Size-based food web characteristics govern the response to species extinctions

How ecological communities react to species extinctions is a long-standing yet current question in ecology. The species constituting the basic units of ecosystems interact with each other forming complex networks of trophic relationships and the characteristics of these networks are highly important for the consequences of species extinction. Here we take a more general approach and analyze a broad range of network characteristics and their role in determining food web susceptibility to secondary extinctions. We extend previous studies, that have focused on the consequences of topological and dynamical food web parameters for food web robustness, by also defining network-wide characteristics depending on the relationships between the distribution of species body masses and other species characteristics. We use a bioenergetic dynamical model to simulate realistically structured model food webs that differ in their structural and dynamical properties as well as their size structure. In order to measure food web robustness we calculated the proportion of species going secondarily extinct. A multiple regression analysis was then used to fit a general model relating the proportion of species going secondarily extinct to the measured food web properties. Our results show that there are multiple factors from all three groups of food web characteristics that affect food web robustness. However, we find the most striking effect was related to the body mass–abundance relationship which points to the importance of body mass relationships for food web stability.

ZusammenfassungDie Frage nach den Konsequenzen des Artensterbens für ökologische Gemeinschaften ist eine aktuelle Frage, die Ökologen seit langer Zeit beschäftigt. Arten bilden die Grundeinheiten der Ökosysteme: sie interagieren untereinander und bilden dadurch komplexe Netzwerke. Trophische Beziehungen innerhalb dieser Netzwerke und generelle Netzwerkeigenschaften sind entscheidend für die Folgen des Artensterbens. In dieser Studie beschäftigen wir uns mit einem generellen Ansatz, um eine breite Palette von Netzwerkeigenschaften und deren Rolle für sekundäres Artensterben innerhalb von Nahrungsnetzen zu analysieren. Vorherige Studien beschäftigten sich entweder mit topologischen Parametern oder simulierten dynamisch kleinere Nahrungsnetz-Modulen. Unsere Studie kombiniert beide Ansätze und erweitert das Modell um die Abhängigkeit der Parameter von Körpermassen. Wir benutzen dabei ein bioenergetisches Modell und simulieren realistisch strukturierte Nahrungsnetze. Dabei liegt der Fokus auf einer realistischen Körpergrößenverteilung der Arten, sowie auf realistischen Annahmen bezüglich struktureller, dynamischer Aspekte. Die Robustheit der Nahrungsnetze ist zu verstehen als der Anteil der sekundären Aussterbeereignisse, die ausgelöst werden durch das systematische primäre Aussterben. Dabei wird nacheinander jeweils eine Art aus dem Netz entfernt, bis jede Art einmal entfernt wurde. Um den Einfluss einzelner Netzwerkfaktoren auf sekundäres Aussterben zu identifizieren, benutzten wir hier ein multiples Regressionsmodell. Es zeigt sich, dass Faktoren aus drei unterschiedlichen Gruppen (topologisch, dynamisch, allometrisch korreliert) die Robustheit von Nahrungsnetzen beeinflussen. Der Zusammenhang zwischen Abundanzen und Körpermassen, der die Artgemeinschaften charakterisiert, zeigte interessanterweise den stärksten Effekt auf die sekundäre Aussterberate.