Effects of land-use change on productivity depend on small-scale plant species diversity

Understanding the interplay between land-use change, species diversity and ecosystem function is critical for the prediction of global change impacts on ecosystem services. Biodiversity experiments with artificial species assemblages have shown that community-scale species richness may affect ecosystem productivity and spatial stability. However, the use of synthetic communities with controlled levels of species density for biodiversity experiments has been criticised and their relevance for natural communities has been questioned. Here, we use a land-use change experiment to investigate the biodiversity effects on production within managed, upland grasslands. We examine species diversity and productivity at both the small plant-neighbourhood scale (14×14 cm) and the field scale (15 m×25 m) for two land-use trajectories under field conditions: intensification through fertilisation, and extensification through the cessation of mowing. Both intensification and extensification were associated with a decrease in species number, but the magnitude of this decrease was greater at the small scale. Extensification was associated with a decrease in small-scale productivity whereas intensification had no significant effect on small-scale productivity. Effects of land-use treatments on biomass production were mediated by variation in small-scale species number; species number showed a significant positive relationship with small-scale productivity within each land-use treatment. Furthermore, species number was associated with a decrease in the variance of small-scale green biomass. In contrast, no species diversity effects were found on productivity at the field scale. Instead, field-scale species diversity decreased with increase in the total above-ground biomass (green biomass+litter). This study demonstrates that biodiversity effects can be observed under field conditions at the small scale and may play an important role for ecosystem functioning and stability even in low-diversity plant communities.

ZusammenfassungEin Verständnis der Zusammenhänge zwischen veränderter Landnutzung, Artendiversität und Ökosystemfunktionen ist entscheidend für die Vorhersage des Einflusses der globalen Veränderungen auf die Ökosystemleistungen. Biodiversitätsexperimente mit künstlichen Artenzusammensetzungen haben gezeigt, dass der Artenreichtum auf der Lebensgemeinschaftsebene die Produktivität und räumliche Stabilität von Ökosystemen beeinflussen kann. Der Gebrauch von synthetischen Lebensgemeinschaften mit kontrollierten Niveaus der Artendichte bei Biodiversitätsexperimenten wurde jedoch kritisiert und die Relevanz für natürliche Gemeinschaften in Frage gestellt. An dieser Stelle benutzen wir ein Experiment zur Landnutzungsänderung um die Auswirkungen der Biodiversitätseffekte auf die Produktion von bewirtschafteten Hochlandgrünflächen zu untersuchen. Wir untersuchen die Artendiversität und die Produktivität sowohl auf einer kleinen Pflanzennachbarschaftsskala (14 cm×14 cm) und auf einer Feldskala (15 m×25 m) entlang von zwei Landnutzungstransekten unter Freilandbedingungen: Intensivierung durch Düngung und Extensivierung durch das Einstellen der Mahd. Sowohl die Intensivierung als auch die Extensivierung waren mit einer Abnahme der Artenzahl verbunden, die Größenordnung der Abnahme war jedoch auf der kleinen Skala größer. Die Extensivierung war mit einer Abnahme der Produktivität auf der kleinen Skala verbunden, während die Intensivierung auf der kleinen Skala keinen signifikanten Effekt auf die Produktivität hatte. Die Auswirkungen der unterschiedlichen Landnutzungen auf die Biomassenproduktion wurde durch die Variation der Artenzahl auf der kleinen Skala vermittelt. Die Artenzahl zeigte eine signifikante positive Beziehung mit der Produktivität auf der kleinen Skala bei beiden Landnutzungstypen. Darüber hinaus war die Artenzahl mit einer Abnahme in der Variation der grünen Biomasse auf der kleinen Skala verbunden. Im Gegensatz dazu wurden keine Effekte der Artendiversität auf die Produktivität auf der Feldskala gefunden. Stattdessen nahm die Artenzahl auf der Feldskala mit zunehmender absoluter oberirdischer Biomasse (grüne Biomasse und Streu) ab. Diese Untersuchung demonstriert, dass Effekte der Biodiversität auf der kleinen Skala unter Freilandbedingungen beobachtet werden können und eine wichtige Rolle für die Ökosystemfunktion und -stabilität auch bei Pflanzengemeinschaften mit wenigen Arten spielen.