Ecosystem responses to droughts: experiments, observations, and synthesis  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
129068
Type K
Principal investigator Kröel-Dulay, György
Title in Hungarian Az aszályok ökológiai hatásai: kísérletek, megfigyelések és szintézis
Title in English Ecosystem responses to droughts: experiments, observations, and synthesis
Keywords in Hungarian klímaváltozás, extrém esemény, kísérlet, megfigyelés, gyep, aszály, produktivitás
Keywords in English climate change, extreme event, experiment, observation, grassland, drought, productivity
Discipline
Community ecology, systems ecology, ecosystem services (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Ortelius classification: Botany
Biodiversity, conservation biology and genetics, invasion biology (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Ortelius classification: Nature conservation
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 Bartha, Sándor
Cseresnyés, Imre
Imréné, Dr. Takács Tünde
Kovács M., Gábor
Lelleiné Kovács, Eszter
Mojzes, Andrea
Nagy, Péter István
Ónodi, Gábor
Rajkai, Kálmán
Seres, Anikó
Szitár, Katalin
Zimmermann, Zita
Starting date 2018-12-01
Closing date 2023-11-30
Funding (in million HUF) 46.984
FTE (full time equivalent) 10.70
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 klímaváltozás a szélsőséges időjárási események gyakoriságának és erősségének növekedésével jár együtt. Az aszályok az egyik leggyakoribb és legerősebb hatásokkal járó extrém időjárási esemény, amely gyakran drasztikus hatással van az ökológiai rendszerekre. Az aszályok vizsgálata gyakran vagy a természetben előforduló események vizsgálatát jelenti, vagy aszálykísérletekben folyik. A tervezett kutatás célja az aszályok ökológiai hatásainak vizsgálata, a természetes aszályok és az aszálykísérletek együttes vizsgálatával. Három, egymáshoz kapcsolódó kutatási témát tervezünk. Egyrészt az ökoszisztéma (produktivitás, lebomlás, biomassza-allokáció) és közösségi ökológiai (növények, fonálférgek, gombák) válaszok vizsgálatát tervezzük egy olyan kísérletben, ahol egy egyszeri extrém aszályt (2014-ben), valamint a visszatérő csapadékmanipulációt (aszály, illetve öntözés; 2015-től kezdve) teljes faktoriális elrendezésben kutatjuk. Ugyanebben az ökológiai rendszerben vizsgáljuk, hogy egy korábbi bolygatás hogyan befolyásolta a rendszer érzékenységét és rezilienciáját egy szélsőséges természetes aszályban (2003) és az azt követő időjárási fluktuációkhoz kapcsolódóan egy húszéves (1998-2007) adatsor alapján. Végül tervezünk egy meta-analízist, amelyben az ökoszisztémák természetes és kísérletes aszályokra hatására bekövetkező produkciócsökkenését hasonlítjuk össze. Úgy gondoljuk, hogy az aszályok más tényezőkkel (klímaváltozás, más bolygatások) való kölcsönhatásának vizsgálatával, valamint a természetes és kísérletes aszályok összehasonlításával tervezett munkánk hozzájárulhat ahhoz, hogy jobban megértsük az aszályok és a klímaváltozás jelenlegi és jövőbeli hatásait.

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.
A tervezett kutatás célja az aszályok ökológiai hatásainak vizsgálata, a természetes aszályok és az aszálykísérletek együttes vizsgálatával.
Konkrét kutatási kérdések és kapcsolódó hipotézisek:
1. Mi az egyszeri extrém aszály és a visszatérő csapadékmanipuláció együttes hatása az ökológiai rendszerek összetételére (növények, fonálférgek, gombák) és működésére (primer produkció, avarlebomlás, biomassza-allokáció) egy félszáraz gyepben?
H.1.1. Az aszály utáni regeneráció függ a csapadék mennyiségétől: az öntözött parcellák gyorsabban regenerálódnak, mint a kontroll vagy szárazságkezelt parcellák.
H.1.2. Az erős szárazságkezelésnek kitett parcellákban nem tud helyreállni az évelő gyep.
H.1.3. Az ökoszisztéma funkciói hamarabb helyreállnak, mint a közösség összetétele.

2. Befolyásolják a finomléptékű bolygatások egy félszáraz gyep érzékenységét és rezilienciáját egy extrém aszály (2003) során, valamint az azt követő időjárási fluktuációkban?
H.2.1. A korábban bolygatásnak kitett és abból regenerálódó parcellák érzékenyebbek az extrém aszályra, mint a kontrollparcellák.
H.2.2. Az extrém aszályra való érzékenység függ a bolygatás típusától és a domináns faj identitásától is.

3. Eltérő válaszokat adnak az ökológiai rendszerek a természetben előforduló és kísérletes aszályokra?
H. 3.1. Az aszálykísérletekben megfigyelt válaszok gyengébbek, mint a hasonló erősségű természetes aszályokra adott válaszok
H. 3.2. A különbség csökken, de akkor is megmarad, ha korrigálunk a negatív eredmények esetlegesen ritkább publikálásának („publication bias”) hatásával.

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!
A tervezett kutatás jelentősége és újszerűsége

1. Tudomásunk szerint, az ExdRain projekt az első olyan kísérlet, ahol egy közös kísérletben kombinálják az egyszeri szélsőséges időjárási eseményt és a mérsékelt, de tartós csapadékváltozást.
2. Kevés olyan klímaváltozás-kísérlet van, ahol a kezelések a domináns fajok tömeges pusztulásához vezettek. Ugyanakkor ez nagyon aktuális a klímaváltozás fényében, és az ilyen esetekben megfigyelt válaszok jelentősen eltérhetnek attól, mint ami a pusztulással nem járó esetekben történik.
3. Párhuzamosan vizsgálunk több ökoszisztéma-folyamatot (produkció, biomassza-allokáció, avarlebomlás) és több taxonómiai csoportot (növények, fonalférgek, gombák).
4. Vizsgáljuk a finomléptékű bolygatások hatását az extrém aszályra való érzékenységre, és az azt követő rezilienciára.
5. Nem végeztek még szisztematikus áttekintést vagy meta-analízist arról, hogy az ökológiai rendszerek hogyan reagálnak a természetes aszályokra.
6. A természetes és a kísérletes aszályokra adott válaszok összehasonlítása megmutathatja a különböző kutatási megközelítési módok előnyeit és hátrányait, és feltárhatja, hogy a kísérletes aszályok alulbecslik-e az ökológiai rendszerek aszályra való érzékenységét.
7. A tervezett vizsgálatok nagy része egy olyan régióban zajlik, amelyik érzékeny a vízhiányra és az elsivatagosodás fenyegeti. Ezért különösen fontos, hogy a tervezett vizsgálatok feltárhatják a gyakoribb és erősebb aszályokkal kapcsolatos veszélyeket, és így segíthetik az ezekre történő felkészülést.

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 klímaváltozás részeként egyre több és egyre erősebb aszályra számíthatunk. A tervezett kutatásban különböző megközelítési módokat tervezünk párhuzamosan alkalmazni annak érdekében, hogy jobban megérthessük asz aszályok jövőben várható hatásait. Összegyűjtjük azokat a megfigyeléseket, amelyek korábbi aszályokról szólnak, valamint aszálykísérleteket végzünk, amelyekben a természetben előforduló aszályokat utánozzuk. Nagyon fontos, hogy az aszályok nem önmagukban hatnak, hanem más, párhuzamosan zajló változásokkal, mint például különbözőbolygatásokkal, vagy a klímaváltozással együtt. Ezekre az esetleges kölcsönhatásokra különösen nagy hangsúlyt fektetünk a kutatásinkban. Úgy gondoljuk, hogy a kutatásokból várható eredmények hozzájárulnak, hogy jobban megértsük az aszályok hatásait, és segíthetik a társadalmat a jövőben várható aszályokra történő felkészülésben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The increasing frequency and severity of extreme events is an inherent part of changing climate. Among extreme events, droughts are probably the most widespread and most drastic events, which can disrupt ecosystem functioning. Droughts are typically studied either by assessing the impacts of naturally occurring drought events or by excluding precipitation in drought experiments. The overall objective of the proposed research is to study ecosystem responses to drought by integrating experimental and observational studies. We plan to combine three interrelated research topics into a coherent framework. First, we will investigate the medium- and long-term ecosystem (productivity, decomposition, biomass allocation, soil moisture) and community (plant, nematode, root-colonising fungi) responses in a field experiment that combine a single extreme drought (in 2014) with recurring moderate manipulation of precipitation (drought and excess water; from 2015 onward) in a full factorial design. Second, we will asses, in the same ecosystem, how small-scale experimental disturbances affected the sensitivity to and recovery after an extreme natural drought (2003) and subsequent weather fluctuations in based on a 20-year dataset (1998-2017). Finally, we propose to conduct a meta-analysis and compare drought experiments with observational studies on natural droughts in terms of productivity responses. We believe that studying droughts in combination with other factors, such as chronic precipitation change and disturbances, as well as comparing experimental and natural drought, will provide new insight into current and potential future effects of droughts and climate change.

