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Diversity and trophic structure of the soil fauna and its influence on litter decomposition in deciduous forests with increasing tree species diversity

Diversität und trophische Struktur der Bodenfauna und ihr Einfluss auf die Streuzersetzung in Wäldern mit zunehmender Baumartendiversität

by Nadine Weland
Doctoral thesis
Date of Examination:2009-04-30
Date of issue:2009-09-29
Advisor:Prof. Dr. Matthias Schaefer
Referee:Prof. Dr. Matthias Schaefer
Referee:Prof. Dr. Klaus Hövemeyer
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1369

 

 

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Size:940.Kb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

The relationship between species diversity and ecosystem function is an important topic of modern ecological research. Plant diversity has often been found to affect structural and biotic properties of ecosystems. Although the basic dependence of the soil food web on the resources provided by primary production is well studied, the knowledge of tree species diversity interactions with belowground processes and soil animal communities is still imperfect. This is especially true for forest ecosystems with mixtures of more than two tree species. In this study, the effect of increasing diversity of deciduous tree species on the composition of soil macrofauna communities and on leaf litter decomposition was studied. Nine research sites with comparable edaphic and climatic conditions were established in the Hainich National Park (Thuringia, Germany). They formed a diversity gradient ranging from pure beech (Fagus sylvatica), to medium-diversity stands built by beech, ash (Fraxinus excelsior), and lime (Tilia spp.), and to high-diversity stands dominated by beech, ash, lime, maple (Acer pseudoplatanus and A. platanoides), and hornbeam (Carpinus betulus) (Diversity Levels 1, 2 and 3).Canopy litter diversity had a marked effect on the composition of soil macrofauna communities. Though, the relationship between increasing tree species diversity and diversity or abundance of the animal taxa studied (gastropods, lumbricids, isopods, carabids and araneids) was not generally linear. Trophic groups responded differently to tree species diversity: the abundance of key groups of primary decomposers such as isopods and earthworms was promoted by a high diversity of litter resources with an increasing amount of high quality litter, whereas sapro- and phytophagous snails were most diverse and abundant in the medium-diversity forest sites. The activity density of predators in the litter layer such as spiders and carabid beetles decreased in the highly diverse plots due to the fast decomposition of the litter and the concomitant reduction of the litter habitat. On the other hand, predator diversity was positively correlated with the more diverse herb and litter layer in mixed sites. Overall, tree species diversity was an important driving force for soil macrofauna, but it was complemented by structuring forces exerted by single keystone species (e.g. beech).Litter decomposition was studied for the six common tree species on the Hainich sites: beech, lime, ash, maple (A. pseudoplatanus and A. platanoides) and hornbeam, as well as for site specific litter mixtures. The annual decomposition rates (k) were typical for these temperate tree species, with k = 0.5 for beech and k = 1.5 2 for the other tree species. The decomposition rate of Fagus increased with increasing tree species diversity and was further correlated to soil pH, moisture of the litter layer and isopod abundance. Litter decomposition of the other tree species was also faster in the mixed species sites (except for ash and hornbeam) and was positively correlated with earthworm abundance. Amounts and release rates of nutrients differed between tree species but were not consistently different between the diversity levels. Patterns of nutrient release were correlated to initial litter nutrient ratios and even more so with earthworm abundance. Me! re tree species diversity may not be the driver of decomposition processes and nutrient dynamics. Characteristic traits of individual tree species, e.g. of beech in contrast to lime and ash, influence soil and habitat properties as well as soil fauna communities. Thus, presence and abundance of certain tree species and their associated soil fauna (e.g. earthworms) play a key role through their direct and indirect effects on the whole forest ecosystem.
Keywords: Soil fauna; Tree species diversity; Fagus sylvatica; Beech; Litter decomposition; Deciduous forest; Hainich National Park; Bodenfauna; Baumarten; Diversität; Fagus sylvatica; Buche; Streuabbau; Laubwald; Nationalpark Hainich

