Auswirkungen von Kupfereinträgen im Weinbau auf die Regenwurmzönose – Ergebnisse von Feldbeprobungen

Effects of copper contamination in viti culture on earthworm cenosis – results of field surveys

Abb. 1. Beprobungsrahmen aus Aluminium und Kunst­stoffbehälter zum Sammeln des Aushubs für die anschließende Handauslese.

Abb. 1. Befüllen der Versandboxen für die taxonomische Bestimmung im Labor.

Die taxonomische Bestimmung bis auf Artebene wurde an lebenden Tieren unter Nutzung der Bestimmungs­literatur von Sims und Gerard (1999), Graff (1953) und Christian und Zicsi (1999) durchgeführt. Die Nomen­klatur richtet sich nach Easton (1983). Die identifizierten Arten sind in Tab. 1 zusammengestellt. (Tab. 1, Tab. 2)

Abb. 1. Aushub der Beprobungsstelle und Befüllung des Transportbehälters auf einem Handkarren.

Abb. 1. Absammeln der ausgetriebenen Tiefengräber (ane­zische Arten).

Abb. 1. Handauslese der streubewohnenden Arten (epigä­ische Arten) und der Flachgräber (endogäische Ar­ten) unter einem Schutzzelt.

Ergebnisse

Abb. 2. Mittlere Gesamtabun­danzen [n/m²] der in den 3 Versuchsgliedern Kontrolle (KO), Prüf­­fläche (PF) und Refe­renzfläche (RF) extrahierten Regenwür­mer der im Oktober 2010 beprobten 4 Be­triebe in der Pfalz und Rheinhessen.

Die Gehalte in den aktuell bewirtschafteten Prüfflächen (fett) decken einen Bereich geringer bis mittelstarker Belastung ab.

Biomassebestimmungen. Ein ähnlich wenig aussagekräftiges Bild ergibt sich beim Vergleich der mittleren Gesamtbiomassen [g/m²] der extrahierten Würmer der jewei­ligen Versuchsglieder (Abb. 2b). In keinem Fall konnten statistisch signifikante Unterschiede zur Kontrolle (p ≤ 0,05) gefunden werden.

Abb. 2. Mittlere Gesamtbiomas­sen [g/m²] der in den 3 Versuchsgliedern Kon­trolle (KO), Prüf­fläche (PF) und Referenzflä­che (RF) extrahierten Regenwürmer der im Oktober 2010 beprobten 4 Betriebe in der Pfalz und Rheinhessen.

Abb. 3. Mittlere Gesamtabun­danzen [n/m²] der in den 3 Versuchsgliedern (zweimal musste wegen der sehr geringen Kup­ferbelastung in der aus­gewählten Prüffläche eine weitere Prüffläche (PF2) hinzugezogen werden), Kontrolle (KO), Prüfflächen (PF/PF2) und Referenzflä­che (RF) extrahierten Regenwürmer der im April 2011 beprobten 4 Betriebe Badens und an der Mosel.

Die Gehalte in den aktuell bewirtschafteten Prüfflächen (fett) decken einen Bereich geringer bis starker Belastung ab.

Biomassebestimmungen. Statistisch signifikante Unterschiede zur Kontrollfläche zwischen den mittleren Gesamtbiomassen traten bei der 2. Prüffläche und auch bei der Referenzfläche des Betriebs MO_03 auf. Auf beiden Flächen wurden mittlere Cu-Gesamtgehalte von 212 bzw. 276 mg Cu/kg Boden TM bestimmt. Beim Betrieb MO_06 ist lediglich die mittlere Gesamtbiomasse der extrahierten Würmer der Referenzfläche (93 mg Cu/kg Boden TM) signifikant verschieden von der Biomasseentwicklung der Würmer der Kontroll­fläche. In der Tendenz entspricht die Biomasseent­wicklung erwartungsgemäß der Abundanzentwicklung (Abb. 3b).

Abb. 3. Mittlere Gesamtbiomas­sen [g/m²] der in den 3 Versuchsgliedern (zweimal musste wegen der sehr geringen Kup­ferbelastung in der aus­gewählten Prüffläche eine weitere Prüffläche (PF2) hinzugezogen werden), Kontrolle (KO), Prüfflächen (PF/PF2) und Referenzflä­che (RF) extrahierten Regenwürmer der im April 2011 beprobten 4 Betriebe Badens und an der Mosel.

Abb. 4. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb PF_02.

Abb. 5. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb PF_03.

