Der Einfluss der Waldbewirtschaftung auf die Struktur und Funktion Nahrungsnetzen im Boden

Unser Projekt zielt darauf ab, die Auswirkungen der Entstehung von Waldlichtungen auf die Bodenfauna und die Struktur des Nahrungsnetzes im Rahmen des FOrestgap eXperiment (FOX) zu untersuchen. Dazu werden wir traditionelle Biodiversitätsanalysen mit modernsten Isotopentechniken kombinieren. Unser Fokus liegt auf den langfristigen Auswirkungen der Waldlichtungsbildung auf die Abundanz, Diversität und Biomasse der Bodenfauna sowie auf der Verfolgung der zeitlichen Dynamik von Energieflüssen durch Boden-Nahrungsnetze.

Durch die Integrierung der Daten aus früheren Phasen können wir kurz- und langfristige Auswirkungen der Bildung von Waldlichtungen und der Totholzzugabe auf die Nahrungsnetze der Bodentiere untersuchen (siehe LitterLinks 2023-2026).

Darüber hinaus werden wir die Auswirkungen von Trockenheit auf Bodenmikroarthropoden untersuchen und die potenzielle Rolle von Totholz bei der Abschwächung der Trockenheitseffekte erforschen.

Ziel:

Hier untersuchen wir, wie Bodenfaunagemeinschaften auf Waldstörungen wie Lückenbildung und die Zugabe von Totholz reagieren, wie sie im FOX-Projekt umgesetzt werden. Durch wiederholte Feldprobenahmen im Zweijahresrhythmus in den drei Regionen, kombiniert mit Umwelt- und Mikrobendaten, bewerten wir Veränderungen in der Dichte, Vielfalt und Struktur der Bodenfauna. Durch die Integration von Daten aus mehreren Jahren, die in den vorangegangenen Phasen gesammelt wurden, untersuchen wir sowohl unmittelbare als auch langfristige ökologische Reaktionen und Erholungsprozesse. Dieser Ansatz hilft uns, die Schlüsselfaktoren und Artenmerkmale zu identifizieren, die die Stabilität, Widerstandsfähigkeit und Resilienz von Boden-Nahrungsnetzen beeinflussen, und verbessert unser Verständnis dafür, wie Waldökosysteme mit starken Störungen umgehen.

Hypothesen:

• Die Bodenmakrofauna ist stärker von der Schaffung von Waldlichtungen betroffen als die Mesofauna und erholt sich langsamer.
• Die Auswirkungen der Waldlichtungsbildung sind in Böden mit geringer Wasserhaltekapazität in der Schorfheide-Chorin im Vergleich zu den anderen Regionen ausgeprägter.
• Die Zugabe von Totholz mildert die negativen Auswirkungen der Waldlichtungsbildung, indem sie die mikroklimatischen Bedingungen verbessert und mit der Zeit zusätzliche Ressourcen für Bodenfauna und mikrobielle Gemeinschaften bereitstellt.

Methods:

Die Bodenfauna wird an jeder der vier Teilflächen der 29 FOX-Standorte mittels Bodenbohrkernen (⌀ 20 cm für Makrofauna bzw. 5 cm für Mesofauna) entnommen und durch Hitze extrahiert (Kempson et al. 1963). Darüber hinaus werden Regenwürmer nach der Senfmethode extrahiert (Gunn 1992). Die Proben werden bis auf die Art- oder Funktionsgruppenebene identifiziert, und anhand von Körpergrößenmessungen werden die Biomasse der Individuen und der Gemeinschaft geschätzt. Die mikrobielle Biomasse und die Zusammensetzung der Gemeinschaft werden aus denselben Bodenschichten mithilfe von respirationsbasierten Methoden und Phospholipid-Fettsäureprofilen analysiert. Diese kombinierten Datensätze bilden auch die Grundlage für die Rekonstruktion von Boden-Nahrungsnetzen und die Modellierung der darin stattfindenden Energieflüsse. Wir bewerten zeitliche Dynamiken, die Stabilität der Gemeinschaften und Muster der Biodiversität. Die Stabilität der Gemeinschaften wird als inverser Variationskoeffizient berechnet. Diversitätsmaße werden mithilfe der auf der Abdeckung basierenden Rarefaction- und Extrapolationsmethode (Chao & Jost, 2012) geschätzt, die im iNEXT-Paket (Hsieh et al., 2016) implementiert ist.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Unsere Ergebnisse aus der vorangegangenen Phase zeigen, dass Waldlichtungen und Totholz die Bodenmikroarthropodengemeinschaften in deutschen Regionen stark, aber unabhängig voneinander prägen, wobei die Reaktionen weitgehend von den regionalen Umweltbedingungen bestimmt werden, was verdeutlicht, dass die Auswirkungen der Waldbewirtschaftung nicht auf alle Regionen verallgemeinert werden können (Junggebauer et al., 2024; Zhang, Zheng et al., 2025). Die Dichte der Oribatiden-Milben nahm vor allem in Waldlichtungen der Schorfheide und der Schwäbischen Alb ab, wo sandige oder flache Böden vorherrschen, die anfälliger für Austrocknung sind, während die Dichte der Springschwänze in Lichtungen der Schorfheide zunahm. In beiden Gruppen führte die Lichtung zu einer Filterung der Gemeinschaften hin zu kleineren, bodenbewohnenden Arten, die an trockenere Bedingungen angepasst sind (Junggebauer et al., 2024; Zhang, Zheng et al., 2025).

