TY  - THES
A1  - Claßen, Alice
T1  - Diversity, traits and ecosystem services of pollinators along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro
T1  - Diversität, Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bestäubern entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo
N2  - Since more than two centuries naturalists are fascinated by the profound changes in biodiversity observed along climatic gradients. Although the theories explaining changes in the diversity and the shape of organisms along climatic gradients belong to the foundations of modern ecology, our picture on the spatial patterns and drivers of biodiversity is far from being complete. Ambiguities in theory and data are common and past work has been strongly concentrated on plants and vertebrates. In the last two decades, interest in the fundamental processes structuring diversity along climatic gradients gained new impetus as they are expected to improve our understanding about how ecosystems will respond to global environmental changes. Global temperatures are rising faster than ever before; natural habitats are transformed into agricultural land and existing land use systems get more and more intensified to meet the demands of growing human populations. The fundamental shifts in the abiotic and biotic environment are proclaimed to affect ecosystems all over the world; however, precise predictions about how ecosystems respond to global changes are still lacking. We investigated diversity, traits and ecosystem services of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro (Tanzania, East Africa). Wild bees play a major role in ecosystems, as they contribute to the reproduction and performance of wild and crop plants. Their responsiveness to environmental changes is therefore of high ecological and economic importance.

Temperature and energy resources have often been suggested to be the main determinants of global and local species richness, but the mechanisms behind remain poorly understood. In the study described in chapter II we analyzed species richness patterns of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro and disentangled the factors explaining most of the changes in bee richness. We found that floral resources had a weak but significant effect on pollinator abundance, which in turn was positively related to species richness. However, temperature was the strongest predictor of species richness, affecting species richness both directly and indirectly by positively influencing bee abundances. We observed higher levels of bee-flower-interactions at higher temperatures, independently of flower and bee abundances. This suggests that temperature restricts species richness by constraining the exploitation of resources by ectotherms. Current land use did not negatively affect species richness. We conclude that the richness of bees is explained by both temperature and resource availability, whereas temperature plays the dominant role as it limits the access of ectotherms to floral resources and may accelerate ecological and evolutionary processes that drive the maintenance and origination of diversity.

Not only species numbers, but also morphological traits like body size are expected to be shaped by both physiological and energetic constraints along elevational gradients. Paradoxically, Bergmann´s rule predicts increases of body sizes in cooler climates resulting from physiological constraints, while species-energy theory suggests declines in the mean body size of species caused by increased extinction probabilities for large-bodied species in low-energy habitats. In chapter III we confronted this ambiguity with field data by studying community-wide body size variation of wild bees on Mt. Kilimanjaro. We found that along a 3680 m elevational gradient bee individuals became on average larger within species, while large species were increasingly absent from high-elevational communities. This demonstrates, on the one hand, how well-established, but apparently contrasting ecological theories can be merged through the parallel consideration of different levels of biological organization. On the other hand it signals that the extinction risk in the course of environmental change is not equally distributed among species within a community.

Land use intensification is known to threaten biodiversity, but the consequences for ecosystem services are still a matter of debate. In chapter IV, we experimentally tested the single and combined contributions of pest predators and pollinators to coffee production along a land use intensification gradient on Mount Kilimanjaro. We found that pest predation increased fruit set by on average 9%, while pollination increased fruit weight of coffee by on average 7.4%. Land use had no significant effect on both ecosystem services. However, we found that in coffee plantations with most intensified land use, pollination services were virtually exclusively provided by the honey bee (Apis mellifera). The reliance on a single pollinator species is risky, as possible declines of that species may directly lower pollination services, resulting in yield losses. In contrast, pollination services in structurally complex homegardens were found to be provided by a diverse pollinator community, increasing the stability of pollination services in a long term.

We showed that on Mount Kilimanjaro pollinator communities changed along elevational gradients in terms of species richness (chapter II) and trait composition (chapter III). Temperature and the temperature-mediated accessibility of resources were identified as important predictors of these patterns, which contributes to our fundamental understanding about the factors that shape ectothermic insect communities along climatic gradients. The strong temperature-dependence of pollinators suggests that temperature shifts in the course of global change are likely to affect pollinator communities. Pollinators might either profit from rising temperatures, or shift to higher elevations, which could result in related biotic attrition in the lowland with consequences for the provision of ecosystem services in cropping systems. Up to now, land use intensification had no significant impact on the diversity of pollinator communities and their ecosystem services. Pollinators might profit from the strong landscape heterogeneity in the region and from the amount of flower resources in the understory of cropping systems. However,progressing homogenization of the landscape and the pronounced application of pesticides could result in reduced diversity and dominance of single species, as we already found in sun coffee plantations. Such shifts in community compositions could threaten the stability of ecosystem services within cropping and natural systems in a long term.