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Die Beziehung zwischen Artendiversität und Ökosystemfunktionen ist ein wichtiges Thema moderner ökologischer Forschung. Oft werden strukturelle und biotische Eigenschaften von Ökosystemen durch die Pflanzendiversität beeinflusst. Obwohl die grundlegende Abhängigkeit des Bodennahrungsnetzes von der Primärproduktion gut untersucht ist, ist das Wissen über die Interaktionen zwischen Baumartendiversität, unterirdischen Prozessen und Bodentiergemeinschaften ist noch unvollständig. Dies gilt besonders für Waldökosysteme mit Beständen aus mehr als zwei Baumarten. In dieser Studie wurde der Effekt einer zunehmenden Diversität von Laubbaumarten auf die Gemeinschaft der Bodenmakrofauna und die Streuzersetzung untersucht. Es wurden neun Untersuchungsflächen mit vergleichbaren edaphischen und klimatischen Bedingungen im Nationalpark Hainich (Thüringen, Deutschland) angelegt. Diese bildeten einen Diversitätsgradienten von wenig diversen Beständen mit reiner Buche (Fagus sylvatica) über Bestände mittlerer Diversität mit Buche, Esche (Fraxinus excelsior) und Linde (Tilia spp.) bis hin zu hochdiversen Beständen mit Buche, Esche, Linde, Ahorn (Acer pseudoplatanus and A. platanoides) und Hainbuche (Carpinus betulus) (Diversäts Level 1, 2 und 3).Die Diversität der Kronenschicht hatte einen deutlichen Effekt auf die Zusammensetzung der Bodenmakrofaunagemeinschaften. Allerdings war die Beziehung zwischen Baumartendiversität und der Diversität oder Abundanz der untersuchten Tiergruppen (Schnecken, Regenwürmer, Asseln, Laufkäfer und Spinnen) nicht generell linear. Trophische Gruppen reagierten unterschiedlich auf eine veränderte Baumartendiversität: die Abundanz wichtiger Gruppen von Primärzersetzern, z.B. Asseln und Regenwürmer, wurde durch eine hohe Diversität von Streuressourcen mit größeren Mengen an hochqualitativer Streu gefördert. Sapro- und phytophage Schnecken waren hingegen am diversesten und häufigsten in den Beständen mittlerer Diversität. Die Aktivitätsdichte der Räuber in der Streuschicht (Spinnen und Laufkäfer) nahm auf den hochdiversen Flächen aufgrund der schnellen Streuzersetzung und der damit einhergehenden Verkleinerung des Streu-Lebensraumes. Andererseits war die Prädatorendiversität positiv korreliert mit der diverseren Kraut- und Streuschicht der gemischten Bestände. Insgesamt war für die Bodenmakrofauna die Baumartendiversität eine wichtige treibende Kraft, die aber ergänzt wurde durch den strukturierenden Einfluss einzelner Schlüsselarten (z.B. Buche).Von den sechs wichtigsten Baumarten der Untersuchungsflächen: Buche, Linde, Esche, Ahorn (A. pseudoplatanus und A. platanoides) und Hainbuche, sowie für spezifische Flächen-Mischungen wurde der Streuabbau untersucht. Die jährlichen Abbauraten (k) waren typisch für diese Laubbaumarten: k = 0.5 für Buche und k = 1.5 2 für die anderen Baumarten. Die Abbaurate von Fagus erhöhte sich mit zunehmender Baumartendiversität und war zudem mit dem pH-Wert des Bodens, der Feuchte der Streuschicht und der Abundanz der Isopoden korreliert. Der Streuabbau der anderen Baumarten verlief ebenfalls schneller auf den diverseren Flächen (außer Esche und Hainbuche) und war positiv korreliert mit der Abundanz der Regenwürmer. Nährstoffmengen und -freisetzungsraten unterschieden sich zwar zwischen den Baumarten, waren aber zwischen den Diversitäts Levels nicht durchweg unterschiedlich. Muster der Nährstofffreisetzung waren mit den Nährstoffverhältnissen zu Beginn des Experi! ments und stärker noch mit der Regenwurm-Abundanz korreliert. Die reine Baumartendiversität ist nicht unbedingt die treibende Kraft für Abbauprozesse und Nährstoffdynamiken. Charakteristische Eigenschaften einzelner Baumarten, wie z.B. Buche im Kontrast zu Linde und Esche, beeinflussen den Boden, die Habitateigenschaften und die Bodenfaunagemeinschaften. So spielen das Vorkommen und die Häufigkeit bestimmter Baumarten und ihre assoziierte Bodenfauna (z.B. Regenwürmer) eine Schlüsselrolle über ihre direkten und indirekten Effekte auf das ganze Waldökosystem.
 

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