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Diplom thesis in Landscape Ecology & Nature Conservation at Ernst Moritz Arndt University Greifswald

IX + 64 pp.

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Keywords: biodiversity; BIOTA Africa; inventory completeness; extrapolation; fenceline contrast; Namibia; nested plot; overlooked species; sampling effort; random sampling; rangeland; richness estimator; savanna; species richness; species-area relationship; species-

English abstract: This study was performed on the BIOTA Observatories pair Narais and Duruchaus in a semiarid savanna ecosystem in central Namibia. The two Observatories have been chosen because of their different land-use intensities which is indicated by a strong fence line contrast. The farm of Duruchaus is grazed with high intensity by cattle and sheep, whereas the Narais farm is only lightly grazed. The study had three major goals: i) to identify differences between the Observatories at different spatial scales regarding plant diversity, vegetation composition, and site conditions and to evaluate them with respect to the differing grazing intensities; ii) to give an estimate of the total plant species richness of each Observatory by applying and comparing three different extrapolation methods commonly used in biodiversity research (species-area relationships = SARs; species-sampling relationships = SSRs; non-parametric richness estimators); and iii) to test the influence of time effort on the degree of completeness of floristic inventories at the 1-ha scale. During the rainy season of 2009, all vascular plants were sampled on 20 completely randomly distributed 1000-m² plots on both Observatories. Within each plot, subplots of 0.01 m², 0.1 m², 1 m², 10 m², and 100 m² were nested and replicated. Soil samples were taken and analysed from all 100-m² subplots. Additionally, ten 1-ha plots were sampled in a standardised way with high time effort, registering the point of time, whenever a new species was encountered. A permutation test was used to analyse potential differences in parameter means between the Observatories. SARs were fitted by 12 different models (power, logarithm, asymptotic) and SSRs by six asymptotic models. Further, four non-parametric richness estimators were applied. The curves of species encounters versus sampling time of the 1-ha plots were fitted with the same set of six asymptotic functions as the SSRs in order to determine the 'true' richness within a specific hectare plot. Finally, the species lists for hectare plots were compared to those gained with BIOTA 'standard' sampling in the same year and accumulated over five years. As results, i) there was hardly any difference between the differently grazed Observatories in species richness at the different spatial scales, while other biodiversity indicators and species composition strongly deviated. (ii) The SAR approach with power or quadratic power functions worked best for extrapolation to the Observatory scale (1 km²), while other methods substantially underestimated the total species richness. (iii) The species-time approach proved to be an appropriate tool to specify the total species richness of the distinct area of 1 ha and to provide information on the completeness of vegetation censuses at this scale. Species overlooked during BIOTA 'standard' sampling were mostly rare, low-growing, and/or belong to the group of annual forbs or graminoids.

Deutsche Zusammenfassung: Die vorliegende Studie wurde auf dem BIOTA-Observatorienpaar Narais und Duruchaus in einem semi-ariden Savannenökosystem in Zentralnamibia durchgeführt. Die beiden Observatorien wurden aufgrund der sie unterscheidenden Landnutzungsintensität ausgewählt, die durch einen starken Zaunkontrast gekennzeichnet ist. Die Duruchaus Farm wird mit hoher Intensität mit Rindern und Schafen beweidet, die Narais Farm dagegen ist nur schwach beweidet. Die drei Hauptziele dieser Arbeit waren i) die Unterschiede zwischen den Observatorien hinsichtlich Vegetationszusammensetzung, Pflanzendiversitat und Standortfaktoren auf unterschiedlichen Skalenebenen herauszufinden und vor dem Hintergrund unterschiedlicher Beweidungsintensitaten zu bewerten, ii) Schätzungen fur die Gesamtartenvielfalt jedes der Observatorien abzugeben unter der Anwendung und im Vergleich dreier verschiedener Extrapolationsmethoden, die gewöhnlich in der Biodiversitätsforschung Verwendung finden (Art-Areal-Beziehung = SAR, Art-Stichproben-Beziehung = SSR, sowie nicht-parametrische Vielfaltschätzverfahren) und iii) den Einfluss des Zeitaufwands auf den Grad der Vollständigkeit von floristischen Bestandsaufnahmen auf dem Maßstab von einem Hektar zu testen. Während der Regenzeit 2009, wurden auf jeweils 20 vollständig randomisiert verteilten Aufnahmeflächen pro Observatorium von 1000 m² Größe alle Gefäßpflanzenarten aufgenommen. In jede Aufnahmefläche wurden Unterflächen von 0,01 m², 0,1 m², 1 m², 10 m² und 100 m² geschachtelt und repliziert. Auf allen 100-m² Unterflächen wurden Bodenproben entnommen und analysiert. Zusätzlich wurden zehn 1-ha Aufnahmeflächen mit einem standardisierten Verfahren mit hohem Zeitaufwand aufgenommen, wobei die Zeitpunkte beim Erfassen einer neuen Art festgehalten wurden. Um potentielle Unterschiede der Durchschnittswerte der Parameter zwischen den Observatorien zu analysieren, wurde ein Permutationstest angewendet. Die Art-Areal-Beziehungen wurden mit 12 verschiedenen Modellen (Potenzfunktion, logarithmische Funktion und asymptotische Funktionen) modelliert, die Art-Stichproben-Beziehungen mit sechs asymptotischen Modellen. Des Weiteren wurden vier nicht-parametrische Artenvielfaltschätzverfahren angewandt. Die Kurven der Arterfassung gegen die Aufnahmezeit auf den 1-ha Aufnahmeflachen wurden mit der gleichen Zusammenstellung an sechs asymptotischen Funktionen wie die Art-Stichproben Beziehungen modelliert, um die tatsachliche Artenvielfalt auf den jeweiligen Hektarflächen zu bestimmen. Schließlich wurden die Artenlisten der Hektarflächen mit denen aus dem BIOTA-Standardaufnahmeverfahren aus demselben Jahr und kumuliert über funf Jahre verglichen. Im Ergebnis gab es i) kaum einen Unterschied in der Artenvielfalt zwischen den unterschiedlich stark beweideten Observatorien auf unterschiedlichen Skalenebenen, wohingegen andere Biodiversitätsindikatoren und die Artenzusammensetzung stark abwichen. ii) Der Ansatz, mit Extrapolation der Art-Areal-Beziehungen als Potenz- oder quadratischen Potenzfunktionen die Gesamtartenzahl auf Observatorienmaßstab (1 km²) zu bestimmen, lieferte die besten Ergebnisse, während die andere Methoden die Gesamtartenzahl substanziell unterschätzten. iii) Die Anwendung der modellierten Arten-Zeitaufwandskurven der Hektarflächen stellte sich als geeignet heraus, die Gesamtartenvielfalt dieser Flächen zu schätzen und Informationen zur Vollständigkeit von Vegetationsaufnahmen zu liefern. Die in den BIOTA-Standardaufnahmen übersehenen Arten waren größtenteils selten, kleinwüchsig oder gehörten zur Gruppe der annuellen Kräuter und Graser.

Suggested citation:
Peters, J. (2010): Plant diversity patterns at different spatial scales in a semi-arid savanna ecosystem in central Namibia - 3 in Landscape Ecology & Nature Conservation at the Ernst Moritz Arndt University Greifswald: IX + 64 pp. DOI: 10.7809/thesis.diplom.003.