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EXTRAS: Extending dynamic vegetation models to simulate non-tree species invasions and range shifts

English title EXTRAS: Extending dynamic vegetation models to simulate non-tree species invasions and range shifts
Applicant Lischke Heike
Number 182609
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.09.2019 - 31.08.2023
Approved amount 442'516.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Environmental Research
Agricultural and Forestry Sciences
Ecology

Keywords (10)

Symbionts; Invasive species; Pests; Interacting species; Ecological modelling; Land use change; Climate change; DGVM; Migration; Species distribution

Lay Summary (German)

Lead
Mit dem Klima- und Landnutzungs-Wandel werden Pflanzenarten Gebiete verlieren, wo sie heute vorkommen, und sich möglicherweise in neue Gebiete ausbreiten, mit Konsequenzen für die Biodiversität oder die Kohlenstoffflüsse. Aber auch andere mit den Pflanzen wechselwirkende Arten werden sich möglicherweise ausbreiten. Beides werden wir modellieren und über Europa simulieren.
Lay summary

Inhalt und Ziele:

Dazu werden wir LPJ-GM anwenden, ein dynamisches globales Vegetationsmodell, in dem Pflanzen-Gesellschaften (zusammengefasst in Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften sowie Baumarten) sich abhängig von Umweltbedingungen dynamisch entwickeln; die Baumarten können in LPJ-GM ausserdem über ihre Samenverbreitung im Raum wandern.
Wir wollen mit LPJ-GM abschätzen in wieweit verschiedene Szenarien für Klima-und Landnutzungs-wandel und für die Samenausbreitung die Ausbreitungsdynamik der Baumarten über Europa beeinflussen.  
Zudem werden wir LPJ-GM um ein Modell von mit Bäumen wechselwirkenden Nicht-Baumarten erweitern, das Dynamik, Interaktion mit den Bäumen und Ausbreitung dieser Arten beschreibt. Dieses Modell wird bewusst einfach formuliert, damit es für viele verschiedene Arten angewendet werden kann.  Diese Erweiterung wird es uns ermöglichen, die verknüpfte Populations- und Ausbreitungs- dynamik der  Baum- und wechselwirkenden  Arten  zu simulieren.
Wir planen, das so erweiterte Modell mit Daten für vergangene und gegenwärtige Schädlingsinvasionen, z.B. die Eschensterben oder die Ulmenkrankheit, zu überprüfen. Anschließend werden wir die Anwendbarkeit des neuen Modells in Fallstudien testen. Mögliche Kandidaten sind a) der Asiatische Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis), eine invasive Schädlingsart an Laubbäumen, b) Baccharis spicata, ein Strauch, der sich auf Ruderalgebieten ausbreitet und andere Arten verdrängt, und c) die Trüffel (tuber spp.), die in Symbiose mit verschiedener Baumarten wächst, und sich schon von Südeuropa bis ins südliche Mitteleuropa ausgebreitet hat.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext:

Invasive Arten stellen eine grosse Gefahr für ideelle und kommerzielle Güter und Ökosystemdienstleistungen dar, können aber auch durchaus erwünscht sein, wie die Trüffel. Insbesondere Arten, die sich noch nicht in Europa oder der Schweiz ausgebreitet haben sind schwer zu bewerten. Unser Projekt wird in den Fallstudien eine Bewertung des zu erwartenden Schadens durch einige beispielhafte invasive Arten versuchen und ein Werkzeug erstellen mit dem die Bewertung ähnlicher Arten schnell durchgeführt werden kann.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
163223 CompMig: Extension and comparison of tree species migration models and Europe-wide simulations in the Holocene 01.03.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Dynamic vegetation models are widely used tools to evaluate the effects of climate and land use change, both in terms of carbon fluxes and stocks as well as (tree) species dynamics and distributions. In the current implementation they are capable to incorporate plant functional types (groups of functionally similar plant species), the main tree species and crops. Within the CompMig project over the last two years we have developed and tested a novel migration module for dynamic global vegetation models DGVMs, allowing tree species to migrate simultaneously and to interact with each other. We have implemented this module into the DGVM LPJ-GUESS (leading to the model LPJ-GM). This enables us to simulate for example the spread of tree species from the last glacial until today. In the new project we will first apply LPJ-GM in an ensemble study to estimate the range of future shifts of tree species and of the associated ecosystem goods and services (e.g. carbon sequestration) in Europe. In particular we will assess the contribution of climate change, land use change and dispersal limitation by comparing simulations with different model setups and driver scenarios. This study will demonstrate whether seed dispersal limitation affects species range shifts in response to climate change.Currently, DGVMs mostly ignore the effects and feedbacks of other species that also spread and interact with the vegetation. Such interacting species might be symbionts such as pollinators, but also invasive competitors, pests or pathogens that affect the vegetation and the ecosystem goods and services provided by it in future. Therefore, we will extend LPJ-GM by a module for the dynamics and spread of additional interacting non-tree species (INT). We will keep this model generic and simple, based on elements like food or host availability, environmental suitability, environment dependent net reproductive rate and spread rate. This extension will enable us to simulate population dynamics of non-tree species together with their impact on the simulated vegetation. In combination with the migration module, this will allow us to simulate the effects of antagonists, e.g. pest species which currently have not arrived in the simulated domain, or protagonists (e.g. symbiotic species) by covering both their expansion as well as their effect on the vegetation in a dynamic manner. We will test the so extended model (LPJ-GMINT) against data for past and current pest invasions, e.g. the ash dieback or the Dutch elm disease. Subsequently, we will test the applicability of the new model in case studies dealing with interacting non-tree-species of different type of dispersal, life history and interaction with the vegetation, such as beetles or shrubs, by adapting and parametrizing the INT module. We will run simulations with LPJ-GMINT with scenarios future climate and land-use change in suitable subregions of Europe and over suitable time periods. Potential candidate species are a) the Asian Longhorned Beetle (Anoplophora glabripennis), an invasive pest species on deciduous trees in Central Europe, in particular Switzerland, b) Baccharis spicata, a shrub which spreads on ruderal areas, and outcompetes other species, and has recently been found in Portugal, and c) the truffles (tuber spp.), a genus of symbiotic ectomycorrhizal fungi of several tree species typically native of southern Europe but already extending its range to southern Germany.
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