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.
The overall objective of the proposed research is to study ecosystem responses to drought by integrating experimental and observational studies.

Specific research questions and related hypotheses:

1. What are the medium and long-term effects of a single experimental extreme drought and chronic precipitation manipulations in combination on ecosystem composition (plant, nematode, fungi) and functioning (productivity, decomposition, biomass allocation) in a semiarid grassland?

H.1.1. Recovery from extreme drought is dependent on water availability, with irrigated plots recovering faster than control and moderate drought plots;
H.1.2. Severe drought plots will not recover to perennial grasslands;
H.1.3. Ecosystem function recovers faster then composition.

2. Do small scale disturbances affect the sensitivity to and recovery after an extreme natural drought (2003) and subsequent weather fluctuations in a semiarid grassland?

H.2.1. Plots recovering from previous disturbance are more sensitive to extreme events than control plots;
H.2.2. Sensitivity to extreme drought varies according to disturbance type and dominant species.

3. Do productivity responses to drought differ between drought experiments and natural droughts?
H. 3.1. Ecosystem responses detected in drought experiments are smaller than those observed in response to natural drought events of the same severity;
H. 3.2. This difference will be smaller, but remains if we correct for publication bias.

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.
Significance and novelty of the proposed research

1. To our knowledge, the ExDRain project is the first experiment that combines experimentally an extreme climatic event and chronic (recurring) precipitation change.

2. Only few climate change experiment could induce a mass mortality of the dominant species; yet this is very relevant in climate change context, and responses can be very different from situations when mortality does not happen.

3. We study responses of multiple ecosystem processes (productivity, biomass allocation, decomposition) and in multiple taxonomic groups (plants, nematodes, fungi) in parallel.

4. We will study the effects of small scale disturbances on sensitivity and recovery from extreme weather events.

5. No systematic review or meta-analysis has been conducted on productivity responses to naturally occurring drought events.

6. Comparison of productivity responses in natural and experimental droughts may highlight the pros and cons of the different research approaches, and will test if experiments underestimate ecosystem responses to droughts.

7. As the study region is prone to water shortage and desertification, results from the proposed research may highlight potential future risks associated with more frequent and severe droughts, and may thus contribute to adaptation.

