Räumliche Modellierung der potentiellen faunistischen Biodiversität mit einem Expertensystem

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Informationsblatt des Forschungsbereiches

Landschaftsökologie

CH-8903 Birmensdorf

Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft Institut federal de recherches sur la foret, la neige et le paysage lstituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research

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Dezember 1997

Räumliche Modellierung der potentiellen faunistischen Biodiversität mit einem Expertensystem

Wo liegen die bevorzugten Lebensräume der Tierarten der Schweiz?

Dies ist eine der Hauptfragen, welche sich mit unserem Expertensystem beantworten lassen. Das Modell errechnet Vorkommenspotentiale verschie- dener Tierarten aufgrund von artspezifischen Habitatansprüchen. Damit unterscheidet es sich wesentlich von Modellen, die auf der rein statistischen Auswertung von Funddaten beruhen, wie z.B. im Säugetieratlas der Schweiz.

Iris Heller-Kellenberger, Felix Kienast, Martin K. Obrist, Thomas' A. Walter Das Erkennen, Beobachten und Erklä-

ren der Artengemeinschaften ist eine wichtige Grundlage für Natur- und Landschaftsschutzkonzepte, Dem Be- dürfnis der Praxis nach umfassender und flächendeckender Information zur Biodiversität steht jedoch ein erhebli- cher Aufwand für Datenerhebung und Monitoring gegenüber, Hier kommt der räumlichen Modellierung eine wichtige Bedeutung zu, Mit ihrer Hilfe ist es

Ce modele spatial vise

a

simuler le potentiel de biodiversite faunistique sur taute la superficie de la Suisse, Il permet d'identifier les regions susceptibles d' abriter une Zarge biodiversite, d'une part, et de deceler les espaces preferen- tiels des especes qu 'il importe de proteger, d'autre part. Ce modele combine des exigences ecolo- giques specifiques formulees par des experts avec la repartition spatiale effective des types d'habitats. Il permet ainsi de visualiser la repartition potentiel- le des especes. Contrairement

a

certaines approches partant de releves effectues sur le terrain, ce modele n 'utilise aucune donnee indiquant la presence d' especes fauniques et il ne procede

a

aucune interpolation spatiale,

möglich, bestehendes Wissen aus räum- lich eng begrenzten Untersuchungen auf grössere Räume zu übertragen. Da- durch kann der Zeitaufwand von Monitoring-Projekten entscheidend reduziert und die Aussagekraft von punktuellen Felderhebungen ver- grössert werden.

Der Zweck des hier vorgestellten, räumlich expliziten Modells ist es, die potentielle faunistische Artenvielfalt der Schweiz flächendeckend zu simu- lieren, um einerseits Regionen hoher potentieller Biodiversität zu identifi- zieren ( «biodiversity hot-spots», MYERS 1988, MYERS 1990) und andererseits potentiell bevorzugte Lebensräume, sogenannte potentielle Vorzugsräume naturschützerisch wichtiger Arten, zu erkennen. Das Modell kombiniert artspezifische, von Experten formulierte Lebensraumansprüche mit der tatsäch- lichen räumlichen Verbreitung von Lebensraumtypen und ermöglicht es, die potentielle Verbreitung von Arten anzugeben. Somit unterscheidet sich unser Modell wesentlich von Ansät- zen, welche auf statistischen Bezie- hungen zwischen realen Fundort- daten und Habitatvorkommen beruhen (z.B. ELLMAUER, 1994; VÄISÄNEN und HE1,,1övAARA, 1994). Es ist klar, dass die Expertenmeinungen durch Wissen aus realen Funddaten beein-

Inf.bl, Forsch,bereiches Landsch.ökoi, 36, 1997

Lebensraumkarten

1~a1~ ~~I ' ! ~

Ex ertenmodell

artspezifische Habitatansprüche und Verbreitungsparameter

Potential karten

1

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potentielle

Vorzugsräume

~für'

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§:

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-

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III

-

viele Arten, naturschützerisch biodiversity hot-spots wichtige Arten

Abb. 1: Konzept der Modellierung von potentiellen Vorzugsräumen,

Fig, 1: Concept de modelisation des espaces preferentiels potentiels.

flusst sind (z.B. Auftreten in einer biogeographischen Grossregion), Aufbau des Expertensystems Das hier vorgestellte Expertensystem besteht aus verschiedenen Modulen, die in der Abbildung 1 schematisch dargestellt sind.

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Eschen-Mischwälder

„

^{1 • 20}

• 21 · 60

• 61-100

60 km

Abb. 2: CSCF-Lebensraum 6.52.

Fig. 2: Habitat 6.52, selon le Centre Suisse de Cartographie de la Faune (CSCF).

