Untersuchungen zur Diversität larvaler Trichoptera-Artengemeinschaften im Speyerbach bei Neustadt (Pfalz)


Bachelorarbeit, 2013
35 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Nischendifferenzierung
1.2 Köcherfliegenlarven
1.3 Untersuchungsgebiet
1.4 Species distibution models und Maxent

2. Material &Methoden
2.1 Feldarbeit
2.2 Laborarbeit
2.3 Maxent-Analyse

3. Ergebnisse
3.1 Speyerbachbeprobung
3.2 Nischenmodellierung
3.2.1 Nischenmodellierung für Hydropsyche siltalai
3.2.2 Nischenmodellierung für Sericostomapersonatum

4. Diskussion
4.1 Speyerbachbeprobung
4.2 Nischenmodellierung
4.2.1 Nischenmodellierung für Hydropsyche siltalai
4.2.2 Nischenmodellierung für Sericostoma personatum
4.2.3 Vergleich der Nischen von H. siltai und S. personatum

5. Literaturverzeichnis

6. Abbildungsverzeichnis

7. Anhang
7.1 Verwendete Umweltvariablen

8. Danksagung

Zusammenfassung

Jedes Lebewesen stellt, um existieren und sich fortpflanzen zu können, bestimmte Ansprüche an seine Umgebung. Die Summe dieser Ansprüche wird als ökologische Nische bezeichnet. Leben Arten zusammen in einer Artengemeinschaft, müssen sich ihre Nischen unterscheiden, da sonst die schwächere Art verdrängt werden würde.

Die zentrale Frage dieser Arbeit ist es, wie sich Köcherfliegen einer Artengemeinschaft in ihren Umweltansprüchen unterscheiden, um langfristig koexistieren zu können.

Dazu wurden im Speyerbach (bei Neustadt/ Weinstraße) im Pfälzerwald an sieben Stellen im Februar 2013 in einen Zeitraum von zwei Wochen Köcherfliegenlarven gesammelt und bestimmt. Die gefundenen Arten waren Hydropsyche siltalai, Lasiocephala basalis, Sericostoma personatum, Polycentropus flavomaculatus, Annitella obscurata und Rhyacophila producta. Mit Hilfe weiterer Funde im Pfälzerwald und der Software Maxent wurde für die Arten H. siltalai und S. personatum ein Modell ihrer ökologischen Nische erstellt und mit einander verglichen.

Die Modelle ergaben, dass für beide Arten der Niederschlag im Mai und die Bodenbedeckung von großer Bedeutung sind. Dabei sorgt ein erhöhter Niederschlag bei beiden Arten dazu, dass die Wahrscheinlichkeit eines Vorkommens abnimmt.

Bei der Wahl der Bodenbedeckung unterscheiden sich die untersuchten Arten. Während H. siltalai häufiger in künstlichen und bebauten Umgebungen vorkommt, bevorzugt S. personatum einen immergrünen Nadelwald. Außerdem ist die minimale Temperatur im Dezember für H. siltalai von großer Bedeutung, S. personatum reagiert hingegen stärker auf die mittlere Temperatur im Januar. Es konnten noch weitere unterschiedliche Ansprüche festgestellt werden, diese hatten aber nur einen kleinen Anteil am erhaltenen Modell.

Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die Nischen von H. siltalai und S. personatum in bestimmten Umweltansprüchen unterscheiden und so eine Koexistenz möglich sein kann.

Abstract

Every species has certain needs of the environment to live and reproduce. The total of these needs is called ecological niche. If more than one species live in the same habitat, they must differ in their needs. If not, the stronger species will replace the weaker one.

The central question of this paper is how caddisflies living in a species community differ in their needs of environmental factors to coexist.

In the Speyerbach (near Neustadt/ Weinstraße) in the Palatinate Forest, caddisflies were collected at seven sites during two weeks in February 2013. The species that were found were Hydropsyche siltalai, Lasiocephala basalis, Sericostoma personatum, Polycentropus flavomaculatus, Annitella obscurata and Rhyacophila producta. The ecological niches of H. siltalai and S. personatum were modelled and compared using data from further locations and the software Maxent.