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.
As part of changing climate, we can expect more frequent and more severe droughts. In the proposed research, we plan to combine and compare different research methods to get a better understanding on the future effects of drought. We will collect available observations on previous droughts, and we will mimic different drought events in field experiments. It is very important that droughts are not happening on their own, but in combination with other kinds of changes, such as different disturbances, and changes in the climatic means. We will pay special attention to these potential interactions. We believe that our results will help to understand current drought effects, and also can help the society for better adapting to future droughts.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásunk fő célkitűzése az volt, hogy kísérletes és megfigyeléses megközelítés együttes alkalmazásával vizsgáljuk az ökoszisztémák aszályra való érzékenységét. Egy összetett terepkísérletben kimutattuk, hogy a csapadék tartós megváltozása gyakran sokkal nagyobb hatással van az ökológiai rendszerekre, mint a szélsőséges időjárási események. Egy kezdeti bolygatást és szélsőséges száraz éveket is tartalmazó hosszú távú adatsor elemzésével megállapítottuk, hogy a bolygatások jelentősen befolyásolhatják a gyepek szélsőséges időjárási eseményekre való érzékenységét és válaszreakcióit. Egy meta-analízis keretében kimutattuk, hogy az aszálykísérletekben megfigyelt növényzeti produkciós válaszok csak körülbelül fele olyan erősek, mint amekkorát a természetes aszályok során látunk. Kutatásaink arra hívják fel a figyelmet, hogy az aszályok, amelyek gyakorisága és erőssége várhatóan növekedni fog, nagyon jelentős hatással lehetnek a természetes gyepekre, és kiemelten fontos a megfigyeléses és kísérletes vizsgálatok együttes alkalmazása.
Results in English
The overall objective of this research project was to study ecosystem responses to drought by integrating experimental and observational studies. In a complex field experiment we showed that chronic change in precipitation is often more important than extreme events in shaping ecosystem response to climate change. Through analysing a long-term dataset that included an initial disturbance and several naturally dry years we showed that disturbances can substantially modify grassland response to extreme events. Using a meta-analysis and accounting for potential confounding factors, we demonstrated that aboveground biomass responded only about half as much to experimentally imposed drought events as to natural droughts. Overall, our research highlighted that droughts, which are predicted to become more frequent and more severe in the future, may have dramatic effects on natural grasslands, and that experimental and observational studies should be used in combination to get a better understanding of present and future changes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=129068
Decision
Yes





 

List of publications

  
Díaz-Delgado, Ricardo ; Ónodi, Gábor ; Kröel-Dulay, György ; Kertész, Miklós: Enhancement of Ecological Field Experimental Research by Means of UAV Multispectral Sensing, DRONES 3 : 1 Paper: 7 , 15 p. (2019), 2019
Flórián, Norbert ; Ladányi, Márta ; Ittzés, András ; Kröel-Dulay, György ; Ónodi, Gábor ; Mucsi, Márton ; Szili-Kovács, Tibor ; Gergócs, Veronika ; Dányi, László ; Dombos, Miklós: Effects of single and repeated drought on soil microarthropods in a semi-arid ecosystem depend more on timing and duration than drought severity, PLOS ONE 14 : 7 Paper: e0219975 , 16 p. (2019), 2019
Guille Peguero, Daniel Sol, Miquel Arnedo, Henning Petersen, Sandrine Salmon, Jean‐François Ponge, Joan Maspons, Bridget Emmett, Claus Beier, Inger K. Schmidt, Albert Tietema, Paolo De Angelis, Edit Kovács‐Láng, György Kröel‐Dulay, Marc Estiarte, Mireia Bartrons, Martin Holmstrup, Ivan A. Janssens, Josep Peñuelas: Fast attrition of springtail communities by experimental drought and richness–decomposition relationships across Europe, GLOBAL CHANGE BIOLOGY 25 : 8 pp. 2727-2738. , 12 p. (2019), 2019
Cseresnyés, Imre ✉ ; Rajkai, Kálmán ; Szitár, Katalin ; Radimszky, László ; Ónodi, Gábor ; Kröel-Dulay, György: Root capacitance measurements allow non-intrusive in-situ monitoring of the seasonal dynamics and drought response of root activity in two grassland species, Plant and Soil 449 pp. 423-437, 2020
Mojzes, Andrea ; Ónodi, Gábor ; Lhotsky, Barbara ; Kalapos, Tibor ; Kröel-Dulay, György: Experimental drought indirectly enhances the individual performance and the abundance of an invasive annual weed, Oecologia 193 : 3 pp. 571-581, 2020
Ónodi, Gábor ; Kertész, Miklós ; Lengyel, Attila ; Pándi, Ildikó ; Somay, László ; Szitár, Katalin ; Kröel‐Dulay, György: The effects of woody plant encroachment and wildfire on plant species richness and composition: Temporal changes in a forest–steppe mosaic, Applied Vegetation Science early online, 2020
De Boeck, Hans J ; Bloor, Juliette MG ; Aerts, Rien ; Bahn, Michael ; Beier, Claus ; Emmett, Bridget A ; Estiarte, Marc ; Grünzweig, José M ; Halbritter, Aud H ; Holub, Petr; ...; Kröel-Dulay, György; ...; Knapp, Alan: Understanding ecosystems of the future will require more than realistic climate change experiments – A response to Korell et al, Global Change Biology 26 : 2 pp. e6-e7, 2020
Peter A. Wilfahrt, Andreas H. Schweiger, Nelson Abrantes, Mohammed A. S. Arfin-Khan, Michael Bahn, Bernd J. Berauer, Michael Bierbaumer, Ika Djukic, Marleen van Dusseldorp, Pia Eibes, Marc Estiarte, Andreas von Hessberg, Petr Holub, Johannes Ingrisch, Inger Kappel Schmidt, Lazar Kesic, Karel Klem, György Kröel-Dulay, Klaus S. Larsen, Krista Lõhmus, Pille Mänd, Ildikó Orbán, Sasa Orlovic, Josep Peñuelas, David Reinthaler, Dajana Radujković, Max Schuchardt, Julienne M.-I. Schweiger, Srdjan Stojnic, Albert Tietema, Otmar Urban, Sara Vicca, Anke Jentsch: Disentangling climate from soil nutrient effects on plant biomass production using a multispecies phytometer, Ecosphere, 12: e03719, 2021
Orbán, Ildikó ; Szitár, Katalin ; Kalapos, Tibor ; Körel-Dulay, György: The role of disturbance in invasive plant establishment in a changing climate: insights from a drought experiment, BIOLOGICAL INVASIONS 23 : 1877-1890, 2021
Mojzes, Andrea ; Kalapos, Tibor ; Kröel-Dulay, György: Drought in maternal environment boosts offspring performance in a subordinate annual grass, ENVIRONMENTAL AND EXPERIMENTAL BOTANY 187: 104472, 2021
Erdős, László, Katalin Szitár, Kinga Öllerer, Gábor Ónodi, Miklós Kertész, Péter Török, Kornél Baráth, Csaba Tölgyesi, Zoltán Bátori, László Somay, Ildikó Orbán & György Kröel-Dulay: Oak regeneration at the arid boundary of the temperate deciduous forest biome: insights from a seeding and watering experiment, EUROPEAN JOURNAL OF FOREST RESEARCH 140: 589-601, 2021
Ónodi, Gábor; Kröel-Dulay, György, Kertész, Miklós; Botta-Dukát, Zoltán: Robust methods are needed to resolve contradictions in species richness curves along ecological gradients, Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 57: 125703, 2022
Seres, Anikó, György Kröel-Dulay, Judit Szakálas, Péter István Nagy, Gergely Boros, Gábor Ónodi, Miklós Kertész, Katalin Szitár, Andrea Mojzes: The response of litter decomposition to extreme drought modified by plant species, plant part, and soil depth in a temperate grassland, Ecology and Evolution 12: e9652, 2022
Kröel-Dulay, György, Andrea Mojzes, Katalin Szitár, Michael Bahn, Péter Batáry, Claus Beier, Mark Bilton, Hans J. De Boeck, Jeffrey S. Dukes, Marc Estiarte, Petr Holub, Anke Jentsch, Inger Kappel Schmidt, Juergen Kreyling, Sabine Reinsch, Klaus Steenberg Larsen, Marcelo Sternberg, Katja Tielbörger, Albert Tietema, Sara Vicca & Josep Peñuelas : Field experiments underestimate aboveground biomass response to drought, Nature Ecology and Evolution 6, pages 540–545, 2022
Orbán, Ildikó ; Ónodi, Gábor ; Kröel‐Dulay, György: The role of drought, disturbance, and seed dispersal in dominance shifts in a temperate grassland, Journal of Vegetation Science, 2023




 

Events of the project

  
2019-12-03 13:40:53
Résztvevők változása



Back »