Effects of temperature and body mass on soil communities

Abstract

Die Erde ist einem Klimawandel ausgesetzt mit einem vorhergesagten Temperaturanstieg von bis zu 6° C bis zum Jahr 2100. Diese Erderwärmung kann durch ihren Einfluß auf Bodennahrungsnetze einen großen Einfluss auf die globale Nahrungsmittelproduktion haben. Da das Ökosystem Boden und die Interaktionen der darin lebenden Tiere sehr komplex sind, muß mit vereinfachten Annahmen gearbeitet werden um generelle Muster zu erkennen. Eine Vereinfachung, welche ich in dieser Arbeit nutze, ist die Einteilung von Tierarten in ihre Fraßtypen (z.B. Carnivore, Herbivore und Detritivore), da physiologische Eigenschaften (z.B. Assimilationseffizienzen und Respirationsraten) sich vermutlich zwischen den Fraßtypen unterscheiden. Als zusätzlichen Parameter nutzte ich Körpermasse, da diese durch ihren Einfluß auf Respirationsraten, Abundanzen und Interaktionen zwischen Arten (z.B. Fraßraten und Konkurrenz) von großer Bedeutung für die Struktur und Dynamiken von Nahrungsnetzen sein kann.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Temperatureinflüssen auf Bodengemeinschaften. Wegen ihrer enormen Wichtigkeit für Fraßraten von Tieren, habe ich mit physiologischen Reaktionen von Respirationsraten und Assimilationseffizienzen auf Temperaturerhöhung begonnen (Kapitel 2). Dazu habe ich eine Metastudie durchgeführt, in welcher ich Literaturdaten zu beiden Parametern gesammelt und die Einflüsse von Temperatur und Körpermasse in Abhängigkeit von den verschiedenen Fraßtypen untersucht. Darauf basierend konne ich minimale Fraßraten berechnen (d.h. Fraßraten, welche die nötige Energie zur Aufrechterhaltung des Lebens liefern), indem die Respirationsraten durch die Assimilationseffizienzen des entsprechenden Fraßtypen geteilt wurden. Da sowohl Respirationsraten als auch Assimilationseffizienzen unter Berücksichtigung von Temperatur- und Körpermasseneinflüssen betrachtet wurden, spiegelte sich die Abhängigkeit von diesen beiden Parametern auch in den Fraßraten wieder.

Die Abhängigkeit der Respirationsraten und Assimilationseffizienzen von Temperatur und Körpermasse unterschied sich zwischen den einzelnen Fraßtypen, mit dem stärksten Temperatureinfluss auf Respirationsraten von Carnivorne und dem stärksten Körpermasseneffekt auf Herbivore. Assimilationseffizienzen hingegen waren nur für Herbivore temperaturabhängig. Die einzige Körpermassenabhängigkeit lag hier für Detritivore vor. Die daraus resultierenden minimalen Fraßraten stiegen für alle Fraßtypen mit Temperatur und Körpermasse. Dabei hatte Temperatur die größten Auswirkungen auf Carnivore während der Körpermasseneffekt bei Detritivoren am stärksten ausgeprägt war. Somit wird Klimawandel tiefgreifende Auswirkungen auf natürliche Gemeinschaften haben, da durch die hohen Fraßraten der Detritivoren und den starken Anstieg der Fraßraten von Carnivoren mit Temperatur die Stoffumsatzraten ansteigen. Ein Vergleich mit experimentell gemessenen Fraßraten zeigte, dass die kalkulierten Fraßraten der niedrigeren trophischen Ebenen weniger stark durch Klimaerwärmung anstiegen als die gemessenen Fraßraten, was zum Aufbau von Biomasse führen sollte (Populationswachstum). Für Carnivore hingegen traf dies nicht zu: Hier stiegen die kalkulierten Fraßraten stärker mit Temperatur als die experimentell gemessenen, was bedeutet, dass Carnivore kaum genug Energie zum Überleben konsumieren können und damit ein erhöhtes Aussterberisiko haben.