Im Betrieb PF_02 mit seiner mäßigen Kupferbelastung auf der Prüffläche ist die Verteilung der Abundanzen auf die Lebensformtypen in allen drei Prüfgliedern sehr ähnlich. Die stets schwach vertretenen epigäischen Arten wurden auf der Prüffläche nicht extrahiert, was angesichts der geringen Zahlen in der Kontrolle wohl nicht der Cu-Belastung zuzuschreiben ist. Bei einer Verfeinerung der Analyse (Abb. 4b) zeigt sich allerdings, dass auch die Prüffläche des Betriebs PF_02 auf der Ebene der Arten von einer Reduktion betroffen ist, obwohl die Gesamtabundanz endogäisch lebender Regenwürmer noch nicht betroffen ist.

Abb. 4. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb PF_02 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 4a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, OSPEC = Octolasium Arten, INDET = unbestimmte Art.

Anders stellt sich das Bild beim Betrieb PF_03 dar, der mit 179 mg Cu/kg Boden TM schon eine deutlich erhöhte Belastung aufweist. Hier ist der Anteil endogäischer Arten auf der Prüffläche gegenüber den beiden anderen Prüfgliedern mit geringerer Belastung stark reduziert und verhilft den Tiefengräbern zu einem überproportional hohen relativen Anteil (Abb. 5a).

Für den Betrieb PF_03 gilt die bereits bei PF_02 beo­bachtete Dominanzverschiebung noch stärker (Abb. 5b). Anstelle der endogäisch lebenden Würmer dominiert mit einem Anteil von 91% der Tiefengräber L. terrestris.

Abb. 5. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb PF_03 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 5a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, OSPEC = Octolasium Arten, INDET = unbestimmte Art.

Die Gesamtabundanzen der beprobten Flächen von Betrieb RH_04 sind insofern unerwartet, als der niedrigste Mittelwert auf der Kontrollfläche bestimmt wurde, obwohl hier mit 18 mg Cu/kg Boden TM ein sehr geringer Gehalt gemessen wurde. Sowohl die Prüf- als auch die Referenzfläche mit 133 bzw. 124 mg Cu/kg Boden TM weisen erhöhte Kupfergehalte auf, haben aber höhere mittlere Abundanzen (99 bzw 158 Ind./m²) gegenüber 74 Ind./m² in der Kontrolle. Die Abundanzanteile je Lebensformtyp (Abb. 6a) zeigen aber bei der Prüffläche ein deut­liches Absinken des Anteils endogäischer Arten. Dies gilt jedoch nicht für die Referenzfläche, die bei ähnlich hohem Kupfergehalt eine der Kontrollfläche ähnliche Verteilung der Abundanzanteile aufweist. Da die Referenzfläche seit 1980 nicht mehr in Nutzung steht, könnten auch andere Faktoren wie beispielsweise die Bodenbearbeitung auf der Prüffläche eine Rolle bei der Abundanzausprägung spielen. Die als Kontrolle herangezogene Ruderalfläche neben ackerbaulicher Nutzung könnte ebenfalls von Bewirtschaftungseinflüssen betroffen sein. Die Verteilung der Abundanzen auf die extrahierten Arten (Abb. 6b) zeigt, dass üblicherweise dominante endogäische Arten wie A. caliginosa in allen Versuchs­gliedern fehlen und durch O. tyrtaeum auf der Kontroll- bzw. Referenzfläche ersetzt werden. Die Abundanz auf der Prüffläche wird vom Tiefengräber L. terrestris bestimmt.
Insgesamt war die Artenzahl in allen Prüfgliedern eher gering.

Abb. 6. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb RH_04.

Abb. 6. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb RH_04 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 6a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, OSPEC = Octolasium Arten, INDET = unbestimmte Art.

Die Abundanzen des Betriebes RH_06 geben bei der Zuordnung der Ursachen ebenso Rätsel auf, als hier die Prüffläche einen ähnlich geringen Kupfergehalt von 38 mg Cu/kg Boden TM wie die Kontrolle mit 26 mg Cu/kg Boden TM aufweist, während die Referenzfläche mit 107 mg Cu/kg Boden TM deutlich über diesen Werten liegt. Der höchste Abundanzmittelwert findet sich jedoch bei der Referenzfläche, ohne statistisch signifikant verschieden von den beiden anderen Mittelwerten aus Prüf­fläche und Kontrolle zu sein. Aus der Verteilung auf die Lebensformtypen (Abb. 7a) lässt sich lediglich bei der Prüffläche ein geringfügig verringerter Anteil endogäischer Würmer erkennen. Abb. 7b zeigt, dass sich die Artenzahl der Referenzfläche mit dem höchsten Kupfergehalt der drei Flächen auf eine endogäische Art A. chlorotica und auf eine anezische Art, L. terrestris beschränkt. Insgesamt ist das Artenspektrum eher als schmal zu bezeichnen. Eine eindeutige Zuordnung zu den gemessenen Kupfergehalten ist nicht möglich.