N2  - Die Biodiversität auf der Erde ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern verändert sich entlang klimatischer Gradienten – ein Phänomen, das Naturwissenschaftler schon seit mehr als zwei Jahrhunderten fasziniert. Über die Mechanismen, welche die Verteilung von Arten entlang von Klimazonen bestimmen, besteht nach wie vor keine Einigkeit, auch wenn viele der hier hervorgebrachten Theorien zu den Grundlagen der modernen Ökologie gehören. Ambivalenzen in den Erklärungsmodellen und erhobenen Daten sind häufig und bisherige Studien konzentrierten sich vorrangig auf Pflanzen und Vertebraten, während andere Taxa weniger Beachtung fanden. Die Unsicherheit über die Auswirkungen des globalen Wandels auf Ökosysteme und die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen setzte neue Impulse im Bereich der Biodiversitätsforschung. Temperaturen steigen so schnell wie nie zuvor; natürliche Habitate werden zunehmend in Agrarflächen umgewandelt und bestehende Landwirtschaftssysteme werden intensiviert. Präzise Vorhersagen darüber, wie Ökosysteme auf solch drastische Umweltveränderungen reagieren, fehlen jedoch weitgehend.
In dieser Dissertation wird gezeigt, wie sich die Artenvielfalt, morphologische Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos (Tansania, Ostafrika) verändern. Bienen spielen eine wichtige Rolle in Ökosystemen, da sie als Bestäuber zur Reproduktion und Produktivität von Wild- und Nutzpflanzen beitragen. Die Veränderung ihres Artenreichtums, ihrer Merkmale und ihrer Ökosystemdienstleistungen entlang von Umweltgradienten ist somit von großer ökologischer und ökonomischer Relevanz.

Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen sind die Faktoren, mit denen globale und lokale Muster von Diversität am häufigsten erklärt werden. Die kausalen Zusammenhänge über welche die Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen eine Erhöhung der Artenvielfalt bewirken, sind jedoch nach wie vor unklar. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Artenreichtum von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos verändert und welche Faktoren für diese Veränderungen verantwortlich sind. Blühressourcen hatten einen schwachen, aber signifikanten Einfluss auf die Bestäuberabundanzen, welche wiederum einen Großteil des Artenreichtums erklärten. Insgesamt hatte die Temperatur jedoch einen deutlich stärken Einfluss auf die Artenvielfalt als die Verfügbarkeit von Blühressourcen: Die Temperatur wirkte sich direkt, möglicherweise über einen Erhöhung von Speziationsraten, und indirekt, über eine Erhöhung der Bienenabundanz, auf die Artenvielfalt von Bienen aus. Zusätzlich konnte beobachtet werden, dass die Blütenbesuche von Bienen unabhängig von der Blütendichte und der Bienenabundanz, mit einem Anstieg der Temperatur zunahmen. Aus diesen Beobachtungen folgern wir, dass bei Ektothermen die Nutzbarkeit von Ressourcen durch die Temperatur gesteuert sein könnte.

Die Untersuchung morphologischer Merkmale entlang von Umweltgradienten erlaubt es, deterministische von stochastischen Prozessen bei der Zusammensetzung von Artengemeinschaften zu unterscheiden. Während bei stochastischen Prozessen Merkmale entlang von Umweltgradienten zufällig aus Artengemeinschaften ausscheiden sollten, wird im Falle deterministischer Prozesse ein gerichtetes Muster erwartet. Unter den deterministischen Prozessen konkurrieren bezüglich der Körpergröße zwei scheinbar konträre Theorien: Während die Bergmannsche Regel vorhersagt, dass große Tiere, aufgrund eines verbesserten Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, einen Vorteil in kühlen Regionen haben, weist die Arten-Energie-Theorie größeren Arten eine erhöhte Aussterbewahrscheinlichkeit in energielimitierten, kühlen Gebieten zu, so dass die mittlere Körpergröße von Lebensgemeinschaften bei kälterer Temperatur sinken sollte. Im dritten Kapitel dieser Dissertation untersuchten wir, ob sich morphologische Merkmale von Wildbienen mit zunehmender Höhe verändern. Dabei betrachteten wir nicht nur Merkmalsveränderungen innerhalb von Artengemeinschaften, sondern auch innerartliche Veränderungen. Sowohl physiologische als auch energetische Restriktionen prägten die Merkmalskompositionen, allerdings auf unterschiedlichen biologischen Ebenen. So nahm die Körpergröße innerhalb von Arten mit der Höhe im Durchschnitt zu (=Bergmannsche Regel), während auf Gemeinschaftsebene kleinere Arten die Hochgebirgsregionen dominierten (=energetische Restriktion). Die parallele Betrachtung der intra- und interspezifischen Ebene ermöglichte es uns, scheinbar konträre ökologische Theorien zusammenzuführen. Zudem konnten wir zeigen, dass Merkmale nicht zufällig, sondern gerichtet aus Artengemeinschaften gefiltert werden.

