Ebenen sowohl der Gemeinschaft als auch einzelner Arten, wie verschiedene Umweltfaktoren die Verteilung von Anuren in Raum und Zeit beeinflussen. Es zeigt sich, dass sowohl statische Eigenschaften der Gewässer als auch dynamische Faktoren wie Raubfeinde oder das Vorhandensein anderer Kaulquappen die Verteilung der Arten auf verschiedenen räumlichen Skalenebenen sowie deren Verhalten beeinflussen. Somit tragen die Ergebnisse dieser Arbeit dazu bei, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in diesem Ökosystem bestimmen. Nicht zuletzt ermöglichen diese Erkenntnisse, geeignete, artenorientierte Schutzkonzepte für diese in ihrer Existenz stark bedrohte Anurengemeinschaft zu entwickeln und die Effekte von Habitatzerstörung auf diese Gemeinschaft aufzuzeigen. / The amphibian fauna of the Kirindy dry forest in western Madagascar Abstracts of chapter 5 and 6 Living apart together – patterns of tadpole communities in a western Madagascan dry forest Whether communities are established in a deterministic or in a stochastic manner depends to a large degree on the spatial scale considered. In this study we use a tadpole community in the dry forest of western Madagascar to show that when within-site habitat diversity is considered, communities may also differ in two community parameters (species composition and species richness) within one geographic scale. Forest ponds and riverbed ponds are two types of breeding habitat that are both used by anurans but that differ generally in their temporal availability, predation pressure, and environmental characteristics. In forest ponds, tadpole communities were very predictable by the physical properties of the ponds and by their vegetation characteristics. In contrast, the riverbed communities were not predictable. We offer two hypotheses to explain this phenomenon. This study clearly demonstrates differing patterns in community organization in two natural habitats within one site, and therefore, highlights the importance of considering local conditions and within-site habitat diversity in community studies. Modeling the habitat use of an endangered dry-forest frog from Western Madagascar A crucial factor for the successful reproduction and thus conservation of an amphibian species is the availability of suitable waters as breeding sites. In this chapter, we examine the use of breeding sites of an endangered, local endemic frog of Western Madagascar, Aglyptodactylus laticeps, over a three year period. Logistic regression was used to model the relationship between the species’ breeding habitat use and environmental variables. This model was aimed to be predictive, rather than explanatory, and only environmental variables were included that are assessable in a time and cost effective manner, and that can therefore be used as an easy-to-use management tool in applied conservation. On the local scale of the Kirindy concession, A. laticeps is restricted to forest with a relatively low degree of disturbance and closed canopy cover. The model identified three environmental variables that suffice to satisfactorily predict the use of respective breeding sites, namely leaf litter, vegetation coverage and surface water plants. Based on these results, we present recommendations for the conservation management of this frog. Furthermore, the presence or absence of this species within its natural range indicates the relative degree of environmental integrity of its habitat, and we therefore consider this species as a suitable indicator species of temporary aquatic habitats within the dry forest that are characterized by a low water permanency and high leaf litter coverage. This study demonstrates that models constructed from basic ecological knowledge of relevant species may serve as valuable management tools in applied conservation.

Gegenstand der Dissertation ist die Untersuchung von wiederkehrenden Ausbrüchen (wie z.B. Epidemien) in der Natur. Dies gelang anhand von Modellen, die die Dynamik von Phytoplankton und die Ausbreitung von Krankheiten zwischen Städten beschreiben. Diese beide Systeme bilden hervorragende Beispiele für solche Phänomene. Die Frage, ob die in der Zeit wiederkehrenden Ausbrüche ein Ausdruck chaotischer Dynamik sein können, ist aktuell in der Ökologie und fasziniert Wissenschaftler dieser Disziplin. Wir konnten zeigen, dass sich das Plankton-Modell im Falle von periodischem Antreiben über die Nährstoffe in einem chaotischen Regime befindet. Diese Dynamik wurde als die komplexe Wechselwirkung zweier Oszillatoren verstanden. Ebenfalls wurde die Ausbreitung von Epidemien in Netzwerken wechselwirkender Städte mit unterschiedlichen Grössen untersucht. Dafür wurde zunächst die Kopplung zwischen zwei Städten als Verhältnis der Stadtgrössen eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das System sich in einem globalen zweijährigen Zyklus, der auch in den realen Daten beobachtet wird, befinden kann. Der Effekt von Heterogenität in der Grösseverteilung ist durch gewichtete Kopplung von generischen Modellen (Zelt- und Logistische Abbildung) in Netzwerken im Detail untersucht worden. Eine neue Art von Kopplungsfunktion mit nichtlinearer Sättigung wurde eingeführt, um die Stabilität des Systems zu gewährleisten. Diese Kopplung beinhaltet einen Parameter, der es erlaubt, die Netzwerktopologie von globaler Kopplung in gerichtete Netzwerke gleichmässig umzuwandeln. Die Dynamik des Systems wurde anhand von Bifurkationsdiagrammen untersucht. Zum Verständnis dieser Dynamik wurde eine effektive Theorie, die die beobachteten Bifurkationen sehr gut nachahmt, entwickelt. / One of the most striking features of ecological systems is their ability to undergo sudden outbreaks in the population numbers of one or a small number of species. The similarity of outbreak characteristics, which is exhibited in totally different and unrelated (ecological) systems naturally leads to the question whether there are universal mechanisms underlying outbreak dynamics in Ecology. It will be shown into two case studies (dynamics of phytoplankton blooms under variable nutrients supply and spread of epidemics in networks of cities) that one explanation for the regular recurrence of outbreaks stems from the interaction of the natural systems with periodical variations of their environment. Natural aquatic systems like lakes offer very good examples for the annual recurrence of outbreaks in Ecology. The idea whether chaos is responsible for the irregular heights of outbreaks is central in the domain of ecological modeling. This question is investigated in the context of phytoplankton blooms. The dynamics of epidemics in networks of cities is a problem which offers many ecological and theoretical aspects. The coupling between the cities is introduced through their sizes and gives rise to a weighted network which topology is generated from the distribution of the city sizes. We examine the dynamics in this network and classified the different possible regimes. It could be shown that a single epidemiological model can be reduced to a one-dimensional map. We analyze in this context the dynamics in networks of weighted maps. The coupling is a saturation function which possess a parameter which can be interpreted as an effective temperature for the network. This parameter allows to vary continously the network topology from global coupling to hierarchical network. We perform bifurcation analysis of the global dynamics and succeed to construct an effective theory explaining very well the behavior of the system.

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In the context of ecological risk assessment of chemicals, individual-based population models hold great potential to increase the ecological realism of current regulatory risk assessment procedures. However, developing and parameterizing such models is time-consuming and often ad hoc. Using standardized, tested submodels of individual organisms would make individual-based modelling more efficient and coherent. In this thesis, I explored whether Dynamic Energy Budget (DEB) theory is suitable for being used as a standard submodel in individual-based models, both for ecological risk assessment and theoretical population ecology. First, I developed a generic implementation of DEB theory in an individual-based modeling (IBM) context: DEB-IBM. Using the DEB-IBM framework I tested the ability of the DEB theory to predict population-level dynamics