Die Zugabe von Totholz hatte schwächere Auswirkungen auf die Gesamtdichte, steigerte jedoch durchweg die Biodiversität und die funktionelle Struktur. Sie erhöhte den taxonomischen Reichtum, die Vielfalt der funktionellen Merkmale und die trophische Differenzierung der Bodenlebensgemeinschaften, indem sie die Heterogenität der Lebensräume und die Verfügbarkeit von Nischen vergrößerte. Bei den Oribatiden begünstigte Totholz insbesondere sich schnell vermehrende Arten und veränderte so die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft. Totholz erhöhte die trophische Ebene und die trophische Vielfalt der Springschwänze, was auf eine komplexere Struktur des Nahrungsnetzes hindeutet, die in erster Linie durch trophische Spezialisierung und weniger durch Artenwechsel bestimmt wird.

Wichtig ist, dass unsere bisherigen Ergebnisse auf den Reaktionen der Bodenlebensgemeinschaften zwei Jahre nach der Schaffung von Waldlichtungen beruhen und somit kurzfristige Reaktionen auf starke Störungen widerspiegeln. Unser Ziel ist es nun, die Erholung und damit die Widerstandsfähigkeit der Bodenfauna-Gemeinschaften nach einer Störung langfristig zu verfolgen.

Ziel:

Um die Veränderungen und die Erholung der Energieflüsse in Boden-Nahrungsnetzen infolge der Entstehung von Waldlichtungen und der Zugabe von Totholz zu quantifizieren, werden wir weiterhin die basalen Ressourcen und trophischen Positionen der wichtigsten Zersetzer und Raubtiere der Boden-Meso- und Makrofauna im FOX quantifizieren. Um die Auflösung zu erhöhen und unterschiedliche Fressstrategien innerhalb taxonomischer Gruppen mit bekannter ökologischer Differenzierung innerhalb der Gruppe zu berücksichtigen, werden wir funktionelle Gruppen der Lumbricidae (epigäisch, endogäisch) und Chilopoda (Lithobiomorpha, Geophilomorpha) trennen. Veränderungen der Energieflüsse auf Gemeinschaftsebene durch Zersetzer werden genutzt, um Veränderungen in den Zersetzungsprozessen innerhalb der Meso- und Makrofauna zu quantifizieren, während die Energieflüsse auf Gemeinschaftsebene durch Raubtiere es ermöglichen, Schwankungen in den Top-down-Kräften in Bodentiergemeinschaften zu untersuchen und zu ermitteln, wie sich diese im Laufe der Zeit nach der Bildung von Waldlichtungen und der Zugabe von Totholz verändern.

Hypothesen:

• Die Energieflüsse in Boden-Nahrungsnetzen nehmen infolge der Entstehung von Waldlichtungen ab, doch wird dieser Rückgang durch die Zufuhr von Totholz gemildert.
• Die Energieflüsse in Waldlichtungen verlagern sich hin zu einer verstärkten Nutzung von Pflanzenresten und Bakterien.
• Die Zugabe von Totholz fördert Energieflüsse über den pilzlichen Energiekanal, die mit der Zeit zunehmen, da die Besiedlung des Totholzes durch Pilze zunimmt.

