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Wechselwirkungen Zwischen Collembolen Und Verschiedenen Bodenparametern

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Wechselwirkungen Zwischen Collembolen Und Verschiedenen Bodenparametern Wechselwirkungen zwischen Collembolen und verschiedenen Bodenparametern Von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte D i s s e r t a t i o n von Kerstin Abel aus Helmstedt 1. Referent: Prof. Dr. O. Larink 2. Referent: PD Dr. habil. S. Schrader eingereicht am: 27.2.2006 mündliche Prüfung (Disputation) am: 07.07.2006 2007 (Druckjahr) WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 6 2 COLLEMBOLEN (SPRINGSCHWÄNZE) 9 3 MIKROKOSMOS/MESOKOSMOS 12 4 MATERIAL UND METHODEN 13 4.1 Laborzuchten der Versuchstiere 13 4.2 Eingesetzte Collembolenarten 13 4.3 Versuchssubstrate 15 4.4 Zusatz organischer Substrate 16 4.5 Versuchsgefäße 17 4.5.1 Gefäßversuche in Weckgläsern 17 4.5.2 Kombination Weckgläser/kleine Substratbehälter 17 4.5.3 Gefäßversuche in Glasröhren 18 4.5.4 Gefäßversuche in Reagenzgläsern 18 4.6 Versuche mit ausgewählten Bodenpilzen 18 4.7 Messung biologischer und chemischer Parameter 19 4.7.1 Bestimmung der Tierzahlen bei Versuchsende 19 4.7.2 Keimzahl-Bestimmung 20 4.7.3 Bestimmung der Dehydrogenaseaktivität 21 4.7.4 Messung der Bodenatmung 22 4.7.5 Bestimmung des Gehaltes an organisch gebundenem Kohlenstoff 24 4.7.6 Nitrat-Bestimmung 25 4.7.7 Bestimmung der Bodenfeuchtigkeit 25 4.7.8 pH-Messung 26 4.8 Übersicht über alle durchgeführten Versuche 26 4.9 Statistische Auswertung 29 5 ERGEBNISSE 30 5.1 Überlebensrate der Tiere 31 5.2 Gesamtkeimzahl 32 5.2.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 32 5.2.2 Reagenzglasversuche 35 A. nicht autoklavierte Ansätze 35 B. autoklavierte Ansätze 37 1 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN 5.3 Pilzkeimzahl 40 5.3.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 41 5.3.2 Reagenzglasversuche 44 A. nicht autoklavierte Ansätze 44 B. autoklavierte Ansätze 46 5.4 Dehydrogenaseaktivität 49 5.4.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 50 5.4.2 Reagenzglasversuche 55 A. nicht autoklavierte Ansätze 57 B. autoklavierte Ansätze 59 5.5 Atmung der Collembolen: Messungen auf Gips-Aktivkohle-Böden 61 5.6 Bodenatmung 62 5.6.1 Versuche in Weckgläsern 64 5.6.2 Versuche in Glasröhren 69 5.7 Gehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff 74 5.7.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 74 5.7.2 Reagenzglasversuche 76 A. nicht autoklavierte Ansätze 76 B. autoklavierte Ansätze 77 5.8 Gehalt an Nitrat 78 5.8.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 79 5.8.2 Reagenzglasversuche 79 A. nicht autoklavierte Ansätze 79 B. autoklavierte Ansätze 81 5.9 Bodenfeuchtigkeit 82 5.9.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 83 5.9.2 Reagenzglasversuche 85 5.10 pH 89 5.10.1 Versuche in Weckgläsern oder Glasröhren 89 5.10.2 Reagenzglasversuche 90 A. nicht autoklavierte Ansätze 90 B. autoklavierte Ansätze 92 5.11 Zusammenfassung aller Messergebnisse 94 5.12 Untersuchung der gemessenen Parameter im Hinblick auf Korrelationen 97 6 DISKUSSION 99 6.1 Kritische Betrachtung der Methodik 99 6.1.1 Defaunierung 99 6.1.2 Eignung der Versuchsgefäße bzw. der Versuchsdesigns 100 A. Weckgläser 100 