Functional biodiversity research explores drivers and functional consequences of biodiversity changes. Land use change is a major driver of changes of biodiversity and of biogeochemical and biological ecosystem processes and services. However, land use effects on genetic and species diversity are well documented only for a few taxa and trophic networks. We hardly know how different components of biodiversity and their responses to land use change are interrelated and very little about the simultaneous, and interacting, effects of land use on multiple ecosystem processes and services. Moreover, we do not know to what extent land use effects on ecosystem processes and services are mediated by biodiversity change. Thus, overall goals are on the one hand to understand the effects of land use on biodiversity, and on the other to understand the modifying role of biodiversity change for land-use effects on ecosystem processes, including biogeochemical cycles. To comprehensively address these important questions, we recently established a new large-scale and long-term project for functional biodiversity, the Biodiversity Exploratories (www.biodiversity-exploratories.de). They comprise a hierarchical set of standardized field plots in three different regions of Germany covering manifold management types and intensities in grasslands and forests. They serve as a joint research platform for currently 40 projects involving over 300 people studying various aspects of the relationships between land use, biodiversity and ecosystem processes through monitoring, comparative observation and experiments. We introduce guiding questions, concept and design of the Biodiversity Exploratories – including main aspects of selection and implementation of field plots and project structure – and we discuss the significance of this approach for further functional biodiversity research. This includes the crucial relevance of a common study design encompassing variation in both drivers and outcomes of biodiversity change and ecosystem processes, the interdisciplinary integration of biodiversity and ecosystem researchers, the training of a new generation of integrative biodiversity researchers, and the stimulation of functional biodiversity research in real landscape contexts, in Germany and elsewhere. Funktionelle Biodiversitätsforschung erforscht die Ursachen und funktionellen Konsequenzen von Biodiversitätsveränderungen. Landnutzung gehört zu den wichtigsten Ursachen von Änderungen von Biodiversität und biogeochemischen und biologischen Ökosystemprozessen und -leistungen. Allerdings sind Landnutzungsauswirkungen auf genetische und Artendiversität bisher nur für wenige Taxa und trophische Netzwerke gut dokumentiert. Zudem ist kaum bekannt, wie verschiedene Komponenten der Biodiversität und ihre Reaktion auf Landnutzungsänderungen zusammenhängen. Auch ist wenig über gleichzeitige und miteinander wechselwirkende Effekte der Landnutzung auf mehrere verschiedene Ökosystemprozesse und -leistungen bekannt. So ist auch noch unklar, inwieweit Landnutzungseffekte auf Ökosystemprozesse und -leistungen durch Biodiversitätsveränderungen vermittelt werden. Es gilt also einerseits Landnutzungseffekte auf Biodiversität zu verstehen und andererseits die modifizierende Rolle von Biodiversitätsveränderungen für Landnutzungseffekte auf Ökosystemprozesse, einschliesslich biogeochemischer Kreisläufe. Um diese wichtigen Fragen umfassend zu untersuchen, haben wir kürzlich ein grosses und langfristiges Projekt zur funktionellen Biodiversitätsforschung gestartet, die Biodiversitäts-Exploratorien (www.biodiversity-exploratories.de). Diese umfassen einen Satz standardisierter Untersuchungsflächen in drei Regionen Deutschlands, die jeweils vielfältige Typen und Intensitäten der Wald- und Grünlandnutzung umfassen. Sie dienen als gemeinsame Forschungsplattform für gegenwärtig 40 Projekte mit über 300 Beteiligten, die verschiedenste Aspekte der Beziehung zwischen Landnutzung, Biodiversität und Ökosystemprozessen durch Monitoring, vergleichende Beobachtung und Experimente untersuchen. Wir stellen Leitfragen, Konzept und Design der Biodiversitätsexploratorien vor – einschliesslich der wesentlichen Aspekte der Auswahl und Einrichtung der Untersuchungsflächen und der Projektstruktur – und wir diskutieren die Bedeutung des Ansatzes für die weitere funktionelle Biodiversitätsforschung. Diese beinhaltet die zentrale Bedeutung des gemeinsamen Forschungsdesigns, das sowohl Ursachen als auch Konsequenzen der Veränderungen von Biodiversität und Ökosystemprozessen umfasst, die interdisziplinäre Integration von Biodiversitäts- und Ökosystemforschenden, die Ausbildung einer neuen Generation von integrativen Biodiversitätsforschern und die Anregung funktioneller Biodiversitätsforschung im realen Landschaftskontext, in Deutschland und darüber hinaus.

Land use is increasingly recognized as a major driver of biodiversity and ecosystem functioning in many current research projects. In grasslands, land use is often classified by categorical descriptors such as pastures versus meadows or fertilized versus unfertilized sites. However, to account for the quantitative variation of multiple land-use types in heterogeneous landscapes, a quantitative, continuous index of land-use intensity (LUI) is desirable. Here we define such a compound, additive LUI index for managed grasslands including meadows and pastures. The LUI index summarizes the standardized intensity of three components of land use, namely fertilization, mowing, and livestock grazing at each site. We examined the performance of the LUI index to predict selected response variables on up to 150 grassland sites in the Biodiversity Exploratories in three regions in Germany (Alb, Hainich, Schorfheide). We tested the average Ellenberg nitrogen indicator values of the plant community, nitrogen and phosphorus concentration in the aboveground plant biomass, plant-available phosphorus concentration in the top soil, and soil C/N ratio, and the first principle component of these five response variables. The LUI index significantly predicted the principal component of all five response variables, as well as some of the individual responses. Moreover, vascular plant diversity decreased significantly with LUI in two regions (Alb and Hainich). Inter-annual changes in management practice were pronounced from 2006 to 2008, particularly due to variation in grazing intensity. This rendered the selection of the appropriate reference year(s) an important decision for analyses of land-use effects, whereas details in the standardization of the index were of minor importance. We also tested several alternative calculations of a LUI index, but all are strongly linearly correlated to the proposed index. The proposed LUI index reduces the complexity of agricultural practices to a single dimension and may serve as a baseline to test how different groups of organisms and processes respond to land use. In combination with more detailed analyses, this index may help to unravel whether and how land-use intensities, associated disturbance levels or other local or regional influences drive ecological processes. Menschliche Landnutzung als wichtiger Treiber für die Biodiversität und Funktionen von Ökosystemen wird zunehmend in Forschungsprojekte einbezogen. Im Grünland wird die Landnutzung dazu meist durch kategoriale Variablen beschrieben wie etwa Weiden vs. Wiesen oder gedüngte vs. ungedüngte Flächen. Um jedoch die quantitative Variation in der Intensität der Landnutzung besser beschreiben zu können sind kontinuierliche Maße der Landnutzung wünschenswert. Wir führen einen quantitativen Index zur Beschreibung der Landnutzungsintensität (LUI; land-use intensity) in bewirtschaftetem Grünland ein. Der LUI Index standardisiert und addiert drei wesentliche Komponenten der Grünlandnutzung, die Beweidung, die Mahd und die Düngung. Die Effizienz des LUI Index in Bezug auf die Vorhersagefähigkeit einer Reihe landnutzungsabhängiger Variablen wurde im Rahmen des Projekts Biodiversitätsexploratorien am Beispiel von 150 Grünlandflächen in drei Regionen Deutschlands (Alb, Hainich, Schorfheide) geprüft. Die Prüfvariablen umfassten die Stickstoffzahl nach Ellenberg, die Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen in der Biomasse, die Konzentrationen von pflanzenverfügbarem Phosphor im Oberboden, das Boden-C/N-Verhältnis sowie die erste Hauptkomponente einer Ordination dieser Variablen. Während der LUI Index Änderungen in der ersten Hauptkomponente der Antwortvariablen sowie einiger Einzelvariablen signifikant vorhersagte, waren Regressionen mit einzelnen LUI Komponenten problematisch, da diese Komponenten wie die Düngungsintensität oder Mahdfrequenz miteinander korreliert und somit konfundiert sind. Das Management der Grünlandflächen variierte im Zeitraum 2006 bis 2008 von Jahr zu Jahr, insbesondere aufgrund von Änderungen in der Beweidungsintensität. Das Referenzjahr für die Berechnungen der LUI war daher sehr wichtig, während verschiedene Standardisierungsmethoden keinen großen Einfluss auf den Index hatten. Einige alternative Berechnungsmethoden der Landnutzungsintensität korrelierten stark mit der vorschlagenen Form des Index. Der LUI Index reduziert die verschiedenen, miteinander korrelierten Dimensionen der menschlichen Landnutzung im Grünland zu einer kontinuierlichen Variable und kann dazu dienen, die Abhängigkeit verschiedener Organismengruppen und Prozesse von der menschlichen Landnutzung zu prüfen. In Verbindung mit detaillierten Analysen kann die Verwendung dieses Index helfen, die relative Bedeutung der menschlichen Landnutzung im Vergleich zu anderen lokalen oder regionalen Faktoren zu erkennen.

ABSTRACT In soil, Acidobacteria constitute on average 20% of all bacteria, are highly diverse, and are physiologically active in situ . However, their individual functions and interactions with higher taxa in soil are still unknown. Here, potential effects of land use, soil properties, plant diversity, and soil nanofauna on acidobacterial community composition were studied by cultivation-independent methods in grassland and forest soils from three different regions in Germany. The analysis of 16S rRNA gene clone libraries representing all studied soils revealed that grassland soils were dominated by subgroup Gp6 and forest soils by subgroup Gp1 Acidobacteria . The analysis of a large number of sites ( n = 57) by 16S rRNA gene fingerprinting methods (terminal restriction fragment length polymorphism [T-RFLP] and denaturing gradient gel electrophoresis [DGGE]) showed that Acidobacteria diversities differed between grassland and forest soils but also among the three different regions. Edaphic properties, such as pH, organic carbon, total nitrogen, C/N ratio, phosphorus, nitrate, ammonium, soil moisture, soil temperature, and soil respiration, had an impact on community composition as assessed by fingerprinting. However, interrelations with environmental parameters among subgroup terminal restriction fragments (T-RFs) differed significantly, e.g., different Gp1 T-RFs correlated positively or negatively with nitrogen content. Novel significant correlations of Acidobacteria subpopulations (i.e., individual populations within subgroups) with soil nanofauna and vascular plant diversity were revealed only by analysis of clone sequences. Thus, for detecting novel interrelations of environmental parameters with Acidobacteria , individual populations within subgroups have to be considered.

Vulnerability to habitat fragmentation Habitat fragmentation caused by human activities has consequences for the distribution and movement of organisms. Betts et al. present a global analysis of how exposure to habitat fragmentation affects the composition of ecological communities (see the Perspective by Hargreaves). In a dataset consisting of 4489 animal species, regions that historically experienced little disturbance tended to harbor a higher proportion of species vulnerable to fragmentation. Species in more frequently disturbed regions were more resilient. High-latitude areas historically experienced more disturbance and harbor more resilient species, which suggests that extinction has removed fragmentation-sensitive species. Thus, conservation efforts to limit fragmentation are particularly important in the tropics. Science , this issue p. 1236 ; see also p. 1196

Abstract Aim The genetics of organisms currently isolated in refugia has received little attention compared to post‐glacial expansions. We study the population history and connectivity of a rat endemic to montane habitat in Borneo to better understand the history and potential of populations in interglacial mountain refugia. Location Sabah, Borneo, Malaysia. Methods We performed a field survey of the summit rat ( Rattus baluensis ) on two mountains, Mt. Kinabalu and Mt. Tambuyukon, its entire known distribution. We sequenced mitogenomes and 27 introns (19 of which were polymorphic) in 49 individuals from both populations. We analysed their current genetic structure and diversity, and inferred their demographic history with approximate Bayesian computation. Results Summit rats were tightly associated with mountain mossy forest and scrubland above 2,000 m, facilitating the prediction of their past and future distributions. The genetic analysis supports a Holocene fragmentation of a larger population into smaller ones that are now isolated in interglacial refugia on mountaintops. These findings are consistent with climatic reconstructions and the retreat of upland forest to higher elevations after the Last Glacial Maximum ( LGM ), ~21 kya. Main conclusions The two isolated populations of summit rats formed through the upland shift of their habitat after the LGM . The current trend of global warming will likely lead to diminishing suitable upland habitat and result in the extinction of the population on Mt. Tambuyukon. The population on Mt. Kinabalu, the higher peak, could persist at higher elevations, highlighting the singular value of high tropical mountains as reservoirs of biodiversity during past and ongoing climate change.

Abstract Mosquitoes have innate preferences for their blood-meal hosts, but these can be modified by the environment, with implications for disease spread under climate and land use change. To predict the spread of vector-borne pathogens more accurately we need to better understand blood-meal plasticity under changing environmental conditions. We compiled blood-meal studies for six prominent disease vectoring mosquitoes from around the globe ( Aedes aegypti, Ae. albopictus , Anopheles funestus, An. gambiae , Cx. pipiens, and Cx. quinquefasciatus ). We targeted studies that used universal molecular methods (typically PCR/metabarcoding) to identify hosts from a wide range of candidates (as opposed to studies using methods that presuppose host identity - such as precipitin, ELISA). We found that blood-meals from the >15,600 analysed were mostly from the expected host-groups for each mosquito species, but we frequently encountered atypical hosts (e.g. mammalophilic species feeding on birds/reptiles). The universal methods used by the studies in our metanaalysis identified high host richness, and we found ≥174 hosts for Culex and ≤65 species for Aedes mosquitoes at a considerably increased discovery rate of novel hosts per sampling effort. We used a hierarchical Dirichlet regression model to analyse global variation in feeding patterns in relation to environmental datasets (land use, precipitation, mean annual temperature, latitude, human and livestock density). Land use, mean annual temperature and poultry density had noticeable effects on blood-meal selection of Ae. aegypti , Cx. pipiens and Cx. quinquefasciatus . Although host density was a factor in blood-meal selection - host choice is not a simple function of host availability, as has previously been observed, but contingent on other drivers. While our compiled dataset afforded us these insights, improving resolution and consistency of data gathering and reporting would improve the precision of how blood-meal studies can inform us of present and potential risks of pathogen transmission events.

Notable outbreaks of infectious viruses resulting from spillover events from bats have brought much attention to the ecological origins of bat-borne zoonoses, resulting in an increase in ecological and epidemiological studies on bat populations in Africa, Asia, and Australia. The aim of many of these studies is to identify new viral agents with field sampling methods that collect pooled urine samples from large plastic sheets placed under a bat roost. The efficiency of under-roost sampling also makes it an attractive method for gathering roost-level prevalence data. However, the method allows multiple individuals to contribute to a pooled sample, potentially introducing positive bias. To assess the ability of under-roost sampling to accurately estimate viral prevalence, we constructed a probabilistic model to explore the relationship between four sampling designs (quadrant, uniform, stratified, and random) and estimation bias. We modeled bat density and movement with a Poisson cluster process and spatial kernels and simulated the four under-roost sheet sampling designs by manipulating a spatial grid of hexagonal tiles. We performed global sensitivity analyses to identify major sources of estimation bias and provide recommendations for field studies that wish to estimate roost-level prevalence. We found that the quadrant-based design had a positive bias 5--7 times higher than other designs due to spatial autocorrelation among sampling sheets and clustering of bats in the roost. The sampling technique is therefore highly sensitive to viral presence; but lacks specificity, providing poor information regarding dynamics in viral prevalence. Given population sizes of 5000--14000, our simulation results indicate that using a stratified random design to collect 30--40 urine samples from 80--100 sheets, each with an area of 0.75--1m sq., would provide sufficient estimation of true prevalence with minimum sampling bias and false negatives. However, acknowledging the general problem of data aggregation, we emphasize that robust inference of true prevalence from field data require information of underpinning roost sizes. Our findings refine our understanding of the under-roost sampling technique with the aim of increasing its specificity and suggest that the method be further developed as an efficient non-invasive sampling technique that provides roost-level estimates of viral prevalence within a bat population.

