TERMITES AND ANTS IN BURKINA FASO (WEST AFRICA) - TAXONOMIC AND FUNCTIONAL DIVERSITY ALONG LAND-USE GRADIENTS - ECOSYSTEM SERVICES OF TERMITES IN THE TRADITIONAL ZAÏ SYSTEM Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen Doktorgrades der Julius-Maximilians-Universität Würzburg vorgelegt von Dorkas Tabitha Kaiser geboren in Stuttgart Würzburg 2014 Eingereicht am: Mitglieder der Promotionskommission: Vorsitzender: Prof. Dr. Thomas Dandekar Gutachter: Prof. Dr. K. Eduard Linsenmair Gutachter: Prof. Dr. Souleymane Konaté Tag des Promotionskolloquiums: Doktorurkunde ausgehändigt am: TERMITES AND ANTS IN BURKINA FASO (WEST AFRICA) - TAXONOMIC AND FUNCTIONAL DIVERSITY ALONG LAND-USE GRADIENTS - ECOSYSTEM SERVICES OF TERMITES IN THE TRADITIONAL ZAÏ SYSTEM Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen Doktorgrades der Julius-Maximilians-Universität Würzburg vorgelegt von Dorkas Tabitha Kaiser geboren in Stuttgart Würzburg 2014 Eingereicht am: Mitglieder der Promotionskommission: Vorsitzender: Prof. Dr. Thomas Dandekar Gutachter: Prof. Dr. K. Eduard Linsenmair Gutachter: Prof. Dr. Souleymane Konaté Tag des Promotionskolloquiums: Doktorurkunde ausgehändigt am: To my family especially my mother Margot Kaiser-Braue my husband Bernd Helle and my aunt Doris Jahn-Kotzem In Hamburg lebten zwei Ameisen, Die wollten nach Australien reisen. Bei Altona auf der Chaussee Da taten ihnen die Beine weh, Und da verzichteten sie weise Dann auf den letzten Teil der Reise. Joachim Ringelnatz (1883–1934) Zusammenfassung i ZUSAMMENFASSUNG Die Folgen von Lebensraumveränderungen für die Lebensqualität der Bevölkerung sind vermutlich besonders extrem in Burkina Faso. Das Land liegt in einem für Dürren sehr anfälligen Gebiet von Westafrika. Die Kleinbauern, welche die Hauptproduzenten für Lebensmittel der Region sind, können besonders betroffen sein, wenn Verluste der biologischen Vielfalt zu Veränderungen in den Ökosystemfunktionen führen, da viele von degradierten Flächen für die landwirtschaftliche Produktion abhängen. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war daher, die funktionellen Merkmale derjenigen Bodenorganismen zu charakterisieren, die im Untersuchungsgebiet von entscheidender Bedeutung für ertragreiche und ausgewogene Böden sind: Termiten und Ameisen. Sie sind wahre Ökosystem‐Ingenieure, deren Aktivität den Lebensraum verändert. Durch Bodenumwälzung während des Baus von biogenen Strukturen unterschiedlicher Größe und Natur (Hügel, Nester, unterirdischer Gänge, Schutzschichten aus Erde, sogenannte „soil-sheetings“, Furagierlöcher, etc.) bewegen sie riesige Bodenmassen und haben enorme Auswirkungen auf die Bodenstruktur. Dies wirkt sich wiederrum positiv auf die Bodenfruchtbarkeit, die Stabilität, die Bodenbelüftung und die Wasserinfiltration aus, und bietet so auch Lebensraum für andere Arten. In den afrikanischen Ländern südlich der Sahara sind Ameisen und Termiten die einzige nennenswerte aktive Bodenmakrofauna während des gesamten Jahres. In der Sub-Sahelregion von Burkina Faso sind während der Trockenzeit Termiten die einzigen aktiven Primärzersetzer. Da keine Informationen über den Artenreichtum der Termiten- und Ameisen-Fauna in Burkina Faso vorlagen, setzte ich in der Dissertation zwei Schwerpunkte: Im ersten Teil, einer Grundlagenstudie, erfasste ich die lokale Termiten und Ameisenfauna in verschiedenen Landnutzungssystemen und untersuchte deren quantitative und qualitative Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen, die aus dem zunehmenden Einfluss des Menschen resultieren ("funktionelle Reaktionsmerkmale"). Im zweiten und anwendungsbezogenen Teil befasste ich mich mit dem Einfluss der für die Regeneration degradierter Böden wichtigen biogenen Strukturen ("funktionelle Wirkungsmerkmale"). Es wurden zwei für die Untersuchungsregion typische traditionelle Landwirtschafts- formen ausgewählt. Jede stellte einen Landnutzungsgradienten dar, der vier verschiedene Habitate umfasste, welche sich in der Stärke des anthropogenen Einflusses unterschieden, ursprünglich aber den gleichen Anfangszustand hatten. Der erste Nutzungsgradient in Ouahigouya (Provinz Yatenga, Sub-Sahel-Zone) – namens Zaï – war ein zeitlicher Querschnitt durch eine traditionelle Boden- und Wasserschutztechnik zur Regeneration stark