2 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN B. Glasröhren 101 C. Reagenzgläser 101 D. Zusammenfassung: Eignung der Versuchsgefäße 102 6.1.3 Anzahl von Wiederholungen 102 6.2 Collembolenbesatz bei Versuchsende 102 6.3 Gesamtkeimzahl 108 6.4 Pilzkeimzahl 111 6.5 Weitere biotische Faktoren im Boden 114 6.6 Dehydrogenaseaktivität 115 6.7 Atmung von F. candida 117 6.8 Bodenatmung 118 6.9 Gehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff 122 6.10 Nitrat-Gehalt 125 6.11 Bodenfeuchtigkeit 127 6.12 pH 128 6.13 Betrachtung der Collembolenarten im Vergleich 128 6.14 Vergleich der unterschiedlichen Besatzzahlen 131 6.15 Vergleich der unterschiedlichen Substrate 132 6.16 Betrachtung der Versuche mit zugesetztem organischem Material 133 6.17 Vergleich der eingesetzten Pilze 135 6.18 Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Messparameter 136 6.19 Eignung der Untersuchungsmethode und Empfehlungen für eine Fortführung der Versuche 137 6.20 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Bedingungen im Freiland 141 7 FAZIT 142 8 ZUSAMMENFASSUNG 143 9 LITERATURVERZEICHNIS 145 10 ANHANG 171 10.1 Abbildungsverzeichnis 171 10.2 Tabellenverzeichnis 175 3 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN 10.3 Auswertungstabellen: Messung biologischer und chemischer Parameter 177 10.3.1 Gesamtkeimzahl 177 10.3.2 Pilzkeimzahl 179 10.3.3 Dehydrogenaseaktivität 181 10.3.4 Langzeitatmung 183 10.3.5 Gehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff 184 10.3.6 Nitratgehalt 186 10.3.7 Bodenfeuchtigkeit 187 10.3.8 pH 189 10.4 Auswertungstabellen: Statistik 191 10.4.1 Test auf Normalverteilung 191 10.4.2 Wilcoxon-Test für Paardifferenzen/Friedman-Test 193 10.4.3 Korrelationskoeffizienten 196 10.5 Versuchsweise Übersicht über die Messungen 202 10.5.1 Weckglas- und Röhrenversuche 202 A. Substrat aus Braunschweig 202 Versuch 1 202 Versuch 4 202 Versuch 5 202 Versuch 6 203 Versuch 7 204 Versuch 8 206 Versuch 11 207 Versuch 12 209 B. Substrat aus Sickte 211 Versuch 9 211 Versuch 10 213 C. Substrat LUFA 2.1 214 Versuch 2 214 Versuch 3 215 10.5.2 Reagenzglasversuche 215 A. nicht autoklavierte Ansätze 215 Versuch IV 215 Versuch VI 217 Versuch VII 218 Versuch VIII 220 Versuch X 222 B. autoklavierte Ansätze 223 Versuch I 223 Versuch II 225 Versuch III 226 Versuch V 227 Versuch IX 229 4 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN Abkürzungsverzeichnis BBA Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft BS Braunschweig BVL Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit Corg. organisch gebundener Kohlenstoff F.c. Folsomia candida F. candida Folsomia candida FZ Fachgruppe für Zoologische Mittelprüfung H. burtonii Hyphopichia burtonii k. A. keine Angabe LUFA Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Speyer mdl. mündlich P.m. Proisotoma minuta P. minuta Proisotoma minuta S. Seite s.a. siehe auch S.c. Sinella coeca S. coeca Sinella coeca Tab. Tabelle TG Trockengewicht TPF Triphenylformazan TTC Triphenyltetrazoliumchlorid V. nigrescens Verticillium nigrescens Wkmax. maximale Wasserkapazität X.c. Xenylla corticalis X. corticalis Xenylla corticalis zit. zitiert 5 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN COLLEMBOLEN UND VERSCHIEDENEN BODENPARAMETERN 1 Einleitung Schon 1950 veröffentlichte KÜHNELT in seinem Buch „Bodenbiologie“ ein Kapitel mit dem Titel „Die Bedeutung der Organismen für die Erhaltung der Fruchtbarkeit des Bodens“. 