Forschung Weisser-Gruppe
Am Lehrstuhl für Terrestrische Ökologie wird Forschung zu einer Reihe aktuellen Themen durchgeführt. Hier finden Sie die Kurzbeschreibung der Forschungsthemen sowie Beispiele für wichtige Ergebnisse. Eine genauere Beschreibung der einzelnen Forschungsprojekte findet sich auf der englischen Seite. Die Verweise auf dieser Seite führen deshalb oft zu englischen Texten.
Unsere Forschung wird von verschiedenen öffentlichen Geldgebern gefördert. Der Hinweis auf die Förderer findet sich ebenfalls bei der genaueren Beschreibung der Forschungsprojekte.
Insektensterben und Insektenökologie
Insekten und ihre Rolle im Ökosystem sind das Hauptforschungsthema des Lehrstuhls. Dabei interessieren uns die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, pflanzenfressenden Insekten und ihren Gegenspielern, wie Räubern oder Schlupfwespen. In jüngster Zeit wurde zunehmend deutlich, dass Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, das Zusammenspiel zwischen Pflanzen und Insekten verändern. Dies untersuchen wir am Beispiel der Nutzpflanze Gerste und einiger Wildpflanzen, wie etwa dem Rotklee. Pflanzen der gleichen Art unterscheiden sich oft in ihrer chemischen Zusammensetzung und dies beeinflusst auch das Wechselspiel mit Insekten. Dies untersuchen wir am Modellsystem der Wildpflanze Rainfarn, die in Flussauen und auf Brachflächen vorkommt (Forschungsprojekt Rainfarn). Die Reaktion einer Pflanze auf den Befall mit Insekten hängt auch davon ab, mit welchen anderen Pflanzen sie zusammen wächst. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Institutes für Chemische Ökologie in Jena fanden wir z.B. heraus, dass die Duftstoffe, die der Rotklee abgibt, wenn er von Insekten befressen wird, sich ändern, wenn der Rotklee gemeinsam mit anderen Pflanzen vorkommt (Kigathi et al. 2019).
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Biodiversitätsexploratorien“ führen wir seit 2008 ein Insektenmonitoring durch, auf 300 Versuchsflächen, 150 im Grasland und 150 im Wald, die sich in den Regionen Schwäbische Alb (Baden-Württemberg), Hainich (Thüringen) und Schorfheide-Chorin (Brandenburg) befinden. Dieses Insektenmonitoring ist europaweit einzigartig. Wir konnten dabei beobachten, dass die Insektenvielfalt sehr empfindlich auf eine intensivere Landnutzung reagiert, gerade im Grasland. Je öfter ein Grasland geschnitten, je stärker es gedüngt und je mehr es beweidet wird, desto weniger Insektenarten finden sich (Allan et al. 2014). Dabei ist gerade die Mahdhäufigkeit entscheidend – wenn mehr als 1x im Jahr gemäht wird, hat dies stark negative Konsequenzen für die Insektenvielfalt. In den intensiver bewirtschafteten Grasländern kommen nicht nur weniger Arten vor, die Arten sind auch überall die gleichen, d.h. die Unterschiedlichkeit der Flächen (auch „Beta-Diversität“ genannt) nimmt ab. Die Insektengemeinschaft in intensiv bewirtschafteten Grasländern besteht dabei aus größeren und flugfähigeren Tieren (Simons et al. 2016).
Unsere Analysen zeigen auch, dass in den Grasländern die Biomasse, die Anzahl der Tiere und auch die Artenzahl der Insekten abgenommen hat. Auch wenn diese Zeitreihe bisher nur 10 Jahre lang ist, weist sie doch darauf hin, dass das „Insektensterben“ real ist und immer noch anhält.
In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen analysieren wir auch längere Zeitreihen. So konnten wir anhand einer immerhin 200jährigen Zeitreihe zeigen, dass die Vielfalt an Schmetterlingen von 117 Schmetterlingsarten im Jahr 1840 auf 71 Arten im Jahr 2013 abgenommen hat (Seibold et al. 2019). Dieser Rückgang ist in mehreren Schüben erfolgt ist, gerade auch in jüngster Zeit (Habel et al. 2016).
