Veränderungen in der Struktur von Boden-Nahrungsnetzen mit der Intensität der Nutzung von Waldökosystemen

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Stefan Scheu

Dr. Melanie Maraun

Dr. Sarah Bluhm

André Junggebauer

(Uni Göttingen)

Bodennahrungsnetze sind ein essentieller Bestandteil terrestrischer Ökosysteme und eng mit dem oberirdischen System verknüpft. Bodentiere spielen dabei eine wichtige Rolle als (i) Zersetzer bei der Umsetzung von totem pflanzlichen und tierischen Material, (ii) als Konsumenten von Wurzeln mit direkten Folgen für das Pflanzenwachstum, aber auch als (iii) Bodenarchitekten, indem sie durch Grabtätigkeiten die Bodenstruktur und somit die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen verbessern. Trotz dieser vielfältigen und wichtigen Dienstleistungen für den Boden ist relativ wenig über die Tiere und ihre Interaktionen bekannt, was vor allem an ihrer geringen Größe, ihrer hohen Diversität, aber auch an den Schwierigkeiten sie zu beobachten begründet liegt.

In diesem Projekt verfolgen wir zwei Ziele: Wir klassifizieren die Tiergemeinschaften der Streu-und Bodenschicht in unterschiedlich bewirtschafteten Wäldern und dokumentieren ihre Veränderungen über die Zeit. Aufbauend auf diesen Untersuchungen analysieren wir die Nahrungsbeziehungen von Schlüsseltaxa, ihre trophischen Positionen und ihre Nahrungsressourcen.

 

Langzeituntersuchung und Effekte von Landnutzung

Wir untersuchen die Schwankungen von Bodentiergemeinschaften zwischen den Jahren. Diese Schwankungen entstehen durch Veränderungen von abiotischen (Temperatur, Niederschlag) und biotischen Bedingungen (Veränderung von Konkurrenzbeziehungen, Räuberdruck).

Hypothesen

  • Die Zusammensetzung und trophische Struktur ändert sich nur wenig mit der Zeit, Unterschiede zwischen den Waldnutzungstypen bleiben relativ konstant.
  • Zeitliche Schwankungen in der Abundanz nehmen mit Körpergröße und Höhe der trophischen Ebene zu.

 

Methoden

Bodentiere lassen sich in Makrofauna (Abb. 1) und Mesofauna (Abb. 2) unterteilen, die mittels Hitzeextraktion aus dem Boden und der Streu extrahieren werden. Regenwürmer werden mittels Senflösung aus dem Boden ausgetrieben. Die Diversität sowie Abundanz und Biomasse wichtiger Bodentiertaxa werden erfasst.

Mikroorganismen sind ein wichtiger Bestandteil der Basis des Bodennahrungsnetzes. Daher wird die mikrobielle Biomasse mittels der Substrat-induzierten Atmung (SIR) bestimmt sowie das Fettsäuremuster ermittelt, was Aussagen über die mikrobielle Gemeinschaft zulässt.

Untersuchungen der Interaktionen Mikroorganismen und ihren Konsumenten mittels molekularer Darminhaltsanalyse

Das Ziel des Projektes ist neue Erkenntnisse über das Pilz- und Bakteriennahrungsnetz zu erhalten. Mit herkömmlichen Methoden war es bislang nicht möglich Konsumenten von saprotrophen Pilzen von Mykorrhiza-fressenden Tieren zu unterscheiden. Collembolen (Springschwänze) bieten sich als Untersuchungsgruppe an, denn viele der Arten fressen Pilze und Bakterien als Hauptnahrung. Wir untersuchen vor allem Arten, deren trophische Beziehungen bereits über stabile Isotope und Fettsäuremuster analysiert wurden.

Hypothesen

  • Mittels genereller Primer können wir mehr über das Spektrum an Pilzen und Bakterien erfahren, die von Collembolen gefressen werden.
  • Spezifische Primer für saprotrophe und Mykorrhiza-Pilze ermöglichen es, die Bedeutung dieser beiden funktionellen Gruppen als Nahrung für Collembolen zu erfassen und deren Variabilität mit unterschiedlichen Waldnutzungsformen zu analysieren.


Methoden

Sechs Collembolen-Arten werden ausgewählt, drei Primär- und drei Sekundärzersetzer. Diese werden entlang des Waldnutzungsgradienten in den drei Regionen der Exploratorien auf ihre Pilznahrung (saprotrophe und/oderMykorrhiza-Pilze) mittels molekularer Darminhaltsanalyse untersucht.

