Temperate ant communities under anthropogenic impact

Titelangaben

Grevé, Michael E.:
Temperate ant communities under anthropogenic impact.
Bayreuth , 2019 . - 129 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

European, temperate terrestrial ecosystems are shaped and managed by humans since millennia. While grasslands were consistently managed at low intensities over centuries, forest management changed multiple times over time and each change had an immense impact on the structure of forest ecosystems. Since the last decades, the management in both biomes is changing, but in opposite directions. Today, highly diverse grasslands are threatened by land-use intensification, while reciprocally, forests are transformed from intensively used even-aged monocultures to uneven-aged multi-species stands in order to promote biodiversity. How species communities are affected by management and how they respond to changes, are key questions in ecology. But especially for some keystone taxa such as ants which are known to be responsive to management, they are still not sufficiently understood. In grasslands for example, the underlying mechanisms leading to a decrease in species richness as well as changes in functional community composition remain elusive. In forests, management has been shown to have an overall negative effect on ant communities in tropical, and a positive effect in boreal forests. However, in temperate forests, it is unclear what components of forest management affect ant communities and how. In my first manuscript, I studied the direct and indirect effects of land-use intensification on ant communities in temperate grasslands which were sampled on 110 grassland plots in three regions in Germany. The sampled grasslands are used as meadows or pastures, being mown, grazed or fertilized at different intensities. I found that ant species richness, functional trait space of communities and abundance of nests decreased with increasing land-use intensity. The land-use practice most harmful to ants was mowing, followed by heavy grazing by cattle. Fertilization did not strongly affect ant species richness. Grazing by sheep increased ant species richness. The effect of mowing differed between species and most rare species occurred mainly in plots managed at low intensity. The results show that mowing less frequently or later in the season would retain a higher ant species richness – similarly to most other grassland taxa. The transformation from pastures to intensively managed meadows and especially mowing directly affects ants via the destruction of nests and indirectly via loss of grassland heterogeneity (reduced plant species richness) and increased soil moisture by shading of fast-growing plant species. In my second manuscript, I explored the direct and indirect effects of forest management on the taxonomic and functional diversity of ant communities in 150 temperate forest stands in three regions in Germany. I analyzed the effects of 18 variables, including variables of forest management, forest structure, arthropod diversity, and biomass, as well as abiotic factors, on ant species richness, abundance, and functional trait diversity. Main direct effects of forest management on ant abundance and species richness were caused by tree species selection, measured as dominant tree species. The main positive indirect effect was mediated by a reduced canopy cover with an increasing proportion of oak and pine, which results in a higher temperature amplitude. Functional diversity, based on life-history traits, was affected positively by tree harvesting and negatively by structural complexity. This study shows that forest management practices in temperate forests strongly impact the ant community structure. This can be beneficial for ants if management reduces the canopy cover, either by tree harvesting or by changing the tree species composition towards shade-intolerant tree species. To promote ant diversity as key taxon for maintaining ecosystem processes in forest ecosystems, I suggest integrating forest stands with more open and warmer conditions in future management strategies. In my first two manuscripts, I could show that ant communities respond to changes in habitat structures and that species with certain (morphological and life-history) traits are more sensitive towards management intensification than others. Thus, the question arises whether traits can be used to predict how a species is affected by changes in habitat structures. Or in a broader view and based on other studies: how reliable are morphological traits as functional traits? I try to answer this question in my third manuscript where I investigated the running speed of differently sized ants (body size and leg length) along a surface rugosity gradient which represents different habitat structures. In general, it is thought that leg length is a good predictor for running speed and by theory, similarly sized species should respond similarly towards changes. But the opposite was the case and leg length was not a good predictor for running speed. In addition, similar-sized species responded idiosyncratically to high surface rugosity, which might be related to species-specific habitat preferences. This hampers precise predictions on how species might respond to changing habitats, based on morphological traits exclusively. Based on the findings of all three manuscripts, it is possible to make predictions of how future management will change species communities, but species-specific forecasts remain difficult.