Landnutzungsintensivierung bedroht Biodiversität, aber die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen sind nach wie vor ungewiss. Im vierten Kapitel dieser Arbeit prüften wir mit Hilfe von einzelnen und kombinierten Bestäuber- und Prädatorausschlussexperimenten, welchen Beitrag Bestäuber, Vögel und Fledermäuse in verschiedenen Anbausystemen zur Kaffeeproduktion am Kilimandscharo leisten. Wir zeigten, dass sich Bestäuber und Prädatoren in ihren Effekten ergänzten: Während Bestäuber eine Steigerung des Kaffeebohnengewichtes um durchschnittlich 7.4% bewirkten, konnte durch die Prädation von Schädlingen der Fruchtansatz des Kaffees um durchschnittlich 9% gesteigert werden. Landwirtschaftliche Intensivierung, von komplexen Waldwirtschaftssystemen, über beschattete Kaffeeplantagen, bis hin zu Sonnenplantagen hatte keinen negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleistungen von Bestäubern und Prädatoren. Wir konnten jedoch nachweisen, dass in Waldwirtschaftssystemen eine diverse Bestäubergemeinschaft den Kaffee bestäubt, während in Sonnenplantagen fast
ausschließlich die Honigbiene als Bestäuber fungiert. Eine solche Verschiebung der Bestäuber-komposition könnte die langfristige Stabilität intensiv genutzter Flächen gefährden.

In dieser Dissertation zeigten wir, wie sich Bestäubergemeinschaften am Kilimandscharo entlang von Höhengradienten bezüglich ihrer Artenvielfalt (Kapitel II) und ihrer Merkmale (Kapitel III) verändern. Temperatur und temperatur-gesteuerte Ressourcennutzbarkeit wurden als maßgebende Determinanten dieser Muster identifiziert. Damit wurde ein Beitrag zur Identifikation von Gesetzmäßigkeiten in der Verteilung ektothermer Insekten entlang von Klimagradienten geleistet. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass Klimaveränderungen im Zuge des globalen Wandels Konsequenzen für Bestäubergemeinschaften haben könnten. Eventuell könnten Bestäuber von den steigenden Temperaturen profitieren. Gleichsam könnte es aber auch zu einer Verschiebung von Bestäubern in höher gelegene Regionen und zu einem daran gekoppelten Einbruch der Bestäubungsleistungen in tiefliegenden Kulturlandschaften kommen. Im Hinblick auf die Konsequenzen anthropogener Landnutzung wurde festgestellt, dass die landwirtschaftliche Intensivierung am Kilimandscharo bisher keinen messbaren negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleitungen von Bestäubern hatte. Die Bestäuber profitieren vermutlich von der starken Landschaftsheterogenität der Region und zahlreichen krautigen Blühressourcen im Unterwuchs von Agrarflächen. Eine zunehmende Homogenisierung der Landschaft und ein verstärkter Einsatz von Pestiziden könnten jedoch, wie auf Sonnenplantagen bereits zu finden, zu einer Dominanz von einigen wenigen Arten führen, welches zusammen mit der klimabedingten Artenverschiebung die langfristige Stabilität von Agrarsystemen und natürlichen Systemen gefährden könnte.
KW  - Kilimandscharo
KW  - Bestäuber
KW  - Biodiversität
KW  - Höhengradient
KW  - Landnutzungsgradient
KW  - Arten-Energy-Theory
KW  - species-energy-theory
KW  - elevational gradient
KW  - Kilimanjaro
KW  - pollinators
KW  - diversity
KW  - ecosystem service
KW  - ecology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101292
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Koetschan, Christian
A1  - Kittelmann, Sandra
A1  - Lu, Jingli
A1  - Al-Halbouni, Djamila
A1  - Jarvis, Graeme N.
A1  - Müller, Tobias
A1  - Wolf, Matthias
A1  - Janssen, Peter H.
T1  - Internal Transcribed Spacer 1 Secondary Structure Analysis Reveals a Common Core throughout the Anaerobic Fungi (Neocallimastigomycota)
JF  - PLOS ONE
N2  - The internal transcribed spacer (ITS) is a popular barcode marker for fungi and in particular the ITS1 has been widely used for the anaerobic fungi (phylum Neocallimastigomycota). A good number of validated reference sequences of isolates as well as a large number of environmental sequences are available in public databases. Its highly variable nature predisposes the ITS1 for low level phylogenetics; however, it complicates the establishment of reproducible alignments and the reconstruction of stable phylogenetic trees at higher taxonomic levels (genus and above). Here, we overcame these problems by proposing a common core secondary structure of the ITS1 of the anaerobic fungi employing a Hidden Markov Model-based ITS1 sequence annotation and a helix-wise folding approach. We integrated the additional structural information into phylogenetic analyses and present for the first time an automated sequence-structure-based taxonomy of the ITS1 of the anaerobic fungi. The methodology developed is transferable to the ITS1 of other fungal groups, and the robust taxonomy will facilitate and improve high-throughput anaerobic fungal community structure analysis of samples from various environments.
