B7) Soundscape

Öko-akustisches Monitoring von vokalisierenden Organismen entlang von Waldstrukturgradienten

Michael Scherer-Lorenzen & Sandra Müller
Doktorandin: Taylor Shaw (seit 2020)

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Biologie, Insitut für Biologie II, Abteilung für Geobotanik,

Hintergrund

Die „Soundscape"-Ökologie, oder Ökoakustik, untersucht wie biologische („biophonische"), geophysikalische („geophonische") und menschliche („anthrophonische") Laut- und Geräuschquellen auf diversen räumlichen und zeitlichen Skalen interagieren. Dabei werden ökologisch relevante Charakteristiken von digitalen Tonaufnahmen durch Konvertieren von Tondateien zu Spektrogrammen abgeleitet und darauf aufbauend akustische Indizes unter anderem zu Diversität, Komplexität und Belegung der Spektralbänder berechnet. Da „Soundscapes" zwischen ökologischen und anthropogenen Störungsgradienten variieren, können akustische Indizes zum Testen von Hypothesen der Ursachen von akustischen Mustern genutzt werden. Damit tragen solche Analysen zu einem besseren Verständnis bei, wie vokalisierende Organismen auf Änderungen in ihrer Umwelt reagieren.

Terrestrisches Akustik-Monitoring fokussiert sich hauptsächlich auf Vogeltaxa, da Vögel sehr ruffreudig und geographisch weit verbreitet sind, verschiedene Rollen im Ökosystem einnehmen und oft als Indikatoren für Umweltänderungen genutzt werden. Vögel sind zudem wichtige Bioindikatoren für Waldhabitate. So kann die Vogelartenvielfalt von Spezialisten als auch von Generalisten mit dem Waldalter und der -größe zunehmen und die Artenzusammensetzung liefert wichtige Informationen über die Habitatqualität von Waldökosystemen. Daher werden Vögel auch als Biodiversitätsindikatoren im Monitoring auf europäischer Ebene genutzt.

Die Reaktion von Vögeln auf Veränderungen der strukturellen Komplexität ist ein lang untersuchtes Thema und basierend auf ökologischer Theorien sollte die Anzahl der Arten positiv mit der Ressourcenvielfalt korrelieren, welche mit steigender Komplexität der Waldstruktur wächst. Besonders die vertikale Struktur hat einen Effekt auf Vögel durch ihren Einfluss auf die Verfügbarkeit von Nischen wie Sitzhöhe, Nestbau und Nahrungssuche. Waldmanagement spielt eine zentrale Rolle bei der Ausbildung von strukturellen Merkmalen und kann daher die Vogeldiversität entweder fördern oder ihr schaden. Strukturelle Maße können daher auch für das Monitoring von Biodiversitätszielen genutzt werden.

Frühere Einzelstudien zu Ökoakustik, Vogelvielfalt und Waldstruktur in ConFoBi haben gezeigt, dass strukturelle Merkmale und akustische Indizes identifiziert und genutzt werden können, um die Vogeldiversität vorherzusagen. Allerdings fehlt bislang eine integrierende Perspektive, inwieweit diese Parameter ursächlich zusammenhängen. Daher wird dieses Projekt untersuchen, auf welchen räumlichen und zeitlichen Skalen akustische Unterschiede entlang von strukturellen Gradienten mit der Vogelartenvielfalt zusammenhängen.

Fragestellungen und Hypothesen

Die übergeordneten Ziele dieser Studie sind:

Die Entwicklung eines standardisierten Basisdatensatzes akustischer Diversität für den südlichen Schwarzwald.
Nutzung akustischer Diversitätsindizes, um Verschiebungen und Muster in der Verteilung von Klängen in zeitlichen Skalen zu beschreiben (Unterschiede innerhalb und zwischen Jahreszeiten, und tägliche Änderungen in der Vogelgesangsphänologie).
Korrelation der akustischen Diversität und Waldstrukturdaten mit Vogelzähldaten (von ConFoBi Projekt B6), um die Vorhersagekraft von akustischen und strukturellen Indizes für die Vogeldiversität für gemäßigte, bewirtschaftete Wälder zu ermessen.
Identifikation von spezifischen Waldstrukturparametern welche dieVogeldiversität am besten durch akustische Indizes vorhergesagen können.
Entwurf eines Sets von strukturellen und akustischen Indizes, welches zusammen eine effiziente, weitgefasste Methode zum Monitoring von Vogeldiversität für Forstpraktiker bietet.

Spezielle Forschungsfragen:

Es wurde gezeigt, dass akustische Diversität generell positiv mit Vogeldiversität in bewirtschafteten, gemäßigten Waldökosystemen korreliert; können diese Ergenisse im südlichen Schwarzwald repliziert werden; und wenn ja, welche akustischen Indizes haben die stärkste positive Korrelation mit der Vogeldiversität? Welche Indizes haben die stärkste Korrelation mit Gilden mit speziellem Lebenszyklus?
Basierend auf Literaturangaben über die Reaktion von Vögeln auf Waldstruktur testen wir die Hypothese, dass akustische Diversität positiv auf Maßnahmen zu Steigerung von vertikaler und horizontaler Struktur reagiert und negativ auf gewisse Aspekte der Bestandeszusammensetzung (z.B. Anteil von Koniferen). Welche strukturellen Parameter zu Erklärung dieser Zusammenhänge haben den stärksten Effekt?
Wie wichtig ist Totholz (ein zentrales, stark bewirtschaftungsabhängiges Element, welches aktuell gerne genutzt wird, um Struktur in bewirtschafteten Wäldern zu erhalten) für die Beeinflussung der Diversität von Vogellauten? Haben verschiedene Totholzparameter einen unterschiedlichen Effekt auf Vogeldiversität und akustische Diversität?
Der Landschaftskontext ist wahrscheinlich eine wichtige Einflußgröße auf die akustische Diversität (im Hinblick darauf, dass Vögel fliegen können und nicht an Habitate auf Versuchsflächen-Level gebunden sind). Wir testen daher die Hypothese, dass akustische Diversität mit der Größe von Waldgebieten zunimmt und stark durch die Qualität der Landschaftsmatrix beeinflusst wird.

Ansatz, Methoden und Verknüpfungen

Automatische akustische Aufnahmegeräte werden auf den ConFoBi Versuchsflächen eingesetzt, um akustische Events während der Brutsaison der Vögel aufzunehmen. Jedes Gerät nimmt von 18:00h bis 9:00h am nächsten Tag alle zehn Minuten eine Minute auf, was insgesamt 90 Ein-Minuten Aufnahmen pro Versuchsfläche pro Tag während des Frühlings entspricht. Dieser Zeitplan wird sowohl das Abend- als auch das Morgendämmerungskonzert der Vögel einfangen, sowie ihre jeweiligen Änderungen während der Saison, welche wichtig sind, da sich die Vogelgemeinschaft im Laufe des Frühlings ändert: Kurzstreckenzieher und stationäre Vögel singen schon frühestens im April, während Langstreckenzieher gewöhnlich nicht vor ihrer Ankunft im Mai zu singen beginnen. In der Abenddämmerung wird aufgenommen, da einige Studien gezeigt haben, dass Unterschiede zwischen gewissen Waldgebieten dann besser detektiert werden können als in der Morgendämmerung (S. Müller, pers. Komm., 30/3/2019). Die Geräte werden zusätzlich über Nacht aufnehmen, um nachtaktive Vögel zu erfassen deren Präsenz schwer durch traditionelle Studien am Tag zu bestimmen ist. Damit möchten wir herausfinden, ob verschiedene Flächen bevorzugt von gewissen nachtaktiven Vögel gewählt werden – wie z.B. dem europäische Ziegenmelker Caprimulgus europaeus und gewissen Eulenarten mit hohem Schutzinteresse – was mit klassischen Vogelbeobachtungen v.a. tagsüber nicht möglich ist.

Über eine Million Rohdaten werden mit einer Kombination aus manuellem Bereinigen von störenden Wetterereignissen und automatisiertem Filtern von Hintergrundrauschen prozessiert. Danach wird ein Set von akustischen Indizes errechnet und mit Datensets anderer Projekte in Zusammenhang gesetzt. Temperatur, atmosphärischer Druck, Luftfeuchtigkeit und Lichtregime werden an jedem Mittelpunkt der Versuchsflächen im Abstand von zehn Minuten durch die Audiorekorder aufgenommen und korrespondieren direkt mit dem Zeitplan der akustischen Daten. Vogelzählungen des ConFoBi B6 Projekts finden von April bis Juni je zweimal pro Versuchsfläche statt. Demensprechend werden die resultierenden Daten zu Vogelvielfalt und Abundanz für die gleiche Testperiode generiert werden. Ebenfalls in dieses Projekt integriert werden sollen Daten zu Lichteinfall von Projekt B2 und strukturelle Inventuren der Projekte A1 und A2.

Ergebnisse

Obwohl dieses Projekt erst kürzlich Teil von ConFoBi wurde (Januar 2020) zeigen Ergebnisse von einer vorhergehenden Pilotstudie signifikante Unterschiede in akustischer Diversität entlang der Gradienten von stehendem Totholz und Konnektivität in den umgebenden 25 km2, wodurch unsere primäre Hypothese vorläufig bestätigt wird. Dadurch haben wir erste Hinweise, dass strukturelle Unterschiede auf den ConFoBi Versuchsflächen detektierbare Variationen in der akustischen Vogeldiversität ergeben, was als Grundlage für die jetzt erfolgende, weitere Forschung war. Außerdem wurden akustische Experimente vor dem Start des Projektes durchgeführt, da in der Literatur keine standardisierte Methode für Aufnahmen in steilem Terrain beschrieben ist, auf welchem sich viele ConFoBi Flächen befinden. Durch diese Vorstudien konnten wir bestimmen wie die Geräte orientiert sein müssen, um die größte Frequenzbandbreite in einem möglichst großen Radius aufzunehmen und um entsprechende optimale Installationsvorgaben für omnidirektionale Mikrophone auf Flächen mit steilen Hängen zu erstellen.

ConFoBi-Veröffentlichungen von B7

Shaw, Taylor; Hedes, Raluca; Sandstrom, Arvid; Ruete, Alejandro; Hiron, Matthew & Hedblom, Marcus et al. (2021). Hybrid bioacoustic and ecoacoustic analyses provide new links between bird assemblages and habitat quality in a winter boreal forest. Environmental and Sustainability Indicators, 11, 100141. www.doi.org/10.1016/j.indic.2021.100141.

Shaw, Taylor; Müller, Sandra & Scherer-Lorenzen, Michael (2021). Slope does not affect autonomous recorder detection shape: considerations for acoustic monitoring in forested landscapes. Bioacoustics, 1–22. www.doi.org/10.1080/09524622.2021.1925590.