Höhengradienten in der Biodiversitäts-Forschung: eine Übersicht unter Berücksichtigung des Klimawandels

Mountains, with their isolated position and altitudinal belts, are hotspots of biodiversity. Their flora and fauna have been observed worldwide since the days of Alexander von Humboldt, which has led to basic knowledge and understanding of species composition and the most important driving forces of ecosystem differentiation in such altitudinal gradients. Systematically designed analyses of changes in species composition with increasing elevation have been increasingly implemented since the 1990s. Since global climate change is one of the most important problems facing the world this century, a focus on such ecosystem studies is urgently needed. To identify the main future needs of such research we analyze the studies dealing with species changes of diverse taxonomical groups along altitudinal gradients (0 to 6,400 m a.s. l.) on all continents, published during the past one to two decades. From our study we can conclude that although mountains are powerful for climate change research most studies have to face the challenge of separating confounding effects driving species assemblages along altitudinal gradients. Our study therefore supports the view of the need of a global altitudinal concept including that (1) not only one or a few taxonomical groups should be analyzed, but rather different taxonomical groups covering all ecosystem functions simultaneously; (2) relevant site conditions should be registered to reveal direct environmental variables responsible for species distribution patterns and to resolve inconsistent effects along the altitudinal gradients; (3) transect design is appropriate for analyzing ecosystem changes in site gradients and over time; (4) both the study design and the individual methods should be standardized to compare the data collected worldwide; and (5) a long-term perspective is important to quantify the degree and direction of species changes and to validate species distribution models. (6) Finally we suggest to develop experimental altitudinal approaches to overcome the addressed problems of biodiversity surveys.Gebirge mit ihrer mehr oder weniger isolierten Lage und ihren vielfältigen Höhenstufen stellen „Hotspots der Biodiversität“ dar. Ihre Flora und Fauna wird seit den ersten Beschreibungen durch Alexander von Humboldt immer wieder untersucht. Systematisch angelegte Studien zur räumlichen Verteilung von Arten bzw. Artengruppen in Höhengradienten erlangen eine zunehmend größere Bedeutung seit den 1990iger Jahren, insbesondere im Rahmen der Klimafolgenforschung. Um für die zukünftige Biodiversitätsforschung die heute als wesentlich angesehenen Forschungsansätze zu identifizieren, wurden in dieser Studie Literaturangaben der letzten zwei Jahrzehnte über die sich verändernden Artenzusammensetzungen in Höhengradienten aus allen Kontinenten, verschiedenen Artengruppen und einem Höhenbereich von 0 bis 6.400 m ü. NN ausgewertet. Diese Zusammenstellung zeigt, dass Untersuchungen der Muster der Biodiversität von Höhengradienten in Gebirgen einen wichtigen Beitrag für das Verständnis der Herausbildung und Änderung von Biodiversitätsmustern gerade im Rahmen des zu erwartenden Klimawandels leisten können. Die Musterbildung im Höhengradienten ist für verschiedene Artengruppen durchaus unterschiedlich. Diese Literaturauswertung macht aber auch die Notwendigkeit eines weltweit einheitlichen Konzeptes für die Forschung in Höhengradienten deutlich. Ein solches Konzept sollte folgende Gesichtspunkte beinhalten: (1) Nicht nur ausgewählte Artengruppen, sondern mehrere verschiedene Artengruppen gemeinsam analysieren; nur so lassen sich die vielfältigen Ökosystemfunktionen und Prozesse berücksichtigen. (2) Begleitend möglichst viele Umweltfaktoren erfassen, um herausarbeiten zu können, welche der Umweltfaktoren für die Musterbildung wirklich maßgeblich sind. (3) Die Transekte so anlegen, dass sie nicht nur eine einmalige räumliche Analyse ermöglichen, sondern auch zukünftig im Sinne von Zeitreihen zur Verfügung stehen. (4) Sowohl das Erhebungsflächendesign als auch die Aufnahmemethoden für die einzelnen Artengruppen standardisieren, um die Daten weltweit vergleichen zu können. (5) Langzeitstudien starten; denn nur sie bieten die Möglichkeit, erwartete oder aus Modellen abgeleitete Veränderungen der Artenzusammensetzungen bzw. von Verschiebungen von einzelnen Arten im Höhengradienten zu validieren. (6) Gezielt konzipierte Experimente einsetzen, um offene Fragen zur Verteilung der Arten in Höhengradienten untersuchen zu können

The BIOKLIM project: biodiversity research between climate change and wilding in a temperate montane forest : the conceptual framework

To understand the rapid rate of change in global biodiversity, it is necessary to analyse the present condition of ecosystems and to elucidate relationships of species to their environment. The BIOKLIM Project (Biodiversity and Climate Change Project) is intended to close this gap in our knowledge of montane and high montane forests of Central European low mountain ranges, one of the most threatened mixed montane systems worldwide. The Bavarian Forest National Park is characterised by its altitude range of ca. 800 m and a strongly developed gradient of forest structure. Relicts of old growth forests (areas of former local nature reserves) and dead stands, mostly killed by bark beetles, are accompanied by widely varying levels of woody debris and light. The gradients comprise a wide range of abiotic and forest structure factors, making the study area well suited for a multidisciplinary investigation of biodiversity. Unconstrained ordination (CA) of six taxa (vascular plants, wood inhabiting fungi, birds, carabids, spiders and molluscs) indicate the altitudinal gradient to be the main driver for distribution patterns of species assemblages. Objectives, structure, study design and data sampling of the BIOKLIM Project are described in detail. We set up 293 sampling plots along four main straight transects following the altitudinal gradient. All abiotic and stand structure data regarded as relevant are available for each plot. Vascular plants, wood inhabiting fungi and birds were sampled or mapped on all 293 plots. For the other 22 investigated taxa we used subsamples pre-stratified according to the sampling methods. The necessity of dealing with spatial autocorrelation, arising from sampling along linear transects, is described. Finally, study approach of our biodiversity project is compared with others involving altitudinal gradients. Worldwide, only a few multidisciplinary biodiversity studies have been previously conducted on long altitudinal gradients. However, in most cases sampling techniques were similar to ours, which allows comparison of results between continents. Keywords: Climate Change, Biodiversity, species-environment relationshipsUm die rasante Veränderung globaler Biodiversität zu verstehen, ist es erforderlich, den gegenwärtigen Zustand von Ökosystemen zu analysieren und die Zusammenhänge zwischen Arten und deren Umwelt aufzulösen. Das BIOKLIMProjekt (Biodiversität und Klima Projekt) hat zum Ziel, diese Wissenslücken für Wälder montaner und hochmontaner Mittelgebirge zu schließen. Der Nationalpark Bayerischer Wald ist neben dem Höhengradient (ca. 800 m) durch einen starken Strukturgradient geprägt. Dieser resultiert aus Restvorkommen sehr alter Bestände (ehem. Naturschutzgebiete) sowie dem Wirken des Borkenkäfers seit ca. zwei Jahrzehnten und einem dadurch verbundenen z. T. sehr hohen Totholzvorrat. Die Gradienten umfassen eine breite Spanne von abiotischen Faktoren und Bestandesstrukturen und machen den Nationalpark zu einem gut geeigneten Untersuchungsgebiet für interdisziplinäre Biodiversitätsforschung. Korrespondenzanalysen (CA) für 6 taxonomische Gruppen (Gefäßpflanzen, Holzpilze, Vögel, Laufkäfer, Spinnen und Mollusken) machen die starke Abhängigkeit der Artengruppen vom Höhengradienten deutlich. Es werden detailliert die Zielsetzungen, Projektaufbau, das Untersuchungsdesign sowie die Erfassungsmethoden des BIOKLIM-Projektes beschrieben. 293 Probepunkte wurden entlang von 4 Transekten, welche dem Höhengradienten folgen, eingerichtet. Zu jedem Probekreis stehen alle als relevant erachteten Daten zur Abiotik und Bestandesstruktur zur Verfügung. Gefäßpflanzen, Holzpilze und Vögel wurden auf allen 293 Probepunkten erfasst. Für die anderen 22 untersuchten Artengruppen wurde in Abhängigkeit von der Methode ein stratifiziertes Design gewählt. Lösungsansätze zum Umgang mit Autokorrelation, die durch die Anordnung von Probekreisen entlang von Linien (Transekte) bedingt ist, werden dargestellt. Schließlich wird das BIOKLIM-Projekt mit den wenigen weltweiten Biodiversitätsprojekten verglichen und diskutiert. In den meisten Fällen sind die Erhebungsmethoden ähnlich, sodass Vergleiche der Ergebnisse zwischen verschiedenen Kontinenten möglich werden. Schlüsselwörter: Klimawandel, Biodiversität, Arten-Umwelt-Beziehun

Quasi-one-dimensional disordered systems: fluctuations, transport and interplay

In a one dimensional lattice thermal fluctuations destroy the long-range order making particles of the lattice move on a scale much larger than the lattice spacing. We discuss the assumption that this motion may be responsible for the transport of localized electrons in a system of weakly coupled chains. The model with diffusing localization sites gives a temperature-independent mobility with a crossover to an activated dependence at high temperature. This prediction is consistent with and might account for experimental results on discotic liquid crystals and certain biopolymers.Comment: proceedings of TIDS12, to be published in Phys. Stat. Sol.(c

Epiphytic lichens indicating process protection and ecological continuity in the Bavarian Forest National Park