Energie-Kanäle und Flüsse durch Zersetzer-Nahrungsnetze, untersucht mit Hilfe von komponentenspezifischer Aminosäure- und Fettsäureanalyse von Bodentiere

Ziel dieser Untersuchungen ist es, Energie-Kanäle von verschiedenen basalen Ressourcen, wie Pilzen, Bakterien und Pflanzen, durch das Zersetzer-Nahrungsnetz bis hin zu Prädatoren zu verfolgen, und so Unterschiede in Energieflüssen zwischen den unterschiedlich genutzten Wäldern aufzuzeigen. Dafür werden relevante Großgruppen von Mesofauna (Collembola, Oribatida, Gamasida) und Makrofauna (Lumbricida, Diplopoda/Isopoda, Araneida) mithilfe von komponentenspezifischer Amino- und Fettsäureanalyse untersucht.

Hypothesen

  • Energieflüsse in unterschiedlich genutzten Buchenwäldern sind ähnlich, unterscheiden sich jedoch zwischen Laub (Buchen)- und Nadelwäldern; dieses Muster ist über die Zeit hinweg konstant.
  • Nahrungsnetze sind kompartimentiert; die Energieflüsse durch Meso- und Makrofauna gleichen einander, unterscheiden sich aber zwischen Laub- und Nadelwäldern.

 

Methoden

δ13C-Signaturen in Aminosäuren unterscheiden sich aufgrund unterschiedlicher Synthese-Wege zwischen Bakterien, Pilzen und Pflanzen. Diese Unterschiede bleiben auch in essentiellen Aminosäuren von Konsumenten bestehen, so dass mithilfe einer Fingerprinting-Methode untersucht werden kann ob Bakterien, Pilze oder Pflanzen als basale Resource genutzt wurden. Die relative Nutzung lässt sich mit Mixing-Models quantifizieren. Die trophische Ebene eines Konsumenten im Nahrungsnetz wird mithilfe von δ15N-Werten in sogenannten ‚trophic‘ und ‚source‘ Aminosäuren errechnet; erstere reichern sich im Nahrungsnetz kaum mit 15N an, letztere dagegen stark, so dass aus der Differenz die trophische Position errechnet werden kann.
Komponentenspezifische Analyse von δ13C in Marker-Fettsäuren für Pilzen, Bakterien und Pflanzen kann ebenfalls Aufschluss über Energieflüsse in Bodentiernahrungsnetzen geben; diese Methode komplementiert somit die komponentenspezifische Aminosäure-Analyse.

Einfluss von Waldlücken auf die Bodentiergemeinschaft und deren Nahrungsnetz

Das Ziel des Projektes ist es, den Einfluss von Waldlücken und Totholz auf die Zusammensetzung der Bodentiergemeinschaft und deren Nahrungsnetz zu untersuchen. Die Schaffung von Waldlücken stellt eine massive Störung dar, während liegendes Totholz zusätzliche ökologische Nischen für die Bodentiergemeinschaft bietet. Das Projekt ermöglicht es, die Stabilität der Bodentiergemeinschaft und deren Fähigkeit zur langfristigen Erholung nach starken Störungen zu untersuchen.

Hypothesen

  • Verschiedene funktionelle Gruppen der Bodentiergemeinschaft reagieren unterschiedlich auf die Schaffung von Waldlücken, wobei Zersetzer am stärksten beeinflusst werden.
  • Die Wirkung von Waldlücken auf die Bodentiergemeinschaft unterscheidet sich zwischen verschiedenen Waldtypen/Landnutzungsformen und ist in natürlichen Systemen mit geringem Managementeinfluss am stärksten ausgeprägt.

 

Methoden

Im Rahmen des gemeinsamen ‚Forest Gap Experiments‘ (FOX) wurden in unterschiedlichen Waldtypen vier Versuchsflächen geschaffen: ungestörter dichter Wald, dichter Wald mit am Boden liegendem Totholz, geschlagene Waldlücke mit liegendem Totholz und geschlagene Waldlücke ohne Totholz. Auf allen Versuchsflächen werden, wie bei der Langzeituntersuchung von Landnutzung, die Bodentiere mittels Hitzeextraktion (Abb. 3) aus dem Boden und der Streu extrahiert und die Diversität, sowie Abundanz und Biomasse wichtiger Bodentiertaxa erfasst. Zusätzlich werden Regenwürmer mittels Senflösung aus dem Boden extrahiert und die Biomasse von Mikroorganismen mittels Substrat-induzierter Atmung (SIR) bestimmt.