verkrusteter, degradierter Böden. Der zweite Nutzungsgradient nahe der Stadt Fada N’Gourma (Provinz Gourma, Nord-Sudan Region) war ein Landwirtschaftstyp, der Fruchtfolge und Brachzeiten für das Nährstoffmanagement nutzte. Zur Erhebung der Termiten- und Ameisen-Diversität in semi-ariden (Agrar-) Ökosystemen existierte kein Standardprotokoll; zwei international akzeptierte Protokolle bildeten die Grundlage für das neu überarbeitete und kombinierte Protokoll „RAP“ zur schnellen Erhebung der Termiten- und Ameisenfauna: Das ALL-Protokoll für Ameisen der Laubstreuschicht von Agosti and Alonso (2000) und das Transektprotokoll für Termiten in tropischen Wäldern von Jones and Eggleton (2000). In meiner Untersuchung wurden zwischen 2004 und 2008 während der Regenzeit in jedem der Untersuchungsgebiete drei bis vier Transekte abgesammelt. ii Zusammenfassung Das RAP-Protokoll erwies sich als sehr effektive Methode, um die taxonomische und funktionelle Vielfalt von Termiten und Ameisen zu beschreiben, zu vergleichen und zu überwachen. Zwischen 70% und 90% der geschätzten Gesamtartenzahl wurden auf allen Ebenen (Transekte, Lebensräume, Regionen) gesammelt. Insgesamt wurden in beiden Regionen 65 Ameisenarten (25 Gattungen) und 39 Termitenarten (13 Gattungen) gesammelt. Dies sind bislang die ersten Nachweise für Burkina Faso. Die Daten weisen auf eine hohe Sensitivität von Termiten und Ameisen gegenüber einer Landnutzungsintensivierung hin. Mit zunehmendem anthropogenem Einfluss nahm die Artenvielfalt in der Nord-Sudanregion stark zu. Insgesamt wurden 53 Ameisenarten (23 Gattungen) und 31 Termitenarten (12 Gattungen) gefunden. Sehr vielversprechende Ergebnisse wurden bezüglich des Erholungspotenzials der Bodenarthropoden-Diversität im Zaï-System gesammelt; die Vielfalt beider Taxa nahm in mit zunehmender Lebensraumsanierung stark zu: Insgesamt wurden 41 Ameisenarten (16 Gattungen) und 33 Termitenarten (11 Gattungen) dieser Region gefunden. Entlang der Landnutzungsgradienten zeigten sich signifikante Unterschiede im Vorkommen von Termiten und Ameisen. So bewiesen bei Termiten beispielsweise die Pilzzüchter die größte Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen Bewirtschaftungspraktiken. Die größten Unterschiede zwischen den Lebensräumen wurden bei den boden- und den grasfressenden Termiten beobachtet. In stark vom Menschen beeinflussten Lebensräumen fehlten ganze funktionelle Gruppen, beispielsweise kamen in der degradierten Fläche der Sub-Sahelregion weder Bodenfresser noch Grasfresser oder Holzfresser vor. Mehrere Umweltparameter wurden identifiziert, welche einen großen Teil der Veränderungen in der Zusammensetzung der Arthropoden-Gemeinschaften entlang der Gradienten signifikant erklärten; sie lassen auf eine große Bedeutung der strukturellen Habitat-Komplexität (Vegetationsstruktur) und den damit verbundenen mikroklimatischen Schwankungen (Temperatur- und Feuchtigkeit), der Nahrungsverfügbarkeit und der Bodenstruktur schließen. Die Termitenvielfalt in der Sub-Sahelzone korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Sandgehalt im Oberboden und der Verfügbarkeit von Streu. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit der kumulierten Gehölzpflanzen-Grundfläche, dem Tongehalt und dem organischen Material im Oberboden. Die identifizierten Parameter für die Ameisen- Gemeinschaften im Zaï-System waren die Höhe der Bäume, der Sandgehalt im Oberboden und die Luftfeuchte. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Trockengewicht der verfügbaren Streu und der Baumhöhe. Um die relative Bedeutung von Termiten und Ameisen für die Bodenumwälzung beurteilen zu können, erfasste ich im zweiten Teil der Arbeit zunächst die natürlichen Schwankungen im Trockengewicht der in jedem Untersuchungsgebiet oberirdisch vorhandenen biogenen Strukturen. Die Ergebnisse veranschaulichen eindrucksvoll, dass: 1. Termiten in allen Untersuchungsgebieten die Hauptumwälzer, Ameisenstrukturen dagegen von untergeordneter Bedeutung für die Bioturbation waren; 2. Regenwürmer und grasfressende Termiten in der regenreicheren Nord-Sudanregion wesentlich zur Bodenumwälzung beitrugen; 3. die Gesamtmasse der umgewälzten Erde von Jahr zu Jahr schwankte, die relative Bedeutung beider Taxa für die Bioturbation jedoch ziemlich konstant war;