KW  - profile distances
KW  - ITS2
KW  - phylogenetic trees
KW  - RNA sequence
KW  - reconstruction
KW  - diversity
KW  - populations
KW  - tool
KW  - systematics
KW  - herbivores
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117058
VL  - 9
IS  - 3
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaiser, Dorkas
T1  - Termites and ants in BURKINA FASO (WEST AFRICA): taxonomic and functional diversity along land-use gradients; ecosystem services of termites in the traditional ZAÏ SYSTEM
T1  - Termiten und Ameisen in Burkina Faso (West Africa): Taxonomische und funktionelle Diversität entlang Landnutzungs-Gradienten, Ökosystemdienste von Termiten im traditionellen Zai system
N2  - The consequences of habitat change for human well-being are assumed to be especially extreme in Burkina Faso. The country is located in a highly drought-sensitive zone of West Africa, and small‐scale subsistence farmers may be especially affected if losses of biodiversity lead to changes in ecosystem functioning; many depend on more or less degraded lands for agricultural production. 
The overall aim of the present thesis consequently was to characterize the functional traits of soil-organisms which are crucial for a productive and balanced soil environment in the study region – termites and ants. They are true ecosystem engineers whose activity alters the habitat. Through soil-turnover in the course of constructing biogenic structures of varying size and nature (mounds, nests, galleries, soil-sheetings, foraging-holes), they bioturbate huge amounts of soil masses and exert massive effects on soil structure, positively influencing the fertility, stability, aeration and water infiltration rate into soils; and they provide habitats for other species. In sub-Saharan Africa, ants and termites are the only active soil macrofauna during the long dry season; in the sub-Sahel zone of Burkina Faso, termites even represent the only active, quantitatively remarkable decomposers all year round. Since no information was available about the actual diversity of the focal arthropods, I divided the thesis in two main parts: In the first part, a baseline study, I assessed the local termite and ant fauna, and investigated their quantitative and qualitative response to changing habitat parameters resulting from increasing human impact (‘functional response traits’). In the second and applied part, I addressed the impact of the biogenic structures which are important for the restoration of degraded soils (‘functional effect traits’). 
Two traditional agricultural systems characteristic for the study region were selected. Each system represented a land-use intensification gradient comprising four distinct habitats now differing in the magnitude of human intervention but formerly having the same initial state. The first disturbance gradient, the temporal cross-section of a traditional soil water conservation technique to restore degraded heavily encrusted, barren soil named Zaï in Ouahigouya (Yatenga province, sub-Sahel zone); the second disturbance gradient, an agriculture type using crop rotation and fallow as nutrient management techniques near Fada N’Gourma (Gourma province, North-Sudanese zone). 
No standard protocol existed for the assessment of termite and ant diversity in semi-arid (agro-) ecosystems; two widely accepted standard protocols provided the basis for the newly revised and combined rapid assessment protocol ‘RAP’: the ALL protocol for leaf litter ants of Agosti and Alonso (2000), and the transect protocol for termites in tropical forests of Jones and Eggleton (2000). In each study site, three to four replicate transects were conducted during the rainy seasons (2004—2008). 
The RAP-protocol turned out to be very effective to characterize, compare and monitor the taxonomic and functional diversity of termites and ants; between 70% and 90% of the estimated total species richness were collected on all levels (transects, habitats, regions). Together in both regions, 65 ant species (25 genera) and 39 termite species (13 genera) were collected. These findings represent the first records for Burkina Faso. The data indicate a high sensitivity of termites and ants to land-use intensification. The diversity strongly decreased with increasing anthropogenic impact in the North-Sudan region. In total, 53 ant species (23 genera) and 31 termite species (12 genera) were found. Very promising results concerning the recovery potential of the soil-arthropods’ diversity were gathered in the Zaï system. The diversity of both taxa strongly increased with increasing habitat rehabilitation – in total, 41 ant species (16 genera) and 33 termite species (11 genera) were collected. For both taxa significant differences could be noted in the shape of the density variations along the gradient. For instance termites: Fungus-growers showed the greatest adaptability to different management practices. The greatest variations between the habitats were observed in soil and grass-feeding termites. Whole functional groups were missing in heavily impacted habitats, e.g. soil-, grass-, and wood-feeders were absent in the degraded site in the sub-Sahel zone. Several environmental parameters could be identified which significantly explained a great part of the variations in the composition of the arthropods’ communities; they indicate the importance of the habitats’ structural complexity (vegetation structure) and concomitant effects on diurnal temperature and moisture fluctuations, the availability of food sources, and the soil-structure. The diversity of termites in the sub-Sahel region was strongly correlated with the crown-cover percentages, the topsoils’ sand-content, and the availability of litter; in the North-Sudan region with the cumulated woody plant basal area, the topsoils’ clay- and organic matter-content. The parameters identified for ant communities in the Zaï system, were the height of trees, the topsoils’ clay-content and air humidity; in the North-Sudan region the habitats’ crown-cover percentages, the quantity of litter and again the height of trees.
In the second part of the thesis, I first rapidly assessed the (natural) variations in the amount of epigeal soil-structures along the two disturbance gradients in order to judge the relative importance of termites and ants for soil-turnover. The results illustrated impressively that a) in all study sites, termites were the main bioturbators while ant structures were of minor importance for soil turn-over; b) earthworms and grass-feeding termites contributed significantly to soil turn-over in the more humid North-Sudan region; and c) the bioturbated soil mass varied between seasons and years, however, the relative importance of the different taxa seemed to be fairly constant. In the sub-Sahel zone, fungus-growing Odontotermes and Macrotermes species fully take over the important function of bioturbation, leading to the transport of huge amounts of fine-textured soil material to the surface; with increasing habitat restoration, coarse fragments decreased in the upper horizons and became concentrated deeper along the soil profile. 
Consequently, in the applied part, I concentrated on the bioturbation activity of fungus-growing termites in the four main stages of the Zaï system: crusted bare soil (initial stage), millet field, young and old forest. In each of the four Zaï sites nine experimental blocks (each comprising four plots of 1m2) were used to stimulate the foraging activity of fungus-growing termites with different, locally available organic materials (Aristida kerstingii hay, Bombax costatum wooden blocks, compost and a control without any organic amendment). The experiment was conducted twice for the duration of four weeks (rainy season 2005, dry season 2006). The plots were regularly checked and the increase of the area covered by sheetings chronologically followed. After four weeks a) all sheeting-soil was collected, air dried and separately weighed according to the different genera, and b) the foraging-holes were counted and their diameter measured. Additionally, c) ponded water infiltration was measured in selected plots, and d) the physicochemical properties of sheeting-soil were analyzed. In case of complete consumption of the offered hay during the experimental 4-weeks-duration, the same procedure (a, b) was followed before adding new hay to the respective plot. 
The comparison between the different plots, sites and seasons revealed clearly that hay was the most attractive bait; for each gram of hay removed, Odontotermes brought about 12 g soil to the surface, Macrotermes 4 g. Odontotermes was the only genus attracted by organic material to the degraded area, and was therefore the decisive primary physical ecosystem engineer in the Zaï system, initiating the restoration process. The mass of soil bioturbated in the course of foraging increased strongly from the degraded, barren towards the most rehabilitated reforested site. Combining all 36 experimental plots per Zaï stage, Odontotermes bioturbated 31.8 tons of soil per hectare and month dry season in the degraded area, and 32.4 tons ha-1 mon-1 in the millet fields; both genera moved 138.9 tons ha-1 mon-1 in the young and 215.5 tons ha-1 mon-1 in the old Zaï forest. Few comparable figures were found in the literature. In northern Burkina Faso, both genera constructed 20 tons of sheetings ha-1 mon-1 after mulching with a straw-wood mixture (Mando & Miedema 1997), and in Senegal, around 10 tons ha-1 mon-1 were moved in heavily foraged plots (Rouland et al. 2003). Within a site, soil turn-over and the number of foraging holes created was always highest in hay, followed by compost, then by wood and in the end control. The fungus-growers’ foraging-activity was leading to an enormous increase in surface pore space – after one month of induced foraging activity in hay-plots, the median number of foraging-holes increased from 142 m-2 in the degraded site up to 921 m-2 in the old Zaï forest. The creation of subterranean galleries and macropores significantly increased the water infiltration rate by a mean factor 2–4. 
Laboratory analyses revealed that sheeting-soil differed strongly from the respective control soil as well as between the seasons, the food-type covered, and the two genera. Odontotermes-sheetings differed in more parameters than Macrotermes-sheetings, and dry season sheetings differed in more parameters (and more strongly) than rainy season sheetings. In the present study, soil organic matter, carbon and nitrogen contents were significantly increased in all dry season sheetings; in the rainy season mainly in those built on compost. Texture analysis pointed out that both genera used topsoil and soil from deeper horizons in varying mixture ratios, thereby supporting findings of Jouquet et al. (2006).
To summarize, the present thesis contributes to a better understanding of the functional response traits of termites and ants to changing environmental parameters resulting from increasing human impact. The RAP-protocol represents an easy-to-learn and very effective method to representatively characterize, compare and monitor the taxonomic and functional diversity of termites and ants. The experiment has provided conclusive evidence of the importance of the consideration of fungus-growing termites (particularly Odontotermes and Macrotermes species) when aiming to restore infertile, degraded and crusted soils and to maintain a sustainable agricultural production in the Sahel‐Sudanese zone of West Africa.
N2  - Die Folgen von Lebensraumveränderungen für die Lebensqualität der Bevölkerung sind vermutlich besonders extrem in Burkina Faso. Das Land liegt in einem für Dürren sehr anfälligen Gebiet von Westafrika. Die Kleinbauern, welche die Hauptproduzenten für Lebensmittel der Region sind, können besonders betroffen sein, wenn Verluste der biologischen Vielfalt zu Veränderungen in den Ökosystemfunktionen führen, da viele von degradierten Flächen für die landwirtschaftliche Produktion abhängen. 
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war daher, die funktionellen Merkmale derjenigen Bodenorganismen zu charakterisieren, die im Untersuchungsgebiet von entscheidender Bedeutung für ertragreiche und ausgewogene Böden sind: Termiten und Ameisen. Sie sind wahre Ökosystem‐Ingenieure, deren Aktivität den Lebensraum verändert. Durch Bodenumwälzung während des Baus von biogenen Strukturen unterschiedlicher Größe und Natur (Hügel, Nester, unterirdischer Gänge, Schutzschichten aus Erde, sogenannte „soil-sheetings“, Furagierlöcher, etc.) bewegen sie riesige Bodenmassen und haben enorme Auswirkungen auf die Bodenstruktur. Dies wirkt sich wiederrum positiv auf die Bodenfruchtbarkeit, die Stabilität, die Bodenbelüftung und die Wasserinfiltration aus, und bietet so auch Lebensraum für andere Arten. In den afrikanischen Ländern südlich der Sahara sind Ameisen und Termiten die einzige nennenswerte aktive Bodenmakrofauna während des gesamten Jahres. In der Sub-Sahelregion von Burkina Faso sind während der Trockenzeit Termiten die einzigen aktiven Primärzersetzer. Da keine Informationen über den Artenreichtum der Termiten- und Ameisen-Fauna in Burkina Faso vorlagen, setzte ich in der Dissertation zwei Schwerpunkte: Im ersten Teil, einer Grundlagenstudie, erfasste ich die lokale Termiten und Ameisenfauna in verschiedenen Landnutzungssystemen und untersuchte deren quantitative und qualitative Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen, die aus dem zunehmenden Einfluss des Menschen resultieren ("funktionelle Reaktionsmerkmale"). Im zweiten und anwendungsbezogenen Teil befasste ich mich mit dem Einfluss der für die Regeneration degradierter Böden wichtigen biogenen Strukturen ("funktionelle Wirkungsmerkmale").
Es wurden zwei für die Untersuchungsregion typische traditionelle Landwirtschafts-formen ausgewählt. Jede stellte einen Landnutzungsgradienten dar, der vier verschiedene Habitate umfasste, welche sich in der Stärke des anthropogenen Einflusses unterschieden, ursprünglich aber den gleichen Anfangszustand hatten. Der erste Nutzungsgradient in Ouahigouya (Provinz Yatenga, Sub-Sahel-Zone) – namens Zaï – war ein zeitlicher Querschnitt durch eine traditionelle Boden- und Wasserschutztechnik zur Regeneration stark verkrusteter, degradierter Böden. Der zweite Nutzungsgradient nahe der Stadt Fada N’Gourma (Provinz Gourma, Nord-Sudan Region) war ein Landwirtschaftstyp, der Fruchtfolge und Brachzeiten für das Nährstoffmanagement  nutzte. 
Zur Erhebung der Termiten- und Ameisen-Diversität in semi-ariden (Agrar-) Ökosystemen existierte kein Standardprotokoll; zwei international akzeptierte Protokolle bildeten die Grundlage für das neu überarbeitete und kombinierte Protokoll „RAP“ zur schnellen Erhebung der Termiten- und Ameisenfauna: Das ALL-Protokoll für Ameisen der Laubstreuschicht von Agosti and Alonso (2000) und das Transektprotokoll für Termiten in tropischen Wäldern von Jones and Eggleton (2000). In meiner Untersuchung wurden zwischen 2004 und 2008 während der Regenzeit in jedem der Untersuchungsgebiete drei bis vier Transekte abgesammelt.
Das RAP-Protokoll erwies sich als sehr effektive Methode, um die taxonomische und funktionelle Vielfalt von Termiten und Ameisen zu beschreiben, zu vergleichen und zu überwachen. Zwischen 70% und 90% der geschätzten Gesamtartenzahl wurden auf allen Ebenen (Transekte, Lebensräume, Regionen) gesammelt. 