Im Wald leiden insbesondere solche Insektenarten, die Totholz für ihre Entwicklung benötigen, unter einer stärkeren Waldnutzung. Da in stark genutzten Wäldern sehr viel Holz entnommen wird, bleibt weniger Totholz im Wald, wo es von Insekten und anderen Organismen genutzt abnehmen. Wir untersuchen hier, wie sich unterschiedliche Baumarten in ihrer Eignung für Totholzinsekten unterscheiden (im „BELongDead“-Experiment) und wie sich Wälder unterschiedlicher Struktur in der Insektenvielfalt unterscheiden
Nachhaltige Landwirtschaft und nachhaltige Forstwirtschaft
Unsere Forschung soll zur Entwicklung nachhaltigerer Bewirtschaftungsweisen beitragen. Wir zeigen nicht nur Fehlentwicklungen auf, wie bei der Dokumentation des Insektensterbens, sondern untersuchen auch, wie sich Nutzung und Schutz der Natur vereinbaren lassen.
Nachhaltige Forstwirtschaft
Im Wald konkurriert der Mensch mit vielen anderen Arten um die Nutzung des Holzes – wenn ein Stamm geerntet wird, können sich Totholzkäfer und andere Insekten nicht entwickeln; wenn jedoch die Käfer den Stamm nutzen, ist er für den Menschen unbrauchbar. Da fast die Hälfte aller Käfer in Deutschland, ein großer Teil anderer Insekten, und ein Viertel aller Pilzarten vom Totholz abhängen, bedeutet Nachhaltigkeit, dass sich Mensch und Natur das Totholz in bewirtschafteten Wäldern aufteilen. Für den Forstbetrieb Ebrach der bayerischen Staatsforsten (BaySF), indem eine Naturschutzstrategie implementiert wurde, konnten wir zeigen, dass die Gesamtmenge an Totholz und auch die totholzabhängige biologische Vielfalt stark zunimmt, wenn während der Durchforstung Totholz im Wald belassen wird (Dörfler et al. 2019). In einem Kooperationsprojekt mit Partnern anderer Universitäten untersuchen wir neben ökologischen Aspekten auch wirtschaftliche und generell die Bedeutung von Totholz im Wald.
Ein weiteres Spannungsfeld der nachhaltigen Nutzung ist der Anbau von Nadelhölzern in Gebieten, in denen ohne den Menschen eigentlich reine Laubwälder vorkommen würden, so etwa in verschiedenen Typen von Buchenwäldern. Hier untersuchen wir, ob eine Anreicherung von Laubwäldern mit Nadelholz die biologische Vielfalt beeinträchtigt oder erhöht (Projekt L57). Diese Frage ist gerade vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion um einen Waldumbau sehr relevant.
Eine weitere kontrovers diskutierte Frage der Waldnutzung betrifft die Anwendung von Insektiziden im Wald. Während in der Landwirtschaft viele Kulturen relativ oft durch den Landwirt mit Insektiziden behandelt werden, ist der Pflanzenschutzmitteleinsatz im Wald selten und wird auch nur unter der Leitung staatlicher Stellen durchgeführt. Wenn jedoch Insektizide im Wald versprüht werden, geschieht dies mittels Hubschrauber und wird in der Öffentlichkeit stark wahrgenommen und diskutiert. Die Kernfrage dabei ist, wie groß der Verlust für den Waldbesitzer ist, wenn die Bäume nicht behandelt werden und wie groß die Auswirkung der eingesetzten Insektizide auf die nicht-schädlichen Insekten im Wald sind, die sogenannten Nichtzielorganismen. In verschiedenen Projekten untersuchen wir diese Fragen zusammen mit Kollegen anderer Disziplinen (Projekt Schwammspinner).