Abstract Metapopulation structure (i.e. the spatial arrangement of local populations and corridors between them) plays a fundamental role in the persistence of wildlife populations, but can also drive the spread of infectious diseases. While the disruption of metapopulation connectivity can reduce disease spread, it can also impair host resilience by disrupting gene flow and colonisation dynamics. Thus, a pressing challenge for many wildlife populations is to elucidate whether the benefits of disease management methods that reduce metapopulation connectivity outweigh the associated risks. Directly transmissible cancers are clonal malignant cell lines capable to spread through host populations without immune recognition, when susceptible and infected hosts become in close contact. Using an individual-based metapopulation model we investigate the effects of the interplay between host dispersal, disease transmission rate and inter-individual contact distance for transmission (determining within-population mixing) on the spread and persistence of a transmissible cancer, Tasmanian devil facial tumour disease (DFTD), from local to regional scales. Further, we explore population isolation scenarios to devise management strategies to mitigate disease spread. Disease spread, and the ensuing population declines, are synergistically determined by individuals’ dispersal, disease transmission rate and within-population mixing. Low to intermediate transmission rates can be magnified by high dispersal and inter-individual transmission distance. Once disease transmission rate is high, dispersal and inter-individual contact distance do not impact the outcome of the disease transmission dynamics. Isolation of local populations effectively reduced metapopulation-level disease prevalence but caused severe declines in metapopulation size and genetic diversity. The relative position of managed (i.e. isolated) populations within the metapopulation had a significant effect on disease prevalence, highlighting the importance of considering metapopulation structure when implementing metapopulation-scale disease control measures. Our findings suggests that population isolation is not an ideal management method for preventing disease spread in species inhabiting already fragmented landscapes, where genetic diversity and extinction risk are already a concern, such as the Tasmanian devil.

Abstract Recent losses in the abundance and diversity of arthropods have been documented in many regions and ecosystems. In grasslands, such insect declines are largely attributed to land use, including modern machinery and mowing regimes. However, the effects of different mowing techniques on arthropods remain poorly understood. Using 11 years of data from 111 agricultural grassland plots across Germany, we analyzed the influence of various grassland management variables on the abundance and abundance‐accounted species richness of four arthropod orders: Araneae, Coleoptera, Hemiptera, and Orthoptera. The analysis focused on detailed mowing information, for example, days after mowing and mower type, and compared their effect with other aspects of grassland management, that is, rolling, leveling, fertilization, and grazing. We found strong negative effects of mowing on all four arthropod orders, with arthropod abundance being lowest directly after mowing and steadily increasing to three to seven times the abundance after 100 days post‐mowing. Likewise, Hemiptera and Coleoptera species richness was 30% higher 100 days after mowing. Mower width showed a positive effect on Orthoptera abundance, but not on the other arthropods. Arthropod abundance and Coleoptera species richness were lowest when a mulcher was used compared to rotary or bar mowers. In addition to mowing, intensive grazing negatively affected Orthoptera abundance but not the other orders. Mowing represents a highly disturbing and iterative stressor with negative effects on arthropod abundance and diversity, likely contributed by mowing‐induced mortality and habitat alteration. While modifications of mowing techniques such as mower type or mowing height and width may help to reduce the negative impact of mowing on arthropods, our results show that mowing itself has the most substantial negative effect. Based on our results, we suggest that reduced mowing frequency, omission of mowing in parts of the grassland (refuges), or extensive grazing instead of mowing have the greatest potential to promote arthropod populations.