„Homogenisierung von Bergökosystemen durch nicht heimische Arten?“ Keine Ahnung, was das bedeutet…

Dann lass uns mit dem Hintergrund beginnen: Während sich die Menschen in natürliche Lebensräume ausbreiten, führen globale Transportnetzwerke dazu, dass sich nicht-heimische Arten nicht nur mit zunehmender Geschwindigkeit weltweit ausbreiten, sondern auch nach oben expandieren. Wie dieser Artikel bereits verraten hat, erhöht die Ausbreitung nicht-heimischer Arten das Risiko einer Homogenisierung von Pflanzengemeinschaften, was eine Verringerung der Vielfalt zwischen den Gemeinschaften bedeutet. Mögliche Folgen sind verminderte Landschaftsvariabilität und Ökosystemleistungen. Für uns ist dies ein dringender Aufruf zum Handeln, um vielfältige Pflanzengemeinschaften zu erhalten. Insbesondere für Bergregionen sind die langfristigen Auswirkungen der Homogenisierung kaum bekannt, und es gibt nicht viele Studien, die mehrere Skalen für höhere Lagen vergleichen. Zu unserem Glück haben Buhaly und ihre Kolleg*innen mit ihrer Studie das Füllen dieser Forschungslücke gestartet.

Was du wissen solltest, bevor wir loslegen: Biotische Homogenisierung tritt auf, wenn zwei oder mehr räumlich verteilte ökologische Gemeinschaften immer ähnlicher werden, wodurch die Beta-Diversität abnimmt. Biotische Differenzierung hingegen führt zu einer Zunahme der Beta-Diversität, was bedeutet, dass sich die Gemeinschaften weniger ähnlich werden. 

Das Studiendesign und die Vegetationserhebungen in Zahlen

Um festzustellen, ob die Einführung nicht-heimischer Arten zu einer Homogenisierung oder Differenzierung führt, untersuchten die Forscher*innen lokale, regionale, kontinentale und globale Maßstäbe, indem sie die Unterschiede, also die Beta-Diversität, zwischen Pflanzengemeinschaften entlang von Berggradienten betrachteten. Warum haben sie sich speziell mit Pflanzen an Bergstraßen befasst? Weil Straßen den Übergang darstellen, an dem sich nicht heimische Arten von niedrigen zu hohen Höhenlagen ausbreiten können.

Bist du bereit für ein paar interessante Zahlen?

• In 18 Bergregionen aller Kontinente (außer der Antarktis) wurden entlang 46 Bergstraßen Vegetationsdaten erhoben.
• Die Datensätze wurden im Zeitraum von 2012 bis 2023 erhoben.
• Pro Region wurden 1 bis 4 Höhenstufen ausgewählt, wobei jede Höhenstufe in 20 gleich große Probenahmestellen unterteilt wurde.
• Insgesamt ergaben sich damit 687 Probenahmestellen in allen Regionen, an denen 2627 einheimische und 563 nicht einheimische Arten von Gefäßpflanzen identifiziert wurden.

Falls du weitere Details möchtest, kommt hier eine Erklärung der Abbildung: Lokale Ebene: Analyse von Standorten innerhalb derselben Höhenlage separat für jeden Höhenunterschied innerhalb jeder Region. Regionale Ebene: Analyse von Standorten innerhalb derselben Höhenlage über Höhenunterschiede innerhalb jeder Region hinweg. Kontinentale Ebene: Analyse von Standorten innerhalb derselben Höhenlage über Höhenunterschiede auf demselben Kontinent hinweg. Globale Ebene: Analyse aller Standorte in derselben Höhenlage für alle Höhenunterschiede.

Die Ergebnisse, auf die wir gewartet haben: Homogenisierung oder Differenzierung oder beides?

Zunächst einmal nahm in allen Regionen die Artenvielfalt nicht-heimischer Arten mit zunehmender Höhe ab. Auf globaler Ebene stellten die Forscher*innen eine Homogenisierung der Lebensgemeinschaften durch nicht-heimische Arten fest. Auf lokaler bis kontinentaler Ebene fanden sie jedoch sowohl Homogenisierung als auch Differenzierung.

Verschiedene Maßstäbe sind wichtig

Wie du in der Abbildung oben sehen kannst, waren die Homogenisierung und Differenzierung der Lebensgemeinschaften überraschenderweise über alle Kontinente hinweg ausgewogen. Die Forscher*innen stellten auch auffällige Unterschiede auf regionaler und lokaler Ebene zwischen den amerikanischen Kontinenten, wo die Homogenisierung vorherrschte, und Asien, Afrika und Europa fest, wo nicht-heimische Arten zu einer Differenzierung der Lebensgemeinschaften führten.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Homogenisierung durch die Einführung nicht-heimischer Arten möglicherweise nicht so häufig vorkommt wie ursprünglich angenommen, insbesondere wenn man kleinere Maßstäbe betrachtet.

Ein Wort zu unterschiedlichen Höhenlagen

Die meisten Regionen weisen eine Homogenisierung durch Arteninvasionen in tieferen Lagen auf, wo nicht-heimische Arten am häufigsten vorkommen. Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass sich auch die Lebensgemeinschaften in höheren Lagen in Zukunft zunehmend angleichen könnten, da sich nicht-heimische Arten aufgrund der Klimaerwärmung und des Straßennetzes weiter nach oben ausbreiten.

Kein einzelner Mechanismus erklärt alles

Es ist offensichtlich, dass die Auswirkungen nicht-heimischer Arten je nach Region, Höhenlage und Ausmaß variieren. Homogenisierung und Differenzierung werden durch miteinander verbundene Mechanismen wie Invasionsgeschichte, Artenhäufigkeit, Umweltfilterung und menschliche Landnutzung vorangetrieben.

Was nehmen wir aus der Studie mit?

Vor allem kann die Einführung nicht-heimischer Arten zur Homogenisierung der Pflanzengemeinschaften an Straßenrändern beitragen, insbesondere auf globaler Ebene. Dies ist zum Teil auf die Anzahl der nicht-heimischen Arten zurückzuführen, aber auch auf ihre Häufigkeit an mehreren Standorten. Die in der Studie beobachtete Homogenisierung resultiert hauptsächlich aus der Einführung derselben nicht-heimischen Arten in verschiedenen Regionen und nicht aus dem unmittelbaren Verlust heimischer Arten. Eine Homogenisierung durch die Verdrängung einheimischer Arten, die hier zwar nicht untersucht wurde, kann ebenfalls zu möglichen Risiken für die Ökosystemfunktionen und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzenpopulationen führen.

Erinnerst du dich an die überraschende Wendung der Studienergebnisse? Es gab nicht nur eine Homogenisierung, sondern auch eine Differenzierung. Wir müssen bedenken, dass die genauen Auswirkungen der Homogenisierung, der Differenzierung und des Übergangs zwischen diesen beiden Phasen noch nicht genau bekannt sind. Dennoch kann die Differenzierung von Gemeinschaften durch die Hinzufügung nicht-heimischer Arten auch vorteilhaft sein. Angesichts der zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels können nicht-heimische Arten möglicherweise die funktionelle Widerstandsfähigkeit von Pflanzengemeinschaften erhöhen. Dennoch dürfen die Risiken der Invasion nicht-heimischer Arten vergessen werden!

Die wichtigste Take-home message: Die globale Homogenisierung könnte ein Zeichen dafür sein, dass sich die Pflanzengemeinschaften in Höhenlagen entlang von Straßen immer ähnlicher werden, da sich nicht-heimische Arten weiter nach oben ausbreiten.

Ein Blick in die Zukunft

Diese Studie liefert uns die erste globale Bewertung darüber, wie nicht-heimische Pflanzen die Ähnlichkeit von Bergpflanzengemeinschaften entlang von Höhengradienten beeinflussen. In Zukunft benötigen wir Studien, die untersuchen, welche Mechanismen die Homogenisierung und Differenzierung durch nicht-heimische Arten vorantreiben könnten und welche potenziellen Folgen sie für die Funktion und Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen haben.

Fortsetzung folgt…

Du möchtest mehr über die Auswirkungen nicht-heimischer Arten auf Pflanzengemeinschaften in Bergregionen und die Ergebnisse der Studie erfahren? Dann kannst du hier den vollständigen Artikel lesen: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/geb.70137

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Eine kürzlich veröffentlichte Studie von Michael Staab, Professor für Tierökologie und Trophische Interaktionen am Institut für Ökologie der Leuphana Universität, und Kolleg*innen untersuchte, ob die Wiederherstellung von Grünland durch eine Reduzierung der Landnutzung die Insektenhäufigkeit und die -diversität fördern kann.

Erforschung von Biodiversitätsexperimenten: Das Design der Studie

Staab et al. untersuchten die Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf Wirbellose anhand eines neu eingerichteten Extensivierungsversuchs, der Teil der Biodiversitäts-Exploratorien ist. Dieser Rahmen wurde genutzt, um zu verstehen, wie die Auswirkungen einer reduzierten Landnutzung vom lokalen Kontext sowie von spezifischen Bewirtschaftungsentscheidungen abhängen, die alle Teil der Landnutzung sind.

Wie haben sie herausgefunden, was wirklich der Fall ist? Die Studie wurde an 45 Grünlandstandorten in drei verschiedenen Regionen Deutschlands durchgeführt. An jedem Standort verglichen die Forscher*innen eine regelmäßig bewirtschaftete Kontrollfläche mit einer nahe gelegenen Versuchsfläche, auf der die Landnutzung experimentell reduziert wurde, also nur einmal pro Jahr spät gemäht und weder gedüngt noch beweidet wurde. Im Jahr 2021 und 2023, ein bzw. drei Jahre nach Beginn des Experiments, wurden auf beiden Plots Wirbellose gesammelt. Im Jahr 2021 wurden die Proben mittels DNA-Metabarcoding identifiziert, was eine gründliche Artenbestimmung ermöglichte. Anschließend analysierte das Team Unterschiede in Bezug auf Häufigkeit, Vielfalt und Artenzusammensetzung und untersuchte, wie Faktoren wie Mähhäufigkeit, Düngung und Mähtechnik in der umgebenden Matrix sowie Bewirtschaftungsentscheidungen auf der Reduktionsfläche das Ausmaß der Auswirkungen der Landnutzungsreduzierung beeinflussten. Bei den Ergebnissen ist zu beachten, dass für die zweite Probenahme im Jahr 2023 keine Daten zur Artenvielfalt vorlagen.

Die Ergebnisse: Eine Pause für Grünland ist ein Gewinn für Insektenzahlen

Die Reduzierung der Landnutzung auf eine späte Mahd erhöhte die Bestandsdichte, also die Anzahl der Individuen von Wirbellosen, um 41 %. Aber es wird noch besser: Nach drei Jahren war die Häufigkeit in den Plots mit reduzierter Landnutzung um ganze 99 % höher. Der Artenreichtum, die Shannon-Diversität und die Simpson-Diversität zwischen den Behandlungs- und Kontrollplots waren jedoch nach einem Jahr nahezu identisch. Folglich hatte die Behandlung mit reduzierter Landnutzung einen positiven, im Laufe der Zeit zunehmenden Effekt auf die Häufigkeit der Wirbellosen, jedoch nicht auf ihre Diversität.

