Diversity of saproxylic beetles and host tree specialisation in differently managed forests across Germany

Artenvielfalt und Wirtsbaumartenspezialiserung totholzbewohnender Käfer in verschiedenen Wäldern Deutschlands

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-107049
  • Chapter I The gradual turnover of dead organic material into mineral nutrients is a key ecological function, linking decomposition and primary production, the essential parts of the nutrient-energy cycle. However, disturbances in terms of species or resource losses might impair the equilibrium between production and decomposition. Humanity has converted large proportions of natural landscapes and intensified land-use activity for food production. Globally, only very few areas are totally unaffected by human activity today. To ensure theChapter I The gradual turnover of dead organic material into mineral nutrients is a key ecological function, linking decomposition and primary production, the essential parts of the nutrient-energy cycle. However, disturbances in terms of species or resource losses might impair the equilibrium between production and decomposition. Humanity has converted large proportions of natural landscapes and intensified land-use activity for food production. Globally, only very few areas are totally unaffected by human activity today. To ensure the maintenance of both essential ecosystem services, knowledge about the interplay of biodiversity and ecosystem functioning as well as effects of intensified management on both is crucial. The vast majority of terrestrial biomass production as well as decomposition take place in forest ecosystems. Though forestry has a long sustainable history in Europe, its intensification during the last century has caused severe impacts on forest features and, consequently, on the associated biota, especially deadwood dependent organisms. Among these, saproxylic beetles are the most diverse group in terms of species numbers and functional diversity, but also most endangered due to habitat loss. These features classify them as ideal research organisms to study effects of intensified forestry on ecosystem services. The BELONGDEAD project located in Germany aimed to investigate deadwood decay and functional consequences of diversity changes in the associated fauna on the decomposition process from the initialisation of deadwood decay to complete degradation. As part of the BeLongDead project, this dissertation focussed on saproxylic beetle species, thereby evaluating (1) regionally effects of tree species identity of fresh deadwood and (2) forest management of varying intensities on the diversity, abundance and community composition of saproxylic beetles (chapter II); (3) the specialisation degree of different trophic guilds of saproxylic beetles, and thus the stability and robustness of their interaction networks against disturbances (chapter III); (4) the impact of environmental features of local to regional spatial scales on species richness of saproxylic beetles differing in their habitat niche in terms of deadwood decay stages (chapter IV). Chapter II The vast majority of European forest ecosystems have been anthropogenically affected, leaving less than 1% of the about 1 milliard hectare as natural forests. A long history of forestry and especially the technological progress during the last century have caused massive habitat fragmentation as well as substantial loss of essential resources in European forest ecosystems. Due to this, the substrate-dependent group of saproxylic beetles has experienced severe species losses. Thus, investigations concerning saproxylic diversity and deadwood volume were badly needed. However, the importance of different deadwood in terms of tree species identity for the colonization by saproxylic beetles under different local and regional management regimes is poorly understood. Therefore, we studied possible regional differences in colonization patterns of saproxylic beetle species in a total of 688 fresh deadwood logs of 13 tree species in 9 sites of managed conifer and beech forests, and unmanaged beech forests, respectively. We found that tree species identity was an important driver in determining saproxylic species composition and abundance within fresh deadwood. However, saproxylic species showed different colonization patterns of deadwood items of the same tree species among the study regions. Regionally consistent, conifer forests were most diverse. We attribute the latter result to the historically adaption of saproxylic beetle species to semi-open forests, which conditions are actually best reflected by conifer forests. To preserve a diverse local species pool of early successional saproxylic beetles, we suggest an equal high degree of deadwood diversity in a tree species context in due consideration of regional differences. Chapter III The extinction risk of a particular species corresponds with its species-specific requirements on resources and habitat conditions, in other words with the width of the species` ecological niche. Species with a narrow ecological niche are defined as specialists. Members of this group experience higher extinction risk by resource limitation than generalists, which are able to utilize a variety of resources. For the classification of species as specialists or generalists, thus evaluating possible extinction risks, ecologists use the concept of interaction networks. This method has often been applied for mutualistic or antagonistic plant-animal interactions, but information for networks of detritivores is scarce. Therefore, saproxylic beetle species sampled as described in chapter II were categorised according to their larval diet; additionally their interaction networks (N=108) with 13 dead host tree species were analysed. Specialisation degree was highest for wood-digesting beetles and decreased with increasing trophic level. Also the network indices evaluating robustness and generality indicated a higher susceptibility to species extinctions for xylophagous than for mycetophagous and predatory beetles. The specialisation of xylophagous species on specific tree species might be an adaption to tree species specific ingredients stored for defence against pathogens and pests. However, we conclude that the high specialisation degree of xylophages and thus their higher extinction risk by resource loss harbours certain dangers for ecosystem function and stability as species diversity is positively linked to both. Chapter IV Populations depend on individual emigration and immigration events to ensure genetic exchange. For successful migration it is of utmost importance that spatially separated populations are obtainable by specimen. Migratory success depends on the one hand on the species dispersal abilities and on the other on the availability of suitable habitats in the surrounding landscape in which the distinct host populations exist. However, consequences of intensive forest management correspond not only to severe reduction of local deadwood amount, but, among others, also a change in tree species composition and high levels of fragmentation in the surrounding forest area. Saproxylic beetle species differ in their dispersal behaviour according to the temporal availability of their preferred habitat. Generally, early successional saproxylic beetles are able to disperse over large distances, whereas beetles inhabiting advanced decayed wood often remain close to their larval habitat. Due to this, environmental factors might affect saproxylic beetle guilds differently. We classified the saproxylic beetles sampled as described in chapter II according to their calculated habitat niche as early, intermediate or late successional saproxylic beetles. For the different guilds the effects of 14 environmental factors on different spatial scales (stand factors at 0.1 km radius, landscape composition at 2 km radius, and regionally differing abiotic factors in 400 km to 700 km distance) were investigated. Consistently for all guilds, species richness decreased with fragmentation at local and landscape scale, and increased in warmer climate. However, we found contradictory results between the guilds to some extent. We relate this to guild specific habitat requirements of the saproxylic beetles. Therefore, for the development of appropriate conservation practices guild-specific requirements saproxylic beetles have to be