Nachhaltige Landwirtschaft
Kann Landwirtschaft Nahrungsmittel in genügender Menge produzieren und gleichzeitig die biologische Vielfalt schützen? Dies ist eine Kernfrage für die nachhaltige Landwirtschaft. Am Lehrstuhl für Terrestrische Ökologie werden verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt, die sicher dieser Frage aus verschiedenen Blickwinkeln näher.
Im sogenannten „Jena-Experiment“ (www.the-jena-experiment.de) wird gemeinsam mit Kolleg*innen verschiedener Universitäten Deutschlands, der Niederland und der Schweiz untersucht, welche Bedeutung die biologische Vielfalt (Biodiversität) für Ökosysteme haben kann. Als Modellsystem dienen Grünländer unterschiedlicher Vielfalt. Im Jahr 2002 wurden aus einem Artenpool von 60 Arten Pflanzengemeinschaften von 1-60 Arten und 1-4 funktionellen Gruppen angelegt, in denen vergleichend Messungen zu Stoffflüssen und Wechselwirkungen zwischen Organismen untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine höhere Pflanzenvielfalt vielfältige positive Effekte auf Stoffkreisläufe und andere Prozesse im Ökosystem haben kann. Weil das Modellsystem ein Grünland ist, lassen sich viele Ergebnisse auch auf die Grünlandbewirtschaftung überlagen.
Im Forschungsprojekt „Biodiversitäts-Exploratorien“ werden ebenfalls Grünlandflächen untersucht, die von Landwirten unterschiedlich bewirtschaftet werden, von sehr extensiv mit nur einer Mahd pro Jahr oder einem Beweidungsdurchgang mit wenigen Schafen bis hin zu einer intensiveren Bewirtschaftung mit einer stärkeren Düngung, einer häufigeren Mahd oder einem stärkeren Besatz an Tieren, insbesondere Rindern. Die vergleichenden Untersuchungen, an denen fast 40 Forschungsgruppen aus ganz Deutschland beteiligt sind, erlauben Rückschlüsse über die Zusammenhänge zwischen Bewirtschaftungsweise, Pflanzenartenvielfalt, der Vielfalt anderer Organismen und Elementkreisläufen (www.biodiversity-exploratories.de).
Tiere in der Stadt und Stadtökologie
In unseren Städten werden Grün- und Freiräume, die dem Menschen als Orte der Erholung und Geselligkeit dienen, aufgrund der zunehmenden baulichen Verdichtung immer knapper. Pflanzen und Tiere spielen als Stadtnatur für die Qualität dieser Räume und Orte eine wichtige Rolle. Viele Städte suchen nach Strategien, dem Verlust der Stadtnatur entgegen zu wirken und die städtische grüne Infrastruktur zu sichern und zu entwickeln. Wir haben eine Methode entwickelt, Animal-Aided Design, die eine integrierte Betrachtung von Wohnungsbau und Naturschutz ermöglicht und diese häufig als konträr betrachteten Belange verbindet.
Klimawandel und biologische Vielfalt
Der wichtigste Faktor für den aktuellen Verlust der biologischen Vielfalt ist die menschliche Landnutzung. Der Klimawandel wird zukünftig ebenfalls zu einem Artenverlust beitragen, durch seine Wechselwirkung mit der menschlichen Landnutzung.
In der Arbeitsgruppe von TUM JuniorFellow Dr. Christian Hof wird am Beispiel von Vögeln, Schmetterlingen, Libellen und Grashüpfern untersucht, wie sich der Klimawandel auf diese Artengruppen in Bayern auswirkt.
Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen verschiedener Universitäten in Bayern untersuchen wir zudem die Wechselwirkungen zwischen dem Klimawandel und dem Landnutzungswandel, um zu verstehen, ob der Klimawandel die Arten hauptsächlich direkt beeinflusst, durch Änderungen der Temperatur oder des Niederschlags, oder ob indirekte Effekte über die Landnutzung wichtiger sind, also ob die Anpassung der Landnutzung an den Klimawandel einen größeren Effekt auf die Arten hat als die direkten Änderungen der Wetterbedingungen (Projekt BLIZ).
