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

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.

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.

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.

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.

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.

Im Projekt „LitterLinks“ untersuchen wir die Gemeinschaftszusammensetzung und trophische Struktur von Bodentieren und ihren mikrobiellen Nahrungsressourcen, und wie sie durch Umweltfaktoren sowie Landnutzung und unterschiedliche Waldtypen beeinflusst werden.

• Wir konnten zeigen, dass die Artzusammensetzung, Abundanz und Biomasse bei Bodentiergemeinschaften stark durch abiotische Faktoren, wie dem pH-Wert des Bodens oder klimatische Bedingungen beeinflusst wird (Bluhm et al., 2016; Pollierer and Scheu, 2017), was die Bedeutung regionaler Umweltbedingungen unterstreicht. Auf unterschiedliche Landnutzungsintensität reagieren die Bodentiergemeinschaften überraschend wenig (Pollierer et al., 2021).
• Mit Hilfe eines umfangreichen methodischen Sortiments, wie z.B. stabile Isotopen-Analyse (Erdmann et al., 2012; Klarner et al., 2017), Fettsäuremusteranalyse (Ferlian and Scheu, 2014; Ferlian et al., 2015), molekulare Darminhaltsanalyse (Günther et al., 2014) und komponentenspezifischer Aminosäure-Analyse (Pollierer and Scheu, 2021), konnten wir Energieflüsse von basalen Ressourcen zu tierischen Konsumenten in verschiedenen Waldtypen auf Art-Ebene nachweisen.
• In Nadelwäldern waren Energieflüsse durch mikrobielle Kanäle etwas stärker ausgeprägt als in Laubwäldern; dabei konsumierten die meisten Arten innerhalb der Mesofauna saprotrophe Pilze und nicht Ektomycorrhiza-Pilze (siehe aber auch Bluhm et al., 2019). Trotz unterschiedlicher Blattstreu und mikrobieller Zusammensetzung (Pollierer et al., 2015) glichen sich die trophischen Nischen von Bodentier-Arten in den verschiedenen Waldtypen, vermutlich weil sie in spezifischen Mikrohabitaten fressen (Ferlian et al., 2012; Pollierer and Scheu, 2021).
• In einem Wurzelausschluss-Experiment konnten wir zeigen, dass der Ausschluss von Wurzel-basierten Ressourcen zu einer starken Abnahme der mikrobiellen Biomasse und der Abundanz und Biomasse von Bodentieren führt, was auf eine bedeutende Rolle dieser Ressourcen für Bodennahrungsnetze hinweist (Bluhm et al., 2019; 2021). Im Gegensatz dazu änderte sich nur wenig an der Gemeinschaftszusammensetzung von Bodenmikroben- und Tieren; die Verbindung zu Wurzel-basierten Ressourcen ist also vermutlich unspezifisch.

Quellennachweise sind unter „Publikationen“ zu finden.