Projekt

STOICHIO: Effekte der Landnutzung auf die Stöchiometrie von Mikro- und Makronährstoffen von Pflanzen-Herbivoren Systemen

Als Teil des DFG-finanzierten Großprojekts Biodiversitäts-Exploratorien untersucht STOICHIO Quantität und Zusammensetzung von Nährstoffen sowie deren Regulation innerhalb und den Transfer zwischen Organismen und ihrer Umwelt (Ökologische Stöchiometrie). Dieses Projekt zielt darauf ab, die regulatorischen Mechanismen der Nährstoffflüsse vom Boden über Vegetation bis zu Herbivorengesellschaften entlang eines Landnutzungsgradienten zu ergründen.

Während Nährstoffflüsse in aquatischen Systemen bereits großflächig untersucht worden sind, ist die Stöchiometrie von Nährstoffen in terrestrischen Systemen noch weitestgehend unverstanden. Die meisten bisher durchgeführten Studien hatten ihren Schwerpunkt in der Analyse von gängigen Makronährstoffen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor; aber Informationen bezüglich der Stöchiometrie von Mikronährstoffen und Spurenelementen wie Mg, Cl, S, Fe, Co, Ni, oder Zn, nebst vielen anderen, ist nur spärlich vorhanden.

Die Stöchiometrie von Nährstoffen ist element- und artspezifisch. In der Biomasse von Konsumenten variiert die Konzentration einiger Elemente proportional zu ihrer jeweiligen Quelle, während bei anderen diese auf ein konstantes Level reguliert wird oder selbige mit einer gewissen Variabilität in Abhängigkeit ihrer Verfügbarkeit auftritt. Taxa, Arten und einzelne Individuen weisen unterschiedliche Nährstoffbedürfnisse auf, und sind teils in der Lage, ihr internes Nährstofflevel ihrer Bedürfnisse entsprechend zu regulieren. Während manche die Nährstoffkonzentrationen unabhängig ihrer Verfügbarkeit auf relativ konstantem Niveau halten (Stöchiometrische Homöostasie), so weisen andere eine gewisse Plastizität in den internen Nährstofflevel auf (Stöchiometrische Plastizität). Nichtsdestotrotz sind die regulatorischen Prozesse hinter individueller und gesellschaftlicher Nährstoffstöchiometrie weitestgehend unverstanden.

Veränderungen in der Nährstoffverfügbarkeit im Boden (etwa durch interspezifische Konkurrenz innerhalb von Artgesellschaften oder durch landwirtschaftliches Management) beeinflussen die Artvielfalt, die Artzusammensetzung und die Produktivität von Grasland. Es ist jedoch unbekannt, ob und inwieweit diese oben genannten Aspekte durch die interspezifische Variation in der Nährstoffstöchiometrie und die quantitativen Nährstoffbedürfnisse von Arten beeinflusst sind.

Um Verbreitungsmuster von Arten, Biodiversität und Ökosystemdynamiken besser verstehen zu können, ist es wichtig, die Mechanismen hinter der Regulierung von Nährstoffkonzentrationen und der Nährstofflimitierung auf Arten aufzuklären. Es wird vermutet, dass die Verbreitung und das Vorkommen von Pflanzen- und Herbivorenpopulationen entlang eines stöchiometrischen Ressourcengradienten durch die individuell variable Homöostasie von Arten eingeschränkt oder beeinflusst wird. Außerdem ungeklärt ist, wie diese stöchiometrische Variation zur Performance und hierarchischen Zusammensetzung von Arten in Gesellschaften beiträgt; und wie einzelne Arten stöchiometrisch betrachtet auf Düngung und allgemeine Veränderungen in der gesellschaftlichen Zusammensetzung aufgrund von Landnutzung reagieren.

Das STOICHIO Projekt wird gemeinschaftlich durch die Arbeitsgruppe Ökosystemforschung der Universität Münster und die Arbeitsgruppe für Ökologische Netzwerke der Universität Darmstadt durchgeführt. Enge Kooperationen bestehen mit dem Zentralprojekt Botanik der Exploratorien (Universität Bern) und dem Exploratorien-Projekt ESCAPE (Universität Münster).

Im Rahmen dieses Projekts wird die Forschung unter anderem auf die Beantwortung auf folgende Fragen abzielen:

• Welche Nährstoffe treten in anderen Konzentrationen in der Biomasse auf als im Boden? Hängt diese Variabilität in den Nährstoffkonzentrationen mit der Landnutzung oder der Phytodiversität zusammen?
• Werden durchschnittliche Nährstoffkonzentrationen und mittlere Homöostasielevel in ausgewählten Arten  durch Landnutzungsintensität und der Nährstoffverfügbarkeit im Boden beeinflusst? Sind diese mit der Produktivität von Graslandökosystemen verknüpft?
• Ist artenreiches Grasland hinsichtlich der Nährstoffzusammensetzung und Nährstoffkonzentration in der Biomasse bzw. hinsichtlich ihrer Produktivität stabiler als artenarmes Grasland?

Laufzeit und Förderung

• Laufzeit: Mai 2014 - Mai 2017
• Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien finanziert.

Exploratorien

Hintergund: Die Biodiversitäts-Exploratorien

Die Exploratorien für Funktionelle Biodiversitätsforschung, oder kurz Biodiversitäts-Exploratorien, sind ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziertes Verbundprojekt, an dem mehr als 30 verschiedene Forschungseinrichtungen beteiligt sind. 

In einem langfristig angelegten Projekt wird Biodiversitäts- und Ökosystemforschung großräumig in den drei Untersuchungsgebieten in Deutschland vereint: im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin in Brandenburg, dem Nationalpark Hainich und Umgebung in Thüringen und im Biosphärengebiet Schwäbische Alb in Baden-Württemberg durchgeführt.

Dieses multidimensional orientierte Projekt, welches sich auf ein breiten Netzwerk von Grasland- und Waldflächen mit einer weitreichenden Bandbreite von Landnutzungsformen und -intensitäten konzentriert, zielt darauf ab, den Einfluss von Landnutzung auf verschiedene Komponenten der Biodiversität zu ergründen. Um selbiges zu bewerkstelligen, wird zur Datenerhebung eine Kombination aus Beobachtungen, Experimenten und Modellierungen verwendet, um die Interaktionen und Zusammenhänge zwischen Landnutzung, Biodiversität und Ökosystemfunktionen, sowie deren Stabilität zu untersuchen.

Methoden

Methoden

Für die Untersuchung der Steuerung des Vorkommens von Arten entlang eines Nährstoffgradienten durch individuelle Regulierung der stöchiometrischen Homöostasie werden Feldarbeit in allen drei Regionen der Exploratorien und diverse Labormethoden miteinander kombiniert.

Die Verbreitungsmuster von Arten sowie die allgemeine Phytodiversität werden mittels Vegetationsaufnahmen entlang eines Landnutzungsgradienten untersucht. Die Biomasse ausgewählter Arten sowie Gesamtbiomasse wird besammelt, um element-spezifische Homöostasielevel und artspezifische  stöchiometrische Regulationsstrategien in einzelnen Arten und ganzen Pflanzengesellschaften zu untersuchen. Diese Daten sollen mit der Menge verfügbarer Bodennährstoffe sowie der Biodiversität verknüpft werden. Anhand der stöchiometrischen Daten soll untersucht werden, inwiefern andere Nährstoffe als C, N und P das Vorkommen von Arten, Artvielfalt und Ökosystemfunktionen, wie Produktivität, beeinflusst werden. Es wird außerdem untersucht werden, ob die Stabilität der Nährstoffkonzentrationen in der Biomasse mit der Landnutzung, Biodiversität und Produktivität zusammenhängt.

Für die Analyse der Biomasse einzelner Arten sowie ganzer Artgesellschaften auf ihren Nährstoffgehalt sowie ihrer Futterqualität wird unter anderem die Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) zum Einsatz kommen. Diese indirekte und nicht-invasive Methode eignet sich für die Quantifizierung gängiger Makronährstoffe (wie N, P und C) und einiger Mikronährstoffe (wie Ca, Mg und K) anhand Infrarot-Spektren in Mischproben und wurde im Rahmen des BIOCOMP-Projektes speziell für Biomasseproben angepasst.

Für die Analyse von Mikronährstoffen und Spurenelementen in Boden- und Biomasseproben wird nach Aufschluss das ICP-OES Verfahren (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) Verwendung finden, welches dazu dient, die elementare Zusammensetzung einer Probe anhand elektromagnetischer Strahlungsspektren auch bei kleinen Konzentrationen zu ermitteln und zu quantifizieren. Zu diesem Zwecke soll auch die Fluoreszenz-Röntgen-Spektroskopie (FXS) experimentell eingesetzt und für Biomasseproben angepasst werden.

Alle Untersuchungen des STOICHIO-Projekts werden in Kooperation mit dem Zentralprojekt Botanik der Biodiversitäts-Exploratorien an der Universität Bern, sowie mit Partnern der Arbeitsgruppe für Ökologische Netzwerke der Technischen Universität Darmstadt stattfinden. Letztere werden sich unter anderem mit der Nährstoffstöchiometrie des Systems Pflanzen-Herbivoren auseinandersetzen. Die Untersuchungen der Bodennährstoffe werden in Zusammenarbeit mit dem Biodiversitäts-Exploratorien Projekt ESCAPE der Universität Münster stattfinden (für Informationen bezüglich der Projektpartner und Kontakt bitte auf die rechte Spalte dieser Seite schauen).

Studien- und Abschlussarbeiten

Aktuelle Arbeiten

Aktuell finden keine Abschlussarbeiten im Projekt Stoichio statt. In der Vergangenheit sind einige Projekte in Kooperation mit dem Projekt Escape bearbeitet worden, welches auch in Zukunft umfassende Möglichkeiten für Abschlussarbeiten oder Hilfsarbeiten im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien bieten wird.

Gerne können gemeinsame Themen (Bachelor-, Master-, Studien- und Forschungsarbeiten) im Zusammenhang mit der Nährstoffstöchiometrie von einzelnen Arten und ganzen Pflanzengesellschaften, ihr Zusammenhang mit funktionalen Merkmalen und allgemeiner Biodiversität entlang eines Landnutzungsgradienten entwickelt werden!

Bei Interesse an einer Mitarbeit im Projekt als Abschlusskandidat oder auch als Hilfskraft bitte an Verena Busch oder Till Kleinebecker wenden.

Abgeschlossene Abschlussarbeiten

• Froese, Linda (2017): Eine Langzeit-Analyse der Beziehungen zwischen Landnutzungsintensität, Aufwuchsqualität und Pflanzendiversität im Grünland
• Knabe, Cordula (2017): Einfluss von Ansaat und Störung auf Pflanzendiversität landwirtschaftlich genutzter Grünländer
• Bier, Leonie (2017): Die Entwicklung floristischer Diversität von Grünlandökosystemen
• Heiland, Lukas (2016): Verringerte Homöostasie von Phosphorverhältnissen bei durch intensivierter Landnutzungsintensität dezimierten Pflanzenarten des Grünlands
• Weinauge, Liane (2016): Elementkonzentration von Grünlandpflanzen entlang eines Landnutzungsgradienten
• Vogt, Linda (2015): Verdaulichkeit von Dactylis glomerata entlang eines Landnutzungsgradienten