Untersuchung der Mechanismen von Monodominanz in artenreichen tropischen Wäldern durch prozessbasierte Simulationsmodelle und Perkolationstheorie

• Antragsteller: Dr. Jürgen Groeneveld
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme ; Forstwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383679788

Obwohl tropische Regenwälder hochdiverse Ökosysteme sind, finden sich in ihnen oft große Areale, die von einer einzelnen Baumart dominiert werden. Dieses Phänomen wird Monodominanz genannt wenn mehr als 60% der Bäume aus der Kronenschicht zur selben Art gehören. Meist können edaphische Faktoren allein das Auftreten monodominanter Flächen nicht erklären. Obwohl verschiedene Mechanismen, die die Entstehung von Monodominanz begünstigen könnten (z.B. lokale Ausbreitung konkurrenzstarker Samen), beschrieben wurden, existiert keine generelle Theorie bezüglich Monodominanz.Bislang fehlte ein mechanistisches Modell, das ermöglicht, alle bislang bekannten Mechanismen quantitativ zu evaluieren. Diese Lücke wollen wir mit der Entwicklung eines modularen, räumlich expliziten Simulationsmodells schließen. Die für das Modell wichtigen Prozesse und Eigenschaften werden zum einen aus der Literatur bestimmt, zum anderen in enger Diskussion mit Feldexperten und unter Berücksichtigung existierender trait-Datenbanken ausgewählt (z.B. sPlot und TRY). Zusätzlich zu den bereits bekannten Mechanismen werden wir die vielfach beobachtete Defaunierung von Tropenwäldern untersuchen, die zu vermehrter lokaler und geklumpter Samenausbreitung führen kann und somit zu Monodominanz.Die Modellvalidierung wird anhand unabhängiger Vorhersagen durchgeführt werden, auch im Hinblick auf generell bekannte systemwissenschaftliche Prinzipien. Die artenreiche und monodominante Waldstruktur können im sogenannten kritischen Punkt auf unbestimmte Zeit nebeneinander koexistieren. Wir konnten in einer Pilotstudie zeigen, dass diese Koexistenz nur in einem sehr kleinen Parameterbereich möglich ist. Hier bietet sich die Perkolationstheorie an, mit deren Hilfe man diesen kritischen Parameterbereich bestimmen und allgemeine Systemeigenschaften ableiten kann. Da unsere Simulationen auf einem endlichen Gitter laufen, werden wir Methoden wie etwa finite size scaling aus der statistischen Mechanik verwenden.Der Antragssteller und die Projektmitglieder haben bereits ein internationales und interdisziplinäres Netzwerk führender Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen etabliert, die im Bereich Monodominanz, Waldmodellierung und computerorientierter theoretischer Physik arbeiten. Die Teilnehmer treffen sich für zwei Workshops (2017 und 2018) in Leipzig, um ihr Wissen über Monodominanz zu synthetisieren und um über effiziente Modelle und Algorithmen und geeignete empirische und theoretische Analyseverfahren zur quantitativen Untersuchung von Monodominanz zu diskutieren.Die Kombination der systemtheoretischen und ökologischen Perspektive wird unsere Ergebnisse in einen größeren Kontext rücken und beantworten, wie artenreiche und artenarme Wälder entstehen und koexistieren können und welchen Einfluss dabei anthropogene Veränderungen auf die Waldstruktur haben. Das Projekt wird somit unser Verständnis über die Prozesse erweitern, die Biodiversität generieren, erodieren und stabilisieren

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen