Responses of migratory birds to seasonal climate and long-term environmental changes have been a central theme of avian migration ecology. Atmospheric conditions (e.g., winds and thermals), climate, and land cover and land use (LCLU) are major factors influencing the flights of soaring birds. Soaring American White Pelicans (Pelecanus erythrorhynchos) (hereafter, AWPEs) migrate between the subtropical Gulf of Mexico (GOM) and the temperate Northern Great Plains. American White Pelicans are also economically important piscivorous birds, causing enormous damages to the commercial Channel Catfish (Ictalurus punctatus) aquaculture in the Southeastern US. My studies aimed to evaluate the effects of climate, wind, and LCLU on the geographic range distributions, seasonal movements, and annual survival of AWPEs. I used Bayesian integrated species distribution models to estimate the occupancy probability and space-use intensity of AWPEs at the breeding and non-breeding grounds in 2005, 2010, and 2015, respectively, with data from eBird, Breeding Bird Survey, and Christmas Bird Count. Decreases in wind speeds and surface net thermal radiation and increases in waterbodies, wetlands, and non-woody covers enhanced AWPE occupancy at both the breeding and non-breeding grounds. I used 72 GPS-tracked AWPE data to study circannual hourly movement speeds and seasonal home ranges of AWPEs from 2002 to 2012. American White Pelicans had shorter hourly movement distances and smaller seasonal home ranges in the Southern than Northern GOM during winters; however, the difference did not carry over to the shared breeding grounds during summers. Last, I built Bayesian integrated population models to estimate annual survival and population dynamics of AWPEs with mark-resight-recovery data and annual nest counts at Chase Lake, North Dakota, the US from 1960 to 2014. Increases in upward wind velocity during autumn migration enhanced hatch-year AWPE survival. Increased winter precipitation on the non-breeding grounds improved annual survival of yearling and adults. On the other hand, increased precipitation at the breeding grounds reduced annual survival of hatch-year AWPEs. My findings can help develop management plans for mitigating the economic damages of AWPEs by predicting what areas AWPEs may occupy with high abundances in the future changes in climate and LCLU.

No / Characterising the future risk to biodiversity across multiple environmental drivers is fraught with uncertainty and is a major conservation challenge. Scenario planning - to identify robust decisions across a range of plausible futures - can aid biodiversity conservation when tactical decisions need to be made in the present-day, yet consequences are realised over many decades. Management responses to the impact of tree disease are an excellent candidate for scenario planning, because actions to reduce an imminent biodiversity threat need to be effective in the long-term by accounting for concomitant factors such as a changing climate. Lichen epiphytes were used to exemplify a guild sensitive to woodland change, such as a tree disease impact. Bioclimatic models for 382 British epiphytes were combined with species-specific tree association values, to explore scenarios of tree disease (ash dieback), climate change, and range-filling under a lower SO2 pollution regime, for northern Britain focussed on Scotland. Results indicated: 1. Exposure of lichen diversity to projected climate change is spatially structured and expected to be greater in continental northeast Scotland, compared to oceanic western Scotland. 2. Impact of tree disease showed analogous geographic trends, evidencing a critical interaction between the climatic and local ecological setting. On average, the loss of ash could have an effect on epiphyte assemblages comparable in magnitude to that of climate change under a 2080s high emissions scenario. 3. In general, tree disease impacts can be mitigated by increasing the diversity of substitute tree species within a stand, to generate complementarity among epiphyte communities. However, the effectiveness of alternate management scenarios varied locally between sites and temporally with the progression of climate change. Given this variability, scenario analysis is recommended to effectively manage for resilience, by scoping how local factors (e.g. managed woodland composition) can reduce epiphyte assemblage turnover beyond that uniquely associated with larger-scale environmental impacts. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Detaillierte Informationen über die Verbreitungsareale von Arten sind essentiell für die Beantwortung zentraler Fragen der Ökologie, Evolutionsbiologie und Biogeographie. Solche Informationen sind auch notwendig, um Naturschutzressourcen kostenwirksam zwischen verschiedenen Regionen und Maßnahmen zu verteilen. Unser Wissen über Artverbreitungen beruht vor allem auf Punktdaten, die das Vorkommen einer bestimmten Art an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt belegen (nachstehend „Records“). Riesige Mengen solcher Records wurden über internationale Data-Sharing-Netzwerke mobilisiert, allen voran durch die Global Biodiversity Information Facility (GBIF). Auch wenn diese Netzwerke die Zugänglichkeit zu solchen Informationen enorm verbessert haben, ist unser Wissen über globale Artverbreitungen immer noch äußerst lückenhaft und von grober räumlicher Auflösung – der sogenannte Wallace’sche Wissensrückstand. Vorhandene Informationen enthalten zudem zahlreiche Unsicherheiten, Fehler und Daten-‘Biases’. Diese könnten durch Ort-spezifische Faktoren wie Zugänglichkeit oder durch artspezifische Faktoren, wie Entdeckungswahrscheinlichkeit, verursacht werden. Zukünftiges Sammeln und Mobilisieren von Informationen sollte so gestaltet werden, dass der erreichte Nutzen der Records für Forschung und Naturschutz maximiert wird. Hierfür ist ein tiefgehendes Verständnis der Lücken, Unsicherheiten und Biases in den Informationen sowie der sie verursachenden Faktoren notwendig. Bisher wurden diese Mängel in globalen Artverbreitungsinformationen niemals quantitativ untersucht. Mit meiner Dissertation liefere ich die ersten globalen Analysen zu Mängeln von digital verfügbaren Verbreitungsinformationen für terrestrische Wirbeltiere und Landpflanzen. Ich habe >300 Millionen Records für Landpflanzen und drei Gruppen terrestrischer Wirbeltiere (Amphibien, Säugetiere, Vögel) über GBIF abgerufen. Diese Informationen habe ich mit taxonomischen Datenbanken sowie unabhängigen Verbreitungskarten und Checklisten verbunden. Auf Grundlage der erstellten Datensätze habe ich unterschiedliche Formen von Informations-Mängeln für verschiedene taxonomische Gruppen und auf mehreren räumlichen Maßstäben untersucht. In Kapitel I habe Daten-Abdeckung sowie Daten-Unsicherheiten in Informationen zu Pflanzenvorkommen jeweils in Bezug auf Taxonomie, Raum und Zeit quantifiziert. Für diese insgesamt 6 Maße habe in anschließend Variation in den drei Dimensionen (Taxonomie, Raum, Zeit) gemessen. Zudem habe ich mithilfe von paarweisen Spearman-Rang-Korrelationen und Hauptkomponentenanalysen die Zusammenhänge zwischen diesen verschiedenen Formen von Informationsmängeln analysiert. In Kapitel II habe ich anhand von terrestrischen Wirbeltieren zwei spezielle Aspekte von Datenabdeckung zwischen geographischen Regionen verglichen: i) die Datendichte und ii) die Vollständigkeit der abgedeckten Arten. Durch Multi-Modell-Analysen habe ich die Effekte von zwölf potentiellen sozioökonomischen Einflussfaktoren auf Informationsmängel verglichen, und zwar einzeln für jede der drei Wirbeltiergruppen auf jeder von vier verschiedenen räumlichen Auflösungen. In Kapitel III habe ich anhand von Säugetieren drei Aspekte von Datenabdeckung zwischen einzelnen Arten verglichen: i) die Anzahl von Records pro Art, ii) die räumliche Abdeckung der Verbreitungsareale durch Records, und iii) den räumlichen Bias in der Abdeckung verschiedener Teile der Verbreitungsareale. Durch Multi-Modell-Analysen und Variations-Partitionierung habe ich die Effekte von verschiedenen Artmerkmalen, Größe und Form der Verbreitungsareale sowie von sozioökonomischen Faktoren untersucht. Diese Analysen habe ich auf globalem Maßstab sowie einzeln für sechs zoogeographische Gebiete durchgeführt. In meiner Dissertation habe ich in allen untersuchten Aspekten von Artverbreitungsinformationen starke Biases gefunden. Die Anzahl von Records variierte um mehrere Größenordnungen zwischen Arten und zwischen geographischen Gebieten. Verschiedene Maße von Datenabdeckung und Datenunsicherheiten zeigten klare taxonomische, geographische und zeitliche Muster. Ich fand beispielsweise Höchstwerte von taxonomischer Abdeckung in industrialisierten westlichen Ländern, aber auch in einigen tropischen Gebieten wie Mexiko. Im Gegensatz dazu gab es in weiten Teilen Afrikas und Asiens entweder gar keine oder nur sehr veraltete Informationen. Da taxonomische, räumliche und zeitliche Abdeckung jeweils durch die Anzahl der Records numerisch eingeschränkt sind, fand ich zwischen diesen Maßen gemäßigte bis starke positive Korrelationen. Maße von Datenunsicherheiten hingegen korrelierten kaum untereinander oder mit Datenabdeckungsmaßen. In Kapitel II habe ich den Einfluss von zwölf potentiellen sozioökonomischen Einflussfaktoren auf Datendichte und Datenvollständigkeit von geographischen Artgemeinschaften untersucht. Nur vier hatten einen durchweg für alle untersuchten Wirbeltiergruppen und räumlichen Auflösungen starken Einfluss. Dies waren der Endemitenreichtum, die räumliche Nähe zu Daten-beisteuernden Institutionen, politische Mitgliedschaft im GBIF-Netzwerk, sowie lokal verfügbare Forschungsgelder. Andere Faktoren, von denen man oft annimmt, dass sie eine große Rolle spielen würden, hatten einen erstaunlich geringen Einfluss, wie z.B. Verkehrsinfrastruktur oder Größe und Finanzausstattungen westlicher Daten-beisteuernder Institutionen. Meine Analysen in Kapitel III ergaben, dass die vier in Kapitel II identifizierten sozioökonomischen Schlüsselfaktoren ebenfalls einen starken Einfluss auf Artverbreitungsinformationen auf der Ebene von einzelnen Arten hatten. Jedoch unterschied sich ihre relative Wichtigkeit deutlich zwischen geographischen Gebieten. Zwischenartliche Unterschiede in Verbreitungsinformationen waren zudem sehr stark durch Größe und Form der Verbreitungsareale beeinflusst. Dies unterstützt meine Hypothese, dass diese geometrischen Faktoren die Wahrscheinlichkeit beeinflussen, dass sich Verbreitungsgebiete bestimmter Arten mit Untersuchungsgebieten von Feldforschern überschneiden, was wiederum Aufswirkungen auf die Wahrscheinlichkeiten hat, mit denen diese Arten besammelt werden. Entgegen unserer Annahmen hatten Artmerkmale wie etwa Nachtaktivität, die das Entdecken oder Sammeln bestimmter Arten wahrscheinlich machen sollten, kaum einen Einfluss auf zwischenartliche Unterschiede in Verbreitungsinformationen. Die Ergebnisse meiner Dissertation lassen wichtige Schlussfolgerungen darüber zu, wie mobilisierte Artverbreitungsinformationen effizient genutzt und verbessert werden können. Erstens belegen meine Ergebnisse schwerwiegende Mängel in digital verfügbaren Artverbreitungsinformationen, insbesondere für Gebiete und Arten von besonderer Wichtigkeit für den Naturschutz. Zweitens zeigen sie, dass für die allermeisten Arten feiner aufgelöste Informationen nur durch Artverbreitungsmodelle erreicht werden können, die mit geringen Datenmengen auskommen, die starke Datenunsicherheiten und Biases innehaben. Eine vielversprechende Methode, um in solchen Modellen mit Biases umzugeben, ist das explizite Einbeziehen der Bias-verursachenden Faktoren in die Modelle, und meine Ergebnisse bieten hilfreiche Anhaltspunkte für die Auswahl relevanter Faktoren. Drittens schaffen meine Ergebnisse eine empirische Grundlage zur Überwachung von Fortschritten in der Verbesserung weltweiter Artverbreitungsinformationen. Schließlich schafft mein Identifizieren der global wichtigsten Informations-limitierenden Faktoren sowie das Unterscheiden verschiedener Informationsaspekte eine Grundlage dafür, um Aktivitäten zu identifizieren, die Datenmängel effektiv beheben können. Als wichtigste Aktivitäten empfehle ich unter anderem i) das Unterstützen von Bemühungen zur Datenmobilisierung in Institutionen, die in geographischer Nähe zu datenarmen Gebieten liegen, ii) das Fördern von Kooperation zwischen großen Schwellenländern und Data-Sharing-Netzwerken, iii) die Durchführung von neuen Biodiversitäts-Surveys im zentralen Afrika und südlichen Asien, um weitgehend veraltete Informationen zu aktualisieren, und iv) das Verschieben des Fokus von Datensammel- und Datenmobilisierungsbemühungen auf Asien sowie Arten mit begrenzten Verbreitungsarealen.

Biological invasions provide a unique opportunity to study the mechanisms that regulate community composition and ecosystem function. Invasive species that are also ecosystem engineers can substantially alter physical features in an environment, and this can lead to cascading effects on the biological community. Aquatic-terrestrial interface ecosystems are excellent systems to study the interactions among invasive ecosystem engineers, physical features, and biological communities, because interactions among vegetation, sediment, and fluids within biophysical feedbacks create and modify distinct physical features. Further, these systems provide important ecosystem services including coastal protection afforded by their natural features. In this dissertation, I investigate the interactions and feedbacks among sand-binding beach grass species (a native, Elymus mollis (Trin.), and two non-natives, Ammophila arenaria (L.) Link and A. breviligulata Fernald), sediment supply, and dune shape along the U.S. Pacific Northwest coast. Dunes dominated by A. arenaria tend to be taller and narrower compared to the shorter, wider dunes dominated by A. breviligulata. These patterns suggest an ecological control on dune shape, and thus, coastal vulnerability to overtopping waves. I investigate the causes and consequences of these patterns with experiments, field observations, and modeling. Specifically, I investigate the relative roles of vegetation and sediment supply in shaping coastal dunes over inter-annual and multi-decadal time scales (Chapter 2), characterize a biophysical feedback between beach grass species growth habit and sediment supply (Chapter 3), uncover the mechanisms leading to beach grass coexistence and whether A. breviligulata can invade and dominate new sections of coastline (Chapter 4), and examine the non-target effects resulting from management actions that remove Ammophila for the recovery of the threatened Western Snowy plover (Charadrius alexandrinus nivosus) (Chapter 5). I found that vegetation and sediment supply play important roles in dune shape changes across inter-annual and multi-decadal time scales (Chapter 2). I determined that a biophysical feedback between the beach grass growth habits and sediment supply results in species-specific differences in sand capture ability, and thus, is a likely explanation for differences in dune shape (Chapter 3). I found that all three beach grass species can coexist across different sediment deposition rates, and that this coexistence is largely mediated by positive direct and indirect species interactions. I further determined that A. breviligulata is capable of invading and dominating the beach grass community in regions where it is currently absent (Chapter 4). Combined, these findings indicate that A. breviligulata is an inferior dune building species as compared to A. arenaria, and suggest that in combination with sediment supply gradients, these species differences ultimately lead to differences in dune shape. Potential further invasions of A. breviligulata into southern regions of the Pacific Northwest may diminish the coastal protection ability of dunes currently dominated by A. arenaria, but this effect could be moderated by the predicted near co-dominance of A. arenaria in these lower sediment supply conditions. Finally, I found that the techniques used to remove Ammophila for plover recovery have unintended consequences for the native and endemic dune plant communities, and disrupt the natural disturbance regime of shifting sand. A whole-ecosystem restoration focus would be an improvement over the target-species approach, as it would promote the return of the natural disturbance regime, which in turn, would help recover the native biological community. The findings from this dissertation research provide a robust knowledge base that can guide further investigations of biological and physical changes to the coastal dunes, can help improve the management of dune ecosystem services and the restoration of native communities, and can help anticipate the impacts of future beach grass invasions and climate change induced changes to the coast. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 22, 2011 - March 22, 2012