Ausgangspunkt der Modellierung sind digitaleLebensraumkartenim 1 km^2- Raster ( den Landeskoordinaten ent- sprechend), die auf der Basis vorhandener thematischer Karten - Arealstatistik, Vegetationskartierungen, bioklima- tische Karten, etc. - hergestellt wur- . den. Die verwendeten Lebensraum- typen sind identisch mit der publizierten «Lebensraumtypologie» des

«Centre Suisse de Cru:tographie de la Faune» - CSCF (GALLAND

&

GoNSETH 1990). Ein geographisches Informati'- onssystem (GIS) erleichterte die Über- lagerung der verschiedenen themati- .• sehen Karten. Aus deren Kombination

kann auf vorhandene Lebensraumtypen geschlossen werden. Auf diese Weise erstellten wir für jeden Biotoptyp eine Karte(Abb.2)mitAngabedeszugehö-

rigen Flächenanteils pro .1 km²-Feld.

Nur wenige Biotoptypen lass.en sich so··

nicht abbilden. Diese eher speziellen Lebensräume (z.B. Höhlenseen, künst- liche Ufer, einzelne Büsche, geschlos- sene Mülldeponien) erfordern räum- lich sehr differenziertes Datenmaterial als Beschreibungsgrundlage:

Die Lebensraumkarten, biogeographischen Regionen und Höhenstufen sind die Eingangsgrössen ins Experten- modell, in welchem die artspezifischen Habitatansprüche gutachtlich beschrie~

ben werden. Dieses Modell unterscheidet sich grundsätzlich von einem Fundortmodell, in welchem Vor- kommensdaten in eine statistische Be- ziehung zu Umweltparametern ge- bracht und darauf autbauend die poten- Tab 1: Habitatsansprüche und Verbreitungsparameter von drei Carabidae-Arten

Tabl. 1: Exigences ecologiques et parametres de repartition de trois especes de Carabidae.

CSCF-Lebensräume

Amara consularis 1.5 1 vegetationslose Sand- und Schotterbänke

Carabus concolor 4.21 Steppenrasen 4.22 Trocken rasen

Tachyta nana 6.52 Eschen-Mischwälder 6.2 Hochmoorwälder biogeögraphische Regionen (horizontale Verbreitung)

'

Amara tonsu/aris ganze Schweiz ohne östliche Zentralalpen

Carabus concolor westliche Zentralalpen und Südalpen

^V

Tachyta nana ganze Schweiz ohne westliche Zentralalpen und Engadin

Inf.bl. Forsch.bereiches Landsch.ökoI.·36, 1997

tielle Verbreitung geschätzt wird (HA.USSER 1995). Im hier vorgestellten Ansatz .verwenden wir die Fauna- datenbank der Professur für Natur- und Landschafö,schutz der ETHZ als Expertenmodell mit über 3000 Einträ- gen für verschiedene Tiergruppen. Zu jeder Art sind, nebst weiteren Daten, Angaben über Habitatansprüche, horizontale Verbreitung bzw. Höhenstufen vorhanden, wie in Tab. 1 aufgelistet.

Das Vorkommenspotential einer Tier- art wird nun mit Hilfe der erstellten Lebensraumkarten und den Habitat- angaben berechnet. Als quantitative Schätzung des Vorkommenspotentials nehmen wir einen linearen Zusammen- hang zwischen den vorhandenen Habitatflächenanteilen und der. Vor- kommenswahrscheinlichkeit an. Da sich einzelne CSCF-Lebensräume flächenmässig überlappen können (z.B.

Felswände und Kalkfelsen), wird der relevante Habitatflächenariteil verein- fachend als Mittelwert aller in einem Rasterquadrat vorkommenden, art- spezifüchen CSCF-Lebensraumanteile errechnet. Je grösser der Mittelwert der Habitatflächenanteile ist, desto grösser ist somit die Vorkommenswahrschein- lichkeit der betrachteten Tierart. Abb .. 3 zeigt das berechnete Vorkommens- potential einer ausgewählten Laufkäfer7 art unter Berücksichtigung der in Tab. 1 formulierten Habitatansprüche und Verbreitungsparameter.

Die Plausibilität des Modells bzw.

der berechneten Vorkommenspoten- tiale kann mit Hilfe von Fundortkarten geprüft werden. Zeigen sich gi;osse Abweichungen (z.B. Abbildung 4.,

7.33 betriebene Kiesgruben 4.24 bodensaure T rockenras~n 6.6 Nadelwälder montan/subalpin Höhenstufen

kollin, montan; subalpin alpin

kollin, montan

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Vorkommenspotential von

Tachyta nana {Carabidae)

Habitatanteil in % an 1 km

²

□

1 - 20

■

21 - 60

■ 61-100

':,'

Abb. 3: Vorkommenspotential von Tachyta nana (Carabidae).

Fig. 3: Presence potentielle de Tachyta nana (Carrbidae).

• 1- 20

■ 21- 60

• 61-100

• 1- 20

• 21- 60

• 61-100

60 tm

50 km

'

U .. •t M lt I II lt II „ ^{II II}^{II •} ^"ÛÛ„ ^H^• ÔIÔI^NÎI^"^,rⁿÎ<ÎI„ lt II II II II II II " n

04:09 Canbus auronitcns Fahr.

' . , .. U U II 111111IIII11111111 tl II II I I • • " • N I I " n ,,•,. II II II II lt U II II II . . . . •

29:44A Bcmbidion latinum Nct.

Abb. 4: Beispiele simulierter und beobachteter Verbreitungen (Fundorte nach Marggi (1992), mit Bewilligung des CSCF).

Fig. 4: Exemples de repartition simulee et de repartition observee (presence d' especes fauniques indiquee par Marggi (1992), avec l'autorisation du CSCF).

Inf.bl. Forsch.bereiches Landsch.ökol. 36, 1997

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Bembidion latinum) kann dies auf fünf Gründe zurückzuführen sein:

a) Die Lebensraumkarten wurden mit den verwendeten digitalen Grund- lagen realitätsfern simuliert.

b) Die ^Iberucksichtigten Habitats- ansprüche einer Art sind zuwenig detailliert, unvollständig oder feh- lerhaft oder die biogeographische Regionalisierung ist zu grob gefasst.

c} Die Verbreitung der Art wird massgebend durch zusätzliche, nicht habitat-spezifische Parame- . ter bestimmt, die in unserem Mo-

dell fehlen.

d) Die Funddaten sind unvollständig oder die Art wurde nicht systema- tisch (z.B. auf jedem R.;isterpunkt) .gesucht. ·

e) DieArtistzuwenigmobil, um über- all hinzugelangen, resp. sie hat auf einer andauernden, langsamen Ein- wanderung noch nicht alle potentiellen Lebensräume besetzt.

In allen Fällen ist eine Modell- bzw.

Fundortverifikation nötig. Dies wurde bis heute vor allem für Wirbellose durchgeführt. Eine Überprüfung durch Experten hilft Diskrepanzen zu erklä- ren.

Potentielle Vorzugsräume

Die Überlagerung berechneter Poten- tialkarten führt schliesslich zu potentiellen Vorzugsräumen. Je nach Frage- stellung können biodiversity hot-spots, d.h. Flächen mit grossem Artenreich- tum ausgeschieden oder potentielle Vorzugsräume von naturschützerisch wichtigen Arten ermittelt werden. Kar- ten mit potentiellen biodiversity hot- spots zeigen die theoretisch mögliche Anzahl vorhandener Arten pro Raster- quadrat. In Abb. 5 sind die potentiellen biodiversity hot-spots (schwarze Rasterquadrate) der Tiergruppen Lauf- käfer und Tagfalter dargestellt. Analog dazu werden die

potentiellen Vorzugs- räume yon naturschützerisch wichti- gen Arten

errechnet. Allerdings werden hier nicht mehr Sämtliche Arten:

einer faunistischen Gruppe überlagert, sondern z.B. Arten der Roten Liste . ausgewählt. Abb. 6 zeigt die potentiel-

len Vorzugsräume der b.edr:ohten Tag- falter der Schweiz (Status 1, 2 oder ;3 der Roten Liste).

Einsatz und Grenzen des Modells Das vorgestellte Modell ist eine Ergän- zung zum generell aufwendigen Er:he- ben von Vorkommensdaten. Informa.

tionen betreffend Verbreitung und

biodiversity hot-spots

Carabjdae (487 Laufkäferarten) '

Anzahl Arten pro 1km²

Cl 0- 77 ( <25%) e 78 - 154 (25%-50%)

• 155-231 (50%-75%) , 232 - 308 . ( > 75% )

biodiversity hot-spots

Lepidoptera (202 Tagfalterarten)

Anzahl Arten pro 1km²

Cl 0- 42 ( <25%) m 43 - 84 (25%-50%)

• 86 -126 (60%-76%)

■ 127-170 j >75%)

Abb.

5:

biodiversity hot-spots der Tiergruppen Laufkäfer und Tagfalter.

50 km

Fig. 5: Points riches en biodiversite pour les Carabides et les papillons diumes.

potentielle Vorzugsräume bedrohter Arten Lepidoptera (RL-Status 1, 2 oder 3)

Anzahl Arten pro 1 km²

Cl 0- 19 ( <25%) m 20- 38 (25%-50%)

■ 39 - 57 (50%-75%)

■ 58 - 74 ( > 75% )

50km

Abb. 6: potentielle Vorzugsräume der Tagfalter mit Status l, 2 oder 3 der Roten Liste.

Fig. 6: Espaces preferentiels potentiels des papillons diumes classes dans les cat6gories 1, 2 ou 3 de la Liste rouge.

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Artenvielfalt können grossflächig und im Vergleich zur Fundorterhebung mit relativ geringem Aufwand gewonnen werden. Das Vorkommenspotential lässt sich - zumindest für Wirbellose - hinreichend als Funktion der Habitat- ansprüche modellieren. Zusammen mit publizierten Fundorten ergibt sich ein recht vollständiges Bild der möglichen Verbreitung.

Die modellierten Vorzugsräume lie- fern einen Überblick über die potentiell in einem Gebiet vorkommenden faunistischen Arten; Gebiete mit grossem Artenreichtum, Flächen mit geringer Biodiversität oder Vorzugs- räume bedrohter Arten lassen sich leicht eruieren. Insbesondere können Aus- wirkungen von Landschaftsverände- rungen auf die Artengemeinschaft (z.B. Extensivierung von Landwirt- schaftsflächen) simuliert werden.

Das Modell zeigt jedoch eine Mo- mentaufnahme der potentiellen Bio- diversität der Schweiz. Kleinräumige Veränderungen der ökologischen Fak- toren wie z.B. eine Bachrenaturierung können nicht simuliert werden.

Technische Details, Vertrieb

• Die Berechnungen wurden mit Hilfe derGIS-SoftwareARCIINFO durch- geführt. Verschiedene Prozeduren automatisieren die Erstellung der Potentialkarten. Durch manuelle Eingabe kann der Benutzer die zu bearbeitende Art oder Gruppe definieren. Die nachfolgende Berechnung verläuft menugesteuert unter Zugriff auf die vorgängig erstellten und gespeicherten Lebensraumkarten und die Artangaben (Textfiles mit Artname, Verbreitungsparameter und Habitatansprüchen).

• Beschreibung des Expertensystems mit Darstellung der Lebensraum- karten und ausgewählten Potentialkarten auf dem Internet:

http://www.wsl.ch/land/evolution/biomod/

• Die Karten der Lebensraumtypen können als ASCII-Files ab Februar 1998 per Forschungsvereinbarung mit der WSL bezogen werden. Preis auf Anfrage (http://www.wsl.ch/land/evolution/biomod/habmaps.html).

• Es besteht ausserdem die Absicht, die Potentialkarten nach einer Expertenvernehmlassung zugänglich zu machen.

Referenzen

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Hausser, J., 1995: Säugetiere der Schweiz. Denkschriftenkommission der Schweizerischen Akademie der Naturwissenschaften. Birkhäuser Verlag, Basel.

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Schweizerisches Zentrum für die kartographische Erfassung der Fauna (SZKF).

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Myers, N., 1990: The biodiversity challenge: expanded hot-spot analysis. The Environmentalist, 10:

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Väisänen, R.; Heliövaara, K., 1994:

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Diese Schriften sind bei der WSL-Bibliothek erhältlich: BUWAL/WSL (Hrsg), 1997:

Kienast, F.; Wildi, O.; Lemm, R.; Zimmermann, N., 1997:

- Klimaveränderung - Vegetationsveränderung?

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Argumente aus der Forschung 13: 2-8.

- Autre climat - Autre vegetation? Les reponses donnees par la modelisation.

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Latemser, M.; Schneebeli, M.; Föhn, P.; Ammann, W., 1997:

- Klima, Schnee und Lawinen. Neue Erkenntnisse aufgrund der Auswertung langjähriger Datenreihen.

Argumente aus der Forschung 13: 9-15.

- Climat, neige et avalanches. Nouvelles connaissances acquises par l'evaluation de de series de donnees pluriannuelles.

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Nierhaus-Wunderwald, Dagmar; Lawrenz, P., 1997:

- Zur Biologie der Mistel.

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- Biologie du gui Not. prat. 28: 8 S.

Waldbeobachtung Schweiz 1996-99

[Faktenmappe mit 7 Faktenblättern] (in Deutsch, Franzö- sisch, Italienisch und Englisch erhältlich)

WSL/BUWAL (Hrsg.), 1997:

Walderhebungsprogramm 1992-1995 Umwelt-Materialien 75: 56 S.

Erhältlich bei F. Flück-Wirth, Internationale Buchhand- lungfür Botanik undNatwwissenschaften, ( CH-9053 Teufen, Telefon: 07 l 333 16 87, Fax: 07 l 333 16 64) :

Schmid-Haas, P.; Baumann, E.; Holdenrieder, O.; Keller, W.; Ramp, B.; Stepien, E., 1997:

Infektionen der Stützwurzeln, Kronenverlichtung und Zuwachs bei Fichten und Tannen.

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Schmidhauser, A., 1997:

Die Beeinflussung der schweizerischen Forstpolitik durch private Naturschutzorganisationen.

Mitt. Eidgenöss. Forsch.anst. Wald Schnee Landsch. 72, 3:

245-495. Preis: sFr. 29.50