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Change in grassland functional composition via resource shifts driven by climate extremes

English title Change in grassland functional composition via resource shifts driven by climate extremes
Applicant Stampfli Andreas
Number 185110
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Berner Fachhochschule BFH
Institution of higher education Berne University of Applied Sciences - BFH
Main discipline Ecology
Start/End 01.07.2019 - 30.06.2023
Approved amount 588'000.00
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Keywords (8)

drought resistance; ecological stability; land use intensity; multi-site experiment; plant community reordering; plant traits; semi-natural grassland; soil moisture

Lay Summary (German)

Lead
Das Zusammenwirken von Klimawandel und Intensivierung der Landnutzung birgt nicht kalkulierbare Risiken für die Funktion und Stabilität von Wiesen und Weiden. Bisher sind für das Graslandökosystem weder die Grenze der Trockenheitsresistenz noch ihre Empfindlichkeit gegenüber der Landnutzungsintensität hinreichend bekannt. Jetzt sollen Feldexperimente und eine Langzeitdatenreihe über die Bedeutung von bestimmten Pflanzeneigenschaften für die Stabilität von Wiesen und Weiden Auskunft geben.
Lay summary

Dürreperioden werden in Mitteleuropa häufiger und zunehmend härter. Gleichzeitig gibt es Hinweise dafür, dass Wiesen und Weiden zunehmend an Trockenresistenz verlieren, da die heute vorherrschende Landwirtschaftspraxis raschwüchsige Futtergräser und -kräuter auf Kosten von langsam wachsenden, trockenheitstoleranteren Arten fördert. Wie sich der fortschreitende Klimawandel mit häufigeren und härteren Trockenperioden auf diesen unerwünschten Artenrückgang auswirken wird und welche Folgen dies wiederum für die Funktion und Stabilität des Graslandökosystems hat, ist bisher nicht ausreichend geklärt.

Um diese Fragen zu untersuchen, simulieren wir in verschiedenen Experimenten saisonale Dürren und Extremereignisse, einerseits in bestehenden, unterschiedlich intensiv genutzten Wiesen und Weiden, andererseits in neu angesäten Versuchsflächen, in denen die wichtigsten Arten der untersuchten Wiesen und Weiden unter gleichen Bedingungen am gleichen Ort wachsen. In allen Versuchsflächen erfassen wir vor, während und nach der simulierten Trockenheit die Artenzusammensetzung und Ökosystemfunktionen quantitativ und analysieren die Daten auf unterschiedliche Stabilitätsmasse hin. Ergänzend zu diesen Experimenten dienen uns Daten einer über 30-jährigen Langzeitstudie, die wir mit Analysen zu denselben Stabilitätsmassen untersuchen.

Mit diesem Projekt möchten wir die Grenzen der Trockenheitsresistenz von verschieden intensiv genutztem Grasland ausloten. Mit unseren Erkenntnissen zur Stabilität dieser Ökosysteme möchten wir auf die Risiken einer Vegetationsentwicklung aufmerksam machen, die nach dem Überschreiten einer kritischen Schwelle zum Verlust von wertvollen Lebensräumen führt. Unsere Resultate sollen aber auch neue Impulse für die ökologische Aufwertung und die Bewirtschaftung von Grasland geben und ein Verständnis der Rolle bestimmter Pflanzeneigenschaften für die Funktion und Stabilität eines Graslandökosystems vermitteln.

 

31. Januar 2020

Direct link to Lay Summary Last update: 31.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
127246 Invasibility of Swiss Grasslands 01.01.2010 Project funding (Div. I-III)
100612 Influence of droughts on regeneration and vegetation change 01.04.2003 Project funding (Div. I-III)
149862 Drought legacy effects on grassland invasibility 01.04.2014 Project funding (Div. I-III)
112639 Influence of droughts on regeneration, vegetation change and ecosystem functioning 01.04.2006 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Drought severity is expected to increase with climate change as extreme weather events become more ‘extreme’. Increasing evidence suggests that land-use intensification may undermine grassland resistance to drought because nutrient addition and seeding promote plant species with resource-acquisitive traits at the expense of species with resource-conservative traits. Less drought-tolerant, resource-acquisitive species are increasingly encroaching and degrading semi-natural meadows which are high-priority reserves for biodiversity in Switzerland. The question of whether this undesirable increase in resource-acquisitive species will be exacerbated by short ‘flash’ droughts or offset by very long extreme droughts in the future, is unresolved.Experiments using pulse-drought perturbations in grassland have shown that productivity declines are sensitive to various biological and environmental factors, while the post-drought recovery of productivity is often fast and supported by nitrogen pulses related to the rewetting of soil. However, as drought treatments have often been rather mild, ecologists and agronomists have not explored the full range of drought impacts. Moreover, the mechanisms driving ecosystem reorganisation after very severe drought have received only little attention to date. The lack of exploration of the multidimensional nature of drought disturbances (press, pulse) and ecosystem stability (resistance, recovery, resilience and temporal stability) implies a knowledge gap which limits our current understanding. Leading scientists have emphasized the need of novel treatments which may cause extreme impact and exceed the resistance of an ecosystem to better explore the thresholds of ecosystem functioning. Furthermore, novel drought studies require multiple metrics and analyses of functional and compositional variables for different aspects of stability to progress in our understanding of multidimensional dynamic processes. We will apply multidimensional stability metrics to explore the effects of a range of severe droughts on the functional composition and functioning of grassland in four work packages (W1-W4). W1 imposes unprecedented drought duration in a multi-site experiment across functionally disparate grasslands shaped by land use. W2 combines a seasonal-scale extreme (pulse) drought after a multi-annual-scale extreme (press) drought in a factorial design with crossed drought types to test the effect of a stress legacy on species loss. W3 assembles multi-species communities with different properties resulting from the four dominant species of the grasslands of W1 in a common garden experiment. Mature communities will be exposed to a wide gradient of drought dimensions to explore the mean thresholds of species loss. W4 uses unexplored data series (1988-2018) of biomass and species frequency from a long-term study in an unfertilized semi-natural grassland to analyse shifts in productivity, functional trait composition, grassland structure and species composition after recurrent seasonal droughts since 1988. With this project we wish to get to know the dimension of droughts inducing critical species loss and the critical limits of drought resistance for differently managed semi-natural and agricultural grasslands. We also wish to close the gap in our mechanistic understanding of grassland reorganisation after drought. This knowledge will inform robust policy for the successful management of grassland biodiversity.
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