Insgesamt wurden in beiden Regionen 65 Ameisenarten (25 Gattungen) und 39 Termitenarten (13 Gattungen) gesammelt. Dies sind bislang die ersten Nachweise für Burkina Faso. Die Daten weisen auf eine hohe Sensitivität von Termiten und Ameisen gegenüber einer  Landnutzungsintensivierung hin. Mit zunehmendem anthropogenem Einfluss nahm die Artenvielfalt in der Nord-Sudanregion stark zu. Insgesamt wurden 53 Ameisenarten (23 Gattungen) und 31 Termitenarten (12 Gattungen) gefunden. Sehr vielversprechende Ergebnisse wurden bezüglich des Erholungspotenzials der Bodenarthropoden-Diversität im Zaï-System gesammelt; die Vielfalt beider Taxa nahm in mit zunehmender Lebensraumsanierung stark zu: Insgesamt wurden 41 Ameisenarten (16 Gattungen) und 33 Termitenarten (11 Gattungen) dieser Region gefunden. Entlang der Landnutzungsgradienten zeigten sich signifikante Unterschiede im Vorkommen von Termiten und Ameisen. So bewiesen bei Termiten beispielsweise die Pilzzüchter die größte Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen Bewirtschaftungspraktiken. Die größten Unterschiede zwischen den Lebensräumen wurden bei den boden- und den grasfressenden Termiten beobachtet. In stark vom Menschen beeinflussten Lebensräumen fehlten ganze funktionelle Gruppen, beispielsweise kamen in der degradierten Fläche der Sub-Sahelregion weder Bodenfresser noch Grasfresser oder Holzfresser vor. Mehrere Umweltparameter wurden identifiziert, welche einen großen Teil der Veränderungen in der Zusammensetzung der Arthropoden-Gemeinschaften entlang der Gradienten signifikant erklärten; sie lassen auf eine große Bedeutung der strukturellen Habitat-Komplexität (Vegetationsstruktur) und den damit verbundenen mikroklimatischen Schwankungen (Temperatur- und Feuchtigkeit), der Nahrungsverfügbarkeit und der Bodenstruktur schließen. Die Termitenvielfalt in der Sub-Sahelzone korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Sandgehalt im Oberboden und der Verfügbarkeit von Streu. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit der kumulierten Gehölzpflanzen-Grundfläche, dem Tongehalt und dem organischen Material im Oberboden. Die identifizierten Parameter für die Ameisen-Gemeinschaften im Zaï-System waren die Höhe der Bäume, der Sandgehalt im Oberboden und die Luftfeuchte. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Trockengewicht der verfügbaren Streu und der Baumhöhe.
Um die relative Bedeutung von Termiten und Ameisen für die Bodenumwälzung beurteilen zu können, erfasste ich im zweiten Teil der Arbeit zunächst die natürlichen Schwankungen im Trockengewicht der in jedem Untersuchungsgebiet oberirdisch vorhandenen biogenen Strukturen. 
Die Ergebnisse veranschaulichen eindrucksvoll, dass:
1.	Termiten in allen Untersuchungsgebieten die Hauptumwälzer, Ameisenstrukturen dagegen von untergeordneter Bedeutung für die Bioturbation waren; 
2.	Regenwürmer und grasfressende Termiten in der regenreicheren Nord-Sudanregion wesentlich zur Bodenumwälzung beitrugen; 
3.	die Gesamtmasse der umgewälzten Erde von Jahr zu Jahr schwankte, die relative Bedeutung beider Taxa für die Bioturbation jedoch ziemlich konstant war;
4.	in der Sub-Sahelzone die wichtige Funktion der Bodenumwälzung vollständig von pilzzüchtenden Macrotermes- und Odontotermes-Arten übernommen wird, die zusammen große Mengen von feinkörnigem Bodenmaterial an die Oberfläche transportieren. Dadurch sank mit zunehmender Habitat-Rehabilitation der Gehalt an grobkörnigem Bodenmaterial in den oberen Bodenschichten und reicherte sich zunehmend in den tieferen Horizonten an. 
Im anwendungsbezogen Teil der Arbeit konzentrierte ich mich daher auf die Bioturbationsleistung pilzzüchtender Termiten in den vier Hauptstadien des Zaï-Systems: der degradierten Fläche (Ausgangsstadium der vier Sukzessionsstadien), dem Hirsefeld, dem jungen und dem alten Zaï-Wald. In jedem dieser vier Sukzessionsstadien wurde die Furagiertätigkeit von pilzzüchtenden Termiten folgendermaßen angeregt: Es wurden neun Versuchsblöcke installiert, mit je vier Unterquadraten mit einer Fläche von 1 m2. Drei der Unterquadrate wurde mit unterschiedlichen, lokal verfügbaren organischen Materialien bedeckt (mit Aristida kerstingii Stroh, Bombax costatum Holz, Kompost), eines blieb als Kontrolle ohne organisches Material. Das vierwöchige Experiment wurde zweimal durchgeführt (Regenzeit 2005, Trockenzeit 2006). Dabei wurden die Untersuchungsflächen regelmäßig auf Termitenaktivität überprüft und die Zunahme der “soil-sheetings“ kartiert. 