Abb. 7. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb RH_06.

Abb. 7. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb RH_06 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 7a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, INDET = unbestimmte Art.

Beprobungsjahr 2011. Von den 2011 beprobten Betrieben war bereits das Ergebnis bei Betrachtung der Gesamt­abundanz wesentlich klarer. Ein Blick auf die Abundanzverteilung auf die Lebensformtypen und die Arten zeigt, dass auch im Betrieb BA_01, der keine signifikanten Unterschiede in der Gesamtabundanz aufwies, Auswirkungen auf die Verteilung sichtbar werden (Abb. 8a).

Abb. 8. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb BA_01.

Auf der Prüffläche, die erst seit 1980 in Nutzung (ökologischer Anbau seit 1990) ist, wurde der niedrigste Cu-Gesamtgehalt gemessen, der damit noch im Bereich üblicher geogener Konzentrationen liegt. Erwartungsgemäß liegt eine Verteilung mit hohem Anteil endogäisch lebender Würmer vor. Auf allen übrigen Flächen, auch auf der Kontrollfläche mit möglicherweise anderer früherer Nutzung ist der Anteil der endogäisch lebenden Arten geringer bzw. sehr gering (Prüffläche 2 und Referenzfläche). Werden die Artenanteile in die Analyse mit einbezogen (Abb. 8b) zeigt sich, dass in der Kontrolle mit mittleren Cu-Gehalten zwar noch ähnlich viele Arten wie auf der Prüffläche (PF) mit dem geringsten Cu-Gehalt (27 mg Cu/kg Boden TM) angetroffen werden, aber normalerweise dominante endogäische Arten wie A. caliginosa und A. rosea fehlen. Ein Effekt, der dann bei den Prüfgliedern PF2 und RF erwartungsgemäß ebenfalls auftritt.

Abb. 8. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb BA_01 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 8a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, OSPEC = Octolasium Arten, INDET = unbestimmte Art.

Beim Betrieb BA_02 hatten die Gesamtabundanzen angesichts der gemessenen hohen Cu-Gehalte von 186 mg Cu/kg Boden TM auf der Prüffläche und 305 mg Cu/kg Boden TM auf der Referenzfläche bereits deutliche Ef­fekte erkennen lassen. Die Verteilung der Abundanzen auf die Lebensformtypen (Abb. 9a) zeigt entsprechend deutlich, dass endogäische Arten nur noch einen Anteil von 5% und 10% an der Gesamtabundanz haben und epigäische Arten gänzlich fehlen. Bei der Referenzfläche handelt es sich um eine Brache, die seit 2004 aus der weinbaulichen Nutzung genommen wurde (Abb. 9b).

Abb. 9. Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüf­glied im Betrieb BA_02.

Abb. 9. Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb BA_02 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 9a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, INDET = unbestimmte Art.

Am Beispiel dieser hoch belasteten Prüf- und Referenzfläche bei BA_02 ist gut die Dominanzverschiebung von den endogäischen Arten A. caliginosa und A. rosea hin zu 2 anezischen Arten, A. longa und L. terrestris, erkennbar.

Beim Betrieb MO_03 mit hohen Kupfergehalten von 212 mg Cu/kg Boden TM auf Prüffläche 2 und 276 mg Cu/kg Boden TM auf der Referenzfläche hatten sich statistisch signifikante Unterschiede bei den Gesamtabundanzen und Gesamtbiomassen im Vergleich zur Kon­trollfläche ergeben. Ein Blick auf die Lebensformtypen (Abb. 10a) zeigt, dass in diesem Fall neben den endo­gäischen auch die anezischen Arten fehlen. Von den epigäischen Arten sind es L. rubellus und L. castaneus sowie auf der Referenzfläche Dendrobaena rubida und die Kompostart Eisenia fetida, die gefunden wurden (s. Abb. 10b).

Abb. 10.  Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb MO_03.

Abb. 10.  Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb MO_03 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 10a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, OSPEC = Octolasium Arten, LSPEC = Lumbricus Arten, INDET = unbe­stimmte Art.

Die Prüffläche des Betriebes MO_06 wies mit 227 mg Cu/kg Boden TM ebenfalls einen hohen Gesamtgehalt auf. Die Referenzfläche hatte mit 93 mg Cu/kg Boden TM einen eher mittleren Gehalt. Auf beiden Flächen wurden zwar verringerte Gesamtabundanzen gefunden, die sich aber statistisch nicht von der Kontrolle unterschieden. Die Abundanzverteilung auf die Lebensformtypen (Abb. 11a) zeigt aber, dass auf der Prüffläche die endogäischen Arten unterrepräsentiert sind. Auf der Referenzfläche wurden zwar weniger Würmer als in der Kontrolle gefunden, die relative Verteilung auf die Lebensform­typen ähnelt jedoch der der Kontrolle. Die Unterschiede bei den identifizierten Arten von Prüf- und Referenzfläche sind eher gering (Abb. 11b).

Abb. 11.  Relativer Anteil [%] der Lebensformen an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb MO_06.

Abb. 11.  Relativer Anteil [%] der extrahierten Arten an den Abundanzen je Prüfglied im Betrieb MO_06 (Kupfergesamt­gehalte s. neben Abb. 11a). Kürzel der Arten s. Tab. 1 und ASPEC = Aporrec­todea Arten, LSPEC = Lumbricus Arten, INDET = unbestimmte Art.

wobei H ein Ausdruck für die Diversität in einer Gruppe von n Arten ist, n = Anzahl der vorhandenen Arten; p_i = relative Abundanz der i-ten Art, gemessen von 0,0–1,0 (gehören 10% der extrahierten Organismen dieser Art an, so ist pi 0,10).

H gibt den Grad der „Ungewissheit“ an. Der kleinste Wert 0 für die Artendiversität ergibt sich, wenn nur eine Art mit 100% am Individuenbestand beteiligt ist. Der Maximalwert (H = Hmax) wird erreicht, wenn die Artenanzahl gleich der Individuenanzahl ist oder bei vorhandener Artenanzahl alle den gleichen Individuenanteil haben (p1 = p2 = p3 …).

Hmax kann mit folgender Formel berechnet werden:

Hmax = –ln(1/i); i = Anzahl der Arten. Das Verhältnis von H zu Hmax wird häufig als Eveness E bezeichnet. Dieser Quotient erreicht die Werte zwischen 0 und 1. Je stärker E von 1 verschieden ist, desto mehr weichen die Dominanzverhältnisse verschiedener Arten von einer Gleichverteilung ab (Bäumler, 2011) (Tab. 4).

Die für die verschiedenen Beprobungsflächen berechneten Diversitätsindizes H bestätigen die bereits in den Abbildungen zum relativen Anteil der einzelnen Arten an der Gesamtabundanz erkennbaren Auswirkungen steigender Kupfergehalte im Boden auf das Auftreten insbesondere endogäischer Arten. Die Abb. 12 zeigt die negative Beziehung zwischen Kupfergehalt und dem Diversitätsindex H.

Abb. 12. Beziehung zwischen den Kupfergesamtge­halten der beprobten Flächen von je 2 Betrie­ben in der Pfalz, Rhein­hessen, Baden und an der Mosel und den je­weiligen Diversitätsin­dizes (H) im jeweiligen Beprobungszeitraum.

Schlussfolgerung: Signifikante Unterschiede zwischen den Abundanzen der Prüf- und Referenzflächen einerseits und den Kontrollflächen andererseits finden sich mit einer Ausnahme nur bei Flächen mit Gesamtgehalten > 100 mg Cu/kg Boden TM und am häufigsten beim Lebensformtyp der endogäischen Arten.

Anwendung der kanonischen Diskriminanzanalyse. Die kanonischen Diskriminanzanalyse (CANDISC, SAS^®) wird hier als multivariates Verfahren zur Untersuchung des Standorteinflusses auf die Abundanzausprägung angewandt. Neben der Einflussgröße Kupfergehalt im Boden können bei einem Freilandmonitoring eine Vielzahl weiterer Faktoren auf den gewählten Endpunkt (Abundanz, Biomasse, Artenzahl) Einfluss nehmen. Da anders als im Laborversuch viele dieser Einflussgrößen nicht beherrschbar sind, bleibt die Frage offen, welche Einflüsse neben dem zu untersuchenden Hauptfaktor eine bedeutende Rolle spielen oder gar von größerer Bedeutung sind. Bei solchen Fragestellungen können multivariate Verfahren wie die kanonische Diskriminanzanalyse zur Anwendung kommen.

Folgende Fragestellungen sollten beantwortet werden:

Als erster Schritt wird bei der Diskriminanzanalyse eine Gruppierung über eine (nominale) Gruppierungsvariable vorgegeben. Im zweiten Schritt werden je nach Zahl und Streuung der „erklärenden“ Merkmale Diskriminanzvariablen (kanonischen Variablen) der Elemente errechnet.

Aus den folgenden Festlegungen ergeben sich die in Tab. 6 angegebenen Klassengrößen und Freiheitsgrade:

Die kanonische Diskriminanzanalyse dient der Ableitung kanonischer Variablen, die bei einer gegebenen Klassifikationsvariablen (hier: Abundanzklassen) und verschiedenen quantitativen Variablen (hier: Cu-Bodengehalt, Bodenparameter) die Zwischenklassen-Streuungen aufsummieren.

Ergebnisse der kanonischen Diskriminanzanalyse. (s. Tab. 7, Tab. 8, Tab. 9)

Anezisch lebende Arten (AN): Die univariaten Teststatistiken ergaben signifikante Unterschiede zwischen den Klassen nur bei den Variablen pH und Sand-/Tonanteil. Die multivariaten Teststatistiken wiesen auf eine schlechte Trennkraft der Diskriminanzfunktion hin (Wilk‘s Lambda: 0,72 mit Pr > F 0,0828)

Korrelation der kanonischen Variablen can 1 und can 2 mit der Klassenvariablen (Abundanzklassen):

can 1: R² = 0,24

can 2: R² = 0,05

Die hier angegeben Ergebnisse der kanonischen Diskriminanzanalyse zeigen, dass der Hauptanteil der Varianz
zwischen den Gruppen sich bei den anezischen Arten aus Bodeneigenschaften und nicht aus dem Kupfergehalt (Konz) erklären lässt.

Endogäisch lebende Arten (EN): Die univariaten Teststatistiken ergaben signifikante Unterschiede zwischen den Klassen bei den Variablen Cu-Gehalt, pH und N. Die multivariaten Teststatistiken wiesen auf eine gute Trennkraft der Diskriminanzfunktion hin (Wilk‘s Lambda: 0,648 mit Pr > F 0,0002)

Korrelation der kanonischen Variablen can 1 und can 2 mit der Klassenvariablen (Abundanzklassen):

can 1: R² = 0,43

can 2: R² = 0,06

Die hier angegeben Ergebnisse der kanonischen Diskriminanzanalyse zeigen, dass der Hauptanteil der Varianz zwischen den Gruppen sich bei den endogäisch lebenden Arten aus dem Kupfergehalt im Boden und der Boden­textur sowie N-Gehalt erklären lässt.

Epigäisch lebende Arten (EP): Die univariaten Test­statistiken ergaben signifikante Unterschiede zwischen den Klassen bei den Variablen Cu-Gehalt, pH und N. Die multivariaten Teststatistiken wiesen auf eine gute Trennkraft der Diskriminanzfunktion hin (Wilk‘s Lambda: 0,485 mit Pr > F 0,0001)

Korrelation der kanonischen Variablen can 1 und can 2 mit der Klassenvariablen (Abundanzklassen):

can 1: R² = 0,48

can 2: R² = 0,06

Die hier angegeben Ergebnisse der kanonischen Diskriminanzanalyse zeigen, dass der Hauptanteil der Varianz zwischen den Gruppen sich bei den endogäisch lebenden Arten aus der Bodentextur und dem C_org-Gehalt erklären lässt.

Zusammenfassung der Ergebnisse der Diskriminanz­analyse: Kupfer als maßgebliche Einflussgröße spielt hiernach nur bei den endogäischen Arten eine entscheidende Rolle bei der Zuordnung zu einer der Abundanzklassen. Bei den anderen zwei Lebensformtypen sind es eher Bodenparameter wie die Textur oder die Nährstoffversorgung (Tab. 10).

Aufnahme- und Anreicherungsverhalten gemessen an extrahierten Würmern. Zur Darstellung des Aufnahmeverhaltens der Regenwürmer und zur Interpretation der beo­bachteten Effekte wurden von extrahierten Würmern, die zur taxonomischen Bestimmung ins Labor versandt wurden, Individuen zur Bestimmung des Kupfergehaltes entnommen und nach Vorbehandlung gemäß OECD Richtlinie 217 (OECD, 2010) unter Verwendung des Druckaufschlussverfahrens (UBA Texte, 1995a) auf ihren Gehalt an Kupfer im Wurmgewebe untersucht. Die mittleren Kupfergehalte, die in den beiden Beprobungsjahren in extrahierten Würmern gemessenen wurden, sind in Abb. 13a und 13b dargestellt. Unter der Annahme, dass unter Freilandbedingungen bei der Aufnahme von Kupfer durch den Wurm ein „steady state“ erreicht ist, wurde der Anreicherungsfaktor AF durch das Verhältnis aus der Konzentration im Wurm Kw [mg/kg Frischmasse] und der Bodenkonzentration Kb [mg/kg Trockenmasse] gebildet. Das Verhältnis von Wurmfrischmasse zu Trockenmasse beträgt nach Untersuchungen von Vespermann et al. (2003) für eine Mischprobe aus 70% endogäischen und 20% epigäischen und 10% anezischen Arten 0,25. Zu Vergleichszwecken lassen sich die auf Frischmasse bezogenen internen Cu-Gehalte durch Multiplikation mit dem Faktor 4 auf die Bezugsgröße Trockenmasse umrechnen.