from the properties of individuals. We used Daphnia magna as a model species, where data at the individual level was available to parameterize the model, and population-level predictions were compared against independent data from controlled population experiments. We found that DEB theory successfully predicted population growth rates and peak densities of experimental Daphnia populations in multiple experimental settings, but failed to capture the decline phase, when the available food per Daphnia was low. Further assumptions on food-dependent mortality of juveniles were needed to capture the population dynamics after the initial population peak. The resulting model then predicted, without further calibration, characteristic switches between small- and large-amplitude cycles, which have been observed for Daphnia. We conclude that cross-level tests help detecting gaps in current individual-level theories and ultimately will lead to theory development and the establishment of a generic basis for individual-based models and ecology. In addition to theoretical explorations, we tested the potential of DEB theory combined with IBMs to extrapolate effects of chemical stress from the individual to population level. For this we used information at the individual level on the effect of 3,4-dichloroanailine on Daphnia. The individual data suggested direct effects on reproduction but no significant effects on growth. Assuming such direct effects on reproduction, the model was able to accurately predict the population response to increasing concentrations of 3,4-dichloroaniline. We conclude that DEB theory combined with IBMs holds great potential for standardized ecological risk assessment based on ecological models. / Für die ökologische Risikobewertung von Chemikalien sind individuenbasierte Populationsmodelle ein vielversprechendes Werkzeug um heutige Bewertungen ökologisch realistischer zu gestalten. Allerdings ist die Entwicklung und Parametrisierung derartiger Modelle zeitaufwendig und oft wenig systematisch. Standardisierte, geprüfte Untermodelle, die Einzelorganismen beschreiben, würden die individuenbasierte Modellierung effizienter und kohärenter machen. In meiner Dissertation habe ich daher untersucht, inwieweit sich die Dynamic Energy Budget-Theorie (DEB) als Standardmodell innerhalb individuenbasierter Populationsmodelle eignet, und zwar sowohl für die ökologische Risikobewertung als auch für die theoretische Populationsökologie. Zunächst habe ich eine generische Implementierung der DEB-Theorie im Rahmen individuenbasierter Modellen (IBM) erstellt: DEB-IBM. Dieses Werkzeug nutzend habe ich dann untersucht, ob es mit Hilfe der DEB-Theorie gelingt, ausgehend von den Eigenschaften und Aktivitäten einzelner Individuen, Populationsdynamik vorherzusagen. Wir nutzten dabei Daphnia magna als Modellart, für die Daten auf der Individuenebene verfügbar waren, um das Modell zu parametrisieren, sowie Populationsdaten, mit denen Modellvorhersagen verglichen werden konnten. DEB-Theorie war in der Lage, beobachtete Populationswachstumsraten sowie die maximalen Abundanzen korrekt vorherzusagen, und zwar für verschiedene Umweltbedingungen. Für Phasen des Rückgangs der Population allerdings, wenn die für die Daphnien verfügbare Nahrungsmenge gering war, kam es zu Abweichungen. Es waren deshalb zusätzliche Annahmen über nahrungsabhängige Sterblichkeit von juvenilen Daphnien erforderlich, um die gesamte Populationsdynamik korrekt vorherzusagen. Das resultierende Modell konnte dann, ohne weitere Kalibrierungen, den für Daphnien charakteristischen Wechsel zwischen Populationszyklen mit großen und kleinen Amplituden richtig vorhersagen. Wir folgern daraus, daß Ebenen übergreifende Tests dabei helfen, Lücken in aktuellen Theorien über Einzelorganismen aufzudecken Dies trägt zur Theorieentwicklung bei und liefert Grundlagen für individuenbasierte Modellierung und Ökologie. Über diese Grundlagenfragen hinaus haben wir überprüft, ob DEB-Theorie in Kombination mit IBMs es ermöglicht, den Effekt von chemischem Streß auf Individuen auf die Populationsebene zu extrapolieren. Wir nutzten Daten über die Auswirkungen von 3,4 Dichloroanalin auf einzelne Daphnien, die zeigten daß im Wesentlichen die Reproduktion, nicht aber das Wachstum beeinträchtigt ist. Mit entsprechenden Annahmen konnte unser Modell den Effekt auf Populationsebene, für den unabhängige Daten vorlagen, korrekt vorhersagen. DEB-Theorie in Kombination mit individuenbasierter Modellierung birgt somit großes Potential für einen standardisierten modellbasierten Ansatz in der ökologischen Risikobewertung von Chemikalien.