Abstract in weiterer Sprache

Die terrestrischen Ökosysteme werden in Europa seit Jahrtausenden vom Menschen bewirtschaftet und geformt. Während Wiesen und Weiden über Jahrhunderte durchgängig mit geringer Intensität bewirtschaftet wurden, veränderte sich die Forstwirtschaft mehrfach mit der Zeit und jede Veränderung hatte immensen Einfluss auf die Struktur und Ökosysteme der Wälder. In den letzten Jahrzehnten veränderte sich die Bewirtschaftung in beiden Biomen, allerdings in unterschiedliche Richtungen. Grasflächen, die eine enorme Diversität aufweisen, werden nun durch eine intensivierende Bewirtschaftung bedroht. Gleichzeitig werden Wälder von intensiv genutzten Monokulturen zu naturnäheren, baumartenreicheren Wäldern verändert, um die Biodiversität in ihnen zu schützen und zu erhöhen. Wie Artgemeinschaften von Wald- und Landbewirtschaftung beeinflusst werden und wie sie auf daraus resultierende Veränderungen reagieren ist eine noch immer nicht ausreichend verstandene Grundfrage in der Ökologie. Dies gilt besonders für Schlüsselgruppen, wie etwa Ameisen von denen bekannt ist, dass sie auf Landnutzung reagieren. Welche genauen Mechanismen zu einer Reduzierung vom Artenreichtum oder zu Veränderungen in Artgemeinschaften führen, ist jedoch nicht ausreichend erforscht. Im Wald ist der Effekt von Forstwirtschaft auf Ameisen variabel und ist in den Tropen eher negativ und in der borealen Zone eher positiv. Welchen Effekt Forstwirtschaft in der gemäßigten Zone hat, ist bisher nicht bekannt. In meinem ersten Manuskript erforsche ich die direkten und indirekten Effekte von intensivierter Landnutzung auf Ameisengemeinschaften in den gemäßigten Breiten, die auf 110 Grasflächen in drei Regionen in Deutschland gesammelt wurden. Diese Grasflächen werden als Wiesen und Weiden bewirtschaftet und verschieden intensiv gemäht, gedüngt und beweidet. Ich fand heraus, dass der Artenreichtum, die Variabilität der funktionellen Merkmale einer Gemeinschaft, sowie die Anzahl der Nester sich mit intensiverer Landnutzung verringert. Häufiges Mähen hatte die stärksten, negativen Einflüsse, gefolgt von Überweidung durch Rinder. Düngung hatte keinen direkten Einfluss auf Ameisen. Beweidung durch Schafe erhöhte hingegen den Artenreichtum. Der Effekt vom häufigen Mähen variierte zwischen den Ameisenarten und besonders die seltenen Arten wurden zumeist nur auf wenig bewirtschafteten Flächen gefunden. Die Ergebnisse zeigen, dass Ameisen, ähnlich wie andere Organismengruppen im Grasland, von einer weniger häufigen oder eine zeitlich spätere Mahd stark profitieren würden. Die Umwandlung von Weiden in intensiv genutzte Fettwiesen sowie das Mähen hat direkte, negative Effekte durch die Zerstörung der Nester und indirekte Effekte durch den Verlust von Heterogenität (durch reduzierte Pflanzen-Diversität) und einer höheren Bodenfeuchtigkeit durch schnellwachsende Grasarten. In meinem zweiten Manuskript erforsche ich die direkten und indirekten Effekte von Forstwirtschaft auf den Artenreichtum und die funktionelle Diversität auf Ameisen in 150 Waldflächen, wieder aus drei Regionen in Deutschland. Ich analysiere den Effekt von 18 Variablen, unter anderem Forstwirtschaft, Waldstruktur, Diversität und Biomasse von Arthropoden, sowie auch abiotische Faktoren, auf die Ameisen-Diversität (Artenreichtum, Abundanz und funktionelle Diversität). Die stärksten direkten Effekte von Forstwirtschaft auf die Anzahl an Ameisenarten und Individuen hat die Auswahl der Baumart, die im Wald vorherrscht. Dabei hatte den größten, positiven indirekten Effekt hat eine geringe Baumkronenabdeckung, etwa durch einen hohen Anteil an Eichen und Kiefern, die eine tagsüber erhöhte Temperatur im Wald ermöglichen. Das Ausdünnen des Waldes, sowie eine weniger komplexe Waldstruktur führte zu einer Erhöhung der funktionellen „life-history“-Diversität. Diese Studie zeigt, dass Forstwirtschaft einen starken Einfluss auf die Struktur von Ameisengemeinschaften hat. Dieser Einfluss kann sich positiv auf Ameisen auswirken, wenn er zu einem lichteren Wald führt, etwa durch das Herausnehmen von einzelnen Bäumen oder dem Anpflanzen von Lichtbaumarten. Um die Diversität von Ameisen und ihren Einfluss auf das Ökosystem Wald zu fördern, empfehle ich die Managementstrategien, die zu einem lichteren und wärmeren Wald führen. In meinen ersten beiden Manuskripten konnte ich zeigen, dass Ameisengemeinschaften auf Änderungen in der Habitatstruktur reagieren und das Arten mit bestimmten (morphologischen sowie life-history) Merkmalen sensibler für Veränderungen sind als andere. Daraus resultierte die Frage ob man bestimmte Merkmalsausprägungen dazu nutzen kann um die Reaktion einer Art auf Veränderungen in der Habitatstruktur abzuschätzen. Oder grober gesagt: Kann man einem morphologischen Merkmal eine klare Funktion zuordnen? Diese Frage versuche ich in meinem dritten Manuskript zu beantworten. In diesem vergleiche ich die Laufgeschwindigkeit verschieden großer Ameisenarten (Körpergröße und Beinlänge) auf unterschiedlich strukturierten Oberflächen, die verschieden komplexe Habitate darstellen sollen. Die Beinlänge eines Tieres ist generell als guter Prädikator für die Laufgeschwindigkeit angesehen und theoretisch sollten gleich große Arten auch ähnliche Reaktionen auf Veränderungen zeigen. Allerdings war das Gegenteil der Fall und die Beinlänge erwies sich als kein guter Prädiktor für Laufgeschwindigkeit. Zudem reagierten gleichgroße Arten sehr unterschiedlich auf zunehmende Oberflächenstruktur, die auf artspezifische Unterschiede in den bevorzugten Habitaten zurückzuführen ist. Diese Erkenntnis zeigt, dass es schwierig ist genaue Erwartungen zu formulieren wie ein Tier auf Habitatveränderung reagiert, wenn man nur dessen Morphologie betrachtet. Basierend auf den Erkenntnissen aller drei Manuskripte ist es möglich abzuschätzen wie zukünftige Bewirtschaftung Ameisengemeinschaften beeinflussen wird, jedoch sind artgenaue Vorhersagen nur schwer möglich.