BioComp - Biodiversitäts-Exploratorien

  • Exploratories

    Hintergrund


    Die Biodiversitäts-Exploratorien


    Die Exploratorien zur funktionellen Biodiversitätsforschung, oder kurz Biodiversitäts-Exploratorien, sind ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziertes Verbundprojekt, an dem mehr als 30 Forschungseinrichtungen beteiligt sind. In einer Langzeitstudie werden Biodiversitäts- und Ökosystemforschung in den drei großflächigen Bearbeitungsgebieten vereint.

    Dabei werden Untersuchungen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen mit georeferenzierter Datenerfassung, Experimenten und Modellierungen entlang eines Landnutzungsgradienten in den drei Exploratorien Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin in Brandenburg, Nationalpark Hainich und Umgebung in Thüringen und Biosphärengebiet Schwäbische Alb in Baden-Württemberg durchgeführt.

    mehr Informationen zu den Untersuchungsgebieten und den grundlegenden Versuchsdesign auf den Seiten der Biodiversitäts-Exploratorien

  • Projekt

    Projekttitel Relating structural and compositional features of grassland canopies to diversity patterns and land use using spectroscopy
    Teilprojekt im Rahmen des DFG-Infrastruktur- Schwerpunktprogramms 1374 "Exploratorien zur funktionellen Biodiversitätsforschung"


    Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS)

    NIRSDas Teilprojekt BIOCOMP nutzt die Methode der Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) um verschiedene kompositorische Eigenschaften der oberirdischen Biomasse im Grünland zu messen. NIRS ist eine indirekte, nicht-destruktive Methode, die die Gehalte entsprechender Komponenten durch einen Abgleich eines unbekannten NIR Spektrums mit Spektren bekannter Zusammensetzung bestimmt. Die Vorhersage unbekannter Proben wird dabei mit Hilfe einer Kalibration durchgeführt, welche mit multivariaten Regressionsmodellen erstellt wird. Der Einsatz dieser Methodik ermöglicht einfache, schnelle und kostengünstige Messungen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. In einem Multi-Disziplinären Projekt wie den Biodiversitätsexploratorien können mit den vorhandenen Kalibrationen auch Probematerial anderer Teilprojekte gemessen werden, was vielfältige Möglichkeiten zur synthetischen Datenauswertung eröffnet.

    Drittmittelgeber Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
    BioComp 2009-11
    Laufzeit März 2009 bis Februar 2011
    Förderungssumme 93.400 €
    BioComp 2011-14
    Laufzeit März 2011 bis Februar 2014
    Förderungssumme 145.160 €

  • 2009-11


    Beziehungen zwischen Biodiversitätsmustern und kompositorischen Eigenschafen von Graslandvegetation mit Hilfe von Nahinfrarot-Spektroskopie - BioComp


    Die AG Ökosystemforschung hat sich als Teilprojekt BioComp mit zweijähriger Laufzeit (2009-2011) an den Biodiversitätsexploratorien beteiligt. Wir haben kompositorische Eigenschaften von Graslandvegetation untersucht und diese in Bezug zu Diversitätsmustern und Unterschieden in der Landnutzungsintensität gesetzt.

    Biomasseernte2009 und 2010 wurden Biomasseproben auf den 150 Experimentierplots der drei Exploratorien im Grünland genommen. Auf Basis der Proben aus 2009 wurden NIRS Kalibrationsmodelle zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes, zur Quantifizierung von Pflanzennährstoffen (N, P, K, Ca, Mg) und für die Rohfaserzusammensetzung (NDF, ADF, ADL) entwickelt. Diese kommen jetzt zur schnellen und kostengünstigen Messung unbekannter Proben zum Einsatz. Daneben wurde ein Verfahren entwickelt, das unter Wahrung der hohen Messgenauigkeit mit erheblich weniger Probenmaterial auskommt.

    PhosphorusNährstoffgehalte in der oberirdischen Biomasse des untersuchten Wirtschaftsgrünlands haben sich als guter Indikator für die Diversität an Gefäßpflanzen - insbesondere Arten der Roten Liste - sowie für die Landnutzungsintensität erwiesen. Insbesondere der P-Verfügbarkeit konnte eine zentrale Rolle beigemessen werden. Rohfasergehalte zeigten hingegen nur einen schwachen Zusammenhang zum Artenreichtum und erstaunlicher Weise auch zur Intensität der Landnutzung. Als "Nebenprodukt" unserer Untersuchungen zu Mustern von kompositorischen Merkmalen der Biomasse in Beziehung zur Artenvielfalt und der Landnutzungsintensität konnten mit der NIRS Technologie auch Vorhersagemodelle für Ellenberg-Zeigerwerte ermittelt werden. Insbesondere die Ellenberg-Stickstoffzahl korrespondierte mit der P-Konzentration in der oberirdischen Biomasse. Für Wirschaftsgrünland ist es also besser von der Ellenberg-Nährstoffzahl zu sprechen. Letztlich wurde auch gezeigt, dass über die spektralen Eigenschaften der Biomasse Ellenberg-Zeigerwerte eine messbare Größe sind.