Nach vier Wochen wurde:
i.	Die gesamte Termitenerde gesammelt, luftgetrocknet und für jede Gattung getrennt gewogen; 
ii.	die Furagierlöcher gezählt und ihr Durchmesser vermessen; 
iii.	in ausgewählten Flächen die Wasserinfiltrationsrate gemessen;
iv.	die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Sheeting-Erde analysiert. 
Sobald das Stroh in einem Unterquadrat abgetragen war, wurde nach den betreffenden Messungen (s. oben i. und ii.) neues aufgebracht. 
Der Vergleich der Ergebnisse beider Durchläufe zeigte deutlich, dass Stroh der attraktivste Köder war. Für jedes Gramm abgetragenes Stroh wurden von Odontotermes etwa 12 g, von Macrotermes etwa 4 g Erde an die Oberfläche gebracht. Odontotermes war die einzige Gattung, die in der degradierten Fläche von organischem Material angelockt wurde. Sie ist damit der entscheidende primäre physikalische Ökosystem-Ingenieur im Zaï-System, der den Restaurierungsprozess anstößt. Mit zunehmender Habitatsanierung nahm die Menge der umgewälzten Erde stark zu: In den 36 Unterquadraten der degradierten Fläche bewegte Odontotermes insgesamt 31,8 Tonnen Erde pro Hektar und Monat Trockenzeit, in denen der Hirsefelder insgesamt 32,4 Tonnen. Beide Gattungen zusammen bewegten im jungen Zaï-Wald insgesamt 138,9 Tonnen, im alten Wald 215,5 Tonnen Erde pro Hektar und Monat Trockenzeit. In jedem Sukzessionsstadium waren sowohl die Bodenumwälzung als auch die Anzahl der Furagierlöcher in den Versuchsflächen mit Stroh am größten, gefolgt von denen mit Kompost, dann denen mit Holz und zuletzt den Kontrollflächen. Die Furagiertätigkeit der pilzzüchtenden Termiten führte zu einer starken Zunahme der Makroporosität des Oberbodens. Nach einem Monat induzierter Fraßaktivität stieg im Mittel die Anzahl der Furagierlöcher pro Quadratmeter von 142 in der degradierten Fläche auf 921 Löcher im alten Zaï Wald. Die bei der Nahrungssuche gegrabenen Gänge und Löcher führten zu einem signifikanten Anstieg der Wasserinfiltrationsrate, im Mittel um den Faktor 2–4. Nur wenige vergleichbare Zahlen konnten in der Literatur gefunden werden. Bei den Untersuchungen von Mando and Miedema (1997) im Norden von Burkina Faso wälzten die beiden Gattungen nach Mulchen mit einem Holz-Stroh-Gemisch Sheetings mit einem Trockengewicht von insgesamt 20 Tonnen je Hektar und Monat Trockenzeit um. Im Senegal wurden in Versuchsflächen mit starker Furagieraktivität rund 10 Tonnen Erde bewegt (Rouland et al. 2003). 
Laboranalysen ergaben, dass sich Sheeting-Erde stark sowohl von der entsprechenden Kontroll-Erde unterschied als auch dem überdeckten Futtertyp und ebenso zwischen den beiden Gattungen. Dabei unterschied sich Sheeting-Erde von Odontotermes in mehr Parametern als Sheeting-Erde von Macrotermes, und Sheetings aus der Trockenzeit unterschieden sich in mehreren Parametern und in stärkerem Maße als Sheetings aus der Regenzeit. Der Gehalt an organischem Material, an Kohlenstoff und Stickstoff war in allen Trockenzeit-Sheetings deutlich erhöht, in der Regenzeit vor allem in Sheetings, die über Kompost gebaut wurden. Die Analyse der Korngrößenverteilung ließ darauf schließen, dass beide Gattungen Erde aus dem Oberboden und aus tieferen Horizonten in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen nutzten. Dies bestätigt Beobachtungen von Jouquet et al. (2006).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Untersuchung zu einem besseren Verständnis der funktionellen Reaktionsmerkmale von Termiten und Ameisen auf sich ändernde Umweltparameter beiträgt, die aus dem zunehmenden Einfluss des Menschen resultieren. Das RAP-Protokoll erwies sich als eine einfach zu erlernende und sehr effektive Methode, um die taxonomische und funktionelle Vielfalt von Termiten und Ameisen in semi-ariden Savannen  und Agrarökosystemen repräsentativ zu charakterisieren, zu vergleichen und zu überwachen. Das Experiment erbrachte schlüssige Beweise für die Bedeutung pilzzüchtender Termiten (insbesondere Odontotermes und Macrotermes-Arten) für die Sanierung vollständig degradierter und verkrusteter Böden, und für eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion in der Sub-Sahelzone in Westafrika.
KW  - Termiten
KW  - termites
KW  - Ameisen
KW  - Biodiversität
KW  - menschlicher Einfluss
KW  - ants
KW  - diversity
KW  - human impact
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107001
ER  -