Methoden:

Wir werden die verbindungsspezifische Stabilisotopenanalyse von Aminosäuren (CSIA-AA) anwenden, um die basalen Ressourcen im Rahmen eines Fingerprinting-Ansatzes zu quantifizieren (Larsen et al., 2009; Pollierer et al., 2019) und präzise trophische Positionen zu berechnen, wobei Mikroben als intermediäre trophische Stufen einbezogen werden (Steffan et al., 2015; Steffan et al., 2013). Mithilfe von Nahrungsnetzmodellierung und der Untersuchung des Energieflusses auf Gemeinschaftsebene durch bakterielle, pilzliche und pflanzliche Kanäle (Gauzens et al. 2018, Kühn et al. 2018, Potapov et al. 2019) werden wir die durch die Entstehung von Waldlichtungen und die Zugabe von Totholz induzierten Veränderungen nachverfolgen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Unsere früheren Ergebnisse aus Analysen stabiler Isotope deuten darauf hin, dass Waldlichtungen die trophische Homogenisierung von Springschwanzgemeinschaften fördern, indem sie die Abhängigkeit von pflanzlichen Ressourcen im Unterholz erhöhen (Zhang, Junggebauer et al., 2025). Erste Ergebnisse von CSIA-AA-Analysen in Kombination mit Nahrungsnetzmodellierungen deuten darauf hin, dass Waldlichtungen die gesamten Energieflüsse im Nahrungsnetz reduzieren, die Netzwerkkonnektivität verringern und die Energieflüsse in Richtung des von Bakterien dominierten „schnellen“ Kanals verlagern (Zhang et al., eingereicht). Das Vorhandensein von Totholz verstärkte jedoch die Pilzfresserei und die holzfressenden Stoffwechselwege und stellte dadurch die Energieflüsse und die Netzwerkkonnektivität auf das Niveau von Wäldern mit geschlossenem Kronendach wieder her, was darauf hindeutet, dass die Erhaltung von Totholz die nachteiligen Auswirkungen von Waldlichtungen auf Boden-Nahrungsnetze abmildern kann.

Ziel:

Veränderungen der mikroklimatischen Bedingungen, insbesondere der Bodenfeuchte, haben einen erheblichen Einfluss auf die Gemeinschaften der Bodenmesofauna. Große Totholzstämme bieten Bodenmikroarthropoden wahrscheinlich Schutz, indem sie Feuchtigkeit im Boden speichern und die mikrobielle Aktivität während der Zersetzung fördern. Das Zusammenspiel zwischen abiotischen Faktoren wie Trockenheit und biotischen Faktoren wie einer veränderten Ressourcenverfügbarkeit aufgrund von vermehrtem Totholz ist jedoch noch nicht gut verstanden. Unser Ziel ist es, diese Effekte mithilfe des BEClimWood-Experiments zu untersuchen. In diesem Experiment werden Bodenfeuchte und die Verfügbarkeit von Totholz experimentell manipuliert.

Hypothesen:

• Sommerdürren wirken sich nachteilig auf die Dichte und Vielfalt von Bodenmikroarthropoden und Mikroben aus
• Totholz mildert die Auswirkungen von Dürre unter Regenüberdachungen, indem es günstigere abiotische Bedingungen schafft
• Zersetzendes Totholz liefert zusätzliche Ressourcen, was zu einer höheren Biomasse von Bodenmikroarthropoden und Mikroben führt, insbesondere in Abwesenheit von Regenüberdachungen

Methoden:

Entsprechend des BeClimWood-Designs werden 30 Plots mit verrottendem Totholz mit und ohne Regenschutzvorrichtungen in Wäldern der drei Regionen der Biodiversitäts-Exploratorien eingerichtet. Die Bodenfauna wird mittels eines Hitzegradienten aus Streu und Boden extrahiert, und es werden Abundanz, Diversität und Biomasse analysiert. Die mikrobielle Biomasse wird anhand der substratinduzierten Atmung gemessen, und die mikrobiellen Gemeinschaften werden durch die Analyse von Phospholipid Fettsäuren bewertet.