considered not only locally but on larger spatial scales. Chapter V In conclusion, this dissertation identified main drivers of early successional saproxylic beetle species richness on various spatial scales. Our results emphasize the importance to develop management schemes meeting species-specific and guild-specific habitat requirements of the saproxylic beetle fauna at relevant spatial and temporal scales. Therefore, short-term actions suggested for sustainable forest management should be the focus on a diverse tree species composition consisting of indigenous tree species with respect to regional differences. Moreover, senescent trees, fallen and standing deadwood should remain in the forests, and some tree individuals should be allowed to grow old. Long-term actions should involve the reduction of forest fragmentation and the connection of spatial widely separated forest fragments. Furthermore, to fully understand the effects of forest management long-term research should be conducted to compare habitat requirements of intermediate and late successional beetles with the results presented in this dissertation.show moreshow less
  • Kapitel I Die Mineralisierung von toter organischer Materie nimmt eine Schlüsselfunktion innerhalb eines Ökosystems ein, da sie die beiden essentiellen Komponenten des Energie-Nährstoff-Zyklus - Zersetzung und Primärproduktion - miteinander verbindet. Anthropogen bedingte Störungen wie z.B. Arten-, oder Ressourcenverluste können jedoch das Gleichgewicht zwischen den beiden wichtigen Ökosystemdienstleistungen Produktion und Abbau aus der Balance bringen. Um die Nahrungsversorgung der Menschheit zu gewährleisten, wurde bereits ein großer TeilKapitel I Die Mineralisierung von toter organischer Materie nimmt eine Schlüsselfunktion innerhalb eines Ökosystems ein, da sie die beiden essentiellen Komponenten des Energie-Nährstoff-Zyklus - Zersetzung und Primärproduktion - miteinander verbindet. Anthropogen bedingte Störungen wie z.B. Arten-, oder Ressourcenverluste können jedoch das Gleichgewicht zwischen den beiden wichtigen Ökosystemdienstleistungen Produktion und Abbau aus der Balance bringen. Um die Nahrungsversorgung der Menschheit zu gewährleisten, wurde bereits ein großer Teil der Natur in Agrarflächen umgewandelt und die Produktion durch intensive Bewirtschaftungsformen gesteigert. Weltweit gibt es nur noch wenige Gebiete ohne menschliche Beeinflussung. Um dauerhaft essentielle Ökosystemdienstleistungen zu gewährleisten, sind Kenntnisse über die Auswirkungen von intensiver Bewirtschaftung auf das Zusammenspiel zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen unabdingbar. Der größte Teil der terrestrischen Biomasseproduktion wird von Wäldern geleistet. Obwohl die Waldbewirtschaftung in Europa lange Zeit nachhaltig war, wirkte sich deren Intensivierung während des letzten Jahrhunderts massiv auf die Waldstruktur und die damit assoziierte Fauna aus. Besonders betroffen sind die obligatorisch an Totholz gebundenen Organismen. Innerhalb der Totholzfauna sind xylobionte Käfer eine artenreiche und funktional hoch diverse Gruppe, doch aufgrund von Lebensraumverlusten sind viele Arten stark bedroht. All diese Eigenschaften klassifizieren Totholzkäfer zu idealen Forschungsobjekten, um die Auswirkungen von intensiver Waldbewirtschaftung auf Ökosystemfunktionen zu untersuchen. Das BELONGDEAD-Projekt hat als Ziel, die funktionalen Auswirkungen von Veränderungen in der Artengemeinschaft auf die Abbauraten von Totholz zu analysieren. Der Untersuchungszeitraum des in Deutschland beheimateten Projekts umfasst die Initialisierung des Zersetzungsprozesses bis zum vollständigen Abbau von experimentell ausgelegten Totholzstämmen unterschiedlicher Baumarten. Als Teil des BELONGDEAD-Projekts lag der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der Totholzkäferfauna. Wir untersuchten (1) regionale Effekte der Baumartenzugehörigkeit von frischem Totholz und (2) die Auswirkungen von Waldbewirtschaftung unterschiedlicher Intensität auf die Artenvielfalt, Abundanz und Struktur der Artengemeinschaften von totholzbewohnenden Käfern (Kapitel II); (3) den Spezialisierungsgrad verschiedener trophischer Gilden von Totholzkäfern, sowie die Stabilität