Der Klimawandel beeinflusst Arten nicht nur auf dem Land, sondern auch in der Stadt, in der es heute bereits heißer ist. Die städtebaulichen Anpassungen an den Klimawandel in Verbindung mit dem Paradigma der Nachverdichtung führen zu einer starken Reduktion der Grünräume in der Stadt und zu einem Rückgang von Tieren. In einem Projekt gemeinsam mit Kollegen anderer bayerischer Universitäten untersuchen wir mit Hilfe eines Citizen Science-Ansatzes das Bewusstsein der Bewohner bayerischer Städte zum Einfluss des Klimawandels auf das Vorkommen und die Phänologie von Pflanzen und Tieren. Gleichzeitig soll das Projekt dazu dienen, wissenschaftliche Informationen zum Vorkommen und die Aktivität von Tieren in der Stadt zu gewinnen. Durch Bürgerbefragungen soll zudem herausgefunden werden, welche Tiere Bewohner im Wohnumfeld wünschen (Projekt Baysics).
Animal-Aided Design – bridging the gap between landscape architecture and conservation
Biodiversity underlies many of the ecosystem services demanded by humans. To maintain biodiversity and ecosystem services, the creation of a ‘green infrastructure’ has been proposed for Europe. The basic idea is that this green infrastructure is as important for the human society as other infrastructures such as the electricity grid.
It is unclear, however, how such a green infrastructure should be created. Urban open spaces are currently planned by landscape architects with a primary focus on aesthetic design, or by city planners with little expertise in ecology. As a consequence, standard planning procedures do not create a green infrastructure. On the other hand, conservation often targets the few remaining areas with little influence of humans, also in cities. While this will conserve biodiversity and maintain certain ecosystem services, it also does not represent a targeted planning process aimed at providing a green infrastructure also in places where there are no wilderness areas left. In fact, conservation and urban planning often work against one another rather than together, for example when a planning process is executed with little reference to biodiversity and when nature protection laws interfere with this planning process by requiring adaptation of the design due to the occurrence of a protected species.
We have developed Animal-Aided Design® as a methodology for the design of open spaces that can help to overcome this difference between landscape architecture and conservation. The basic idea of Animal-Aided Design® (in short, AAD) is to include the presence of animals in the planning process, such that they are an integral part of the design. For AAD, the desired species are chosen at the beginning of a project. The requirements of the target species, i.e. their life-cycles, then set boundary conditions and serve as an inspiration for the design.
Download booklet that describes Animal-Aided Design (only in German). Please use the two-pages view in Adobe Acrobat!
Animal-Aided Design is a cooperation project with Dr. Thomas Hauck, Universität Kassel Link to Polinna Hauck Landscape+Urbanism
and a subproject of the Centre for Urban Ecology and Climate Adaptation (ZSK).
Mechanisms underlying the relationship between biodiversity and ecosystem functioning
In the past two decades, an increasing number of studies has been performed to analyze the relationship between biodiversity and ecosystem functioning. We contribute to the search for ecosystem consequences of biodiversity loss in the DFG-funded Jena Experiment, a grassland biodiversity experiment coordinated by our research group, and in the BMBF-funded BIOLOG DIVA-Jena project (completed at the end of 2010), a study in semi-natural grasslands along a plant species richness gradient. A major conclusion that can be drawn from this research is that a low diversity in an assemblage is often associated with a lowered mean (and an increase in the variance) in many of the ecosystem variables investigated. In the Jena Experiment, for example, about 40% of ecosystem variables are affected by plant species richness. One major shortcoming of the current state of knowledge is, however, that for many of the observed biodiversity effects we do not know the underlying mechanism. We are interested in how species interaction change with increasing plant species richness and how these changes underlie the observed biodiversity effects on ecosystem variables. See the descriptions of the Jena Experiment and BIOLOG Diva-Jena for more detail.
Land-use, biodiversity and ecosystem functioning
A major driver of biodiversity loss is land use change. Human land use not only changes biodiversity, but also ecosystem variables either directly or via the change in biodiversity. In a number of projects we investigate the feedback loops between land use, biodiversity change and ecosystem variables, focusing on the role of species interactions. In the DFG-funded Biodiversity Exploratories project, the focus is on land use in forest and grassland ecosystems in Germany. This project represents a major cooperation effort of more than 40 research groups.
In the completed project Degradation of South Brazilian grasslands, we cooperated with the restoration ecology group at TUM and colleagues at the Universidade Estadual do Rio Grande do Sul in Porto Alegre, Brasil, to investigate biodiversity and ecosystem functions in differently degraded grasslands. The natural grasslands in south Brazil have at a large scale been converted into tree plantations or agricultural land or are affected by by burning, grazing and seeding with alien species. See the following publications for the outcome:
| Leidinger, J., M. M. Gossner, W. W. Weisser, C. Koch, Z. L. R. Cayllahua, L. R. Podgaiski, M. M. Duarte, A. S. F. d. Araújo, J. Hermann, J. Kollman and S. T. Meyer. 2017. Historic and recent land use affects ecosystem functions in subtropical grasslands in southern Brazil. Ecosphere 8:e02032. PDF |
| Koch, C., T. Conradi, M. M. Gossner, J. M. Hermann, J. Leidinger, S. T. Meyer, G. E. Overbeck, W. W. Weisser and J. Kollmann. 2016. Management intensity and temporary conversion to other land-use types affect plant diversity and species composition of subtropical grasslands in southern Brazil. Applied Vegetation Science 19:589-599. |
Former projects on this topic include Agripopes, funded by DFG and the European Science Foundation, which investigated AGRIcultural POlicy-induced changes in agricultural landscapes and their effects on biodiversity and ecosystem services.
In project recently funded by the Bavarian state forest administration, we evaluate a dead-wood enrichment strategy that aims to integrate conservation with economic forestry. The strategy was implemented in beech forests in the Steigerwald forest district in Bavaria almost 10 years ago and we investigate whether a) there has been a measurable increase in deadwood in the forest stands, and b) whether an enrichment in deadwood has resulted in a measurable increase in deadwood-associated biodiversity.
Plant-insect metacommunity ecology and genetics
In an ecological community, species interactions structure local populations and influence species coexistence. Two different, yet complementary, approaches to studying species interactions are community genetics, which recognises that within-species genetic variation can alter the interactions between different species; and, metacommunity ecology, which emphasizes the role dispersal plays in structuring local communities.
We investigate how community genetic interactions influence metacommunity dynamics, using a model tansy (Tanacetum vulgare) plant – aphid system. Individual tansy plants act as 'islands of resource' and, on this plant, classical metapopulation structuring is exhibited by competing specialist aphids and their parasitoids (e.g. We study this system using field, common garden and greenhouse experiments to uncover the mechanisms driving metapopulation and metacommunity dynamics. We also examine aphid population genetic structure and the effect of plant genetic variation.
One focus has been for several years the role of predation for prey population ecology and genetics. In 1999, we demonstrated that pea aphids, Acyrthosiphon pisum, produce winged offspring when exposed to predatory ladybirds, the first example of an enemy-induced morphological change facilitating dispersal (Weisser et al. 1999). We continue investigating the role of natural enemies for aphid wing induction, and have found wing-inducing effects of e.g. aphid parasitoids (Sloggett & Weisser 2002), lacewing larvae (Kunert & Weisser 2003) and aphid entomopathogenic fungi (Hatano et al. 2012). We also investigate the underlying mechanism of this response to the presence of natural enemies. Particular attention is paid to the role of (E)-ß-Farnesene (EBF), the main component of aphid alarm pheromone. We have shown (Kunert et al. 2005) that wing induction in the presence of natural enemies is mediated by EBF. Currently, we focus on the role that EBF plays in the network of ecological interactions between plants, aphids, ants and the natural enemies of aphids using e.g. rapid gas chromatography for real-time analysis of volatile communication (Joachim et al. 2013, 2014).
In our current DFG-funded project on tansy aphids metacommunity genetics we cooperate closely with the Helmholtz Zentrum München, who study the plant chemical ecology, and investigate the effect of expression of mono- and sesquiterpenes on metacommunity dynamics.
Joachim, C., I. Vosteen and W. W. Weisser. 2014. The aphid alarm pheromone (E)-beta-farnesene does not act as a cue for predators searching on a plant. Chemoecology in press.
Joachim, C. and W. W. Weisser. 2013. Real-Time Monitoring of (E)-beta-Farnesene Emission in Colonies of the Pea Aphid, Acyrthosiphon pisum, Under Lacewing and Ladybird Predation. Journal of Chemical Ecology 39:1254-1262. PDF
Hatano, E., J. Baverstock, G. Kunert, J. K. Pell and W. W. Weisser. 2012. Entomopathogenic fungi stimulate transgenerational wing induction in pea aphids, Acyrthosiphon pisum (Hemiptera: Aphididae). Ecological Entomology 37:75-82. PDF
Kunert, G., S. Otto, U. S. R. Rose, J. Gershenzon and W. W. Weisser. 2005. Alarm pheromone mediates production of winged dispersal morphs in aphids. Ecology Letters 8:596-603. PDF
Kunert, G. and W. W. Weisser. 2003. The interplay between density- and trait-mediated effects in predator-prey interactions: a case study in aphid wing polymorphism. Oecologia 135:304-312. PDF
Sloggett, J. J. and W. W. Weisser. 2002. Parasitoids induce production of the dispersal morph of the pea aphid, Acyrthosiphon pisum. Oikos 98:323-333. PDF
Weisser, W. W., C. Braendle and N. Minoretti. 1999. Predator-induced morphological shift in the pea aphid. Proceedings of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences 266:1175-1181. PDF
Schwammspinner - Projekt
Technische Universität München, LWF, Universität Würzburg
Studie zu forstlichen und ökologischen Folgen bei Massenvermehrungen des Schwammspinners in Bayern
Die Bekämpfung des Schwammspinners in Eichenmischwäldern ist in jedem Jahr einer Massenvermehrung Gegenstand einer öffentlichen Diskussion. Einerseits können hohe Dichten der Schwammspinnerraupen zu Kahlfraß an Eiche und auch an anderen Baumarten führen. Dieser soll durch eine rechtzeitige Bekämpfung vermieden werden, um Waldbesitzer vor Schäden bis hin zu Bestandeszerstörungen zu bewahren. Andererseits sind Eichenmischwälder sehr artenreich und es kommen in ihnen eine Vielzahl bedrohter Tag- und Nachtfalter, Vögel und andere Arten vor, so dass die Sorge besteht, dass diese kurz- oder auch längerfristig unter einem Insektizideinsatz leiden. Allerdings hat auch der Schwammspinnerausbruch selbst negative Konsequenzen für andere Arten in einem Eichenwald, da die Artengemeinschaft für einige Zeit von nur einer Art, dem Schaderreger, dominiert wird. Während die Biologie des Schwammspinners bekannt ist und es bereits viele gute Studien zur Wirkung einer Entlaubung auf die Eiche gibt, gibt es doch einige Wissensdefizite, die für ein Risikomanagement wichtig sind, z.B. in Bezug auf kurz- und längerfristige Effekte des Schwammspinners auf das Eichenwachstum in Abhängigkeit des Standorts. Auch gibt es bisher noch zu wenige Studien, die die kurz- und längerfristigen Auswirkungen auf Nichtzielorganismen zwischen unbekämpften Flächen (mit hoher Schwammspinnerdichte) und bekämpften Flächen (mit reduzierter Schwammspinnerdichte) vergleichen. Schließlich sind einige internationale Ergebnisse nicht einfach auf Bayern zu übertragen. Die Wechselwirkungen zwischen Schwammspinnerdichten, standörtlichen Gegebenheiten, dem gewählten Management und den Reaktionen der Eichenwälder und ihrer Lebensgemeinschaften können dabei nur in Jahren einer Massenvermehrung untersucht werden, wie sie für die nächsten Jahre erwartet wird.