Additive partitioning of plant diversity with respect to grassland management regime, fertilisation and abiotic factors

Abstract

Understanding patterns of vascular plant diversity in managed temperate grasslands and the processes that determine them requires analyses at multiple spatial scales. In this study, we applied additive partitioning to plant species richness data of two contrasting management regimes (meadow vs. pasture) collected from a nested sampling design that consisted of two hierarchical scales. At the local scale, we quantified additive diversity components in 180 vegetation plots, and at the regional scale in 60 grassland parcels. Total observed regional species richness (γr) was partitioned into its additive components within (αl) and among vegetation plots (βl) and among grassland parcels (βr). We used the same approach in a comparison of common and infrequent plant species. Partitioning analyses revealed that the relative contributions of diversity components to total observed regional species richness changed as a function of spatial scale. We found that species richness among grassland parcels (βr) of both meadows and pastures contributed most to total observed regional species richness (γr) of all and infrequent plant species (up to 81% and 96%, respectively), whereas for common species only up to 51% of γr were attributable to species richness among grassland parcels (βr). To gain insight into the processes that may affect local patterns of species richness in grasslands, we analysed the observed local species diversity components with respect to management regime, nitrogen fertilisation and abiotic environmental factors (slope angle and soil quality). Our results show that grazing at a low-to-moderate stocking density promotes the β-diversity of all plant species at the local scale due to increased within-habitat heterogeneity. Low application rates of nitrogen fertilisers and abiotic environmental conditions such as steep slopes and soils with a low nutrient status generally benefited local species diversity components. We conclude that the observed patterns of plant species diversity are shaped by processes at multiple spatial scales.

Um die Muster pflanzlicher Artenvielfalt im Wirtschaftsgrünland gemäßigter Klimate und die ihnen zugrundeliegenden Zusammenhänge verstehen zu können, sind Analysen auf multiplen räumlichen Skalen erforderlich. Um die Artenanzahl in zwei gegensätzlichen Managementsystemen (Wiese vs. Weide) zu analysieren, wurde in dieser Untersuchung der Ansatz der additiven Partitionierung verwendet. Die Daten wurden mit Hilfe eines räumlich genesteten Versuchsdesigns gewonnen, das aus zwei hierarchischen Skalen bestand. Auf der lokalen Skala wurden die additiven Diversitätskomponenten auf 180 Vegetationsparzellen bestimmt, während die Bestimmung der Komponenten auf regionaler Skala auf 60 Grünlandschlägen erfolgte. Die gesamte regionale Artenanzahl (γr) wurde in ihre additiven Komponenten innerhalb (αl) und zwischen den Vegetationsparzellen (βl) sowie zwischen den Grünlandschlägen (βr) aufgeteilt. Zusätzlich wurde die beschriebene Vorgehensweise für den Vergleich von häufig und selten vorkommenden Arten verwendet. Die Partitionsanalysen ergaben, dass sich der relative Beitrag der Diversitätskomponeten zur Gesamtartenzahl auf regionaler Ebene abhängig von der räumlichen Skala unterschied. Es zeigte sich, dass die Artenanzahl zwischen den Grünlandschlägen (βr) von sowohl Wiesen als auch Weiden den größten Beitrag zur Gesamtartenzahl (γr) auf regionaler Skala bei allen sowie bei selten vorkommenden Pflanzenarten leistete (bis zu 81% bzw. 96%). Dagegen konnte bei den häufig auftretenden Arten nur bis zu 51% von γr der Artenanzahl zwischen den Grünlandschlägen (βr) zugeordnet werden. Um Einblicke in die Prozesse zu erlangen, die den Artenreichtum auf Grünlandflächen beeinflussen, wurden die beobachteten Muster der lokalen Diversitätskomponenten auf ihre Abhängigkeit von Managementsystem, Stickstoffdüngung und abiotischen Umweltfaktoren (Hangneigung und Bodenqualität) untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine niedrige bis mittlere Besatzdichte die β-Diversität aller Pflanzenarten auf lokaler Skala durch eine Heterogenitätszunahme innerhalb des Habitates erhöhen kann. Geringe Stickstoffdüngungen und abiotische Umweltbedingungen wie steile Hanglagen und nährstoffarme Böden begünstigen generell die lokalen Diversitätskomponenten. Aus der durchgeführten Untersuchung lässt sich ableiten, dass die beobachteten Muster pflanzlicher Artenvielfalt durch Prozesse auf multiplen räumlichen Skalen gestaltet wurden.