und Robustheit ihrer jeweiligen Netzwerke gegen Störungen (Kapitel III); (4) den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Artenvielfalt xylobionter Käfergilden auf mehreren räumlichen Skalen. Kapitel II Der Großteil der europäischen Wälder ist anthropogen beeinflusst. In Europa bilden Naturwälder weniger als 1% der gesamten Waldfläche von ca. 1 Mrd. Hektar. Traditionelle Waldbewirtschaftung und vor allem der technologische Fortschritt des letzten Jahrhunderts fragmentierten die Waldfläche in hohem Maß, und verursachten beträchtliche Verluste an lebensnotwendigen Ressourcen. Besonders innerhalb der obligatorisch an Totholz gebundenen Gruppe der xylobionten Käfer verzeichnete man einen rasanten Artenrückgang. Daher gab es einen großen Bedarf an Studien, die Untersuchungen zur Mindestmenge an lokal vorhandenem Totholz zur Sicherung der xylobionten Artenvielfalt durchführten. Wenig beachtet wurde bisher jedoch die Bedeutung der Baumartenzugehörigkeit von Totholz für die Besiedlung durch xylobionter Käfer in verschiedenen Waldbewirtschaftungssystemen auf lokaler und regionaler Ebene. Wir untersuchten daher mögliche Unterschiede zwischen 3 Regionen im Besiedlungsmuster xylobionter Käfer bei insgesamt 651 experimentell ausgelegten Baumstämmen in einem frühen Sukzessionsstadium von 13 Baumarten auf jeweils 9 Untersuchungsflächen in bewirtschafteten Buchen- und Nadelwäldern, sowie in unbewirtschafteten Buchenwäldern. Bei den ausgelegten Totholzstämmen war die Baumartenzugehörigkeit ausschlaggebend für die Struktur der Artengemeinschaften und Abundanzen xylobionter Käfer. Aufgrund der unterschiedlichen regionalen Artenpools divergierten die Besiedlungsmuster xylobionter Käferarten von Totholz der gleichen Baumart in den verschiedenen Regionen stark voneinander. In allen Regionen zeigten die Totholzkäfer in Nadelwäldern die höchste Artenvielfalt. Dieses Ergebnis lässt sich auf die - historisch bedingte - Anpassung der Totholzkäferfauna an eine halboffene Waldstruktur zurückführen, die derzeit am besten durch Nadelwälder widergespiegelt wird. Um eine diverse lokale Artengemeinschaft xylobionter Käfer zu gewährleisten ist eine große Variabilität vom baumartspezifischen Totholz unabdingbar, wobei regionale Unterschiede in Betracht gezogen werden müssen. Kapitel III Das Aussterberisiko einer Art ist abhängig von den artspezifischen Ansprüchen an ihre Umwelt und den dort vorkommenden Ressourcen –auch definiert als die ökologische Nische der betrachteten Art. Arten mit geringer Nischenbreite sind per definitionem Spezialisten. Mitglieder dieser Gruppe stehen durch Verarmung ihres Ressourcenangebots unter einem höheren Aussterberisiko als Generalisten, die eine größere Variabilität in ihrem Ressourcenspektrum aufweisen. Interaktionsnetzwerke dienen in der Ökologie als wichtiges Werkzeug um das Aussterberisiko spezifischer Arten zu bewerten und eine Einteilung hinsichtlich Spezialist oder Generalist vorzunehmen. Bei mutualistischen oder antagonistischen Tier-Pflanzen-Interaktionen ist diese Methode etabliert, doch für die Gruppe der Zersetzer ist das Netzwerk-Konzept bisher nur sporadisch angewandt worden. Daher teilten wir die xylobionten Käferarten, die im Rahmen des in Kapitel II beschriebenen Experiments gesammelt wurden, anhand ihres larvalen Ernährungstyps in drei trophische Gilden (Xylophage, Mycetophage und Räuber) ein; anschließend wurden ihre Interaktionsnetzwerke (N= 108) mit den 13 Wirtsbaumarten analysiert. Rein xylophage Arten wiesen den höchsten Spezialisierungsgrad auf, der mit zunehmendem trophischem Grad geringer wurde. Die Netzwerkparameter Robustheit und Generalität ließen ebenfalls auf eine höhere Anfälligkeit für Artenverluste bei xylophagen als bei mycetophagen oder räuberischen Arten schließen. Die Spezialisierung xylophager Arten auf spezifische Baumarten ist möglicherweise eine Adaption an artenspezifische sekundäre Inhaltsstoffe, die als Schutz vor Schädlingen und Krankheitserregern in Holz und Rinde gespeichert werden. Der hohe Spezialisierungsgrad xylophager Käfer bedingt ein höheres Aussterberisiko bei Ressourcenverlust. Dies würde die Stabilität des Ökosystems und dessen Ökosystemfunktionen nachhaltig schwächen da eine hohe Artenvielfalt Garant für ein funktionierendes Ökosystem ist. Kapitel IV Individuelle Immigrations- und Emigrationsereignisse sind für die Sicherstellung des genetischen Austauschs zwischen Populationen essentiell. Daher ist von größter Wichtigkeit, dass die räumliche Distanz zwischen Populationen von den zu- oder abwandernden Individuen überwunden werden kann. Der Migrationserfolg ist dabei zum einen von der artspezifischen Ausbreitungsfähigkeit, und zum anderen von der Verfügbarkeit an geeigneten Habitaten in der Umgebung der Populationen abhängig. Die Folgen intensiver Waldbewirtschaftung sind jedoch nicht nur ein drastische Verminderung des lokalen Totholzvolumens, sondern unter anderem auch die Veränderung der Baumartengesellschaften, sowie hochgradige Fragmentierung der Waldflächen und der umgebenden Landschaft. Xylobionte Käferarten unterscheiden sich in ihrem Ausbreitungsverhalten hinsichtlich der zeitlichen Verfügbarkeit ihres bevorzugten Habitats. Im Allgemeinen können Besiedler früher Sukzessionsstadien weite Strecken überwinden, wohingegen Bewohner von Alttotholzstrukturen meist nahe ihrem Ursprungshabitat verbleiben. Dies legt die Vermutung nahe, dass Umweltparameter verschieden auf unterschiedliche Habitatgilden einwirken. Um diese Vermutung zu überprüfen, wurde für die gesammelten xylobionten Käferarten ihre jeweilige Habitatnische berechnet. Wir klassifizierten die Arten als Besiedler von entweder frühen, mittleren oder alten Totholzstrukturen. Für jede Gilde wurde der Einfluss von 14 Umweltparametern auf verschiedenen räumlichen Skalen - Standortfaktoren der Untersuchungsfläche (Radius: 100 m), Landschaftsparameter im Umkreis von 2 km der Untersuchungsfläche, sowie regionenspezifische abiotische Faktoren (Distanz zwischen den Regionen: 400 – 700 km) - untersucht. Bei starker lokaler und landschaftlicher Fragmentierung nahmen die Artenzahlen in den xylobionten Gilden ab, während sich höhere Jahresdurchschnittstemperatur positiv auf die Artenvielfalt auswirkte. Jedoch gab es hatten nicht alle Umweltfaktoren den gleichen Effekt auf die Gilden. Wir führen dies auf die unterschiedlichen Habitatansprüche der xylobionten Gilden zurück. Um adäquate Schutzmaßnahmen für Totholzkäfer zu entwickeln, müssen die spezifischen Habitatansprüche der verschiedenen xylobionten Gilden, nicht nur auf lokaler, sondern auch auf größeren räumlichen Ebenen in die Planungen miteinbezogen werden. Kapitel V In der vorliegenden Dissertation konnte ich wichtige Triebfedern der Artenvielfalt xylobionter Käfer identifizieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit der Entwicklung von nachhaltigen Waldbewirtschaftungskonzepten, die den art- und gildenspezifischen Anforderungen xylobionter Käfer an den Lebensraum auf den relevanten räumlichen und zeitlichen Skalen gerecht werden. Kurzfristige Maßnahmepläne für eine nachhaltige Forstwirtschaft sollte die Förderung von Mischwäldern mit einer vielfältigen Baumartengemeinschaft mit standortgemäßen einheimischen Hölzern unter Berücksichtigung regionaler Besonderheiten beinhalten. Alte Bäume, sowie liegendes und stehendes Totholz sollten im Wald verbleiben und einzelne Bäume aus der Nutzung genommen werden um die Strukturen altgewachsener Bäume langfristig zu gewährleisten. Langfristige Ziele sind die Verringerung der Waldfragmentierung und das Anlegen von Biotopverbundsystemen, um weit auseinanderliegende Waldflächen wieder miteinander zu verbinden. Um die Auswirkungen kommerzieller Forstwirtschaft im vollen Umfang zu erfassen, sind Langzeitstudien notwendig die die Habitatansprüche xylobionter Käfer aus mittleren und alten Totholzsukzessionsstadien mit den Ergebnissen der vorliegenden Dissertation vergleichen.show moreshow less

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Author: Beate Wende
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Ingolf Steffan-Dewenter, PD Dr. Jörg Müller
Date of final exam:2015/04/21
Year of Completion:2014
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Saproxylophage; Käfer; Ökosystem; Deutschland; Wald
Tag:Diversity; Forest management; Saproxylic beetles; saproxylic Coleoptera; temperate forests
Release Date:2016/04/22
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand