The role of indirect plant-plant interactions via shared pollinators: a combined experimental and theoretical study in species-rich temperate grasslands

Abstract

Anthropogenic activities are rapidly changing the world. The ongoing climate change (and its associated shifts in flowering phenologies), biological invasions and increased fragmentation of ecosystems are all inducing rapid changes in structural characteristics of plant communities. In communities, where many species depend on the service of pollinators for their reproduction, changes in species composition, floral densities and spatial distribution will undoubtedly further affect plant-pollinator interactions.

Due to the interdependence of plant and pollinator species for their reproduction, plant-pollinator interactions are central in the maintenance of both plant and pollinator species and hence of biodiversity in many ecosystems. Therefore, understanding how structural characteristics of plant communities are affecting plant-pollinator interactions, would enable a better anticipation of the ecological consequences of destructive human activities.

The present thesis investigated the impact of changing structural characteristics of European grassland plant communities on plant-pollinator interactions and on the outcome of indirect plant-plant interactions mediated through shared pollinators. Firstly, a spatially explicit model was used to theoretically examine the interplay between the densities and the spatial distribution of two differently attractive species on the plant species survival. Secondly, the results of the model were put to the test in a field experiment in which the changes in plant-pollinator structure induced by changes in densities and spatial patterns were tracked using a network approach. Finally, a common garden experiment allowed us to test the importance of species identities on the role they play on the outcome of indirect plant-plant interactions.

Der fortschreitende Klimawandel, biologische Invasionen und eine erhöhte Fragmentierung der Ökosysteme erzeugen schnelle Veränderungen in den Pflanzengemeinschaften. Bei Gemeinschaften, in denen die Fortpflanzung vieler Arten von Bestäubern abhängen, beeinflussen Änderungen in der Artenzusammensetzung, Blumendichten und räumliche Verteilung die Wechselwirkung von Pflanzen und Bestäubern. Aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit von Pflanzen- und Pollenarten für ihre Fortpflanzung, ist diese Wechselwirkung zur Erhaltung der Pflanzen- und Bestäuberarten entscheidend. Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen der Änderung struktureller Merkmale der europäischen Grünlandpflanzengemeinschaften auf die Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Bestäuber und auf das Ergebnis der indirekten Wechselwirkung unter Pflanzen durch gemeinsame Bestäuber. Zunächst wurde ein räumlich explizites Modell verwendet, um das Zusammenspiel zwischen den Dichten und den räumlichen Verteilungen von zwei unterschiedlich attraktiven Arten auf ihr Überleben zu untersuchen. Zweitens wurden die Ergebnisse des Modells durch eine Feldforschung geprobt, bei der die Änderungen in der Pflanzen-Bestäuber-Struktur, die durch Veränderungen in den Dichten und räumlichen Mustern induziert wurden, durch die Verwendung einer Netzwerk-Herangehensweise verfolgt wurden. Schließlich ermöglichte uns ein gemeinsames Gartenexperiment die Bedeutung der Artenidentitäten auf ihre Rolle im Ergebnis der indirekten Pflanzen zu Pflanzen Interaktion zu erproben. Die Gesamtergebnisse zeigen, dass die räumliche Strukturierung der Pflanzengemeinschaften einen wichtigen Faktor darstellt, der das Ergebnis indirekter Pflanzen zu Pflanzen Interaktionen durch Manipulation des Verhaltens der Bestäuber gestaltet. Räumliche Ansammlung von Pflanzenarten hält die Bestäuber in mono-spezifischen Beeten gefangen, was die Qualität und die Menge der Leistung der Bestäuber für die Ansammlung der Pflanzenarten wesentlich erhöht. Dieser Mechanismus ist besonders wirksam, wenn die versammelten Arten in großer Dichte wachsen. Es wurde auch gezeigt, dass dieser Mechanismus unter natürlichen Bedingungen die Struktur der Interaktion zwischen Pflanzen und Bestäuber beeinflusst, wenn die Muster der Ressourcennutzung der Bestäuber geändert werden. Ferner beeinflussen die Identitäten der Pflanzenarten und die Zusammensetzung ihrer Blütezüge die Entscheidungen der Bestäuber und prägen deshalb das Ergebnis der indirekten Interaktionen unter Pflanzen. Unsere Befunde zeigten, dass das Ergebnis dieser Wechselwirkungen wahrscheinlich eher durch die Attraktivität verschiedener Spezies als durch die einer einzelnen Spezies bestimmt wird. Zukünftige Forschung sollte versuchen, die räumliche Verteilung der Arten und eine Charakterisierung der Attraktivitätsdifferenz unter blühenden Pflanzenarten in der Zusammensetzung ökologischer Faktoren, die für die Ergebnisse der indirekten Interaktionen unter Pflanzen wichtig sind, zu integrieren. Dies würde eine bessere Antizipation der Auswirkungen der anthropogenen Änderungen auf die Pflanzen-Bestäuber-Interaktionen und im weiteren Sinne auf den Pflanzenfortpflanzungserfolg und als solche auf den Mustern der Arten-Koexistenz ermöglichen, die die Struktur der Pflanzengemeinschaften gestalten.