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Highlights
• Northern and eastern grassland-savanna boundary defined by minimum temperature.
• Dynamics of fire, frost and growing season temperatures combine to produce this limit.
• Western limit is related to moisture availability.
• Modern, high-resolution climate data enables refinement of bioclimatic limits.
• Reparameterisation improves global model performance at regional scale.
Abstract
Understanding the controls of biome distributions is crucial for assessing terrestrial ecosystem functioning and its response to climate change. We analysed to what extent differences in climate factors (minimum temperatures, water availability, and growing season temperatures (degree days above 5 °C (GDD5)) might explain the poorly understood borders between grasslands, savannas and shrublands in eastern South Africa. The results were used to improve bioclimatic limits in the dynamic global vegetation model (DGVM) LPJ-GUESS. The vegetation model was also used to explore the role of fire in the biome borders. Results show no clear differences between the adjacent biomes in water availability. Treeless grasslands primarily occur in areas with minimum temperatures and GDD5 values below that of savannas. The standard fire module in LPJ-GUESS is not able to reproduce observed burned area patterns in the study region, but simulations with prescribed fire return intervals show that a combination of low temperatures and fire can explain the treeless state of the grassland biome. These results confirm earlier hypotheses that a combination of low winter temperatures, causing frost damage to trees, and low growing season temperatures that impede tree sapling growth and recruitment, particularly under re-occurring fires, drive the grassland-savanna border. With these insights implemented, the LPJ-GUESS simulation results substantially improved grass distribution in the grassland biome, but challenges remain concerning the grassland-shrubland boundary, tree-grass competition and prognostic fire modelling.
From August to November 2017, Madagascar endured an outbreak of plague. A total of 2417 cases of plague were confirmed, causing a death toll of 209. Public health intervention efforts were introduced and successfully stopped the epidemic at the end of November. The plague, however, is endemic in the region and occurs annually, posing the risk of future outbreaks. To understand the plague transmission, we collected real-time data from official reports, described the outbreak's characteristics, and estimated transmission parameters using statistical and mathematical models. The pneumonic plague epidemic curve exhibited multiple peaks, coinciding with sporadic introductions of new bubonic cases. Optimal climate conditions for rat flea to flourish were observed during the epidemic. Estimate of the plague basic reproduction number during the large wave of the epidemic was high, ranging from 5 to 7 depending on model assumptions. The incubation and infection periods for bubonic and pneumonic plague were 4.3 and 3.4 days and 3.8 and 2.9 days, respectively. Parameter estimation suggested that even with a small fraction of the population exposed to infected rat fleas (1/10,000) and a small probability of transition from a bubonic case to a secondary pneumonic case (3%), the high human-to-human transmission rate can still generate a large outbreak. Controlling rodent and fleas can prevent new index cases, but managing human-to-human transmission is key to prevent large-scale outbreaks.
One of the theoretical tensions that has arisen from Anthropocene studies is what Dipesh Chakrabarty has called the 'two figures of the human', and the question of which of these two figures of the human inheres in the concept of the Anthropocene more. On the one hand, the Human is conceived as the universal reasoning subject upon whom political rights and equality are based, and on the other hand, humankind is the collection of all individuals of our species, with all of the inequalities, differences, and variability inherent in any species category. This chapter takes up Deborah Coen's argument that Chakrabarty's claim of the 'incommensurability' of these two figures of the human ignores the way both were constructed within debates over how to relate local geophysical specificities to theoretical generalities. This chapter examines two cases in the history of science. The first is Martin Rudwick's historical exploration of how geologists slowly gained the ability to use fossils and highly local stratigraphic surveys to reconstruct the history of the Earth in deep time, rather than resort to speculative cosmological theory. The second is Coen's own history of imperial, Austrian climate science, a case where early nineteenth-century assumptions about the capriciousness of the weather gave way to theories of climate informed by thermodynamics and large-scale data collection.
Die klimatische Nische beschreibt die klimatischen Bedingungen, unter denen eine Art eine stabile Population aufrechterhalten kann. Die Quantifizierung von Klimanischen ist ein wichtiges Werkzeug, um tiefergehende Einsichten in individuelle Art-Umwelt Beziehungen zu erlangen, um den Effekt des Klimawandels effektiv zu bewerten, und um Arten- und Naturschutz zu unterstützen. Ein makroökologischer Ansatz ist von Vorteil um Ökosysteme über ein breites taxonomisches, geographisches und zeitliches Spektrum zu untersuchen, und damit die klimatischen Nischen vieler Arten auf eine konsistente Art und Weise zu quantifizieren und vergleichen.
Im Kontext des aktuellen Klimawandels ist es wichtig zu verstehen, ob Arten in der Lage sind ihre Klima-nische anzupassen. Viele bisherige Vorhersagen über klimawandelbedingte Veränderungen von Artverbreitungen beruhen auf der Annahme, dass die klimatische Nische einer Art konstant ist. Allerdings ist bekannt, dass Arten ihre klimatischen Präferenzen auf unterschiedlichen Zeitskalen verändern - sowohl über kurze (ökologische) als auch evolutionäre Zeiträume. Dies ist ein wichtiger, aber oft missachteter Faktor für die Nischenquantifizierung. Ein gutes Beispiel für solche ökologische Dynamiken sind Zugvögel, die etwa 20% aller Vogelarten ausmachen. Sie stellen eine interessante, aber auch herausfordernde Artengruppe für die Untersuchung klimatischer Nischen dar. Des Weiteren ist es wichtig klimatische Nischen über evolutionäre Zeiträume zu untersuchen, um die Prozesse zu verstehen, die Evolution, Diversifikation und Extinktion unterliegen, da sich Klimanischen mit der Anpassung einzelner Arten an neue klimatische Gegebenheiten ebenfalls wandeln. Bislang hat ein Mangel an geographisch expliziten Daten über terrestrische Umwelt-bedingungen durch evolutionäre Zeiträume eine explizite Überprüfung dieser Zusammenhänge verhindert.
Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war es, die ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen von Vögeln zu untersuchen. Dazu wurde ein Ansatz gewählt der makroökologische, und evolutionsbiologische Methoden vereint, um ein breites taxonomisches und zeitliches Spektrum abzudecken. Das erste Kapitel bearbeitet die Frage wie klimatische Nischen am besten zu quantifizieren sind, wenn man die Dynamik des Vogelzuges in Betracht zieht. Dazu wurde eine Datenbank erstellt, die das Zugverhalten aller 10.443 lebenden Vogelarten katalogisiert. Des Weiteren wurde eine Übersicht über die Methoden zur Quantifizierung klimatischer Nischen in der makroökologischen Literatur erstellt. Das Ergebnis derselben ist, dass die überwiegende Mehrzahl der Veröffentlichungen saisonalen Zugbewegungen nicht ausreichend berücksichtigt. Zuletzt habe ich anhand der Avifauna Australiens die Vor- und Nachteile der Verwendung von Verbreitungskarten gegenüber Punktverbreitungsdaten zur Erfassung saisonaler geographischer Muster der Artenvielfalt bewertet. Damit bietet dieses Kapitel Rahmenempfehlungen für die Datenanforderungen und Methoden, die je nach Zugverhalten einer Art, und dem geographischen, bzw. zeitlichen Fokus einer Studie für eine optimale Nischenquantifizierung notwendig sind.
Im zweiten Kapitel untersuchte ich die saisonale Dynamik klimatischer Nischen von Zugvögeln. Dabei überprüfte ich die Hypothese, dass Zugvögel in ihrem Jahreszyklus durch die Zugbewegung eine gewisse Klimanische verfolgen. Zu diesem Zweck habe ich mit Brut- und Überwinterungsarealkarten saisonale Klima-nischen für 437 Zug- und Standvogelarten aus acht Kladen der Sperlingsvögel (Passeriformes) charakterisiert. Mit Ordinationsmethoden wurde dann der innerartliche saisonale Nischenüberlapp quantifiziert. Der Beweis für die Verfolgung einer klimatischen Nische in einer Art war von mehreren Faktoren, z.B. der geographischen Verortung des Brutareals und der Zugrichtung, abhängig. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Ursachen für den Vogelzug sowohl geographisch als auch saisonal (d.h. abhängig von der Zugrichtung) unterscheiden.
Im dritten Kapitel untersuchte ich die evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen in Steinschmätzern (Gattung Oenanthe), um explizit zu untersuchen ob es einen Zusammenhang zwischen den Raten klimatischer Nischen-evolution und den Veränderungen paläoklimatischer Bedingungen gibt. Methoden der Klimanischen-quantifizierung wurden mit datierten molekularen Phylogenien verknüpft, um die Raten klimatischer Nischen-evolution mit einem variablen Ratenmodell abzuschätzen. Paläoklimatische Umweltbedingungen wurden mit paläobiologischen Methoden aus dem Fossilbericht altweltlicher Säugetiere der vergangenen 20 Millionen Jahre erschlossen. Die Fallstudie konnte keinen Zusammenhang zwischen Nischenevolution und Umwelt-bedingungen feststellen. Dies legt nahe, dass Vögel als überaus mobile Organismen, auf Klimaveränderungen eher durch Arealverschiebungen reagieren, als durch eine Anpassung ihrer klimatischen Nische. Die Klimanischen der Steinschmätzer waren allerdings an sich nicht statisch, so dass andere Faktoren wie z.B. biologische Wechselbeziehungen für die Nischenevolution dieser Gattung verantwortlich sein müssen.
Meine Dissertation beleuchtet die zentrale Bedeutung zeitlicher Dynamiken für den Nischenraum, den Arten über ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Zeiträume einnehmen. Aus ihr ergeben sich methodische Konsequenzen für zukünftige Studien klimatischer Nischen. Der Befund, dass die klimatischen Nischen von Zugvögeln nicht saisonal konstant sind, zeigt dass es für mobile Kladen wie Vögel notwendig ist die klimatischen Bedingungen über den gesamten Jahreszyklus und das gesamte Verbreitungsgebiet in Betracht zu nehmen, um die jeweiligen klimatischen Nischen voll charakterisieren zu können.
Über diese methodischen Innovationen hinaus, hat meine Arbeit auch wichtige theoretische und praktische Schlussfolgerungen produziert. Zum einen zeigt die Betrachtung saisonaler Klimanischen, dass Zugvögel entgegen gängiger Annahmen nicht denselben Umweltbedingungen in ihren Brut- und Überwinterungsarealen ausgesetzt sind. Zum anderen zeigt meine Betrachtung von Klimanischen über evolutionäre Zeiträume, dass die Nischenevolution nicht von klimatischen Bedingungen angetrieben wird. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse auf unterschiedlichen Zeitskalen, dass das Klima nicht der alleinige Faktor ist, der die Artverbreitung von Vögeln bestimmt. Während dieser Befund Raum für Optimismus schafft, was die Auswirkungen des aktuellen Klimawandels auf Vögel angeht, zeigt er auch auf, dass Faktoren wie wechselseitige Artbeziehungen und das Mobilitätspotential von Arten einen wichtigen Einfluss auf Artverbreitungen ausüben. Diese Faktoren könnten jedoch an sich vom Klimawandel beeinflusst sein, und Untersuchungen dieses Zusammenspiels zwischen Klima und anderen Faktoren und die daraus resultierenden Einflüsse auf Artareale bieten ein vielversprechendes Arbeitsfeld für zukünftige Studien.
Background: More than 170 species of tabanids are known in Europe, with many occurring only in limited areas or having become very rare in the last decades. They continue to spread various diseases in animals and are responsible for livestock losses in developing countries. The current monitoring and recording of horseflies is mainly conducted throughout central Europe, with varying degrees of frequency depending on the country. To the detriment of tabanid research, little cooperation exists between western European and Eurasian countries.
Methods: For these reasons, we have compiled available sources in order to generate as complete a dataset as possible of six horsefly species common in Europe. We chose Haematopota pluvialis, Chrysops relictus, C. caecutiens, Tabanus bromius, T. bovinus and T. sudeticus as ubiquitous and abundant species within Europe. The aim of this study is to estimate the distribution, land cover usage and niches of these species. We used a surface-range envelope (SRE) model in accordance with our hypothesis of an underestimated distribution based on Eurocentric monitoring regimes.
Results: Our results show that all six species have a wide range in Eurasia, have a broad climatic niche and can therefore be considered as widespread generalists. Areas with modelled habitat suitability cover the observed distribution and go far beyond these. This supports our assumption that the current state of tabanid monitoring and the recorded distribution significantly underestimates the actual distribution. Our results show that the species can withstand extreme weather and climatic conditions and can be found in areas with only a few frost-free months per year. Additionally, our results reveal that species prefer certain land-cover environments and avoid other land-cover types.
Conclusions: The SRE model is an effective tool to calculate the distribution of species that are well monitored in some areas but poorly in others. Our results support the hypothesis that the available distribution data underestimate the actual distribution of the surveyed species.
Der Harz ist eine alte, eigenartige Kulturlandschaft mit einer sehr vielseitigen Naturausstattung und einer wechselvollen Kulturgeschichte über gut 1000 Jahre. In mehreren Kapiteln werden zunächst die natürlichen Grundlagen (Erdgeschichte, Relief, Gesteine, Böden, Klima, Flora, Landschaftsgliederung) dargestellt. Die Kulturgeschichte insbesondere des Oberharzes ist von Entwicklungen, Rückschlägen und Niedergang des Bergbaus geprägt. Sie hat sich stark auf die Vegetation und das Landschaftsbild ausgewirkt. Eigentliche Haupterwerbs-Landwirtschaft war dagegen dort nie von Bedeutung. Selbst heute, wo Bergbau und Industrie erloschen oder rückläufig sind, gibt es viele Relikte und Nachwirkungen in der Landschaft, die auch die aktuelle Vegetation mit bestimmen. Im Harz bemüht man sich, einen sinnvollen Kompromiß zwischen Naturschutz und Tourismus zu finden. Abschließend wird versucht, eine erste Übersicht der Pflanzengesellschaften des Harzes zu geben.
One of the most robust emerging generalisations in invasion biology is that the probability of invasion increases with the time since introduction (residence time). We analysed the spatial distribution of alien vascular plant species in a region of north-eastern Italy to understand the influence of residence time on patterns of alien species richness. Neophytes were grouped according to three periods of arrival in the study region (1500–1800, 1800–1900, and > 1900). We applied multiple regression (spatial and nonspatial) with hierarchical partitioning to determine the influence of climate and human pressure on species richness within the groups. We also applied variation partitioning to evaluate the relative importance of environmental and spatial processes. Temperature mainly influenced groups with species having a longer residence time, while human pressure influenced the more recently introduced species, although its influence remained significant in all groups. Partial regression analyses showed that most of the variation explained by the models is attributable to spatially structured environmental variation, while environment and space had small independent effects. However, effects independent of environment decreased, and spatially independent effects increased, from older to the more recent neophytes. Our data illustrate that the distribution of alien species richness for species that arrived recently is related to propagule pressure, availability of novel niches created by human activity, and neutral-based (dispersal limitation) processes, while climate filtering plays a key role in the distribution of species that arrived earlier. This study highlights the importance of residence time, spatial structure, and environmental conditions in the patterns of alien species richness and for a better understanding of its geographical variation.