    Die zu den erzielten Ergebnissen verfassten Manuskripte finden Sie in der Infothek.

    Projektleitung: Prof. Dr. Norbert Hölzel, Dr. Till Kleinebecker
    Doktorand / Ansprechpartner: Dr. Valentin H. Klaus

    BioComp auf den Seiten der Biodiversitäts-Exploratorien

  • 2011-14

    Beziehungen zwischen stabilen Stickstoff- und Kohlenstoff Isotopen, Nährstoffkonzentrationen und Rohfasergehalten in der Grünlandbiomasse zu Biodiversitätsmustern, Ökosystemprozessen und Landnutzung mit Hilfe multitemporaler Daten gemessen mit Nahinfrarot Spektroskopie (NIRS)


    Die AG Ökosystemforschung am Institut für Landschaftsökologie der Universität Münster beteiligt sich als Teilprojekt BIOCOMP an den Biodiversitäts-Exploratorien. Es werden kompositorische Eigenschaften und deren zeitliche Variabilität in oberirdischer Grünlandbiomasse untersucht und diese in Beziehung zu Diversitätsmustern, Ökosystemprozessen sowie Unterschieden in der Landnutzungsintensität gesetzt.

    Hypothesen

    1. δ15N in der Biomasse ist positiv mit der aktuellen und historischen Landnutzungsintensität korreliert.
    2. δ15N in der Biomasse ist negativ mit dem Pflanzenartenreichtum korreliert, für δ13C besteht dieser Zusammenhang nicht.
    3. δ15N reichert sich mit sinkenden P Konzentrationen in der Biomasse ab.
    4. Jährliche Schwankungen der Isotopensignale und Nährstoffkonzentrationen sind in artenreichem Grünland geringer als in artenarmem.

    Die Messung der Zusammensetzung von Pflanzenbiomasse ist zeit- und kostenintensiv, daher sind derartige Daten zumeist nicht in großem Umfang bzw. ausreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung vorhanden. Für die Deutung von Diversitätsmustern sind diese Informationen jedoch von zentraler Bedeutung. Um dies zu überwinden hat BIOCOMP in der ersten Projektphase (2009-2011) die innovative Technik der Nahinfrarot Spektroskopie (NIRS) zur günstigen und schnellen Messung der chemischen Zusammensetzung von oberirdischer Grünlandbiomasse eingesetzt. Es wurden Vorhersagemodelle für C, N, P, K, Ca, Mg sowie NDF, ADF und ADL entwickelt. Das Fortsetzungsprojekt (2011-2014) wird darüber hinaus Kalibrationen für δ15N und δ13C entwickeln und die bereits vorhandenen Vorhersagemodelle nutzen, um einen fünfjährigen Datensatz für alle 150 Experimentierplots im Grünland zu generieren. Dazu werden die Kalibrationen zur Messung bereits existierender sowie neuer Proben angewandt. Die Kalibrationsmodelle können auch von anderen Teilprojekten in den Biodiversitäts Exploratorien für schnelle und günstige Messungen der chemischen Zusammensetzung von Grünlandbiomasse sowie stabiler Kohlenstoff- und Stickstoff-Isotopen genutzt werden, was vielfältige Möglichkeiten der synthetischen Datenauswertung eröffnet.

    Projektleitung: Prof. Dr. Norbert Hölzel, Dr. Till Kleinebecker
    Doktorand / Ansprechpartner: Dr. Valentin H. Klaus