Abb. 13.  Mittlere Kupfergehalte [mg Cu/kg Wurmfrisch­masse] in extrahierten Würmern des Bepro­bungsjahres 2010.

Abb. 13.  Mittlere Kupfergehalte [mg Cu/kg Wurmfrisch­masse] in extrahierten Würmern des Bepro­bungsjahres 2011.

Beide Abbildungen zeigen, dass die gemessenen mittleren Kupfergehalte der auf den Flächen mit höherer Kupferbelastung, wie den Prüf- oder Referenzflächen, extrahierten Würmer deutlich höhere Gehalte aufweisen, als jene der Kontrollflächen. Bei 2 Betrieben, BA_01 und BA_02, wo 2 Prüfflächen mit deutlichen Unterschieden in den Cu-Gehalten der Böden in die Beprobung einbe­zogen wurden, sind die Cu-Gehalte der Würmer von Flächen mit den geringen Gehalten (s. Tab. 3) denen der Kontrolle ähnlich.

Dass die Aufnahme von Kupfer aus dem Lebensraum der Würmer auch von der Lebensform abhängig ist, zeigt Abb. 13c, wo flächenunabhängig, d.h. unabhängig vom Gruppierungsmerkmal „Prüfglied“, die relativ geringe Aufnahme durch endogäisch lebende Würmer erkennbar wird. Eine deutlich höhere Kupferaufnahme weisen die Tiefengräber auf, die anders als die Mineralbodenbewohner nicht geophag sind, sondern sich saprophag ernähren und aus dem Auflagehorizont leben. Da zu wenig endogäische Würmer der beiden hoch belasteten Prüfflächen (PF2) der Betriebe BA_01 (225 mg Cu/kg Boden TM) und MO_03 (211 mg Cu/kg Boden TM) lebend im Labor angekommen sind, wurde in Abb. 14ac für das Prüfglied PF_2 der Messwert für diese Lebensform nicht berücksichtigt.

Abb. 13.  Mittlere Kupfergehalte [mg Cu/kg Wurmfrisch­masse] in extrahierten Würmern aller Bepro­bungen (2010 + 2011) der 3 Lebensformtypen, anezische Arten (AN), endogäische Arten (EN) und epigäische Arten (EP) gruppiert nach Prüfgliedern Kontrolle (KO), Prüfflächen (PF/PF2) und Referenzflä­che (RF).

Abb. 14.  Anreicherungsfaktoren (AF = K_w/K_b) bezogen auf Gesamtkupfergehal­te im Boden beprobter Prüfglieder gruppiert nach Betrieben.

Ein etwas anderes Bild als bei der Betrachtung der Cu-Konzentrationen im Wurm ergibt sich für die Anreicherungsfaktoren (AF = K_w/K_b), die das Verhältnis aus Konzentration im Wurm zu Konzentration im Boden abbilden. Bei Bezug auf Gesamtkupfergehalte sind die An­reicherungsfaktoren deutlich < 1, sodass von einer An­reicherung nicht gesprochen werden kann. Abgesehen davon weisen alle Prüfglieder mit geringen Gehalten, also die Kontrollflächen und auch die beiden Prüfflächen (PF) der beiden Betriebe BA_01 und MO_03 mit ähnlich niedrigen Gehalten wie die zugehörigen Kontrollflächen, stets die höchsten AF-Werte auf, was angesichts der beo­bachteten Effekte auf Abundanz und Dominanzstruktur der Arten eine Änderung des Aufnahmeverhaltens der Würmer vermuten lässt (Abb. 14a).

Bei Bezug auf Kupfergehalte nach CaCl₂-Aufschluss (Abb. 14b), der gern als Simulationsmodell für bioverfügbare Kupfergehalte herangezogen wird, decken die Faktoren eine Spanne zwischen 5 und 45 ab und die Unterschiede zwischen den Prüfgliedern insbesondere bei den Betrieben mit geringen und mittleren Gehalten (PF_02, PF_03, RH_04 und RH_06) nivellieren sich. Generell sind unter diesen Bedingungen die AF-Werte für Würmer von Referenzflächen am niedrigsten, was für eine geringere Verfügbarkeit spricht. Die AF-Werte hoch belasteter Prüfflächen (ca. 200 mg Cu/kg Boden TM) der Betriebe BA_01, BA_02, MO_03 und MO_06 liegen mit Ausnahme des Betriebes MO_03 unterhalb der für Regenwürmer von Kontrollflächen bestimmten AF-Werte. Die Kontrollfläche dieses Betriebes war allerdings im Hinblick auf die Artendominanz stark von der endogäischen Leitart A. caliginosa geprägt (s.a. Abb. 15b), einer Art, die möglicherweise zu ausgeprägten Meidungsreaktionen oder zu einer homöostatischen Regelung der Kupferaufnahme in der Lage ist.

Abb. 14.  Anreicherungsfaktoren (AF = K_w/K_b) bezogen auf Kupfergehalte nach CaCl₂-Extraktion im Boden beprobter Prüf­glieder gruppiert nach Betrieben. Die CaCl₂-Extraktion von Kupfer gilt als ein Modell für die Bodenfauna verfüg­barer Kupfergehalte.

Abb. 15.  Gemessene interne Cu-Konzentrationen [mg/kg TM Körper) epigä­isch lebender Würmer (L. castaneum und L. rubellus) zu Cu-Ge­samtgehalten [mg/kg Boden TM] unter­schiedlich belasteter Flächen in den Jahren 2010 und 2011 beprob­ter Betriebe.

Wie die Abbildungen (15a, 15b und 15c) zeigen, nehmen die internen Cu-Gehalte von Würmern der 3 Lebensformen zwar ähnlich, aber deutlich verschieden in Abhängigkeit des Beprobungszeitpunkts (Herbst im Jahr 2010 und Frühjahr im Jahr 2011) mit ansteigenden Bodengesamtgehalten zu.

Abb. 15.  Gemessene interne Cu-Konzentrationen [mg/kg TM Körper) anezisch lebender Würmer (L. terrestris und A. longa) zu Cu-Gesamtgehalten [mg/kg Boden TM] un­terschiedlich belasteter Flächen in den Jahren 2010 und 2011 beprob­ter Betriebe.

Abb. 15.  Gemessene interne Cu-Konzentrationen [mg/kg FM Körper) endogä­isch lebender Würmer (überwiegend: A. rosea, A. chlorotica und A. ca­liginosa) zu Cu-Ge­samtgehalten [mg/kg Boden (TM)] unter­schiedlich belasteter Flächen in den Jahren 2010 und 2011 beprob­ter Betriebe.

Die Ergebnisse dieser Stichprobe zeigen, dass die in Würmern aller 3 Lebensformen gemessenen internen Kupferkonzentrationen mit den Bodengesamtgehalten korreliert sind (s. Tab. 11). Dabei ist der ermittelte Zusammenhang für die Herbstbeprobung 2010 für jeden Lebensformtyp deutlich enger. Dies könnte dafür sprechen, dass eine Kupferanreicherung im Gewebe von Lumbriciden im Jahresverlauf stattfindet. Bei der Frühjahrsbeprobung 2011 entfiel zunehmend die lineare Abhängigkeit von den Expositionskonzentrationen; hier wird mit einem exponentiellen Ansatz der Zusammenhang besser beschrieben. Dies könnte darauf hindeuten, dass zunächst eine hinter den Erwartungen zurück­bleibende Exposition bei den langjährig bewirtschafteten Sonderkulturflächen – z.B. bedingt durch gealtertes Kupfer – vorliegt. Ferner zeigt sich auch hier, dass endogäisch lebende Arten von den Kupfergehalten im Boden am meisten betroffen sind, während die Exposition anezischer Arten weniger aus den Bodengehalten sondern aus der Nahrungsaufnahme kupferbelasteten Ernteguts zu resultieren scheint.

Diskussion

Zur Untersuchung der Auswirkungen auf die Regenwurmzönose wurden als Endpunkte die Abundanz in ihrer Gesamtheit, gegliedert nach Standorten (Betrieben) und den untersuchten Flächen (Prüfglieder), je Lebensformtyp und nach Arten sowie die Biomasse bestimmt. Die Biomasse ist jedoch stärker als die Abundanz saiso­nalen Schwankungen ausgesetzt. Biomasse als Endpunkt wurde daher nur in Ergänzung der Betrachtung der Auswirkungen auf die Gesamtabundanz herangezogen.

Stellt man sich die Frage, ab welchem Gesamtgehalt an Kupfer im Boden Auswirkungen sichtbar wurden, so ist zweifelsfrei erkennbar, dass bereits bei der mit 74 mg/kg vergleichsweise gering mit Kupfer belasteten Prüffläche des Betriebs PF_02 auf Artebene eine Reduktion der Arten und auch eine Dominanzverschiebung zu beobachten war. Im Vergleich zur Kontrollfläche halbierte sich der Shannon-Wiener-Index H nahezu. Ohne nun hieraus einen Schwellenwert ableiten zu können, so passt diese Beobachtung doch gut zu dem von Jänsch et al. (2007) abgeleiteten HC₅-Wert von 55 mg/kg Gesamtkupfer für subletale Auswirkungen auf Bodenorganismen aus einer „Species Sensitivity Distribution (SSD)“. Darüber hinaus liegen Daten aus Meidungsversuchen an der Standardart Eisenia fetida und Freilandarten vor, die zeigen, dass bei 56 mg Cu/kg Boden TM Würmer versuchen, entsprechenden Substratkonzentrationen zu entkommen (Lukkari and Haimi, 2005). Die Ausprägung von Effekten hängt dabei zusätzlich auch von Bodenparametern wie pH-Wert, Textur und der Kationenaustauschkapazität (KAK) ab (Wightwick et al., 2008).

Die in die Beprobung einbezogenen Referenzflächen, die in aller Regel mehr als 10 Jahre nicht mehr in Nutzung standen und vom Vegetationsbild häufig einer Brache mit beginnender Sukzession glichen, insbesondere aber keiner Bodenbearbeitung mehr unterlagen, zeigten im Hinblick auf die endogäischen Arten keine Erholung der Abundanz und Artenvielfalt. In einer Untersuchung über kritische Kupfergehalte im Regenwurmkörper (Ma, 2005) wurde angemerkt, dass eine niedrige Wiederbesiedlungsrate kontaminierter Flächen bei unerwartet geringen Kupfergehalten im Körper auch einem Meidungsverhalten während der Besiedlung zuzuschreiben ist. Eijsackers et al. (2005) stellten Untersuchungen zum Grabungsverhalten der Würmer an und verglichen Weinbergsböden mit Grünland sowie Grünland mit Kupferbehandlung. Die Grabungsaktivität von A. caliginosa war in den Weinbergsböden oder dem mit dem Fungizid Kupferoxychlorid behandelten Grünland deutlich geringer, was natürlich Folgen für die Wiederbesiedelung hat. Darüber hinaus konnte insbesondere bei Böden, denen Kupfer zudotiert wurde, auch eine deutliche Wachstumsverzögerung bei den Regenwürmern beobachtet werden, die natürlich auch Auswirkungen auf die Reproduktionseffizienz hat, was ebenfalls die Wiederbesiedelung beeinträchtigt (Ma, 1982, 1988; Klok und de Roos, 1998). Unter Berücksichtigung dieses Aspektes würde eine Flächenstilllegung höher belasteter Standorte keine Verbesserung der Populationsstruktur der Regenwurmzönose erbringen.

Die häufig beschriebene größere Empfindlichkeit geophag lebender endogäischer Arten kann nach den bisherigen Beprobungen bestätigt werden. Standortfaktoren wie Boden-pH, Korngrößenverteilung (Bodentextur) und die organische Substanz sind Faktoren die neben Bodenverunreinigungen erheblichen Einfluss auf Abundanz und Artenvorkommen nehmen können. Nur für endogäische Arten konnte Kupfer als Hauptkomponente für die Abundanzvarianz gefunden werden.

Kupfer wird mit zunehmender Expositionskonzentra­tion vermehrt aufgenommen. Bei höheren Bodengesamtgehalten entfällt diese Korrelation und homöostatische Regelungsmechanismen greifen, weshalb die Anreicherung als solche eher gering bleibt.

Aus der Nutzung genommene Flächen wie die hier beschriebenen „Referenzflächen“ werden auch nach längerer Zeit (> 10 Jahre) nicht in der Weise wiederbesiedelt, dass die Artenvielfalt und Abundanz derjenigen naturnaher Flächen wie den Kontrollflächen entspräche.

Die in der Machbarkeitsstudie nachgewiesene Reduzierung der Artenvielfalt auf belasteten Flächen offenbart weiteren Forschungsbedarf. Welchen Beitrag leisten Singlespezies der Regenwurmzönose für eine nachhal­tige Bewirtschaftung resp. den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit auf langjährig genutzten Sonderkulturstandorten? Unter welchen Voraussetzungen ist der Wegfall einzelner Regenwurmarten bzw. von Lebensformen für die Funktionsfähigkeit der Habitate noch tolerabel?

Weiterhin danken die Autoren Frau Ursula Stendel und Frau Catrin Vetter für ihre technische Assistenz bei den durchgeführten Laboruntersuchungen mit den gesammelten Regenwurm- und Qualitätsweinbaubodenproben.

Fußnoten: