Die Auswirkungen von Habitatfragmentierung auf nisthilfenbewohnende Bienen, Wespen und deren Gegenspieler in kleinen Sekundärwaldfragmenten in Costa Rica

Summary (English) I. Human induced global change threatens biodiversity and trophic interactions. Fragmentation is considered as one of the major threats to biodiversity and can cause reduced species richness, population declines, loss of genetic diversity and disruption of trophic interactions such as predation and parasitism. However forest fragmentation effects can be eclectic due to species specific traits. Specialist species with narrower niches or at higher trophic levels may be in danger of extinction whereas generalist species with less specific habitat requirements may even profit from fragmentation. In the tropics, known as “the” terrestrial biodiversity hotspots, even biodiversity inventories are often lacking, especially in forest canopies. Ongoing deforestation and resulting fragmentation in tropical regions are expected to heavily affect ecosystem functions by changes in biodiversity, community compositions and disruption of trophic interactions. It is even less unknown in what extent different global change drivers for example climate change and fragmentation interact. It is unlikely that deforestation will end, so that small secondary forest fragments will be important habitat elements that must be investigated to optimize their potential contribution to biodiversity conservation. This dissertation aimed to disentangle the effects of forest fragmentation on trap-nesting bee and wasp communities in small secondary forest fragments addressing the following main questions: 1) Are there interactive effects between microclimate and fragmentation on the abundance of bees and wasps, their mortality - and parasitism rates (Chapter II)? 2) How does fragmentation affect bee biodiversity from canopy to the understory with considerations of single species patterns (Chapter III)? 3) How is fragmentation affecting diversity and community composition of different trophic levels between understory and canopy with emphasis on the host-antagonist relation? (Chapter IV). II. A variety of global change drivers affect biodiversity and trophic interactions. The combined effects of habitat fragmentation and climate change are poorly understood and with ongoing deforestation and agricultural intensification secondary rainforest fragments might contribute to biodiversity conservation and mitigation of climate warming. This chapter investigated the interactive effects of habitat fragmentation and microclimate on the abundance and biotic interactions of trap-nesting bees and wasps in secondary forest fragments in the Northeastern lowlands of Costa Rica. Habitat area did not affect hymenopteran abundance, parasitism and mortality rates, but tree location- from the forest border to the forest center- influenced all variables. Interactive effects were found such as in the higher mortality rates at interior locations in larger fragments. Mean temperature at edge and interior locations led to significant effects on all tested variables and interactive effects between temperature and tree locations were found. Abundances at interior locations were significantly higher with increasing temperatures. Mortality rates at interior location increased at lower mean temperatures, whereas higher temperatures at edges marginally increased mortality rates. Our results indicate, that edge effects, mediated by altered microclimatic conditions, significantly change biotic interactions of trap-nesting hymenopterans in small secondary fragments. III. This chapter focusses on the vertical distribution of bees, their parasitism and mortality rates as well as single species patterns in relation to fragment size and edge effects in secondary rainforest remnants. No size effects on bee abundance, bee diversity and on parasitism- and mortality rates were found. Bees were least abundant at the intermediate height and were most abundant in the understory; whereas the highest diversity was found in the canopy. Tree location had no effect on bee abundance, but on bee diversity since most species were found in the forest interior. The cuckoo bees Aglaomelissa duckei and Coelioxys sp. 1 only partly followed the patterns of their hosts, two Centris species. Edge effects greatly influenced the bee community, so that the amount of edge habitat in secondary forest fragments will influence the conservation value for bees. IV. In this section the effects of habitat fragmentation on biodiversity, on community structure of hosts and natural enemies as well as the relation of hosts and antagonists were investigated from the understory to the canopy. The results stress the importance to monitor biodiversity, community composition and trophic interactions from the understory to the canopy. The higher trophic level of the antagonists was found to be more sensitive to fragment size compared to their hosts. Again edge effects were found to be the dominant driver since both host and antagonist richness, as well as community compositions were strongly affected. Ongoing fragmentation and increased amount of edge habitat could favor few abundant disturbance-adapted species over the rare and more diverse forest-adapted species. A positive-density dependent parasitism rate was demonstrated, as well as an increase of the parasitism rate not only with antagonist abundance but also diversity. Small secondary forest fragments surely can contribute to the conservation of biodiversity and trophic interactions, but increase of edge habitat will have negative consequences on above-ground nesting Hymenoptera, so that important interactions such as pollination, predation and parasitism could be disrupted. Therefore small forest fragments could contribute to biodiversity conservation but will not be able to compensate for the loss of large areas of primary forests. V. This dissertation contributes to the understanding of habitat area - and edge effects as well as the interaction of those with microclimatic conditions in small secondary rainforest fragments. As study system trap nests inhabited by solitary above-ground nesting bees, wasps and their natural enemies were chosen because they allow to study trophic interactions along their whole vertical distribution from the understory to the canopy. The effect of fragment size was rather weak, however, larger sizes affected the diversity of natural enemies positively, proofing the hypothesis that higher trophic levels react more sensitive to habitat loss. Edge effects heavily affected the abundance, diversity and community composition of hosts and their natural enemies as well as parasitism and mortality rates. Increased edge conditions resulting from ongoing fragmentation and deforestation will therefore negatively affect bees, wasps and their trophic interactions with natural enemies. Those changes affect important processes such as pollination, predation and parasitism, which could result in changes of ecosystem functioning. This study showed the importance to include all strata in biodiversity monitoring since height did matter for the trap-nesting communities. Diversity was shown to be higher in the canopy and community composition did change significantly. To conclude we could show that secondary forest fragments can sustain a trap-nesting bee and wasp community, but the amount of interior habitat is highly important for the conservation of forest-adapted species. Probably the conservation of large primary forest in combination with a high habitat connectivity, for example with small secondary forest fragments, will help to sustain biodiversity and ecosystem functioning better than the mere presence of small forest fragments.Zusammenfassung (German) I. Die weltweite Umweltveränderung, die durch den Menschen verursacht wird, gefährdet die Artenvielfalt und die trophischen Wechselbeziehungen zwischen Organismen. Fragmentierung gilt als eine der Hauptbedrohungen für die Biodiversität und kann weitreichende Konsequenzen haben wie zum Beispiel verminderte Artenvielfalt, Rückgang von Populationen, Verlust von genetischer Diversität und auch die Unterbrechung von trophischen Interaktionen, z.B. Prädation und Parasitierung. In Waldökosystemen können Fragmentierungsauswirkungen vielfältig sein. Spezialisierte Arten mit engen natürlichen Nischen, die zum Beispiel in höheren trophischen Ebenen zu finden sind, könnten vom Aussterben bedroht sein, während generalisierte Arten mit weniger spezifischen Habitatansprüchen sogar profitieren könnten. In den Tropen, „den“ terrestrischen Biodiversitäts-Hotspots, fehlen oft sogar grundlegende Bestandsaufnahmen von Flora und Fauna, insbesondere für die Kronen der Regenwälder. Die fortschreitende Abholzung in tropischen Regionen und die dadurch verursachte Fragmentierung wird die Funktion des Ökosystems durch Veränderung der Artenvielfalt, der Zusammensetzung von Artengemeinschaften und der Unterbrechung von trophischen Interaktionen in hohem Maße beeinflussen. Besonders das Zusammenwirken von verschiedenen Facetten des globalen Umweltwandels, z. B. Klimawandel und Fragmentierung, ist nahezu unbekannt. Da es unwahrscheinlich ist, dass die Abholzung von Regenwäldern eingestellt wird, ist es äußerst wichtig den Wert von kleinen Sekundärwaldfragmenten für den Schutz der Artenvielfalt zu untersuchen. Diese Dissertation trägt dazu bei verschiedene Aspekte der Fragmentierung auf die Artengemeinschaft von nisthilfenbewohnenden Hymenopteren in kleinen Sekundärwaldfragmenten zu untersuchen und behandelt dabei die folgenden zentralen Fragen: 1) Wirken Fragmentierung und mikroklimatische Bedingungen interaktiv auf die Abundanz von Bienen und Wespen sowie deren Mortalitäts- und Parasitierungsraten (2. Kapitel)? 2) Wie beeinflusst Fragmentierung die Artenvielfalt von Bienen vom Unterholz bis zur Krone und wie reagieren einzelne Arten darauf (3. Kapitel)? 3) Wie beeinflusst Fragmentierung die Biodiversität und die Artengemeinschaften verschiedener trophischer Ebenen vom Unterholz bis zum Kronendach unter besonderer Berücksichtigung der Wirts-Antagonist-Beziehung (4. Kapitel)? II. Eine Reihe von Faktoren des weltweiten Umweltwandels beeinflusst die Artenvielfalt und trophische Interaktionen. Die Auswirkungen von Fragmentierung und Klimawandel, die sich gegenseitig beeinflussen könnten, sind nahezu unverstanden. Außerdem könnten Sekundärwaldfragmente zum Erhalt der Artenvielfalt und der Abschwächung der Auswirkungen des Klimawandels sowie der anhaltenden Abholzung und der Intensivierung der Landwirtschaft dienen. Dieser Abschnitt untersucht mögliche Wechselwirkungen zwischen Fragmentierung und Temperatur auf die Abundanz und trophische Interaktionen von nisthilfenbewohnenden Bienen und Wespen in kleinen Sekundärwaldfragmenten im Nordosten Costa Ricas. Die Fragmentgröße hatte keinen Einfluss auf die Abundanz, die Parasitierungs- und Mortalitätsraten der Hymenopteren, während der Baumstandort- vom Waldrand zur Waldmitte immensen Einfluss auf alle untersuchten Variablen hatte. In größeren Fragmenten war die Mortalitätsrate innerhalb des Waldes verglichen mit kleineren Fragmenten höher. Die mittlere Temperatur beeinflusste alle untersuchten Variablen und hatte je nach Standort des Baumes unterschiedliche Auswirkungen. Die Abundanzen im Waldinneren stiegen signifikant mit höheren Temperaturen an. Die Mortalitätsraten im Waldinneren nahmen mit niedrigeren Temperaturen zu, während höhere Temperaturen am Waldrand zu höheren Mortalitätsraten führten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Randeffekte, die auch durch Temperaturunterschiede zustande kommen, biotische Interaktionen von nisthilfenbewohnenden Bienen und Wespen in kleinen Sekundärwaldfragmenten ändern. III. Dieses Kapitel konzentriert sich auf den Einfluss der Fragmentgröße und der Randeffekte auf Bienen und deren Parasitierungs- und Mortalitätsraten vom Unterholz bis zu den Kronendächern in kleinen Sekundärwaldfragmenten. Dabei wurden auch die Muster von einzelnen Arten näher untersucht. Die Fragmentgröße hatte keinen Einfluss auf die Bienenabundanz, die Artenvielfalt oder die Parasitierungs- und Mortalitätsraten. Die höchste Bienenabundanz wies das Unterholz auf, während die höchste Diversität im Kronendach gefunden wurde. Der Gradient vom Waldrand bis zur Waldmitte hatte keinen Einfluss auf die Bienenabundanz, wohingegen die Diversität zum Waldinnern hin anstieg. Die Kuckucksbienen Aglaomelissa duckei und Coelioxys sp. 1 folgten nur zum Teil den Mustern ihrer Wirte, zwei Centris Arten. Randeffekte hatten großen Einfluss auf die Bienengemeinschaften, so dass der Anteil von Waldrändern bzw. die Form der Sekundärwaldfragmente über den Nutzen für die Erhaltung der Bienenvielfalt bestimmt. IV. In diesem Kapitel wurden die Fragmentierungsauswirkungen auf die Biodiversität, die Gemeinschaftszusammensetzung von Wirten und ihrer natürlichen Feinde als auch die Beziehung zwischen den Wirten und ihren natürlichen Feinden vom Unterholz bis zum Kronendach untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass es äußerst wichtig ist die Biodiversität, die Zusammensetzung der Artengemeinschaft als auch die trophischen Interaktionen in den verschiedenen Straten des Regenwaldes zu untersuchen. Die natürlichen Feinde, die auf einer höheren trophischen Ebene stehen, reagierten empfindlicher auf die Größe der Fragmente. Randeffekte waren der einflussreichste Faktor, weil die Diversität der Wirte und der natürlichen Feinde, sowie deren Artengemeinschaften stark beeinflusst wurden. Fortschreitende Fragmentierung und der damit einhergehende erhöhte Flächenanteil des Randhabitats könnte daher wenige häufige Arten bevorzugen, die gestörtes Habitat tolerieren können, wohingegen die seltenere aber artenreichere Gemeinschaft, die das Waldinnere bevorzugt, benachteiligt wird. Es konnte außerdem eine positiv-dichteabhängige Parasitierungsrate sowie ein positiver Zusammenhang zwischen der Abundanz und Diversität von natürlichen Feinden und der Parasitierungsrate gezeigt werden. Kleine Sekundärwaldfragmente können sicherlich helfen die Artenvielfalt und die trophischen Interaktionen zu erhalten, aber die Erhöhung des Anteils von Randhabitat wird nachteilige Folgen für solitäre Hymenopteren haben. Dies kann zur Unterbrechung von wichtigen Interaktionen wie Bestäubung, Prädation und Parasitierung führen. Kleine Sekundärwaldfragmente können daher zwar hilfreich zur Erhaltung der Biodiversität sein, aber niemals große Primärwaldflächen, die von unschätzbarem Wert sind, ersetzen. V. Die vorliegende Doktorarbeit trägt zum Verständnis der Auswirkungen der Habitatgröße und von Randeffekten als auch deren Wechselwirkungen mit mikroklimatischen Bedingungen in kleinen Sekundärwaldfragmenten bei. Benutzt wurden Nisthilfen, die von solitären Bienen, Wespen und ihren natürlichen Feinden besiedelt werden, da hierdurch auch trophische Interaktionen vom Unterholz bis zum Kronendach aufgenommen werden können. Die Fragmentgröße hatte keine weitreichenden Auswirkungen. Größere Fragmente wiesen allerdings eine höhere Vielfalt von natürlichen Feinden auf, was die Hypothese der höheren Empfindlichkeit von höheren trophischen Ebenen bestätigt. Randeffekte hingegen haben sowohl die Bienen und Wespen als Wirte als auch deren natürliche Feinde in ihrer Häufigkeit, Artenvielfalt und Artenzusammensetzung in hohem Maße beeinflusst. Eine Erhöhung des Anteils von Randhabitaten, die mit fortschreitender Abholzung und Fragmentierung einhergeht, wird daher einen negativen Einfluss auf diese Hymenopteren haben, was sogar die Funktion des Ökosystems beeinflussen könnte, da dadurch auch wichtige Interaktionen, zum Beispiel Bestäubung, Prädation und Parasitierung beeinträchtigt werden. Außerdem konnte diese Doktorarbeit zeigen, dass es unbedingt notwendig ist die Fauna des gesamten Regenwaldes unter Berücksichtigung aller Straten aufzunehmen. Die Artenvielfalt in der Kronenschicht war höher und auch die Zusammensetzung der Artengemeinschaften war signifikant verschieden zwischen dem Unterholz und den Kronendächern. Diese Doktorarbeit zeigt, dass kleine Sekundärwaldfragmente zwar Lebensraum und Ressourcen für eine Gemeinschaft von solitären Bienen, Wespen und deren natürlichen Gegenspielern bieten kann, dass jedoch die Form und damit der Anteil von Innenhabitat ausschlaggebend für den Erhalt von spezialisierten Waldarten ist. Der Erhalt von großen Flächen von Primärwald ist daher unabdingbar, jedoch könnten Sekundärwaldfragmente zur Erhöhung der Vernetzung beitragen, um so ein stabiles, artenreiches und einzigartiges Waldökosystem zu erhalten, was allein durch kleine Sekundärwaldfragmente nicht möglich sein wird