Als zweites habe ich Fraßraten verschieden großer Räuber unter Berücksichtigung von intraspezifischer Konkurrenz (Interferenz) experimentell gemessen (Kapitel 3). Prinzipiell habe ich erwartet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit und somit die Wahrscheinlichkeit einen Konkurrenten zu treffen mit Temperaturerwärmung ansteigt, was zu erhöhter Interferenz führen sollte. Dies traf jedoch nur für den größeren Räuber ein, für den Kleineren war das Gegenteil der Fall. Meine Erklärung für dieses Verhalten basiert auf dem verschieden starken Anstieg der Respirationsraten beider Räuber mit Temperatur: Dieser war geringer für den größeren Räuber, dessen erhöhte Aktivität somit zu verstärker Interferenz führte. Die Respirationsrate des kleineren Räubers stieg jedoch viel stärker an und der Räuber musste somit seine Fraßrate um ein vielfaches erhöhen. Dadurch blieb jedoch keine Zeit für Interaktionen mit Konkurrenten. Dieses Ergebnis passt auch zu meiner vorherigen Schlußfolgerung, dass Carnivore sehr anfällig für Klimaerwärmung sind. Zusätzlich zeigt es jedoch, dass Generalisierungen schwierig sind und den Anstieg der Respirationsrate mit Temperatur in Abhängigkeit von der Körpermasse mit einbeziehen sollten.

Schließlich habe ich die Komplexität des Systems noch einmal erhöht und mir den Einfluss von einem zusätzlichen Parameter, Bodentrockenheit, auf eine Bodengemeinschaft mit vier trophischen Ebenen angeschaut (Kapitel 4). Um ein möglichst natürliches System unter kontrollierten Bedingungen im Labor zu untersuchen, habe ich Bodenkerne mit ihrer natürlichen Porenstruktur und Mikroflora verwendet. Die untersuchte Gemeinschaft bestand aus Pilzen, Springschwänzen (Collembolen), Milben und Geophiliden. Als basale Ressource wurde Maisstreu verwendet. Zusätzlich wurde auf den höheren trophischen Ebenen ein Körpergrößenaspekt miteinbezogen indem zwei verschieden große Collembolenarten eingesetzt wurden und eine kleine (Milben) sowie eine große (Geophiliden) Räuberart. Meine Ergebnisse zeigen, dass es schwierig ist die Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen und betonen die Wichtigkeit von Studien mit mehr als einem Klimafaktor. Ein Klimawandel-Szenario mit steigender Temperatur und Bodentrockenheit zeigte, dass durch ansteigende Fraßraten der negative Einfluß der Räuberpopulation auf die Beute noch verstärkt wurde. Dieser negative Einfluss wurde durch trophische Kaskaden mit steigender Temperatur neutralisiert. Auf niedrigeren trophischen Ebenen bedeuten erhöhte Fraßraten schnellere Streuabbau, was Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf hat. Für Geophiliden zeigte sich des Weiteren ein starker Einfluß der Körpermasse auf die Fraßraten, welche mit zunehmender Körpermasse abnahmen. Dies lag vermutlich an der sinkenden Effizienz beim Beutefang mit zunehmender Räubergröße, da die Habitatstruktur größere Individuen benachteiligte.

Die meisten Teile dieser Arbeit beinhalten nur einen Klimaparameter, Temperatur, welcher von großer Wichtigkeit für alle biologischen Interaktionen ist. Jedoch ist Temperatur nicht der einzige Faktor der mit Klimawandel in Verbindung gebracht wird und die Physiologie und Interaktionen von Arten beeinflussen kann. In Kapitel 4 konnte ich nicht nur aufzeigen wie wichtig es ist, sich mehrere (potentiell interagierende) Faktoren gleichzeitig anzuschauen, sondern auch feststellen wie schwierig die Betrachtung multipler Faktoren ist. Da es unmöglich ist jede Interaktion zwischen Arten in einer natürlichen Gemeinschaft zu betrachten, habe ich versucht generelle Muster zu finden indem ich mit einem einfachen System begonnen und die Komplexität erhöht habe. Die Ergebnisse dieser Arbeit können nun in theoretische Modelle eingebracht werden welche die Auswirkungen von Klimawandel auf Populationen und Nahrungsnetzstabilität untersuchen. Zusätzlich bietet diese Arbeit wichtige Erkenntnisse für Naturschutzstrategien.