MOE-Fellowship

Petra Gasparovicova

Habitatmodellierung von invasiven Neophyten

Aufgrund der steigenden Anzahl von biologischen Invasionen weltweit und den damit einhergehenden Folgen weist das Thema „invasive Arten“ nicht nur einen hoch interessanten, interdisziplinĂ€ren Charakter auf, sondern ist zugleich ein Top-Thema internationaler Forschung geworden. Als Biologische Invasion bezeichnet man die Ausbreitung einer Art in einem Gebiet, in dem sie nicht heimisch ist. Verwendet wird der Begriff insbesondere bei durch den Menschen eingeschleppten Arten, die die angestammten Ökosysteme deutlich verĂ€ndern und zur VerdrĂ€ngung anderer Arten fĂŒhren. Invasive Neophyten sind die Pflanzenarten, die in einem bestimmten Gebiet nicht einheimisch sind und die erst nach 1492 (die Entdeckung Amerikas) unter direkter oder indirekter Mithilfe des Menschen in dieses Gebiet gelangt sind und hier wild leben oder gelebt haben. Im Naturschutz werden die gebietsfremden Arten als invasiv bezeichnet, die unerwĂŒnschten Auswirkungen auf andere Arten, Lebensgemeinschaften oder Biotope haben. Neben diesen ökologischen SchĂ€den entstehen auch erhebliche negative ökonomische Auswirkungen und einige der neuen Arten schĂ€digen die menschliche Gesundheit.

Die Art Staudenknöteriche (Fallopia) gehört zu den invasiven Pflanzen in Europa, gilt als eine der wichtigsten neophytischen Problempflanzen und ist verbreitet in Deutschland und in der Slowakei. Unter dem Begriff Staudenknöteriche werden bei uns der hĂ€ufig vorkommende Japanische Staudenknöterich (Japan-Knöterich, Fallopia japonica), der nicht ganz so hĂ€ufigen Sachalin-Staudenknöterich (Fallopia sachalinensis) und eine Kreuzung der beiden Arten, der Böhmische Staudenknöterich (Fallopia x bohemica) zusammengefasst. Das natĂŒrliche Areal von F. japonica umfasst Japan, China und Korea, jenes von F. sachalinensis schließt daran nördlich an. Die Hybride F. x bohemica wurde erst in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts in Europa entdeckt und zum ersten Mal 1983 von Chrtek und ChrtkovĂĄ aus Böhmen beschrieben. Die beiden wurden im 19. Jahrhundert als Zier- und Viehfutterpflanzen nach Mitteleuropa eingefĂŒhrt. Diese Art ist an Ufern, in leichten feuchten AuwĂ€ldern, Fluren und Ruderalstellen verbreitet. Gegen die Fallopia-Arten sind in Europa vielfĂ€ltige BekĂ€mpfungsmaßnahmen entwickelt und erprobt worden. Die BekĂ€mpfung erfordert Kosten fĂŒr Maßnahmen und diese Pflanzen verursachen große ökonomische SchĂ€den. Zum Beispiel, die Kosten zur Eliminierung Fallopia-Arten wurden in SĂŒdwestdeutschland mit 2.800 Euro pro Hektar ermittelt. Der erste und wichtigste Schritt bei der BekĂ€mpfung ist die PrĂ€vention. FrĂŒherkennung von Invasionen und schnelle, koordinierte Reaktionen sind erforderlich, um Arten zu beseitigen oder einzudĂ€mmen, bevor sie zu verbreitet werden und die Kontrolle technisch und finanziell unmöglich wird.

Die geeignete Methode zur FrĂŒherkennung von Invasionen ist Habitatmodellierung. Die Habitatmodelle (Species Distribution Models –SDMs) beschreiben funktionale ZusammenhĂ€nge der Beziehung zwischen Organismen und ihrem Lebensraum und quantifizieren die QualitĂ€t von Habitaten aus der Sicht dieser Organismen. Es handelt sich hierbei um prĂ€diktive statistische Modelle. Ein Modell entsteht zwar meistens in einem iterativen Prozess, dennoch kann man 5 logische Schritte unterscheiden: konzeptionelle Formulierung, statistische Formulierung, Anpassung des Modells, Vorhersage und schließlich Evaluierung. FĂŒr die Habitatmodellierung gibt es heute eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken verfĂŒgbar und es gibt auch verschiedene Software und WerkzeugeSĂ€mtliche Arbeiten wurden mit Hilfe des GIS-Programms QGIS und des Statistikprogramms R ausgefĂŒhrt. FĂŒr R Programm wurde neben den zusĂ€tzlichen Erweiterungen verwendet. R ist eine Open-Source-Software sowie eine flexible Programmiersprache fĂŒr statistische Datenanalyse und Grafikerstellung.

