A produktivitás-fajgazdagság összefüggés megváltozása bolygatások hatására
Title in English
Effects of disturbances on the productivity-species richness relationship
Keywords in Hungarian
aszály, erdőtüzek, félszáraz gyepek, föld feletti biomassza, klímaváltozás, növényi fajszám, primer produkció, tájhasználat
Keywords in English
aboveground biomass, climate change, drought, land-use, number of plant species, primary production, semiarid grasslands, wildfires
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Ortelius classification: Plant ecology
Panel
Ecology and evolution 1
Department or equivalent
Institute of Ecology and Botany, Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (Centre for Ecological Research)
Participants
Kröel-Dulay, György
Starting date
2018-09-01
Closing date
2021-08-31
Funding (in million HUF)
15.807
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A tervezett kutatásban a globális változásokkal összefüggő bolygatások hatásait kívánjuk vizsgálni a növényi produktivitás-fajgazdagság összefüggésre produktivitási és szukcessziós gradiensek mentén, félszáraz gyep-cserjés élőhelyen. A produktivitás-fajgazdagság összefüggés a közösségi ökológia egy kiemelt kutatási területe, ami hosszú múltja ellenére bővelkedik feloldatlan és ellentmondó elméletekben és jóslatokban. Ugyanakkor az életközösségekben a klímaváltozás hatására megváltozó növényi szervesanyag-produkció és a világszerte csökkenő fajgazdagság különösen fontossá teszik, hogy megismerjük a produktivitás-fajgazdagság összefüggést vezérlő mechanizmusokat. A félszáraz és a száraz ökoszisztémák különösen érzékenyek a csapadék mennyiségének és eloszlásának megváltozására, hiszen esetükben a csapadék a legfontosabb produkciót korlátozó tényező. Ilyen közösségekben a csapadékmanipulációs kísérletek szabályozott produktivitási gradienst hoznak létre, így megfelelő eszközrendszert teremtenek a produktivitás-fajgazdagság összefüggés változásainak vizsgálatához, habár eddig kevés kutatás használta ki ezt a lehetőséget. A bolygatások komplex módon befolyásolják a produktivitást és a fajgazdagságot, így ezek megváltozása a növényzet bolygatási történetének függvénye. A lehetséges interakciókat a bolygatás és a csapadékmennyiség manipulációjának együttes alkalmazásával tervezzük vizsgálni. Tervezett kutatásunk további célja a produktivitás-fajgazdagság összefüggés időbeli megváltozásának hosszú távú vizsgálata tűz utáni szukcesszió során. Eredményeink várhatóan hozzájárulnak a környezeti tényezők, a produktivitás és a fajgazdagság komplex összefüggéseinek megértéséhez.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Átfogó kérdés Hogyan hatnak a globális változásokkal összefüggő bolygatások és a csapadék mennyiségének tartós megváltozása a növényi produktivitás-fajgazdagság összefüggésre félszáraz életközösségben?
Konkrét kérdések 1. Milyen összefüggés van a produktivitás és a fajgazdagság között félszáraz gyepekben, figyelembe véve a produktivitási gradiens hosszát, a különböző mintavételi éveket és területeket? 2. Hogyan hat a bolygatás a produktivitás-fajgazdagság összefüggésre szabályozott csapadék gradiens mentén? 3. Milyen változások történnek az összefüggésben a tűz utáni szukcesszió hosszú távú vizsgálata során?
Kiinduló hipotézisek (H1) A produktivitás-fajgazdagság összefüggés unimodális („púpos alakú”) a vizsgált félszáraz nyílt és zárt homoki gyepekben, miközben a produktivitási gradiens hossza, és a mintavételi év befolyásolják az összefüggést. (H2) Az extrém aszály és a csapadékmennyiség többszintű, tartós megváltoztatása együttesen befolyásolják a produktivitás-fajgazdagság összefüggést, az extrém aszály az összefüggést meredekebbé teszi a csapadék gradiens mentén. (H3) A produktivitás-fajgazdagság összefüggés a tűz óta eltelt idő függvényében változik a nyílt homoki gyepek szukcessziója során, miközben a nem égett (kontroll vagy tűz előtti) állományokban alig van változás.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Tervezett munkáink során a bolygatások hatását kívánjuk vizsgálni a produktivitás-fajgazdagság összefüggésre produktivitási és szukcessziós gradiensek mentén félszáraz életközösségben. A legújabb kutatások felhívják a figyelmet az összefüggést szabályozó mechanizmusok vizsgálatának fontosságára. Kutatásaink az elsők között tárhatják fel az összefüggést szabályozó bolygatások (extrém események) és környezeti tényezők (csapadék gradiens) együttes hatásait szárazföldi életközösségekben. Az összefüggés alapvető mintázatainak leírása mellett vizsgálati célunk annak megváltozását tanulmányozni két különböző bolygatási tényező (extrém aszály és tűz) hatására. Ezek a tényezők a globális változásokkal állnak szoros összefüggésben, és világszerte jelentősen hatnak a félszáraz ökoszisztémákra. Kutatásaink másrészt feltárhatnak olyan időbeli folyamatokat, mint az összefüggés hosszú távú megváltozása a szukcessziós folyamatok során. A kiskunsági erdőssztyepp növényzet alkalmas vizsgálati feltételeket biztosít a csapadékellátottság és az extrém események hatására megváltozó növényi produkció és fajgazdagság tanulmányozására. Pályázatunk egyik erőssége, hogy folyamatban lévő hosszú távú terepi monitorozó vizsgálatokra és kísérletekre alapoz, és ezen eltérő témájú kutatások adatbázisából produktivitás és fajgazdagság adatokat tervez számítani és elemezni. Új kérdéseket fogalmaz meg a produktivitás-fajgazdagság összefüggés megváltozásának megértése céljából a különböző környezeti tényezők hatásával kapcsolatban. Vizsgálatunk továbbá ritka kezelési kombinációk hatásait tanulmányozza. Egyrészt extrém aszály és szabályozott csapadék gradiens együttes hatásait tervezi vizsgálni természetes gyepközösségben. Másrészt lehetővé teszi a produktivitás-fajgazdagság összefüggés változásainak elemzését hosszú távú szukcessziós adatsoron, ami ugyanazon helyszín 15 tűz előtti és kilenc tűz utáni évét fogja tartalmazni. Kutatásaink eredményei segítenek megérteni a félszáraz ökoszisztémák fajgazdagságának várható változásait.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A pályázatban kitűzött kutatási célok (i) az alapvető mintázatok feltárása a növényi elsődleges produktivitás-fajgazdagság összefüggésben, (ii) a szélsőséges klimatikus események és a kísérletesen módosított csapadékmennyiség hatásainak vizsgálata az összefüggés megváltozására, valamint (iii) az összefüggés időbeli változásának vizsgálata tűzeset után, félszáraz gyep-cserjés életközösségben. Napjainkban a globális változások egyre gyakoribb és nagyobb mértékű bolygatásokat eredményeznek, melyek különösen erősen hatnak a félszáraz gyep-cserjés életközösségekben. Ilyen hatások a klímaváltozás és tájhasználat-változás során egyre gyakrabban fellépő aszályok és erdőtüzek. Ezek a hatások komplex összefüggésben állnak egymással valamint számos környezeti hajtóerővel, és gyorsuló ütemben változtatják meg a közösségek termőképességét és fajgazdagságát. A produktivitás-fajgazdagság összefüggés a közösségi ökológia egyik központi témája. Bár ez a két tényező az esetek nagy részében együtt nő vagy csökken a természetben, a közöttük lévő összefüggés általában nem lineáris és függ a környezeti tényezők hatásától. Vizsgálatunk segít megérteni a félszáraz élőhelyek fajgazdagságában várható változások mechanizmusát az átalakuló produktivitás-fajgazdagság összefüggések feltárása révén, figyelembe véve a bolygatások hatásait és a várható változásokat a csapadék mennyiségében.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. In the proposed research we will investigate the effects of global change induced disturbances on plant productivity-species richness (P-SR) relationships along productivity and successional gradients in a semiarid grassland-shrubland ecosystem. The relationship between productivity and species richness is a focal issue in community ecology, and despite its long history it remains controversial leading to competing theories and conflicting predictions. However, changing productivity in ecosystems due to climate change and decreasing species richness makes crucially important to determine the underlying causal mechanisms that drive P-SR relationships. Semiarid and arid ecosystems are especially sensitive to the amount and distribution of precipitation which is the most important limiting factor of their productivity. Precipitation manipulation experiments that create a controlled productivity gradient provide an appropriate toolkit to assess changes in P-SR relationship in natural plant communities, yet few studies to date used this setting. In addition, disturbances affect productivity and species richness in a complex way, and responses may depend on the disturbance history of the vegetation. To test potential interactions, we will study the effects of controlled changes in precipitation regime and disturbance in combination. Furthermore, our proposed research aims at investigating temporal changes of P-SR relationship in a long-term post-fire study. Results will contribute to the understanding of complex relationships among environmental factors, productivity, and species richness.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Overall question What are the effects of global change induced disturbances and chronic changes in the amount of precipitation on the plant productivity-species richness relationships in a semiarid ecosystem?
