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Vegetation ecology of springs [Elektronische Ressource] : ecological, spatial and temporal patterns / Volker Audorff

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139 pages
Volume 5 . 2009 ISSN 1862-9075 BayCEER-online Volker Audorff Vegetation ecology of springs:ecological, spatial and temporal patterns BayCEER-online ISSN 1862-9075 BayCEER-online is the internet publication series of the University of Bayreuth, Bayreuth Center of Ecology and Environmental Research (BayCEER) © 2009 by Bayreuth Center of Ecology and Environmental Research (BayCEER), University of Bayreuth The use of general descriptiver names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. Cover design: Schlags & Schlösser Kommunikation GmbH, 95444 Bayreuth, Germany WorldWideWeb: http://www.bayceer.uni-bayreuth.de BayCEER-online Volume 5 / 2009 Die  vorliegende  Arbeit  von  Herrn  Volker  Audorff,  geb.  am  06.12.1969  in Marktredwitz, wurde in der Zeit von Februar 2003 bis Januar 2009 in Bayreuth am Lehrstuhl  für  Biogeografie  unter  der  Betreuung  von  Prof.  Dr.  Carl  Beierkuhnlein angefertigt.        Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie  und  Geowissen‐schaften der Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung  des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.).    Dissertation eingereicht am:  08.
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Volume 5 . 2009
ISSN 1862-9075
BayCEER-online
Volker Audorff
Vegetation ecology of springs:
ecological, spatial and
temporal patterns



BayCEER-online
ISSN 1862-9075

BayCEER-online is the internet publication series of the University of Bayreuth,
Bayreuth Center of Ecology and Environmental Research (BayCEER)

© 2009 by Bayreuth Center of Ecology and Environmental Research (BayCEER), University of Bayreuth
The use of general descriptiver names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not
imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant
protective laws and regulations and therefore free for general use.
Cover design: Schlags & Schlösser Kommunikation GmbH, 95444 Bayreuth, Germany

WorldWideWeb: http://www.bayceer.uni-bayreuth.de
BayCEER-online Volume 5 / 2009
Die  vorliegende  Arbeit  von  Herrn  Volker  Audorff,  geb.  am  06.12.1969  in 
Marktredwitz, wurde in der Zeit von Februar 2003 bis Januar 2009 in Bayreuth am 
Lehrstuhl  für  Biogeografie  unter  der  Betreuung  von  Prof.  Dr.  Carl  Beierkuhnlein 
angefertigt. 
 
 
 
 
 
 
 
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie  und  Geowissen‐
schaften der Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung  des 
akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.). 
 
 
 
Dissertation eingereicht am:  08. Januar 2009 
Zulassung durch die Promotionskommission:  14. Januar 2009 
Wissenschaftliches Kolloquium:  25. Mai 2009 
Amtierender Dekan:  Prof. Dr. Axel Müller 
 
 
 
Prüfungsausschuss 
1.  Prof. Dr. Carl Beierkuhnlein (Erstgutachter) 
2.  Prof. Dr. Björn Reineking (Zweitgutachter) 
3.  Prof. Dr. Stefan Peiffer (Vorsitz) 
4.  PD Dr. Gregor Aas 
5.  PD Dr. Gian‐Reto Walther 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tales sunt aquae, quales terrae, per quas fluunt. 
Plinius der Ältere 
 
   Contes 
Contents 
Summary  1
Zusammenfassung  3 
Introduction  5 
 Background  5 
  Research objectives and hypotheses  9 
Synopsis  12 
  Outline of the manuscripts  12 
  Summarising conclusions and emerging research challenges  13 
References  17 
List of manuscripts and specification of own contribution  21 
Manuscript 1  23 
  The  role  of  hydrological  and  spatial  factors  for  the  vegetation  of  Central 
European springs 
Manuscript 2  47 
  Drivers  of  species  composition  in  siliceous  spring  ecosystems: 
groundwater chemistry, catchment traits or spatial factors? 
Manuscript 3  69 
  Is the delineation of niche attributes a matter of spatial scale? 
Manuscript 4  91 
  Inter‐annual vegetation dynamics in forest springs 
Manuscript 5  107 
  Are bryophytes better indicators for inter‐annual changes in spring water 
quality than vascular plants? 
List of publications  126 
Acknowledgements  129 
Statement  131 
 
     Summary 
Summary 
Acidification  is  a  phenomenon,  which  affected  the  forested  catchments  of  the  northern 
hemisphere  severely  over  recent  decades.  Acidic  depositions  depleted  the  buffering 
capacities of soil and groundwater, what lead to an impairment of forests, headwaters, and 
lakes.  Even  though  the  depositions  were  reduced  considerably  since  the  early  1990s,  the 
recovery of catchments was found to occur time‐delayed. The grade of recovery was found to 
vary significantly between regions. 
Biomonitoring  is  an  appropriate  tool  to  detect  spatial  and  temporal  patterns  of  ecosystem 
alterations,  such  as  acidification  and  recovery.  However,  to  know  the  interrelationships 
between  organisms  and  their  environment  is  an  indispensable  precondition  for  the 
identification  of  indicator  species.  The  complexity  of  ecosystems  and  ecological  processes 
hampers this quest oftentimes. Springs provide a natural setin g  that  minimises  such 
constraints. Compared to other habitat types, external factors are less relevant, which makes 
it easier to relate changes in species abundances to changes in their environment. Studying 
this species‐environment relationship, here the response of plant species to the acidification 
of the spring waters was of particular interest. 
In  a  survey  of  five  regions  in  Central  Europe  ‐  taking  spatial,  hydrophysical  as  well  as 
hydrochemical parameters of the springs into account ‐ it was clearly shown that the species 
composition of springs is essentially determined by the spring water  chemistry,  and  more 
precisely by the gradient of acidity and nutrient availability. This connection was reflected by 
spatial  patterns  within  and  between  the  regions.  These  patterns  provide  useful  ecological 
information about spring water quality and in return about the acidity status of their forested 
catchments. 
Including catchment traits ‐ like bedrock, climatic parameters, and forest vegetation ‐ in the 
analyses, these emerged to be relevant for the species composition of springs, but less than 
the spring water chemistry. A path analysis showed that the catchments affect the vegetation 
of springs not directly, but indirectly via the determination of spring water quality. Hence, the 
catchments are a part of the functional chain, which is driven by the atmospheric depositions. 
The pH‐value was found to represent the gradient of acidity and nutrient availability best. It 
can  serve  as  a  proxy  measure  that  can  be  related  to  species  occurrence  and  to  species 
dynamics  respectively,  aiming  to  identify  indicator  species  for  assessing  the  status  and 
alterations of spring water quality. 
With the aim to delineate niche optima and amplitudes, which in return can serve as indicator 
values, the realised niches of spring‐inhabiting species were modelled with respect to pH. The 
  1 Summary 
niche  attributes  were  found  to  be  a  matter  of  sampling  scale.  Larger  plot  sizes  (grain) 
weakened  the  species‐environment  relationship,  what  consequently  resulted  in  broader 
niche amplitudes. In contrast, the grain did not influence the species’ pH optima. 
Monitoring  approaches  that  target  to  assess  processes  in  time,  such  as  acidification  and 
recovery,  are  dependent  on  the  response  time  of  indicator  species  to  changes  in  their 
environment. Investigating an interval of four consecutive years,  inter‐annual  variability  of 
the species composition could not be attributed to changes in the acidity of the spring waters. 
Looking at single species, bryophytes did not show a higher sensitivity  to  the  inter‐annual 
variability  of  the  environment  than  vascular  plants.  Actually,  only  a  minority  of  all  species 
featured abundance changes which were significantly correlated to variations in spring water 
acidity. Our results suggest that the species inertia retards the vegetation dynamics of forest 
springs. A delayed or long‐term integrating response of potential indicator species must be 
considered  when  evaluating  their indicator suitability. In conclusion,  the  biomonitoring  of 
spring water acidification or recovery is expedient only for longer time intervals. 
In a nutshell, the vegetation of springs is closely related to the  hydrochemical  traits  of  the 
spring waters, in particular to a gradient of acidity and nutri ent  availability.  Individual 
species  as  well  as  whole  plant  communities  are  suitable  indicators  which  allow  for  the 
monitoring of the acidity status of forested catchments. The results of this study contribute to 
a  better  understanding  of  the  species‐environment‐relationships, and in return to an 
improvement of indicator systems. 
 
 

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