1956 (a, b) konstatierte BARING, dass durch den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln neben den Schaderregern auch andere Glieder der Lebensgemeinschaft unserer Kulturbiotope beein- flusst werden. Da die meisten Bodentiere wichtig für die Fruchtbarkeit der Böden seien, sei eine biozönotische Betrachtung von Pflanzenschutzmaßnahmen wichtig. GHILAROV kam 1973 zu dem Ergebnis, dass generell durch Kultivierung von Flächen die biologische Akti- vität sinkt und damit der Humus-Gehalt abnimmt. FRANZ fasste 1973 zusammen, dass mit anthropogener Beeinflussung eine Veränderung der gesamten Bodendynamik und der Bodenbiozönosen einhergehe. Dies habe Rückwirkungen auf den Boden. Die Aufrechter- haltung der biologischen Gleichgewichtszustände sei vordringlichste Aufgabe einer nach- haltigen Bodenpflege und -nutzung. Nach und nach rückte neben dem Ziel der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit von Agrarflä- chen auch der „Schutz des Naturhaushaltes“ in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Die vorliegende Arbeit wurde von der damaligen Fachgruppe für Zoologische Mittelprüfung (FZ) der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft (BBA) initiiert und dort auch durchgeführt. Die BBA hatte bis Ende April 2002 als Zulassungsbehörde für Pflanzen- schutzmittel die Aufgabe, Auswirkungen von Pflanzenschutzmitteln zu prüfen, zu bewerten und gegebenenfalls wissenschaftlich fundierte Kennzeichnungsauflagen für die Gebrauchs- anleitungen zu erteilen. Im Mai 2002 wurden diese Aufgaben vom Bundesamt für Verbrau- cherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) übernommen. Hintergrund für die Konzeption dieser Arbeit war das PFLANZENSCHUTZGESETZ (PflSchG 1986) vom 15.9.1986, in dem neben der Wirksamkeit sowie dem Schutz der Anwender und Verbraucher vor unerwünschten Auswirkungen erstmalig ausdrücklich der Schutz des Naturhaushaltes als für die Zulassung von Pflanzenschutzmitteln relevantes Kriterium ein- geführt wurde. Der Naturhaushalt wurde in §2 des PflSchG definiert als „seine Bestandteile Boden, Wasser, Luft, Tier- und Pflanzenarten sowie das Wirkungsgefüge zwischen ihnen“. Diese Definition des Begriffes „Naturhaushalt“ entspricht weitgehend dem Begriff „Umwelt“ der Richtlinie des Rates der EG vom 15.7.1991 über das Inverkehrbringen von Pflanzen- schutzmitteln (EWG 1991): „Wasser, Luft, Boden sowie wildlebende Arten von Pflanzen und Tieren und ihre gegenseitigen Beziehungen sowie die Beziehung zwischen ihnen und allen lebenden Organismen“ (BECKER 1994, STRELOKE ET AL. 2001). Auch das BUNDES-BODENSCHUTZGESETZ (BBodSchG 1998), das am 1.3.1999 in der Bundes- republik Deutschland in Kraft getreten ist, fordert, „nachhaltig die Funktionen des Bodens zu sichern oder wiederherzustellen. Hierzu sind schädliche Bodenveränderungen abzuwehren, ... und Vorsorge gegen nachteilige Einwirkungen auf den Boden zu treffen. Bei Einwirkun- gen auf den Boden sollen Beeinträchtigungen seiner natürlichen Funktionen ... so weit wie möglich vermieden werden. Der Boden erfüllt im Sinne dieses Gesetzes natürliche Funktio- nen als
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