Info: Artenreichtum, Shannon-Diversität und Simpson-Diversität
Artenreichtum bedeutet einfach die Anzahl der Arten in einem Gebiet, während die Shannon-Diversität sowohl die Anzahl der Arten als auch die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Individuen untereinander berücksichtigt. Sie steigt, wenn viele Arten in ähnlicher Häufigkeit vorkommen. Die Simpson-Diversität umfasst ebenfalls Artenreichtum und Gleichmäßigkeit, gewichtet jedoch häufige Arten stärker. Sie spiegelt wider, wie dominant die am häufigsten vorkommenden Arten sind. 

Doch das ist noch nicht alles. In beiden Jahren hing das Ausmaß der Auswirkungen der Behandlung auf die Bestandsdichte von der Art der Landnutzung der umliegenden Wiesen und davon ab, wie die Fläche mit reduzierter Landnutzung im Vorjahr gemäht worden war. Die Auswirkungen der reduzierten Landnutzung waren geringer, wenn die Umgebung zuvor häufiger gemäht worden war. Im Gegensatz dazu nahm der positive Effekt der Extensivierung auf stärker gedüngten Standorten zu. Ebenso war der Effekt auch größer, wenn die Fläche mit reduzierter Landnutzung mit einer größeren Schnitthöhe gemäht wurde und wenn die Behandlungs- und Kontrollfläche nicht am selben Tag gemäht wurden.

Wir müssen ein paar Dinge besprechen:

Warum eine Zunahme der Bestandsdichte, aber nicht der Vielfalt?
Eine Verringerung der Landnutzungsintensität führt zu einem raschen Anstieg der Anzahl der Wirbellosen, was laut den Autor*innen als positive Reaktion bereits lokal vorhandener Arten interpretiert werden kann, deren Populationen von der geringeren Störung profitieren. Wie man sich leicht vorstellen kann, werden durch selteneres Mähen weniger Insekten getötet. Die Artenvielfalt hingegen hat sich nach einem Jahr nicht verändert, was darauf hindeutet, dass die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt länger dauert. Darüber hinaus blieb die Artenzusammensetzung ein Jahr nach Beginn der Extensivierung unverändert, was auf ein starkes Erbe der früheren intensiven Landnutzung hindeutet. Aufgrund fehlender Daten zur Artenvielfalt für die Probenahme im Jahr 2023 wissen wir nicht, ob drei Jahre nach der Einführung der reduzierten Landnutzung die Artenvielfalt zugenommen hätte oder sich die Artenzusammensetzung verändert hätte. Das herauszufinden ist nun die Aufgabe von Folgestudien.

Lokale Landnutzungskontexte und Details der Bewirtschaftung sind von Bedeutung
Die positiven Auswirkungen auf die Bestandsdichte waren in häufig gemähten Landschaften geringer, wahrscheinlich aufgrund der Verarmung der umliegenden Populationen. Daher ist eine Reduzierung der Landnutzung in häufig gemähtem Grünland möglicherweise weniger effizient, es sei denn, das Gebiet ist mit anderen ungemähten oder größeren Lebensräumen verbunden. Die stärkeren Auswirkungen, die in stark gedüngtem Grünland beobachtet wurden, waren wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Produktivität nach Beendigung der Düngung zunächst hoch blieb und somit mehr pflanzliche Ressourcen für die Wirbellosen zur Verfügung standen. Die Ergebnisse, die zeigen, dass das Mähen der Wiese in größerer Höhe und das Nichtmähen der gesamten Fläche am selben Tag weniger schädlich für Insekten ist, belegen, dass Insekten Rückzugsgebiete benötigen. Wenn wir also Insekten bei der Wiederherstellung von Wiesen fördern wollen, müssen wir räumlich und zeitlich unterschiedliche Mährhythmen anwenden.

Was sind die wichtigsten Erkenntnisse für den Insektenschutz?

Die Studie unterstreicht die Notwendigkeit einer langfristigen, nachhaltigen Extensivierung für eine erfolgreiche Wiederherstellung von Grünland, wobei deren Wirksamkeit für den Schutz von Wirbellosen je nach lokalem Kontext variiert. Es ist klar, dass die Wiederherstellung von Grünland eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung des Insektenrückgangs spielen kann, während eine höhere Anzahl von Wirbellosen auch insektenfressende Vögel und wichtige Ökosystemfunktionen unterstützt. Dennoch müssen bei den Wiederherstellungsbemühungen verschiedene Biodiversitätsziele gegeneinander abgewogen werden: Während eine mittlere Mähfrequenz die Pflanzenvielfalt erhöhen kann, kann sie sich nachteilig auf Wirbellose auswirken. Um die Ergebnisse der Renaturierung sowohl für Pflanzen als auch für Insekten zu maximieren, ist daher ein landschaftlicher Ansatz mit verschiedenen Maßnahmen erforderlich, die auch die Heterogenität und die Konnektivität der Lebensräume erhöhen.

