Impacts of soil temperature on high-latitude terrestrial biodiversity and ecosystem functioning, and climate change implications

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7622-6
Title: Impacts of soil temperature on high-latitude terrestrial biodiversity and ecosystem functioning, and climate change implications
Author: Robinson, Sinikka
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Luonnonvaraisten eliöiden tutkimuksen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i forskning om vilda organismer
Doctoral Programme in Wildlife Biology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-11-11
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7622-6
http://hdl.handle.net/10138/335446
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Anthropogenic climate change is one of the biggest threats to biodiversity and ecosystem functioning in high-latitude ecosystems. These regions are warming faster than the global mean, prompting changes in soil temperature, precipitation, and the onset and length of seasons. Species-level responses to these changes, rooted in temperature-dependent metabolic processes, will have consequences which permeate all levels of biological organisation and ecosystem functioning. Using a naturally occurring soil temperature gradient spanning 5–30 °C in the Hengill valley in Iceland, I set out to provide insight into long-term responses of species, communities, and soil processes to soil temperature. Epigeal plant and invertebrate communities were sampled in the summers of 2013, 2015, and 2017. In 2018, in addition to sampling aboveground communities, belowground communities and soil physiochemical properties were also examined. Chapter I sets out to examine the effect of soil temperature on populationand communitylevel epigeal invertebrate and plant communities. We recorded a significant decrease in the α-diversity of plants and invertebrates with increasing temperature, apparently driven by warming-induced decrease in plant species richness, and changes in the dominance hierarchy of the invertebrate community. Warm-adapted species replaced species with lower thermal optima in warm patches, leading to significant turnover in community structure with warming. Mean body size decreased with warming, and together with an overall increase in the abundance invertebrates at warmer patches, led to no effect of temperature on community biomass. Despite clear community-level trends in diversity and biomass indices, population-level effects were inconsistent, driven by differential thermal tolerances. However, these baseline trends were not consistent throughout the active season, as revealed in Chapter II. Seasonal fluctuations in invertebrate diversity indices were dampened by warming, while variation in biomass increased. Consistent with our findings in Chapter I, we found that smaller species were found in warmer patches and tended to emerge earlier in the season, lending support to general temperature-size rules. Shifts in species and community-level responses can have cascading effects on species interactions and ecosystem functioning. Chapter III revealed that increasing temperature strengthened plant-invertebrate interactions. Warming increased herbivory at the community-level despite inconsistent trends at the species-level mediated by plant development stage and the composition of the surrounding vegetation. Our results in Chapter IV indicate that belowground communities may be more resistant to soil warming than aboveground communities. We found that soil organic matter (SOM), rather than temperature, governed spatial variation in soil attributes. Warming had no effect on decomposition, and while some effect on the activity of nitrifiers was observed, SOM appeared to be the driving force behind N mineralisation. Warming-induced changes in nutrient availability had a positive effect on aboveground plant biomass, while belowground plant biomass was negatively affected by increasing temperature. The results presented in this thesis suggest that despite warming having strong effects on populations and communities, ecosystem functioning in the long run may be driven more by changes in resources than by direct effects of temperature. This thesis contributes to a growing body of literature indicating that long-term responses to climate change are complex and still poorly understood. Further research is needed that examines the potential for ecosystems to adapt and acclimatise to changing abiotic conditions, so that climate change policies can prioritise those species, processes, and ecosystems which are most vulnerable to climate change.Ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos on yksi suurimmista uhista biologiselle monimuotoisuudelle ja ekosysteemien toiminnalle pohjoisissa ekosysteemeissä. Nämä alueet lämpenevät nopeammin kuin maailmanlaajuinen keskiarvo aiheuttaen muutoksia maaperän lämpötilassa, sademäärissä ja vuodenaikojen ajoituksessa ja pituudessa. Lajitasolla reaktiot näihin muutoksiin, jotka pohjautuvat lämpötilasta riippuvaan aineenvaihduntaan, aiheuttavat seurauksia kaikilla biologisen hierarkian ja ekosysteemin toiminnan tasoilla. Hyödyntämällä luonnossa esiintyvää maaperän lämpötilagradienttia 5 °C:sta 30 °C: een Hengillin laaksossa Islannissa tutkin lajien, lajiyhteisöjen ja maaperän prosessien pitkäaikaisia reaktioita maaperän lämpötilaan. Näytteitä maanpäällisistä kasvi- ja selkärangattomien yhteisöistä kerättiin kesällä 2013, 2015 ja 2017. Vuonna 2018 keräsin näiden näytteiden lisäksi näytteitä myös maanalaisista eliöyhteisöistä ja tutkin maaperän fysiokemiallisten ominaisuuksien muutoksia. Artikkeli I käsittelee tutkimustani koskien maaperän lämpötilan vaikutusta selkärangattomiin ja kasveihin populaatio- ja yhteisötasoilla. Lämpötilan nousu aiheutti merkittävän vähenemisen kasvien ja selkärangattomien α-monimuotoisuudessa, mikä johtuu ilmeisesti lämpenemisen aiheuttamasta kasvilajien määrän vähenemisestä ja muutoksista selkärangattomien lajien välisessä hierarkiassa. Lämpimiin olosuhteisiin sopeutuneet lajit korvasivat matalan lämpötilan lajit maaperän lämpötilan noustessa, mikä johti muutokseen yhteisön rakenteessa lämpenemisen myötä. Selkärangattomilla keskimääräinen ruumiin koko pieneni lämpenemisen myötä, mutta koska selkärangattomien yksilömäärä lisääntyi samanaikaisesti lämpimillä alueilla, yhteisön biomassa ei muuttunut lämpenemisen myötä. Huolimatta selkeistä yhteisötason muutoksista monimuotoisuudessa ja yksilömäärässä, lajitason vaikutukset eivät olleet yhtenäisiä, mikä johtui lajien erilaisista lämpötoleransseista. Artikkelissa II käy ilmi, että havaitut perustason trendit eivät olleet yhdenmukaisia koko aktiivisen kauden ajan. Selkärangattomien monimuotoisuusindeksien kausivaihtelut vaimenivat maaperän lämmetessä, kun taas biomassan vaihtelut lisääntyivät. Artikkelissa I esitettyjen havaintojemme mukaisesti löysimme lämpimämmiltä alueilta pienikokoisempia lajeja, ja niillä oli taipumus ilmestyä aikaisemmin keväällä, kuten yleisten biologisten lämpötila-ruumiinkoko sääntöjen mukaan voi olettaa. Laji- ja yhteisötason reaktioiden muutoksilla voi olla vaikutuksia lajien väliseen vuorovaikutukseen ja ekosysteemien toimintaan. Artikkelissa III osoitamme, että lämpötilan nousu vahvisti kasvien ja selkärangattomien vuorovaikutusta. Lämpeneminen lisäsi kasvinsyöntiä yhteisötasolla, vaikka lajitasolla seuraukset olivat epäyhtenäisiä kasvien kehitysvaiheen ja ympäröivän kasvillisuuden koostumuksen takia. Artikkelin IV tulokset osoittavat, että maanalaisilla yhteisöillä on suurempi vastustuskyky maaperän lämpenemiselle kuin maanpäällisillä yhteisöillä. Havaitsimme, että maaperän orgaaninen aine (SOM) sääteli maaperän ominaisuuksien alueellista vaihtelua lämpötilan sijaan. Lämpenemisellä ei ollut vaikutusta eloperäisen aineen hajoamiseen, ja vaikka havaitsimme jonkin verran vaikutusta typpeä vapauttavien mikrobien toiminnassa, SOM näytti edistävän typen mineralisaatiota. Lämpenemisen aiheuttamilla ravinteiden saatavuuden muutoksilla oli positiivinen vaikutus maanpäälliseen kasvien biomassaan, kun taas lämpötilan nousu vähensi juuribiomassaa. Väitöskirjani tulokset viittaavat siihen, että vaikka lämpenemisellä on voimakkaita vaikutuksia populaatioihin ja yhteisöihin, ekosysteemin toimintaa voivat pitkällä aikavälillä ohjata enemmän ravinneresurssien kuin lämpötilan muutokset. Tässä esitetyt tulokset ovat osa lisääntyvää tutkimusnäyttöä, jonka mukaan pitkäaikaiset ilmastonmuutoksen vaikutukset ovat monimutkaisia ja edelleen puutteellisesti tunnettuja. On tutkittava ekosysteemien kykyä sopeutua muuttuviin olosuhteisiin, jotta ilmastonmuutospolitiikassa voidaan ottaa erityisesti huomioon ne lajit, prosessit ja ekosysteemit, jotka ovat alttiimpia ilmastonmuutokselle.
Subject: ekologia
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
robinson_sinikka_dissertation_2021.pdf 2.225Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record