My dissertation comprises three studies: (1) an assessment of honey bee colony losses in the USA between 2014 and 2015, (2) an exploration of the potential of reclaimed sand mines as bee habitat, and (3) an evaluation of native and non-native pollinator friendly plants in regard to their attraction to bees. While the first study focuses on honey bees, the latter two studies primarily take wild bees or entire bee communities in focus. The study on honey bee colony losses was conducted within the framework of the Bee Informed Partnership (BIP, beeinformed.org) and aligns with the annual colony loss surveys which have been conducted in the USA since the winter of 2006/2007. It was the fourth year for which summer and annual losses were calculated in addition to winter losses. Among participants, backyard beekeepers were the largest group (n = 5690), although sideline (n = 169) and commercial (n = 78) beekeepers managed the majority (91.7 %) of the 414 267 surveyed colonies. Overall, 15.1 % of the estimated 2.74 million managed colonies in the USA were included in the study. Total honey bee colony losses (based on the entirety of included colonies) were higher in summer (25.3 %) than in winter (22.3 %) and amounted to 40.6 % for the entire 2014/2015 beekeeping year. Average colony losses per beekeeper or operation were higher in winter (43.7 %) than in summer (14.7 %) and amounted to 49 % for the entire 2014/2015 beekeeping year. Due to the dominance of backyard beekeepers among participants, average losses per operation (or unweighted loss) stronger reflected this smaller type of beekeeper. Backyard beekeepers mainly named colony management issues (e.g., starvation, weak colony in the fall) as causes for mortality, while sideline and commercial beekeepers stronger emphasized parasites or factors outside their control (e.g., varroa, nosema, queen failure). The second study took place at reclaimed sand mines. Sand mines represent anthropogenically impacted habitats found worldwide, which bear potential for bee conservation. Although floral resources can be limited at these habitats, vegetation free patches of open sandy soils and embankments may offer good nesting possibilities for sand restricted and other bees. We compared bee communities as found in three reclaimed sand mines and at adjacent roadside meadows in Maryland, USA, over two years. Both sand mines and roadsides hosted diverse bee communities with 111 and 88 bee species, respectively. Bee abundances as well as richness and Shannon diversity of bee species were higher in sand mines than at roadsides and negatively correlated with the percentage of vegetational ground cover. Species composition also differed significantly between habitats. Sand mines hosted a higher proportion of ground nesters, more uncommon and more ‘sand loving’ bees similar to natural sandy areas of Maryland. Despite the destruction of the original pre-mining habitat, sand mines thus appear to represent a unique habitat for wild bees, particularly when natural vegetation and open sand spots are encouraged. Considering habitat loss, the lack of natural disturbance regimes, and ongoing declines of wild bees, sand mines could add promising opportunities for bee conservation which has hitherto mainly focused on agricultural and urban habitats. The third study was an experimental field study on pollinator friendly plants. Bees rely on the pollen and nectar of plants as their food source. Therefore, pollinator friendly plantings are often used for habitat enhancements in bee conservation. Non-native pollinator friendly plants may aid in bee conservation efforts, but have not been tested and compared with native pollinator friendly plants in a common garden experiment. In this study, we seeded mixes of 20 native and 20 non-native pollinator friendly plants in two separate plots at three sites in Maryland, USA. For two years, we recorded flower visitors to the plants throughout the blooming period and additionally sampled bees with pan traps. A total of 3744 bees (120 species) were sampled in the study. Of these, 1708 bees (72 species) were hand netted directly from flowers for comparisons between native and non-native plants. Depending on the season, bee abundance and species richness was either similar or lower (early season and for richness also late season) at native plots compared to non-native plots. Additionally, the overall bee community composition differed significantly between native and non-native plots. Furthermore, native plants were associated with more specialized plant-bee visitation networks compared to non-native plants. In general, visitation networks were more specialized in the early season than the later seasons. Four species (Bombus impatiens, Halictus poeyi/ligatus, Lasioglossum pilosum, and Xylocopa virginica) out of the five most abundant bee species (also including Apis mellifera) foraged more specialized on native than non-native plants. Our study showed that non-native plants were well accepted by a diverse bee community and had a similar to higher attraction for bees compared to native plants. However, we also demonstrated alterations in foraging behavior, bee community assemblage, and visitation networks. As long as used with caution, non-native plants can be a useful addition to native pollinator friendly plantings. This study gives a first example of a direct comparison between native and non-native pollinator friendly plants. / Meine Dissertation umfasst drei Studien: (1) eine Erfassung von Honigbienen-Kolonieverlusten in den USA zwischen 2014 und 2015, (2) die Erforschung des Potenzials renaturierter Sandminen als Habitat für Bienen und (3) eine Evaluierung nativer sowie standortfremder bestäuberfreundlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Attraktivität für Bienen. Während die erste Studie Honigbienen im Fokus hat, verschiebt sich der Fokus der zwei weiteren Studien hin zu Wildbienen bzw. gesamten Bienengemeinschaften. Die Studie zu Honigbienenkolonieverlusten wurde im Rahmen des Bee Informed Partnerships (BIP, beeinformed.org) durchgeführt und reiht sich ein in die seit dem Winter 2006/2007 jährlich durchgeführten Untersuchungen in den USA. Es ist das vierte Jahr in dem Sommer- und Jahresverluste zusätzlich zu den Winterverlusten kalkuliert wurden. Unter den Teilnehmern bildete die Gruppe der Hobby-Imker den größten Anteil (n = 5690), obwohl nebenberufliche (n = 169) und kommerzielle (n = 78) Imker den Großteil (91,7 %) der 414 267 begutachteten Bienenvölkern bzw. Kolonien hielten. Insgesamt enthielt die Studie 15,1 % der auf 2,74 Mio. geschätzten Gesamtzahl an gehaltenen Bienenvölkern in den USA. Die Gesamtverluste an Honigbienenvölkern (basierend auf der Gesamtheit der erfassten Völker) waren im Sommer mit 25,3 % höher als im Winter mit 22,3 % und bezifferten sich auf 40,6 % für das gesamte Imkerjahr in 2014/2015. Durchschnittliche Kolonieverluste pro Imkerbetrieb waren höher im Winter (43,7 %) als im Sommer (14,7 %) und betrugen 49 % für das gesamte Imkerjahr in 2014/2015. Aufgrund der hohen Anzahl an Hobby-Imkern unter den Teilnehmern reflektieren die durchschnittlichen Kolonieverluste pro Imkerbetrieb (oder ungewichtete Verluste) v.a. die Situation dieser kleineren Imkerbetriebe. Hobby-Imker nannten als Gründe für die Honigbienenmortalität hauptsächlich Probleme des Koloniemanagements (z.B. Verhungerung, schwache Völker im Herbst), während nebenberufliche und kommerzielle Imker stärker Faktoren betonten, die außerhalb ihrer Kontrolle lagen (z.B. Varroamilben, Nosemasporen, Versagen der Königin). Die zweite Studie fand in renaturierten Sandminen statt. Sandminen sind weltweit zu findende anthropogen veränderte Landschaften, die ein Potenzial für Bienenschutz haben. Obwohl florale Ressourcen in diesen Habitaten limitiert sein können, könnten die vegetationsfreien Flecken auf offenen Sandböden und Böschungen gute Nistplätze für auf Sand spezialisierte und andere Bienen bieten. Wir haben Bienengemeinschaften aus drei renaturierten Sandminen sowie jeweils nahe gelegenen bepflanzten Straßenrändern in Maryland, USA verglichen. Sowohl die Sandminen als auch die Straßenränder enthielten vielfältige Bienengemeinschaften mit 111 (Sandminen) und 88 (Straßenränder) Bienenarten. Bienenabundanz, Artenreichtum und Shannon Diversität waren höher in den Sandminen als an den Straßenrändern und korrelierten negativ mit dem Anteil an vorhandener Bodenvegetation. Darüber hinaus unterschied sich die Artzusammensetzung signifikant zwischen den beiden Habitattypen. Sandminen enthielten einen größeren Anteil an Bodennistern, mehr seltene Arten und mehr sandliebende Arten, ähnlich natürlicher sandiger Gebiete in Maryland. Trotz der Zerstörung des ursprünglichen prä-Minen Habitats, scheinen Sandminen daher ein einzigartiges Bienenhabitat für Wildbienen darzustellen, besonders wenn die natürliche Besiedlung von Vegetation und offene Sandflächen gefördert werden. Im Hinblick auf Habitatverluste, auf das Fehlen von natürlichen Landschaftsstörungen und auf den weiterschreitenden Rückgang an Wildbienen, könnten Sandminen eine vielversprechende Möglichkeit für Bienenschutz darstellen, der sich bisher stark auf landwirtschaftliche und urbane Habitate konzentrierte. Bei der dritten Studie handelt es sich um eine experimentelle Feldstudie zu bestäuberfreundlichen Pflanzen. Bienen sind auf Pollen und Nektar von Pflanzen als Nahrungsquelle angewiesen. Aus diesem Grund werden bestäuberfreundliche Pflanzen oft für Habitatverbesserungen im Rahmen von Bienenschutzmaßnahmen gepflanzt. Standortfremde bestäuberfreundliche Pflanzen können dabei die Bienenschutzmaßnahmen unterstützen, wurden aber bisher nicht in einem Common Garden Experiment zusammen mit nativen bestäuberfreundlichen Pflanzen getestet bzw. verglichen. In dieser Studie haben wir Saatgutmischungen mit jeweils 20 nativen und 20 standortfremden Pflanzen in zwei separaten Plots in drei Gebieten in Maryland, USA ausgesät. Zwei Jahre lang protokollierten wir über die gesamten Blühzeiträume hinweg Pflanzenbesucher und sammelten Bienen mit Farbschalen. Insgesamt erfassten wir 3744 Bienen (120 Arten), von denen 1708 Individuen (72 Arten) per Hand direkt von den Blüten gesammelt wurden für die Vergleiche zwischen nativen und standortfremden Pflanzen. Abhängig von der Saison waren Bienenabundanz und Artenreichtum entweder ähnlich oder niedriger (frühe Saison und für Artenreichtum auch späte Saison) in nativen Plots verglichen mit den standortfremden Plots. Zusätzlich unterschied sich die Zusammensetzung der Bienengemeinschaft signifikant zwischen nativen und standortfremnden Pflanzen. Darüber hinaus waren die Bienen-Pflanzen-Besuchs-Netzwerke nativer Pflanzen spezialisierter als die Besuchs-Netzwerke standortfremder Pflanzen. Im Allgemeinen waren die Besuchs-Netzwerke in der frühen Saison spezialisierter als in der späten Saison. Vier Arten (Bombus impatiens, Halictus poeyi/ligatus, Lasioglossum pilosum, und Xylocopa virginica) der fünf am häufigsten vorkommenden Arten (zusätzlich auch Apis mellifera) fouragierten spezialisierter auf nativen Pflanzen als auf standortfremden Pflanzen. Unsere Studie zeigte, dass standortfremde Pflanzen weitläufig von einer artenreichen Bienengemeinschaft angenommen wurden und eine ähnliche bis höhere Attraktivität für Bienen aufwiesen verglichen mit nativen Pflanzen. Allerdings demonstrierten wir auch Änderungen im Fouragierverhalten, in der Zusammensetzung der Bienengemeinschaft und in den Besuchs-Netzwerken. Insgesamt kann ein vorsichtiger Einsatz standortfremder Pflanzen eine sinnvolle Ergänzung zu nativen bestäuberfreundlichen Anpflanzungen sein. Diese Studie stellt ein erstes Beispiel eines direkten Vergleichs von nativen und standortfremden bestäuberfreundlichen Anpflanzungen dar.

Tropische Wälder spielen eine wichtige Rolle für das Klima und den globalen Kohlenstoffkreislauf, da sie sehr große Mengen an Kohlenstoff speichern. Allerdings sind große Teile der Tropen vom Klimawandel oder auch vom Menschen beeinflusst. Als Konsequenz könnten diese Wälder zur Kohlenstoffquelle werden und damit die globale Erwärmung verschärfen. Während für temperierte Wälder schon viel über die Prozesse im Wald und den Kohlenstoffaustausch mit der Atmosphäre bekannt ist, ist für die artenreichen und komplexen Wälder in den Tropen das Verständnis immer noch gering. Prozessbasierte Waldmodelle können hier ein vielversprechendes Werkzeug sein. In dieser Studie wird das Waldmodell FORMIND verwendet, welches speziell für artenreiche Wälder entwickelt wurde. Dieses Modell wurde um ein Bodenwassermodell und ein Feuermodell erweitert, um klimatische Bedingungen und auch Feuerereignisse simulieren zu können. Es wurde eine Parametrisierung für einen tropischen Wald am Kilimandscharo und auf Madagaskar erstellt. Im Laufe dieser Arbeit wurden diese Parametrisierungen genutzt, um verschiedenste Fragestellungen zu untersuchen, welche sich größtenteils mit den Auswirkungen von Störungen wie Feuer und Trockenheit auf die Walddynamik befassen. Es wurde aber auch die Bedeutung der Artengruppierung für Waldmodelle untersucht, speziell für die Schätzung der Waldproduktivität und des Kohlenstoffflusses. Die Auswertungen haben gezeigt, dass das Modell FORMIND die wesentlichen Waldeigenschaften - wie zum Beispiel oberirdische Biomasse und Blattfläche - sehr gut wiedergeben kann. Dabei hat die Einsortierung von den zahlreichen Baumarten in verschiedene Artengruppe eine zentrale Rolle. Würde man auf eine Unterscheidung der Baumarten verzichten, könnte bei der vorgestellten Feldstudie die Produktivität des Waldes um bis zu 30% unterschätzt werden. Der Grund liegt in den produktiven Pionierarten. Der Anteil der Pionierbäume ist ein wesentlicher Indikator für die Produktivität und auch die Kohlenstoffbilanz im Wald. Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass bei einem Anteil von Pionierbäumen größer als 10% der entsprechende Wald mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Kohlenstoffsenke ist. Laut der vorgestellten Modellstudie für das untersuchte Gebiet am Kilimandscharo, können diese Kohlenstoffbestände durch Waldbrände um bis zu 60% reduziert werden. Allerdings erhöht sich die Artenvielfalt nach einem Feuer, da sich nach dem Brand auch feuertolerante Baumarten etablieren können. Auch das Klima kann einen wesentlichen Einfluss auf die Dynamik und die Struktur eines tropischen Waldes haben. In dieser Studie wurden die Folgen von sich langfristig ändernden Niederschlägen untersucht, wie sie zum Beispiel für Madagaskar vorausgesagt werden. Das Ergebnis der vorgelegten Studie zeigt für das Untersuchungsgebiet in Madagaskar, dass der Niederschlag aber um mehr als 30% zurückgehen muss, um signifikante Änderungen in der Struktur und der Dynamik des tropischen Waldes zu erkennen. In einer sich ändernden Welt ist FORMIND ein geeignetes Waldmodell zur Simulation von Dynamiken in tropischen Wäldern. Neben den hier vorgestellten Untersuchungen, hat dieses Modell mehrere weitere mögliche Anwendungen, von der Analyse von Managementstrategien bei der Holznutzung, Veränderungen im Wald durch Erdrutsche, bis hin zu Auswirkungen von Klimawandel auf die Walddynamik. Im Gegensatz zu globalen Vegetationsmodellen kann es auf lokaler Ebene die Sukzession eines Waldes sehr gut beschreiben. Dieser Fakt ist bedeutend für die Schätzung der Produktivität und ist essentiell bei der Beantwortung der Frage nach einer Kohlenstoffsenke im Wald.

Die Vielfalt des Lebens stellt vielleicht den größten Schatz des Planten Erde dar und ist Lebensgrundlage der Menschheit. Der beispiellose weltweite Rückgang von Biodiversität ist daher eines der drängendsten Probleme unserer Zeit. In Europa sind der großflächige Verlust nährstoffarmer artenreicher Grasland- und Moorökosysteme im Zuge der Industrialisierung der Landwirtschaft und in zunehmendem Maße der Klimawandel Haupttreiber des dramatischen Rückgangs von Biodiversität. Die schnellen und umgreifenden Prozesse des globalen Wandels erfordern eine zügige Verbesserung des wissenschaftlichen Kenntnisstandes zu den interagierenden Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimawandel um die dringend erforderlichen Maßnahmen zum Schutz der Biodiversität gewachsener Kulturlandschaften möglichst effektiv gestalten zu können. Im vorliegenden Promotionsvorhaben werden Zusammenhänge zwischen Biodiversitätsmustern auf der einen sowie Landnutzung und Klima auf der anderen Seite in einem nationalen Biodiversitätshotspot untersucht. Das Untersuchungsgebiet, der Südschwarzwald, ist ein typisches Mittelgebirge welches sich durch einen hohen Anteil artenreichen Magergrünlands sowie durch ein bedeutsames Netz von verschieden ausgeprägten Mooren auszeichnet. Von herausragender Bedeutung für das Vorkommen einer Vielzahl gefährdeter Arten sind die dort reliktisch erhaltenen Allmendweidesysteme. Die Arbeit verfolgt einen breiten biozönotischen Ansatz, der die Erfassung von drei taxonomischen Gruppen (Vögel, Tagfalter und Heuschrecken) umfasst. Alle drei Gruppen gelten als exzellente Bioindikatoren. Montane Ökosysteme zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Artenvielfalt und das Vorkommen kälteliebenden Arten aus und spielen in Bezug auf den Erhalt der biologischen Vielfalt eine herausragende Rolle. Allerdings sind montane Regionen gegenwärtig in besonderem Maße von Nutzungsintensivierung sowie den Folgen fortschreitender Sukzession nach Nutzungsaufgabe betroffen und erfahren im Zuge des Klimawandels eine überproportionale Erwärmung. In diesem Promotionsvorhaben werden vor diesem Hintergrund Änderungen in der Verbreitung von Heuschrecken sowie einer montanen Vogelart, der Ringdrossel, über einen Zeitraum von drei beziehungsweise zwei Jahrzehnten anhand historischer Referenzdaten beleuchtet und zur Habitatqualität sowie zu Klimadaten in Bezug gesetzt. Weiterhin wird das Vorkommen von Heuschrecken und gefährdeten Tagfaltern in Zusammenhang mit der Landnutzungsintensität über einen weiten Feuchtegradienten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich der Klimawandel bereits negativ auf das Vorkommen montan verbreiteter Arten auswirkt. Der Verlust von Schlüsselressourcen, zum Beispiel bis weit in den Frühsommer ausapernde Schneefelder, spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Große Extensivweiden waren kaum von Biodiversitätsverlusten betroffen. Dies wird mit der Strukturvielfalt dieser Weiden begründet, welche einerseits die Koexistenz von spezialisierten Arten mit unterschiedlichen Habitatansprüchen ermöglicht und andererseits ein breites mikroklimatisches Spektrum bedingt, welches lokale Anpassungen an veränderte Klimabedingungen ermöglicht. Die Untersuchungen konnten außerdem belegen, dass die Landnutzungsintensität die strukturelle Ausstattung von Habitaten und damit das Vorkommen von Arten über einen weiten hydrologischen Gradienten entscheidend beeinflusst. Sowohl ausbleibende als auch intensive Nutzung führen zu strukturell vereinheitlichten, artenarmen Habitaten. Eine kontinuierliche, extensive Nutzung hingegen fördert heterogene Habitatstrukturen mit vormals charakteristischen Landschaftselementen (z.B. kurzrasige und lückige Vegetationsstrukturen mit hohen Offenbodenanteilen) und die damit assoziierten, artenreichen und anspruchsvollen Artengemeinschaften. In gewachsenen Kulturlandschaften, wie sie den überwiegenden Teil Europas einnehmen, sollten Maßnahmen zum Erhalt von Biodiversität in Grasland- und Moorökosystemen folglich extensive Nutzungsformen fördern. Eine konsequente, großflächige Umsetzung dieser Strategie könnte den Rückgang von heterogenen Habitatstrukturen und der daran gebundenen Arten aufhalten und umkehren. Hierbei kommt großflächigen Standweiden mit selbstorganisierten Rinderherden, idealerweise unter Nutzung lokaltypischer, robuster Rinderrassen, eine besondere Bedeutung zu. Nachgeordnet ist auch eine ein- oder zweischürige Mahd in räumlich-zeitlichen Mosaikmustern und mit rotierenden Altgrasstreifen zu empfehlen. In Anpassung an den Klimawandel sollten sich Maßnahmen in montanen Regionen vermehrt auf mikroklimatisch kühlere Bereiche konzentrieren.