The niche models showed that the precipitation in May and the land cover is of great importance for both species. In both cases, an increased precipitation decreases the probability of occurrence.

The species differ in their preferred type of land cover. H. siltalai prefers artificial surfaces and associated areas, S. personatum prefers needle-leaved, evergreen tree covers. The minimum temperature in December is important for H. siltalai, for S. personatum the mean temperature in January is important. There also were further differences in the ecological niches ofboth species but they contributed less to the Maxent model.

Altogether it has been shown that the ecological niches of H. siltalai and S. personatum differ in specific needs and therefore enable coexistence.

1. Einleitung

1.1 Nischendifferenzierung

Der Begriff der „Nische“ wurde zuerst von Grinnell 1917 und von Elton 1927 in der Ökologie benutzt und über die Zeit unterschiedlich definiert (Munk, 2009). 1957 entwickelte Hutchinson das Modell, dassjeder Faktor einer Dimension entspricht, sodass die ökologische Nische einen n-dimensionalen Hyperraum mit n Faktoren bildet (Townsend, Harper & Begon, 2009) . Nach Townsend, Harper & Begon (2009) ist die ökologische Nische die Summe aus Toleranzbereich und Ansprüchen eines Organismus. Die Ansprüche an die Umwelt können in biotische und abiotische Faktoren oder in Umweltbedingungen und Ressourcen unterteilt werden (Munk, 2009). Man unterscheidet die fundamentale und die realisierte ökologische Nische. Die fundamentale Nische beschreibt die Kombination von Umweltbedingungen und Ressourcen, die eine Art benötigt, um zu existieren und sich fortzupflanzen, in Abwesenheit von existenzbedrohenden Arten. Die realisierte Nische hingegen beschreibt alle nötigen Faktoren und berücksichtigt zusätzlich intra- und interspezifische Konkurrenz (Townsend, Harper & Begon, 2009). Jede Art bildet dabei ihre eigene ökologische Nische (Munk, 2009). Nach dem Konkurrenzausschlussprinzip müssen sich konkurrierende Arten, um in einer Artengemeinschaft langfristig koexistieren zu können, in ihrer ökologischen Nische unterscheiden, also eine Nischendifferenzierung zeigen, da ansonsten eine Art die andere verdrängen würde (Lampert & Sommer, 1992; Townsend, Harper & Begon, 2009).

Das Thema der Nischendifferenzierung dient auch als Fragestellung dieser Bachelorarbeit. Es soll untersucht werden, ob und wie sich die ökologischen Nischen von Köcherfliegen, die zusammen in einem gemeinsamen Lebensraum leben, unterscheiden, um nebeneinander koexistieren zu können.

1.2 Köcherfliegen

Köcherfliegen (Trichoptera) bilden eine Ordnung der Insekten mit circa 7000 Arten weltweit, davon sind 313 in Deutschland bekannt (Maier & Linnenbach, 2001). Sie sind holometabole Insekten, die bis auf die Gattung Enoicyla, alle während ihrer Larvalentwicklung und Metamorphose im Wasser leben (Ludwig, 1993). Bis auf wenige Arten haben sie ein zur Atmung geschlossenes Tracheensystem am Hinterleib (Engelhardt et al., 2008).

Man unterscheidet zwei Typen von Larven (Abb.l): Bei den eruciformen Larven steht der Kopf senkrecht zur Körperachse, ihre Mundwerkzeuge sind dadurch nach unten gerichtet (Ludwig, 1993). Diese Larven bauen einen Köcher (Ludwig, 1993). Die campodeiden Larven besitzen meistens keinen Köcher, ihre Kopfachse steht in Verlängerung zum Körper, sodass die Mundwerkzeuge nach vorne gerichtet sind (Ludwig, 1993).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schematischer Körperbau der Köcherfliegenlarven.

Eruciforme und campodeide Larven unterscheiden sich durch die Stellung des Kopfes im Vergleich zur Körperachse. Dazu besitzen eruciforme Larven immer einen Köcher (Bearbeitet nach Maier & Linnenbach, 2001).

Der Köcher der Larven, vom dem sie im Deutschen ihren Namen haben, schützt sie vor Prädatoren und beherbergt den weichen Hinterleib (Engelhardt et al., 2008). Er besteht je nach Art aus verschiedenen Fremdmaterialien (kleinen Steinen, Sand, Holz, Laub, Nadeln, kleine Schnecken- und Muschelschalen, etc.), die sie im Gewässer finden (Zrzavý, Storch & Mihulka, 2009) und werden mithilfe eines Spinnfaden zu einem arttypischen Seidenköcher verbaut (Engelhardt et al., 2008).

Den eruciformen Larven dient vor allem Pflanzenmaterial als Nahrung, während von den campodeiden Larven viele als Räuber leben (Engelhardt et al., 2008). Durch ihre unterschiedlichen Ansprüche an ihre Umgebung sind bestimmte Arten für bestimmte Gewässertypen charakteristisch (Engelhardt et al., 2008). Aufgrund dessen und ihrer hohen Präsenz und relativen Abundanz, werden sie häufig für biologische Fragestellungen und zur Bewertung der Wasserqualität verwendet (Holzenthal et al., 2007). Dank der guten Möglichkeiten Köcherfliegenlarven zu fangen und der oben genannten Vorteile sind sie auch für diese Arbeit das Untersuchungsobjekt.

1.3 Untersuchungsgebiet

Als Untersuchungsgebiet dieser Arbeit dient der Speyerbach. Er ist ein Fließgewässer 3. Ordnung vom Typ 5.1 (feinmaterialreiche silikatische Mittelgebirgsbäche). Der ökologische Zustand entspricht im oberen Speyerbach der Klasse 2 (gut), im mittleren und unteren Teil nur noch der Klasse 4 (unbefriedigend), was vor allem an der „erheblich veränderten“ Gewässermorphologie liegt (Westermann et al., 2010). Der untersuchte Abschnitt liegt zwischen Lambrecht (Pfalz) und Neustadt (Weinstraße) (Abb. 2). Dieser Abschnitt wurde gewählt, da hier eine gute Zugänglichkeit gewährleistet ist. Ab Neustadt läuft der Speyerbach größtenteils umzäunt in einem Sandsteinbett und teilweise kanalisiert unter der Stadt, sodass es nur schwierig bis gar nicht möglich ist, an das Bachbett zu gelangen. Der untersuchte Abschnitt ist circa 4,5 km lang und entspricht dem Lebensraum des Rhithrals. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Abschnitt teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Pfälzerwalds befindet. Der Speyerbach entspringt im Pfälzerwald, verlässt diesen am östlichen Rand und mündet bei Speyer in den Rhein, woher er auch seinen Namen hat. Somit entwässert er den Pfälzerwald in Richtung Osten (Förster, 2012). Der Pfälzerwald liegt im Süden von Rheinland-Pfalz und erstreckt sich auf einer Fläche von 135.590,44 Hektar (Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz, 2010). Er wird im Norden vom Nordpfälzer Bergland und im Süden von den Vogesen begrenzt, sowie im Nordwesten von Kaiserslautern und im Südosten von Neustadt an der Weinstraße (Geiger, 2010) . Er liegt in der gemäßigten Klimazone zwischen dem atlantischen und dem kontinentalen Klimatypen (Geiger, 2010).

1.4 Species distribution models und Maxent

Modelle zur Artenverbreitung (species distribution models, SDMs) finden in vielen Bereichen Anwendung, vor allem in der Umweltforschung, der Ökologie, der Biogeographie und dem Naturschutz (Elith et al., 2011). Sie verknüpfen die räumliche Information über das Vorkommen einer Art in einem untersuchten Gebiet mit den dort auftretenden Umweltfaktoren (Franklin, 2009). Dadurch liefern sie sowohl Informationen über die ökologische Nische als auch über eine mögliche Eignung des Gebiets als Lebensraum für die untersuchte Art (Franklin, 2009). Zusammen mit extrapolierten Klimadaten kann auch eine potentielle Verbreitung der Art für die Zukunft beziehungsweise die Vergangenheit modelliert werden. Das Vorkommen einer Art wird entweder in Form von Präsenz-Absenz (presence- absence) oder nur in Präsenz {presence-only) erfasst, wobei die letztere die einfachere Form ist. Die Verwendung von presence-only Datensätzen hat jedoch auch Nachteile: Zum einen weiß man nicht, wie häufig eine Art in einem Gebiet vorkommt (Elith et al., 2011), zum anderen hat die Wahl der Untersuchungsstelle im Gebiet einen größeren Einfluss als bei Präsenz-Absenz-Datensätzen (Phillips et al., 2009). Durch das Verwenden von presence-only Daten ist es hingegen möglich, ältere Aufnahmen, die das Vorkommen einer Art belegen - zum Beispiel aus Museen oder Herbarien - für ein Modell nutzbar zu machen (Elith et al., 2011) . Ein Programm, das mit solchen presence-only Daten arbeitet, ist Maxent (Phillips, Anderson & Schapire, 2006). Maxent ist seit 2004 kostenfrei verfügbar und wird seitdem in vielen Anwendungsbereichen verwendet (Elith et al., 2011). Das Ziel von Maxent ist es, die Wahrscheinlichkeit einer potentiellen Verbreitung einer Art in einem bestimmten Gebiet zu schätzen (Phillips, Anderson & Schapire, 2006), sowie die ökologische Nische einer Art zu modellieren. Das Programm arbeitet nach der Maximum-Entropie-Methode, von der es seinen Namen hat, und der Bayesschen Statistik (Phillips, Anderson & Schapire, 2006). Dafür benötigt es die Angaben über die Fundorte (Längen- und Breitenangabe im .asc-Format) und ein Raster an Umweltdaten für das jeweilige Gebiet in kontinuierlicher oder kategorischer Form. Als Ergebnis liefert Maxent eine potentielle Verbreitungskarte, sowie weitere statistische Berechnungen (ROC-Kurve, Jackknife-Test, Wirkungskurven, etc.), mithilfe derer man Aussagen zur ökologischen Nische geben kann. Da Maxent nur presence-only Daten benötigt und eines der neusten Programme zur Nischen- beziehungsweise Habitatmodellierung ist, ist es für die Analysen im Rahmen dieser Arbeit sehr gut geeignet.

2. Material & Methoden

2.1 Feldarbeit

Zu Beginn der Feldarbeit wurde geprüft, wo der Speyerbach auf dem zu untersuchenden Abschnitt am besten zugänglich ist. Danach wurden sieben Stellen (siehe Abb.2; Tab.1) ausgewählt und vom 12.2. - 23.2.2013 nach Köcherfliegenlarven abgesucht. Aufgrund der zeitlichen Entwicklung der Larven wurde der Untersuchungszeitraum vor den eigentlichen Zeitraum der Bachelorarbeit gelegt, sodass der Großteil der Köcherfliegenlarven sich im fünften und letzten Larvalstadium befand, was für eine eindeutige Artbestimmung wichtig ist.

Beim Beproben wurden, je nach Gegebenheit, verschiedene Methoden verwendet. Im Wasser wurde das Kicksampling (Meier et al.) angewandt. Dabei wird mit dem Fuß das Bodensubstrat in einer Tiefe von bis zu ca. 3cm aufgewirbelt, sodass die benthischen Trichopteralarven von der Strömung erfasst werden und mit Hilfe eines Siebes gefangen werden können. An Stellen mit Makrophyten wurde das Sieb gegen die Strömung durch die Pflanzen bewegt, um sich darin befindende Larven zu erfassen. An Stellen mit meso- bis makrolithalen Bereichen wurden einzelne Steine aus dem Wasser genommen und auf darauf lebende Larven untersucht und gegebenenfalls mit einer Pinzette gesammelt. Das gleiche wurde an Stellen mit xylalen Bereichen durchgeführt. Zur Konservierung wurden die Köcherfliegenlarven vor Ort in kleine Kautex-Flaschen mit 70%igen Ethanol gegeben. Dabei wurden von jeder Art, falls möglich, mehrere Exemplare gesammelt, um diese später besser bestimmen zu können. Da es sich um eine qualitative Analyse handelt und nicht um eine quantitative, mussten nicht alle Individuen erfasst werden.

2.2 Laborarbeit

Im Labor wurden die gesammelten Köcherfliegenlarven mit Ethanol in ein Blockglas gegeben und unter dem Binokular betrachtet. Mit Hilfe des Atlas der österreichischen Köcherfliegenlarven (Wahringer & Graf, 2004) wurde die jeweilige Trichoptera-Art bestimmt. Danach wurden die Larven nach Art, Fundort und Datum sortiert und wieder mit 70%igem Ethanol in kleine Glasgefäße gegeben, um sie für spätere Zwecke zu konservieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Untersuchte Stellen des Speyerbachs. Zwischen Lambrecht (Pfalz) und Neustadt (Weinstraße) wurden im Speyerbach sieben Stellen ausgewählt und auf Köcherfliegenlarven beprobt. (Satellitenaufnahme Google Earth)

Tab. 1: Koordinaten der Probestellen im Speyerbach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit Hilfe von Sattelitenbildern aus Google Earth wurde die Probestelle am Speyerbach bestimmt und die dazugehörigen Koordinaten ermittelt (Tab. 1).

2.3 Maxent-Analyse

Zur Modellierung der potentiellen Artenverteilung wurde die Software Maxent (Version 3.3.3e; http://www.cs.princeton.edu/~schapire/maxent/) genutzt (Phillips et al., 2006; Phillips & Dudlik, 2008). Dafür wurden zunächst die Koordinaten der Fundorte mit Hilfe des Programmes Google Earth bestimmt (Tab. 1). Die Modellierung erfolgte nicht für alle gefundenen Arten, da dafür keine ausreichend große Datenmenge vorlag. Es wurden die zwei häufigsten Arten ausgewählt (Tab. 2) und für ein aussagekräftigeres Ergebnis zusätzlich Fundortdaten anderer Arbeiten verwendet (Tab.3). Für die Modellierung wurde ein Satz von Umweltdaten (6.1 verwendete Umweltdaten) für das Gebiet des Pfälzerwaldes genommen. Die Daten für Temperatur und Niederschlag stammen aus einer Interpolation von Punktklimadaten (1950-2000) in einer räumlichen Auflösung von 30 arcsec (~1 km) (http://www.worldclim.org). Die Informationen über die Landbedeckung und Höhenangaben stammen von DIVA-Gis (http://www.diva-gis.org), mit 22 Typen von Landbedeckung und ebenfalls einer räumlichen Auflösung von 30 arcsec. Eine genaue Beschreibung der Vorgehensweise mit Maxent und der verwendeten Umweltparameter findet sich bei Kusch & Schmitz (2013).

[...]

Ende der Leseprobe aus 35 Seiten

Details

Titel
Untersuchungen zur Diversität larvaler Trichoptera-Artengemeinschaften im Speyerbach bei Neustadt (Pfalz)
Hochschule
Technische Universität Kaiserslautern
Note
1,0
Autor
Jahr
2013
Seiten
35
Katalognummer
V282676
ISBN (eBook)
9783656823643
ISBN (Buch)
9783656843818
Dateigröße
963 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Trichoptera, Köcherfliegen, Maxent, ökologische Nische, Nischenmodellierung, Speyerbach, H. siltalai, S. personatum, ecological niche, SDM, Species distribution model
Arbeit zitieren
Daniel Sigmund (Autor), 2013, Untersuchungen zur Diversität larvaler Trichoptera-Artengemeinschaften im Speyerbach bei Neustadt (Pfalz), München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/282676

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