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  • Publikationen

    2016

    • Blüthgen N, Simons N, Jung K, Prati D, Renner S, Boch S, Fischer M, Hölzel N, Klaus VH, Kleinebecker T, Tschapka M, Weisser WW, Gossner MM (2016) Land use imperils plant and animal community stability through changes in asynchrony rather than diversity. Nature Communications 7: 10697 [doi:10.1038/ncomms10697]
    • Klaus VH, Boch S, Boeddinghaus RS, Hölzel N, Kandeler E, Marhan S, Oelmann Y, Prati D, Regan KM, Schmitt B, Sorkau E, Kleinebecker T (2016) Temporal and small-scale spatial variation in grassland productivity, biomass quality and nutrient limitation. Plant Ecology 217 (7): 843–856 [doi:10.1007/s11258-016-0607-8]
    • Klaus VH*, Hölzel N, Prati D, Schmitt B, Schöning I, Schrumpf M, Solly EF, Hänsel F, Fischer M, Kleinebecker T* (2016) Plant diversity moderates drought stress in grasslands: Implications from a large real-world study on 13C natural abundances. Science of the Total Environment 566–567: 215–222 [doi:10.1016/j.scitotenv.2016.05.008] (* equal authorship)
    • Soliveres S, Manning P, Prati D, Gossner MM, Alt F, Arndt H, Baumgartner V, Binkenstein J, Birkhofer K, Blaser S, Blüthgen N, Boch S, Böhm S, Börschig C, Buscot F, Diekötter T, Heinze J, Hölzel N, Jung K, Klaus VH, Klein A-M, Kleinebecker T, Klemmer S, Krauss J, Lange M, Morris EK, Müller J, Oelmann Y, Overmann J, Pašalić E, Renner SC, Rillig MC, Schaefer HM, Schloter M, Schmitt B, Schöning I, Schrumpf M, Sikorski J, Socher SA, Solly EF, Sonnemann I, Sorkau E, Steckel J, Steffen-Dewenter I, Stempfhuber B, Tschapka M, Türke M, Venter P, Weiner CN, Weisser WW, Werner M, Westphal C, Wilcke W, Wolters V, Wubet T, Wurst S, Fischer M, Allan E (2016) Locally rare species influence grassland ecosystem multifunctionality. Philosophical Transactions of the Royal Society B 371: 20150269. [doi:10.1098/rstb.2015.0269 ]
    • Soliveres S, van der Plas F, Manning P, Prati D, Gossner MM, Renner SC, Alt F, Arndt H, Baumgartner V, Binkenstein J, Birkhofer K, Blaser S, Blüthgen N, Boch S, Böhm S, Börschig C, Buscot F, Diekötter T, Heinze J, Hölzel N, Jung K, Klaus VH, Kleinebecker T, Klemmer S, Krauss J, Lange M, Morris EK, Müller J, Oelmann Y, Overmann J, Pašalić E, Rillig MC, Schaefer HM, Schloter M, Schmitt B, Schöning I, Schrumpf M, Sikorski J, Socher SA, Solly EF, Sonnemann I, Sorkau E, Steckel J, Steffan-Dewenter I, Stempfhuber B, Tschapka M, Türke M, Venter P, Weiner CN, Weisser WW, Werner M, Westphal C, Wilcke W, Wolters V, Wubet T, Wurst S, Fischer M, Allan E (2016) Biodiversity at multiple trophic levels is needed for ecosystem multifunctionality. Nature 536: 456–459 [doi:10.1038/nature19092]

    2015

    • Allan E, Manning P, Prati D, Grassein F, Alt F, Binkenstein J, Blaser S, Blüthgen N, Hölzel N, Klaus VH, Kleinebecker T, Morris E-K, Oelmann Y, Renner SC, Rillig MC, Schäfer M, Schloter M, Schmitt B, Schöning I, Schrumpf M, Solly E, Sorkau E, Steckel J, Steffen-Dewenter I, Stempfhuber B, Trumbore S, Weiner CN, Weisser WW, Werner W, Westphal C, Wilcke W, Fischer M (2015) Land use intensification alters ecosystem multifunctionality via loss of biodiversity and changes to functional composition. Ecology Letters 18: 834–843 [doi: 10.1111/ele.12469]
    • Manning P, Gossner M, Bossdorf O, Allan E, Prati D, Blüthgen N, Boch S, Böhm S, Börschig C, Hölzel N, Jung K, Klaus VH, Klein A, Kleinebecker T, Krauss J, Lange M, Müller J, Pašalić E, Socher S, Tschapka M, Türke M, Weiner C, Werner M, Gockel S, Hemp A, Renner S, Wells K, Buscot F, Kalko E, Linsenmair KE, Weisser WW, Fischer M (2015) Grassland management intensification weakens the associations among the diversities of multiple plant and animal taxa. Ecology 96:1492–1501 [http://dx.doi.org/10.1890/14-1307.1]

    2014

    • Allan E, Bossdorf O, Dormann CF, Prati D, Gossner M, Tscharntke T, Blüthgen N, Bellach M, Birkhofer K, Boch S, Böhm S, Börschig C, Chatzinotas A, Christ S, Daniel R, Diekoetter T, Fischer C, Friedl T, Glaser K, Hallman C, Hodac L, Hölzel N, Jung K, Klein A-M, Klaus VH, Kleinebecker T, Krauss J, Lange M, Morris EK, Müller J, Nacke H, Pašalic E, Rillig M, Rothenwöhrer C, Schall P, Scherber C, Schulze W, Socher S, Steckel J, Steffan-Dewenter I, Türke M, Weiner CN, Werner M, Westphal C, Wolters V, Wubet T, Gocke S, Gorke M, Hemp A, Renner SC, Schöning I, Pfeiffer S, König-Ries B, Buscot F, Linsenmair K-E, Schulze E-D, Weisser WW, Fischer M (2014) Inter-annual variation in land-use intensity enhances grassland multidiversity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (1):  308–313 [doi:10.1073/pnas.1312213111]
    • Kleinebecker T, Hölzel N, Prati D, Schmitt B, Fischer M, Klaus VH (2014) Evidence from the real world: 15N natural abundances reveal enhanced nitrogen use at high plant diversity in Central European grasslands. Journal of Ecology 102 2: 456-465 [doi:10.1111/1365-2745.12202]
    • Müller J, Heinze J, Joshi J, Boch S, Klaus VH, Fischer M, Prati D (2014) Influence of experimental soil disturbances on the diversity of bryophytes and vascular plants in agricultural grasslands. Journal of Plant Ecology 7 (6): 509-517 [doi:10.1093/jpe/rtt062]

    2013

    • Klaus VH, Hölzel N, Boch S, Müller J, Socher SA, Prati D, Fischer M, Kleinebecker T (2013) Direct and indirect associations between plant species richness and productivity in grasslands: regional differences preclude simple generalization of productivity-biodiversity relationships. Preslia 85: 97–112 [link open access pdf]
    • Klaus VH, Hölzel N, Prati D, Schmitt B, Schöning I, Schrumpf M, Fischer M, Kleinebecker T (2013) Organic vs. conventional grassland management: Do 15N and 13C isotopic signatures of hay and soil samples differ? PLoS ONE 8(10): e78134 [doi:10.1371/journal.pone.0078134]
    • Klaus VH, Kleinebecker T, Prati D, Fischer M, Alt F, Boch S, Gockel S, Gossner M, Hemp A, Lange M, Müller J, Oelmann Y, Pašalić E, Renner SC, Socher SA, Türke M, Weisser WW, Hölzel N (2013) Does organic grassland farming benefit plant and arthropod diversity at the expense of yield and soil fertility? Agriculture, Ecosystems and Environment 177:1-9 [doi:10.1016/j.agee.2013.05.019]

    2012

    • Blüthgen N, Dormann C, Prati D, Klaus VH, Kleinebecker T, Hölzel N, Alt F, Boch S, Gockel S, Hemp A,  Müller J, Nieschulze J, Renner SC, Schöning I, Schumacher U, Socher SA, Wells K, Birkhofer K, Buscot F,  Oelmann Y, Rothenwöhrer C, Scherber C, Tscharntke T,  Weiner C, Fischer M, Kalko EKV, Linsenmair KE, Schulze E-D, Weisser WW (2012) A quantitative index of land-use intensity in grasslands: integrating mowing, grazing and fertilization. Basic and Applied Ecology 13: 207-220 [doi:10.1016/j.baae.2012.04.001]
    • Klaus VH, Kleinebecker T, Boch S, Müller J, Socher AS, Prati D, Fischer M, Hölzel N (2012) NIRS meets Ellenberg's indicator values: Prediction of moisture and nitrogen values of agricultural grassland vegetation by means of near-infrared spectral characteristics. Ecological Indicators 14: 82-86 [doi:10.1016/j.ecolind.2011.07.016]
    • Müller J, Klaus VH, Kleinebecker T, Prati D, Hölzel N, Fischer M (2012) Impact of Land-Use Intensity and Productivity on Bryophyte Diversity in Agricultural Grasslands. PLoS ONE 7(12): e51520 [doi:10.1371/journal.pone.0051520]
    • Socher S, Prati D, Müller J, Klaus VH, Hölzel N, Fischer M (2012) Direct and productivity-mediated indirect effects of fertilization, mowing and grazing intensities on grassland plant species richness. Journal of Ecology 100: 1391-1399 [doi:10.1111/j.1365-2745.2012.02020.x]

    2011

    • Klaus VH, Kleinebecker T, Hölzel N, Blüthgen N, Boch S, Müller J, Socher SA, Prati D, Fischer M (2011) Nutrient concentrations and fibre contents of plant community biomass reflect species richness patterns along a broad range of land-use intensities among agricultural grasslands. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 13: 287-295 [doi:10.1016/j.ppees.2011.07.001]
    • Kleinebecker T, Klaus VH, Hölzel N (2011) Reducing sample quantity and maintaining high prediction accuracy of quality parameters in grassland biomass with near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS). Journal of Near Infrared Spectroscopy 19: 495-505 [doi:10.1255/jnirs.957]

    Presse

    Biosphäre unterm Mikroskop

    [31.05.2010] Der Uckermärkische Anzeiger berichtet über die Biodiversitäts-Exploratorien und die Aktivitäten der AG im Exploratorium Schorfheide. Artikel [pdf] Foto: MOZ.