Specific questions: 1. What is the relationship between productivity and species richness in grasslands of a semi-arid ecosystem sampled along different productivity gradients, years or study sites? 2. How does disturbance affect the P-SR relationship along a controlled precipitation gradient? 3. Does the relationship alter in time along post-fire succession in a long-term study?
Specific hypotheses: (H1) P-SR relationship is hump-shaped in the studied semiarid ecosystem ranging from open to closed sand grasslands, while sampling year and productivity range affect the relationship. (H2) Extreme drought and chronic precipitation change treatments have interactive effects on P-SR relationship, with extreme drought making the relationship steeper along the precipitation gradient. (H3) The P-SR relationship changes as a function of time since fire along post-fire succession in open sand grasslands, while unburnt (control or pre-fire) stands change only slightly.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The proposed research focuses on how disturbances affect the P-SR relationship along productivity and successional gradients in a semiarid ecosystem. Recent papers highlight the importance of studies on the underlying mechanisms that drive P-SR relationships. This study may be one of the first investigations on changes of productivity-species richness relationship driven by interacting effects of an extreme climatic disturbance and controlled precipitation gradient in terrestrial ecosystems. Besides describing basic patterns, the proposed work aims at studying the effects of two different disturbance factors which may alter the relationship. These factors are extreme drought and wildfires. Both are connected to global change and significantly affect semiarid ecosystems worldwide. Another aspect of this work is that it may contribute to filling the knowledge gap of temporal aspect i.e. the long-term changes of the P-SR relationship along successional gradient. The forest-steppe vegetation of Kiskunság offers an appropriate setting to investigate the effects of changing precipitation regimes and extreme events on plant productivity and species richness. One of the strengths of this proposal is that it builds on ongoing long-term monitoring studies and field experiments, and analyses productivity and species richness data of these large datasets collected for other purposes. It frames new questions on changes of the P-SR relationship due to different environmental factors. Furthermore, this study will apply rare combination of experimental treatments. First of all it assesses the interactive effects of extreme drought and manipulated precipitation gradient in a natural grassland community. On the other hand, we have the opportunity for analysing changes of P-SR relationship in a long-term successional dataset including 15 years of pre-fire events and nine years of post-fire succession at the same location. As a result, this study may improve our understanding of species richness changes in semiarid ecosystems.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The proposed study aims at evaluating (i) basic patterns of the relationship between primary production and species richness, (ii) the changes of the relationship due to the interactive effects of an extreme climatic event, and experimentally controlled precipitation gradient, (iii) the temporal changes of the relationship after a large wildfire event in semiarid grassland-shrubland ecosystem. Global change results in disturbances at an increasing frequency and extent, with strong effects on ecosystems, especially in semiarid regions. Such disturbances related to changing climate and land-use are droughts, and wildfires. Disturbances and changes in environmental gradients are in complex interaction with each other and cause changes in ecosystem productivity and species richness. The productivity-species richness relationship is a focal issue in community ecology. While many times productivity and species richness change jointly in nature, the relationship between them is not linear and depends on different environmental factors. Our study may reveal changes in productivity-species richness relationship along the changing precipitation gradient and the post-fire succession process, thus it may improve our understanding of species richness changes in semiarid ecosystems.
Final report
Results in Hungarian
Homoki gyepekben púpos alakú produktivitás–fajgazdagság összefüggést találtunk a regionális térléptékű vizsgálatunkban. Ugyanakkor a vizsgálatunk térbeli kiterjesztése az egymással szomszédos homoki és réti élőhelyeken különböző és egymással átfedő púpos összefüggéseket mutatott ki. Ez megkérdőjelezi azt a közösségi ökológiában elterjedt megközelítést, hogy nagy léptékű vizsgálatokban különböző növényközösségeket közös összefüggéssel jellemeznek.
A bugaci kis léptékű vizsgálatunkban kimutattuk, hogy a tűz okozta zavarás előtt a produktivitás–fajgazdagság összefüggés pozitív lineáris és időben állandó volt, míg a tűz utáni években púpos alakúvá vált és évről évre fokozatosan változott.
A fülöpházi kis léptékű terepkísérletünkben kimutattuk, hogy a csapadékkezelések által megnövelt produktivitási tartomány és az azt megelőző zavarás együtt határozták meg a produktivitás–fajgazdagság összefüggés meredekségét: a fajgazdagság a csapadékkezeléseket megelőző zavarás esetén növekvő, míg zavarás hiányában csökkenő trendet mutatott a produktivitási tengely mentén. Egy kéleshalmi terepi vizsgálatban szintén negatív összefüggést találtunk, zavarás hiányában a növekvő cserjeborítás lecsökkentette a fajgazdagságot a cserjék szegélyében. Eredményeink alapján a homoki gyepek fajgazdagságának csökkenése várható mind szárazodás és fokozódó zavarások, mind pedig javuló vízellátottság mellett zavarások hiányában.
Results in English
In a regional-scale study, we found humped-back productivity–species richness (P-SR) relationship in sand grasslands. However, an extension of the study to wetlands shows multiple and overlapping humped-back relationships in adjacent sand and wetland habitats in Ásotthalom and Orgovány sites. These results question the widely used approach in community ecology applying a single P-SR relationship for different plant communities in large-scale studies.
In a local-scale monitoring study in Bugac, we found a stable positive linear P-SR relationship before the wildfire, while the relationship changed gradually from year to year after the fire leading to a hump-shaped relationship.
In a local-scale field experiment in Fülöpháza, extended productivity gradient due to controlled precipitation treatments and disturbance together initiated different trend-like changes in the slope of the P-SR relationship: it developed to increasing after disturbance and decreasing without disturbance along the productivity axis. Similarly, we found decreased species richness due to increasing juniper shrub cover in non-disturbed plots of a field experiment in Kéleshalom. Our results imply that both increased aridity combined with disturbances and increased humidity without frequent disturbances may decrease the diversity of the studied sand grasslands.
Valencia Enrique, de Bello Francesco, Galland Thomas, Adler Peter B., Lepš Jan, E-Vojtkó Anna, van Klink Roel, Carmona Carlos P., Danihelka Jiří, Dengler Jürgen, Eldridge David J., Estiarte Marc, García-González Ricardo, Garnier Eric, Gómez‐García Daniel, Harrison Susan P., Herben Tomáš, Ibáñez Ricardo, Jentsch Anke, Juergens Norbert, Kertész Miklós, Klumpp Katja, Louault Frédérique, Marrs Rob H., Ogaya Romà, Ónodi Gábor, Pakeman Robin J., Pardo Iker, Pärtel Meelis, Peco Begoña, Peñuelas Josep, Pywell Richard F., Rueda Marta, Schmidt Wolfgang, Schmiedel Ute, Schuetz Martin, Skálová Hana, Šmilauer Petr, Šmilauerová Marie, Smit Christian, Song MingHua, Stock Martin, Val James, Vandvik Vigdis, Ward David, Wesche Karsten, Wiser Susan K., Woodcock Ben A., Young Truman P., Yu Fei-Hai, Zobel Martin, Götzenberger Lars: Synchrony matters more than species richness in plant community stability at a global scale, PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 117: (39) pp. 24345-24351., 2020