Wir haben daher Umweltvariablen aus der Geodatanbank aus dem Institut fĂŒr Landschaftsökologie der Slowakischen Akademie der Wissenschaften genutzt, die Klima, Landnutzung und das Vorhandensein von möglichen Ausbreitungskorridoren (Straßen, Eisenbahn, FlĂŒsse) beschreiben. Alle diese Daten wurden als digitale Layer in einem Geographischen Informationssystem (GIS) aufbereitet. Die Variablen wurden in einer Auflösung von 50 x 50 m genutzt. Als Klimavariablen wurden Daten zu Temperatur und Niederschlag genutzt. Als Verbreitungsdaten wurde die Datenbank benutzt. Diese enthĂ€lt 1671 Vorkommensdaten aus der Slowakei. Aus dem Grund, und auch um reale Absenzdaten zu bekommen, wurden 200 Transekten konstruiert, die im Zeitraum von August bis Oktober begangen wurden.

FĂŒr die Erstellung von Habitatmodellen werden Verbreitungsdaten sowie Daten zu Umweltparametern, von denen angenommen wird, dass sie die Verbreitung der Art mitbestimmen, benötigt. Die Verbreitungsdaten der Neophyten (Vorkommen und Pseudo-Absenz, und Vorkommen und Absenz fĂŒr die Transekten) werden mit den Werten der erklĂ€renden Raster-Variablen ĂŒberlagert. Mit Hilfe statistischer Verfahren werden Variablen identifiziert, die die Verbreitung dieser Art bestimmen. Dazu wurden Modellierungsmethoden benutzt - Logistische Regression (engl. logistic regression model, LRM), Support Vector Machines, im Deutschen auch gelegentlich StĂŒtzvektormaschinen genannt, und andere Machine-Learning-Methoden - Random-Forest. Modelle waren kalibriert mit 70% der verfĂŒgbaren DatensĂ€tze fĂŒr Fallopia-Art, die restlichen 30% wurden fĂŒr die ModellprĂŒfung einbehalten. Der AUC-Validierungstest wurde unter Verwendung von An- und Abwesenheitstestdaten angewendet. Der AUC-Wert zeigt ein GLM Modell und ist ein Model mit besserer PrognosegĂŒte. Die Hypothese, dass Straßen und FlĂŒssen die Korridore die Ausbreitung von Fallopia-Arten sind, wurde durch die Habitatmodellierung bestĂ€tigt. Diese Korridore besitzen einen großen ErklĂ€rungsgehalt hinsichtlich des Vorkommens oder Fehlens der Arten. Über alle Arten hinweg waren das die Distanz-Variablen, die die Entfernung zu großen Straßen (Autobahn, sonstige asphaltierte Straßen) oder GewĂ€ssern (BĂ€che oder FlĂŒsse) beschreiben. Sie sind in fast jedem Modell enthalten und besitzen meist einen höchst signifikanten Einfluss auf das Vorkommen/Fehlen der Art.

Das Ziel des Projekts war es, mit Hilfe geeigneter Habitatmodellierungstechniken das Vorkommen invasiver Neophyten in der Slowakei zu beschreiben. Diese Methode wurde noch nicht verwendet, um eine Prognose des Vorkommens dieser Arten in der Slowakei zu machen. Die Erkennung der Habitate ist wichtig fĂŒr das Managment der Neophyten, als Grundlage zur Konzeptionserstellung zur BekĂ€mpfung sowie AusbreitungsprĂ€vention invasiver Pflanzen. Gebiete mit hohen Vorkommenswahrscheinlichkeiten Fallopia-Arten können so z.B. gezielt begangen und BekĂ€mpfungsmaßnahmen gegebenenfalls durchgefĂŒhrt wurden.


Übersicht

Förderzeitraum

07.02.2018 - 06.08.2018

Institut

Albert-Ludwigs-UniversitĂ€t Freiburg Abteilung fĂŒr Biometrie und Umweltsystemanalyse

Betreuer

Prof. Dr. Carsten Dormann

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