Du möchtest mehr über die Studie und ihre Ergebnisse erfahren? Dann kannst du hier den vollständigen Text lesen:  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1439179125000738?via%3Dihub

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Eine Zeitreise durch die Ökologie

In der ersten Hälfte wurden die Teilnehmenden mit Tandemvorträgen der Professor*innen des Instituts durch die verschiedenen Forschungsbereiche geführt. Dabei traten ehemalig leitende oder langjährige Professor*innen zusammen mit den aktuell leitenden Professor*innen der jeweiligen Bereiche auf. Den Startschuss für die Zeitreise gaben Prof. Dr. Brigitte Urban, Leiterin der Arbeitsgruppe für Landschaftswandel, und Prof. Dr. Vicky Temperton ab, mit einem Blick darauf, was uns die Geschichte der Ökologie über die Gegenwart und Zukunft erzählen kann.

Brigitte Urban stellte mehrere Forschungsvorhaben zur ökologischen Geschichte vor. Angesichts der zunehmenden menschlichen Einflüsse auf unsere Umwelt ist es besonders relevant, ehemalige Ökosysteme zu rekonstruieren, um den heutigen Zustand zu verstehen und ein effektives Landschaftsmanagement zu ermöglichen. Während die Vergangenheit uns lehrt, dass Besiedlung und menschliche Landnutzung vielerorts langfristige Probleme wie Bodenerosion auslösen können, gibt es auch positive Beispiele für natürliche Widerstandsfähigkeit. Eine gute Nachricht liefern hier die Moore: Forschungen zur historischen Entwicklung von Hochmoorvegetation verraten, dass Hochmoore bis in die Neuzeit eine hohe Anpassungsflexibilität gegenüber rein klimatisch bedingten Veränderungen besitzen. Jedoch steigt der Druck auf Hochmoore durch die menschliche Nutzung und den Klimawandel, wodurch diese Flexibilität auf die Probe gestellt wird. Geht man noch weiter in die Vergangenheit zurück, etwa bis in die letzte Warmzeit vor ungefähr 125.000 bis 115.000 Jahren, so stößt man auf sehr große Pflanzenfresser, die sogenannten Megaherbivoren. Sie spielten möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Vegetation. Wie sähe unsere Landschaft wohl heute aus, wenn es noch Megaherbivoren gäbe? Brigitte Urban forscht nach.

Die Geschichte der Ökologie selbst in die Hand nehmen

Was passiert mit Ökosystemen, wenn Arten verloren gehen? Und wie werden Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen dadurch beeinträchtigt? Mit diesen und weiteren Fragen beschäftigt sich Vicky Temperton in ihrer Forschung. Beim Erhalt und der Wiederherstellung der Biodiversität geht es nicht nur um Artenvielfalt, sondern auch darum, welche Pflanzen mit welchen Funktionen und Interaktionen eine Rolle spielen. Aufgrund des zunehmenden Biodiversitätsverlustes wird es immer wichtiger, die Entwicklung von Pflanzengemeinschaften zu verstehen, um Biodiversität wiederherstellen zu können. „Prioritätseffekte“ zeigen, dass die Entwicklungsgeschichte einer Gemeinschaft, durch zuerst angekommene Arten, nicht nur die Artenzusammensetzung, sondern auch Ökosystemfunktionen beeinflusst. Frau Temperton zeigte dem Publikum, dass Ökolog*innen bei der Zeitreise durch die Entwicklung von Pflanzengemeinschaften nicht nur Zuschauer*innen sind, sondern die Geschichte der Pflanzen selbst verändern können und vielleicht sogar sollten, um Biodiversität oder bestimmte Funktionen zu fördern. So könnten positive Interaktionen bestimmter Artengruppen genutzt werden und die Reihenfolge der Ankunft der Pflanzen in einem bestimmten Ökosystem verändert werden.

Künstliche Intelligenz zur Hilfe

Als Ausblick der Forschung blieb keiner der Tandemvorträge ohne die Vorstellung neuer Forschungsmethoden und -vorhaben in den jeweiligen Bereichen. Ein Blick in die Zukunft der Ökologie zeigt, dass maschinelles Lernen mithilfe von KI in Biodiversitäts-Experimenten tatsächlich zum gewünschten Durchbruch führen kann. So ist KI sowohl als Messwerkzeug als auch für die interdisziplinäre Integration von ökologischem Wissen hilfreich.

Ein Plädoyer für Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Praxis

Am Ende des ersten Tandemvortrags kam die große Frage auf, wie sich all dieses gesammelte ökologische Wissen in der Gesellschaft integrieren lässt. Haben Sie schon einmal etwas von Reallaboren gehört? In diesem Format erarbeiten Akteure aus Wissenschaft und Praxis gemeinsam Problemlösungen. Im Vordergrund steht dabei das gegenseitige Lernen in einem experimentellen Umfeld. Für Vicky Temperton sind Reallabore in der sozial-ökologischen Forschung zur Renaturierung degradierter Ökosysteme wichtig. „Wenn Reallabore hochskaliert werden, bringen sie großes Potenzial für eine Transformation mit sich.“, so die Professorin für Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen. Und diese Transformation mit einer Balance zwischen ökologischer und sozialer Perspektive ist unbedingt notwendig, um Ökosysteme erfolgreich zu renaturieren.

„Insekten sind unglaublich wichtig für alles, was wir tun“

Weiter in der Zeitreise ging es mit Prof. Dr. Michael Staab, der die Abteilung für Tierökologie und trophische Interaktion leitet. Er gab, auch stellvertretend für den verhinderten Prof. Dr. Thorsten Assmann, Professor für Ökologie mit Schwerpunkt Tierökologie, Einblicke in die große Vielfalt und Bedeutung von Insekten und deren Ökosystemfunktionen. Auch in der Tierökologie spielt die Vergangenheit eine große Rolle, wie Thorsten Assmanns Forschung zur Bedeutung der Eiszeiten für die heutige ökologische Zusammensetzung zeigt. Der Käfer-Experte ist zudem der Einzige, der durch ein Biodiversitätsmonitoring in der Lüneburger Heide den Rückgang von Laufkäfern dargestellt hat. Das rasant steigende Artensterben ist in der tierökologischen Forschung ein ständiger Begleiter und Grundlage vieler Forschungsvorhaben.

So beschäftigt sich Michael Staab unter anderem damit, wie Interaktionen zwischen Arten ökosystemrelevante Funktionen hervorbringen. Was ändert sich in der Biodiversität und in den Interaktionen, wenn sich die Umwelt ändert? Untersuchungen von Bäumen in Südostchina zeigen, dass es bei mehr Arten auch mehr Interaktionen gibt. Ein Rückgang der Arten kann sich also wesentlich auf die Interaktionen zwischen den verbleibenden Arten auswirken – und das nicht im positiven Sinne. Ein weiterer Schwerpunkt von Staabs Forschung ist der Einfluss der Landnutzungsintensität auf die Insektenvielfalt. Seine Forschung zeigt: Wo die Landnutzung besonders intensiv ist, wird die Landschaft homogen und auch das Mikroklima in Ökosystemen verliert seine Vielfalt. In einem neuen Projekt sollen Drohnenaufnahmen genutzt werden, um zu erforschen, wie sich die mikroklimatischen Bedingungen durch verschiedene Formen der Landnutzung ändern und dadurch Insekten ihre Lebensräume verlieren. Eine Folge des Verlustes von Insekten: Schwindet die Insektenvielfalt, gerät das ökologische Gleichgewicht ins Wanken. Um das zu verhindern, braucht es eine weniger intensive Nutzung – etwa durch extensive Beweidung und zeitlich gestaffelte Mahd.

„Das Artensterben ist der Verlust des naturhistorischen Gedächtnisses unserer Erde.“

„Können wir uns das leisten?“, fragte Prof. Dr. Werner Härdtle, Professor für Landschaftsökologie und Naturschutz. Er vollendete die Vortragsreise zusammen mit Prof. Dr. Sylvia Haider, der Leiterin der Arbeitsgruppe für Vegetationsökologie und Biodiversitätsforschung. Die klare Botschaft der beiden: Artenarmut ist keine Option – pflanzliche Vielfalt sichert Ökosystemfunktionen. Mit eindrucksvollen Bildern verglich Werner Härdtle das Abbrennen der tropischen Regenwälder mit dem Brand der Anna-Amalia-Bibliothek in Weimar vor 20 Jahren, bei dem Tausende weltweit einzigartiger Bücher verbrannten. Dieser Vergleich veranschaulichte den enormen Verlust an Arten bei der Vernichtung der Regenwälder. Härdtle berichtete von jahrzehntelanger Forschung in den Subtropen Chinas, bei der 400.000 Bäume gepflanzt wurden, um den Einfluss der Artenvielfalt experimentell zu untersuchen. Mit leuchtenden Augen und ansteckender Begeisterung stellte der Professor das Ergebnis vor: Eine reiche Baumartenvielfalt kann die Produktivität der Wälder um bis zu 100 % steigern. Zudem helfen diese Effekte, wenn die Bäume unter Stress stehen, etwa durch den Klimawandel. Trockenheitsempfindliche Arten werden durch die Biodiversität stärker unterstützt. Solche Biodiversitätseffekte brauchen jedoch Zeit und die sollten wir der Natur geben.

Sylvia Haider fokussierte sich auf die Gegenwart und Zukunft der Biodiversitätsforschung. Sie betonte die Rolle der funktionellen Biodiversität, also der Vielfalt unterschiedlicher funktioneller Merkmale. Auch diese Art der Biodiversitätsforschung zieht veränderte Umweltbedingungen durch Klimawandel, von Menschen verursachte Störungen und die Einführung invasiver Arten, und deren Einfluss auf funktionelle Merkmale in Betracht. Haider und ihre Kolleg*innen sind Teil einer weltweit fast einzigartigen Arbeitsgruppe, die die funktionellen Merkmale von Bäumen zwischen Arten, innerhalb von Arten und auch innerhalb von Individuen misst. Das Ergebnis: Eine hohe funktionelle Diversität geht mit einer hohen Vielfalt an Ökosystemfunktionen einher. Überraschenderweise kommt dabei ein substanzieller Anteil der Variabilität aus der Individualität der Bäume.

Neue Lebensräume in der Höhe

Richten wir den Blick zum Abschluss noch einmal auf eine andere Ebene, und zwar auf die der Gebirge und der Forschung zur Pflanzendiversität entlang von Höhengradienten. Wie verändern sich die Ökosysteme in vulnerablen Gebirgsregionen und welchen Einfluss haben dabei gebietsfremde, eingewanderte Arten? In der Fragerunde kam das Thema der infolge des Klimawandels stattfindenden Migration von Arten in die Höhe auf. Einerseits entstehen dadurch neue Lebensräume, was zum Schutz von Arten führen kann, so Haider. Andererseits werden auch bestehende Interaktionen auseinandergerissen und Arten, die vorher in den Gebirgen spezialisiert waren, werden von migrierenden Arten verdrängt. Nun muss erforscht werden, wie sich diese Verschiebung in Zukunft auf die Biodiversität in der Höhe auswirkt.

„Quo vadis Ökologie?“ – Eine Podiumsdiskussion mit Blick in die Praxis und in die Zukunft

Mit sinkender Sonne im Gesicht und Fragen zur Zukunft der ökologischen Forschung im Kopf ging es nach einer kurzen Pause zur Stärkung mit der Podiumsdiskussion weiter. Auf dem Podium saßen Prof. Dr. Andreas Fichtner, Professor für Vegetationsökologie und Biodiversitätsforschung, aus der Praxis Dr. Heike Brenken, Landschaftsplanerin im Verein Naturschutzpark Lüneburger Heide, sowie Prof. Dr. Vicky Temperton und Prof. Dr. Michael Staab. Über der ersten Hälfte der Diskussion schwebte die große Frage nach der Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse in der Praxis und dem Gelingen einer Transformation hin zu Nachhaltigkeit.

„Wir können einfach nicht so weiter machen, es gibt keine drei Erden!“

– betonte Vicky Temperton. Wie können die Ergebnisse von Reallaboren breit umgesetzt und Praxispartner*innen dabei mit einbezogen werden? Laut Temperton sind für die Hochskalierung solcher Projekte nicht nur die Ergebnisse wichtig, sondern auch der Prozess selbst. Durch die Zusammenarbeit unterschiedlicher Akteure wird Vertrauen aufgebaut, ohne welches eine Transformation nicht möglich ist. Heike Brenken spricht aus ihrer Praxiserfahrung, wenn sie sagt, dass die Grundlagenforschung der Wissenschaft zwar wichtig ist, es aber auch Hilfe braucht, um die Ergebnisse vor Ort umzusetzen. Hier sind vor allem die Verwaltung und die Politik gefragt. Wichtig sei auch mal ein Artikel in der Lokalzeitung oder ein Vortrag auf dem Hoffest, um das Verständnis der Bürger*innen für Naturschutz zu erhöhen. Als Antwort auf den Appell an die Verwaltung meldete sich aus dem Publikum eine Stimme aus der Unteren Naturschutzbehörde Lüneburgs. Der Teilnehmer versicherte, dass auch in der Verwaltung das Bemühen vorhanden sei, doch stoße man oft auf viele Auflagen. Die Stellschraube liegt also auch bei den Menschen, die die Regularien für Natur- und Artenschutz verändern können. Ein Hoffnungsschimmer könnten die Student*innen sein, die an der Universität als „change agents“ ausgebildet werden, um später mit einem breiten thematischen Überblick die Schnittstelle zwischen Praxis und Wissenschaft zu bilden.

Im Endspurt der Zeitreise lenkte die Moderatorin Agnes Friedel den Blick abschließend auf die drängenden ökologischen Fragen der nächsten 15 Jahre vor dem Hintergrund des Globalen Wandels. Andreas Fichtner sprach von drei wichtigen Säulen der Zukunft: Stabilität der Ökosysteme, Anpassung an den Globalen Wandel und ein respektvollerer Umgang mit unserer Umwelt. In der Umsetzung werde jedoch oft die Kernbotschaft der Forschung nicht verstanden. Dabei spielen unsere Werte eine besondere Rolle. Was finden wir wichtig? Was motiviert uns? Das Verständnis und Bewusstsein für die Auswirkungen des Globalen Wandels auf Ökosysteme, die Ökolog*innen bei ihrer Forschung erfahren, muss sich in der Gesellschaft verbreiten.

Aber was sind denn nun ganz konkrete Schritte, um Biodiversität zu schützen?

– fragte sich ein Teilnehmer und vielleicht auch manche Leser*innen dieses Artikels. Es gibt vieles, das für den Erhalt der Biodiversität getan werden kann und sollte. Hier ein paar Vorschläge aus Podium und Publikum:  

• Das Bewusstsein, dass wir ohne die Natur nicht leben können, in der Gesellschaft und Politik verbreiten
• Landnutzung ändern, etwa durch weniger Fleischkonsum
• Ökologische Leistungen auch in der Ökonomie honorieren
• Bereiche wie Agrar- und Forstwirtschaft umweltorientierter und weniger produktionsorientiert gestalten
• Die Motivation für Umweltschutz schon in frühem Alter in der Schule erzeugen

Dabei liegt die Verantwortung zu einem großen Teil bei der Politik, doch auch Graswurzelbewegungen aus der Gesellschaft heraus sind gefragt. Das Podium und auch das Publikum waren sich einig: Die Menschen müssen für den Schutz der Biodiversität brennen!

Unsere Reise durch verschiedene Zeiten und Forschungsbereiche hat gezeigt, dass Kommunikation eine zentrale Rolle für den Schutz von Biodiversität und Ökosystemen spielt – denn nur, wenn wir miteinander im Austausch bleiben und zusammenarbeiten, können wir dieses Ziel erreichen. Mit diesen Schlussworten verabschiedete Agnes Friedel die Teilnehmenden des Symposiums in den Abend. Und mit diesem Gedanken verabschiedet auch dieser Artikel seine Leser*innen auf ihrem weiteren Weg in eine Zukunft, die bedeutender für die Entwicklung der Ökologie nicht sein könnte.

Fotos: ©Jennifer Fandrich / Leuphana

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Baumarten und Pilze – Ein besonderer Versuchsaufbau

Dieser Frage sind Tama Ray und ihre Kolleg*innen (2023), darunter Andreas Fichtner und Benjamin Delory vom Institut für Ökologie der Leuphana Universität Lüneburg, nachgegangen (Delory mittlerweile: Universität Utrecht). Für ihre Studie haben sie Daten aus dem Experiment myDiv genutzt. MyDiv ist ein Experiment, dass unter die oben beschriebene Funktionelle Biodiversitätsforschung fällt. Ziel des Experimentes ist es, den Zusammenhang zwischen ober- und unterirdischen Wechselwirkungen in Baumartenmischungen besser zu verstehen. Hier liegt die Annahme zugrunde, dass baumartenreiche Waldbestände, die unterschiedliche Mykorrhiza-Typen aufweisen am besten funktionieren. Eine Mykorrhiza ist eine komplexe Lebensgemeinschaft zwischen Pilz und Pflanze, von der beide profitieren. Dabei stehen die Pilze im Kontakt mit den Feinwurzeln der Pflanze und verbessern die Nährstoff- und Wasseraufnahme für die Pflanze und bekommen im Gegenzug von der Pflanze gebildete Kohlenhydrate. Es gibt viele verschiedene Mykorrhiza-Typen, die sich grob in arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze (AM) und Ektomykorrhiza-Pilze (EM) einteilen lassen. Bäume temperater Breiten können sowohl mit AM als auch mit EM oder mit beiden Mykorrhiza-Typen assoziiert sein. AM und EM funktionieren unterschiedlich und haben andere Spezialisierungen.

Im MyDiv Experiment wurden nun sowohl der Einfluss der oberirdischen als auch der unterirdischen Diversität zusammen auf die Produktivität untersucht. Das heißt, es gab zwei Diversitäts-Variablen: Zum einen die Anzahl an Baumarten (entlang des Gradienten: Monokultur, zwei Baumarten gemischt, und vier Baumarten gemischt). Zum anderen die Typen von Mykorrhiza (AM, EM oder gemischt AM und EM). Die Bäume wurden im Jahr 2015 bei Bad Lauchstädt in Sachsen-Anhalt gepflanzt.

Was haben die Wissenschaftler*innen erwartet?

Vermutet haben Ray und Kolleg*innen, dass die höhere Baumartenvielfalt oberirdisch in einer komplexeren Struktur des Waldes resultiert, also zu einer Steigerung der strukturellen Komplexität führt. Die strukturelle Komplexität charakterisiert die verschiedenartige Verteilung der Baum-Biomasse im dreidimensionalen Raum: Verschiedene Baumarten haben unterschiedliche Baumhöhen und bilden unterschiedlich aufgebaute Kronen aus und nutzen damit den Platz im Kronenraum vielfältiger als es nur eine Baumart tun würde. Somit könnten die Bäume dann das zur Verfügung stehende Licht effizienter nutzen. Da alle Pflanzen zur Photosynthese, neben Wasser und Nährstoffen, Licht brauchen, könnte eine solch effizientere Lichtnutzung eine gesteigerte Photosyntheseleistung zur Folge haben und damit ein gesteigertes Wachstum. Ähnlich war die Vermutung bei einer höheren Mykorrhiza-Typenvielfalt: Aufgrund der unterschiedlichen Spezialisierung der verschiedenen Typen, gingen die Wissenschaftler*innen davon aus, dass die unterirdische Ressourcennutzung von Nährstoffen und Wasser in Beständen mit unterschiedliche Mykorrhiza-Typen effizienter ist und so ebenfalls zu einer gesteigerten Produktivität beiträgt.

Wie misst man die Komplexität der Waldstruktur?

Nicht nur der Versuchsaufbau, sondern auch die Messmethode in diesem Experiment ist besonders. Herkömmliche Messmethoden untersuchen die strukturelle Komplexität zweidimensional. In diesem Experiment wurde die strukturelle Komplexität allerdings dreidimensional mithilfe von terrestrischem Laserscanning erfasst und daraus ein Index der strukturellen Komplexität (SSCI) gebildet. Das heißt die konkrete Verteilung von Blättern, Zweigen, Ästen, und Stämmen der Bäume im Raum wurde durch einen Laser erfasst und in einen Zahlenwert übersetzt. Die Produktivität wurde jährlich anhand des Stammdurchmessers und der Baumhöhe jedes einzelnen Baumes gemessen.

Überraschende Ergebnisse

Die Wissenschaftler*innen haben dabei mehrere Dinge herausgefunden:

1. Entgegen der Erwartung hat die Vielfalt an Mykorrhiza-Typen interessanterweise keinen Einfluss auf die Produktivität des jungen Waldes gehabt. Die Wissenschaftler*innen vermuten, dass dieser Effekt möglicherweise erst in älteren Wäldern als dem jungen Wald des Projektes eine Rolle spielen, da andere Studien in älteren Wäldern solche Effekte beobachten konnten. 
2. Mit zunehmender Baumartenvielfalt nimmt die strukturelle Komplexität zu.
3. Mit dieser zunehmenden strukturellen Komplexität nimmt die Produktivität zu. Sprich, je komplexere Strukturen Baumbestände haben, desto besser wachsen Wälder.

Um den dahinter vermuteten Effekt der gesteigerten Lichtnutzung zu überprüfen, haben die Wissenschaftler*innen den Lichteinfall am Waldboden gemessen. Dabei haben sie herausgefunden, dass je weniger Licht am Waldboden ankommt, also je mehr Licht durch das Kronendach der Bäume bereits vorher aufgefangen wurde, desto stärker ist dieser Zusammenhang zwischen struktureller Komplexität und Produktivität. Somit haben Ray und Kolleg*innen geschlussfolgert, dass die steigende strukturelle Komplexität des Kronendaches den Wald besser wachsen lässt, weil das vorhandene Licht dann effizienter genutzt wird, und somit mehr Licht für Photosynthese und damit zum Wachstum zur Verfügung steht. Somit hat die steigende Baumartenvielfalt also einen indirekten Effekt auf das Wachstum des Waldes, weil sie die Struktur des Waldes komplexer macht, was dann wiederum den Wald besser wachsen lässt (siehe Übersicht). So sind im Experiment Wälder mit einer komplexeren Struktur fast doppelt so schnell gewachsen wie Wälder mit einer weniger komplexen Struktur.

Wunderbaumart oder Teameffekt?

Im nächsten Schritt wollten die Wissenschaftler*innen noch herausfinden, ob die beobachtete Produktivitätszunahme an einer bestimmten Baumart liegt oder durch den Mischungseffekt entstanden ist. Dafür haben sie das sogenannte „Overyielding“ ausgerechnet. Dieses beschreibt das gesteigerte Wachstum einer Baumart, das nur durch die Mischung mit anderen Baumarten für diese Baumart im Vergleich zur Monokultur dazukommt. Würde eine Buche in Monokultur also pro Baum 5 m³ im Jahr wachsen, in Mischung mit beispielsweise Eichen aber 8 m³ pro Jahr, dann würde dieser zusätzliche Zuwachs von 3 m³ im Jahr das Overyielding beschreiben. Das Overyielding beschreibt also den Netto-Biodiversitätseffekt der Baumartenmischung auf die Produktivität der einzelnen Baumart (die in dieser Mischung wächst). Dieser Effekt lässt sich mathematisch aufteilen in den Art-Identitäts-Effekt und in Komplementaritätseffekte. Ersteres wäre ein Effekt, den eine bestimmte Baumart zu verantworten hat, letzteres der Effekt durch die Mischung an Baumarten. Das lässt sich mit einer Fußballmannschaft vergleichen: Gewinnt ein Team, weil es eine bestimmte Fußballspielerin im Team hat, die viel besser als die anderen spielt, oder gewinnt es, weil das Team als Ganzes so gut zusammenspielt? Die Effekte in diesem Experiment ließen sich zum Großteil durch den Teameffekt erklären, sind also hauptsächlich Komplementaritätseffekte.

Lichtliebend und Schattentolerant ergänzt sich gut

Damit haben die Wissenschaftler*innen herausgefunden, dass die strukturelle Komplexität die Hälfte der Variation in der Produktivität erklärt und das wiederum zu fast zwei Drittel nur auf diesen Mischeffekt von Baumarten zurückzuführen ist. Diesen starken Effekt der Baumartenmischung selbst konnten die Wissenschaftler*innen mathematisch zurückverfolgen. So haben sie festgestellt, dass der Effekt am stärksten durch unterschiedliche Schattentoleranzen von Bäumen zu erklären ist. So können etwa Birken Schatten nicht gut vertragen, Buchen jedoch ziemlich gut und können somit gut unter den schnell wachsenden Birken gedeihen. Zusammen erschließt sich ihnen also mehr Raum, in dem sie optimal und damit komplexer wachsen können. Je vielfältiger also die vorhandenen Schattentoleranzen von Bäumen in einem Wald sind, desto besser und komplexer kann der Raum genutzt werden, wodurch mehr Licht eingefangen werden kann und somit mehr Licht für die Photosynthese bereitsteht, und somit der Wald besser wächst (siehe Übersicht). Zusätzlich hat auch die taxonomische Vielfalt (also die verschiedene Abstammungsgeschichte von Bäumen) einen Einfluss auf dieses stärkere Wachstum in Baumartenmischung. Warum genau konnten die Wissenschaftler*innen durch ihre Daten noch nicht erklären, es könnte laut ihnen aber an den unterschiedlichen Formen und Verzweigungsmustern von den Baumkronen der verschiedenen Baumarten liegen.

Wie können diese Erkenntnisse genutzt werden?  – Klimawandel und Drohnen

Aus diesen Ergebnissen leiten sich auch wertvolle Implikationen für die Praxis, inklusive der Renaturierung von Wäldern ab: So sollten Baumbestände so gestaltet werden, dass sie mehrere Baumarten enthalten, die unterschiedliche Lichtansprüche haben. So würden die Wälder möglichst schnell wachsen und dabei oberirdisch größere Mengen Kohlenstoff speichern, was gerade im Hinblick auf den Klimawandel eine hohe Relevanz hat. Außerdem könnte zukünftig aufgrund der Ergebnisse die strukturelle Komplexität als Proxy für die Produktivität herangezogen werden. Im Zuge neuer sattelitengestützter Methoden sowie Drohneneinsätzen, könnte relativ schnell und großflächig die strukturelle Komplexität und damit Produktivität eines Waldes eingeschätzt und so etwa die Vorhersagekraft von Kohlenstoffmodellen verbessert werden.

Wenn Sie tiefer in das Thema einsteigen wollen, finden sie hier den wissenschaftlichen Fachartikel von Ray und Kolleg*innen: Ray, T., Delory, B. M., Beugnon, R., Bruelheide, H., Cesarz, S., Eisenhauer, N., Ferlian, O., Quosh, J., von Oheimb, G., & Fichtner, A. (2023). Tree diversity increases productivity through enhancing structural complexity across mycorrhizal types. Science Advances, 9(40), eadi2362. https://doi.org/10.1126/sciadv.adi2362

Titelbild: Strukturreicher Buchenwald in Schweden (Foto: Andreas Fichtner).