Lichens are one of the prominent taxonomical indicator groups for changes in forests. Within the course of the research project BIOKLIM, we sampled 125 epiphytic lichens, 5 lichenicolous fungi, and 1 non-lichenized ascomycete in wilding areas, managed areas, and relicts of old-growth forests along four transects in the Bavarian Forest National Park. Our analyses showed that old-growth relicts and wilding areas have a significantly higher diversity and a higher number of red-listed species than managed forests, demonstrating the importance of these areas for the protection and dispersal of endangered lichens and lichenicolous fungi. The rare and threatened lichenicolous fungi Chaenothecopsis viridialba, Sphinctrina anglica, and Sphinctrina turbinata and the critically threatened lichen Mycobilimbia sphaeroides were new records for the Bavarian Forest. The lichen-fungus Sphinctrina tubiformis, presumed extinct in Germany, was recovered in the old-growth relict Rachelseeurwald. The following species were classified as indicators of old, nearnatural forests of the Bavarian Forest: Lecanactis abietina, Pyrenula nitida, Micarea cinerea, Microcalicium disseminatum, Loxospora cismonica, and Thelotrema lepadinum. We propose management implications for the managed areas of montane and high montane forests in Central Europe.Flechten gehören zu den herausragenden Indikatorgruppen für Veränderungen in Wäldern. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Biodiversität und Klima“ (BIOKLIM) wurden im Jahr 2007 im Nationalpark Bayerischer Wald entlang von 4 Forschungslinien 125 baumbewohnende Flechten, 5 lichenicole Pilze sowie 1 nicht lichenisierter Ascomycet festgestellt. Alte Wälder und Prozessschutzwälder wiesen dabei signifikant die größte Artendiversität und die höchste Anzahl an bedrohten Arten im Vergleich mit den noch gemanagten Wäldern auf. Die herausragende Bedeutung von alten Wäldern und Prozessschutzflächen für den Erhalt und die Ausbreitung gefährdeter Flechten und lichenicoler Pilze für den ostbayerischen Mittelgebirgsraum wird dargestellt. Die sehr seltenen und hochgradig gefährdeten lichenicolen Pilze Chaenothecopsis viridialba, Sphinctrina anglica und Sphinctrina turbinata und die Flechte Mycobilimbia sphaeroides werden als Neufunde für den Bayerischen Wald genannt. Der in der Bundesrepublik Deutschland als verschollen geltende Flechtenpilz Sphinctrina tubiformis wurde im „Rachelseeurwald“ wiederentdeckt. Für alte naturnahe Wälder des Bayerischen und Böhmischen Waldes werden folgende Zeigerarten beschrieben: Lecanactis abietina, Pyrenula nitida, Micarea cinerea, Microcalicium disseminatum, Loxospora cismonica und Thelotrema lepadinum. Abschließend werden für das Management montaner und hochmontaner Wälder Mitteleuropas Empfehlungen abgeleitet

Hitchhiking transport in quasi-one-dimensional systems

In the conventional theory of hopping transport the positions of localized electronic states are assumed to be fixed, and thermal fluctuations of atoms enter the theory only through the notion of phonons. On the other hand, in 1D and 2D lattices, where fluctuations prevent formation of long-range order, the motion of atoms has the character of the large scale diffusion. In this case the picture of static localized sites may be inadequate. We argue that for a certain range of parameters, hopping of charge carriers among localization sites in a network of 1D chains is a much slower process than diffusion of the sites themselves. Then the carriers move through the network transported along the chains by mobile localization sites jumping occasionally between the chains. This mechanism may result in temperature independent mobility and frequency dependence similar to that for conventional hopping.Comment: a few typos correcte

Effective temperature for hopping transport in a Gaussian DOS

For hopping transport in disordered materials, the mobility of charge carriers is strongly dependent on temperature and the electric field. Our numerical study shows that both the energy distribution and the mobility of charge carriers in systems with a Gaussian density of states, such as organic disordered semiconductors, can be described by a single parameter - effective temperature, dependent on the magnitude of the electric field. Furthermore, this effective temperature does not depend on the concentration of charge carriers, while the mobility does depend on the charge carrier concentration. The concept of the effective temperature is shown to be valid for systems with and without space-energy correlations in the distribution of localized states.Comment: 7 pages, 8 figure

Performance of a polymer light-emitting diode with enhanced charge carrier mobility

The device characteristics of a polymer light-emitting diode (PLED) based on a poly(p-phenylene vinylene) (PPV) derivative with an enhanced charge carrier mobility have been investigated. Improvement of the mobility, which has been obtained by a decrease of the energetic disorder in the polymer, is expected to increase the power efficiency of a PLED. However, it is demonstrated that an increased mobility leads to a decrease as well as to a slower rise of the quantum efficiency with voltage. This performance reduction is explained in terms of an increased quenching of the electroluminescence (EL) at the cathode.

Hopping transport of interacting carriers in disordered organic materials

Computer simulation of the hopping charge transport in disordered organic materials has been carried out explicitly taking into account charge-charge interactions. This approach provides a possibility to take into account dynamic correlations that are neglected by more traditional approaches like mean field theory. It was found that the effect of interaction is no less significant than the usually considered effect of filling of deep states by non-interacting carriers. It was found too that carrier mobility generally increases with the increase of carrier density, but the effect of interaction is opposite for two models of disordered organic materials: for the non-correlated random distribution of energies with Gaussian DOS mobility decreases with the increase of the interaction strength, while for the model with long range correlated disorder mobility increases with the increase of interaction strength.Comment: 6 pages, 5 figures, extended version from the conference TIDS1