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Von Biodiversität zu Ökosystemfunktionen; Möglichkeiten für die Integration des Meeresbodens in MPA Management, Vorhaben: Benthische Ökosystem Modellierung für ein nachhaltiges Management im Weddellmeer (Antarktis)

Synthesis data on plant community composition, plant traits and ecosystem properties from the Jena Main experiment

Data on plant communities (biomass and relative cover of all target species), plant traits (41 different traits, measured on 59 species), and 42 ecosystem properties/functions, measured between 2003 and 2012 in the Jena Main Biodiversity experiment. In floodplain grasslands of the Saale river, near Jena (Germany) 78 20x20 m grassland plots were set up, in which combinations of 1, 2, 4, 8 or 16 species were sown, from a species pool of 60. Thereby, the aim was to create a gradient in plant species richness and functional composition. In each year from 2003-2012, relative cover (in %) of each target species was estimated within 3x3 m subplots. In addition, plant biomass was measured in both spring and summer. In addition, we compiled trait data for 59 of the 60 sown species, based on a combination of existing literature, pot experiments and measurements in the Jena Main Biodiversity experiment monoculture (1-species) plots. Data on 41 traits was collected. Finally, we measured in 41 different ecosystem functions in the Jena Main Biodiversity experiment. Each ecosystem function was measured in at least 3 different years between 2003 and 2012. The "R2.model.random.text[x]" (where x is a number from 1 to 40) are secondary data files, and the outcome of statistical models. In these, 100 times a random subset of 1 to 40 (out of the 41) plant traits were analysed as predictors of the 42 ecosystem functions, in order to assess how the proportion of variance in ecosystem functioning explained by traits (R2 values) depends on the number of traits analysed.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Merkmale von Samen und Keimlingen und ihre Beziehung zur Diversität und Artenzusammensetzung von Grasländern mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität

Die Etablierung aus Samen ist ein wichtiger demographischer Prozess für die Lebensgeschichte von Pflanzen, der die Persistenz und Stabilität von Populationen und die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften beeinflusst. In den letzten Jahren werden zunehmend Methoden basierend auf funktionellen Merkmalen verwendet, um zu einem mechanistischen Verständnis von Prozessen des 'community assembly' und ihrer Beziehung zu Ökosystemfunktionen zu gelangen. In den meisten Fällen basieren diese Analysen auf Merkmalen, die an adulten Pflanzen gemessen wurden, während funktionelle Merkmale von Samen und Keimlingen wenig Beachtung finden. Dieses Projekt hat daher das Vorhaben, die Merkmale von Samen und Keimlingen für eine Vielzahl von Pflanzenarten der Grasländer der Exploratorien charakterisieren. Die folgenden Ziele werden verfolgt: (1) Für die Pflanzenarten, die in den 150 experimentellen Grasland-Plots der Exploratorien vorkommen, werden morphologische und chemische Merkmale der Samen analysiert, und Merkmale der Keimung und Keimlinge werden in einem 'common garden experiment' unter standardisierten Bedingungen gemessen. (2) Die Auswirkungen von Umweltfaktoren, welche mit der Nutzungsintensität variieren, d.h. Vorkommen einer Streuauflage und Düngung, auf die Keimung und Keimlingsmerkmale werden in einem weiteren 'common garden experiment' mit einer Manipulation dieser Faktoren gemessen. Hier werden die Arten verwendet, die auch im Einsaatexperiment des neuen Grasland-Landnutzungs-Experiment ausgesät werden. (3) Die kurzfristigen Effekte der experimentellen Reduktion der Landnutzungsintensität auf die Diversität und Dichte der Diasporenbank im Oberboden werden für die Standorte des neuen Grasland-Landnutzungs-Experiment quantifiziert, um damit eine Variable des 'demographischen Speichers' beizutragen, welche ein wichtiger Aspekt ist, um Veränderungen in der Diversität und Artenzusammensetzung der Grasländer bei Landnutzungsänderung zu verstehen. (4) Schließlich werden die funktionellen Merkmale der Samen und Keimlinge in Kombination mit anderen Daten aus den Exploratorien genutzt, um zu überprüfen, in welchem Bezug das Vorkommen und die Abundanz von Pflanzenarten in Grasländer unterschiedlicher Landnutzungsintensität zu den Merkmalen der Samen und Keimlinge steht, um zu testen, welche Rolle die funktionellen Merkmale der Samen und Keimlinge bei einer Reduktion der Landnutzungsintensität und zusätzlicher Einsaat spielen, und welche Zusammenhänge zwischen der Diversität der funktionellen Merkmale der Samen und Keimlinge und der Merkmals-Diversität adulter Pflanzen besteht. Damit wird das Projekt dazu beitragen, merkmalsbasierte ökologische Untersuchungen um eine demographische Perspektive zu erweitern, indem funktionelle Merkmale von Lebensstadien berücksichtigt werden, die besonders empfindlich sind und daher wichtig sein können, um Prozesse in der Veränderung von Pflanzengemeinschaften und den Erhalt der Diversität von Grasländern zu verstehen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1704: Flexibilität entscheidet: Zusammenspiel von funktioneller Diversität und ökologischen Dynamiken in aquatischen Lebensgemeinschaften; Flexibility Matters: Interplay Between Trait Diversity and Ecological Dynamics Using Aquatic Communities as Model Systems (DynaTrait), Teilprojekt: Inter- und intra-spezifische Diversität der Größenverteilung des Phytoplanktons und deren Auswirkungen auf Ökosystemfunktionen

Biodiversität hat verschiedene wichtige Auswirkungen auf die Effizienz der Produktion und den Kreislauf von Energie und Materie in Ökosystemen. Traditionell wird sie über die Anzahl von Arten beschrieben, doch alternative Ansätze, wie die funktionelle Vielfalt in charakteristischen Merkmalen (traits), bieten eine starke quantitative Basis um die Beziehungen zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen zu untersuchen. Solche trait-basierten Ansätze sind in der Biodiversitätsforschung sehr häufig geworden. Die meisten Studien konzentrieren sich jedoch auf interspezifische Merkmalsvariationen (basierend auf der Artenzusammensetzung) und übersehen dabei, wie sich intra-spezifische Elemente der Merkmalsvariabilität (genotypisch und phänotypisch) auf die Gemeinschaftsstruktur und die daraus resultierenden Ökosystemfunktionen auswirken. In diesem Projekt wird mathematische Modellierung mit Laborexperimenten kombiniert um die relativen Auswirkungen der intra- und interspezifischen Merkmalsvariabilität auf die Gemeinschaftsstruktur und die Funktion marinen Planktons zu quantifizieren. Die Experimente werden mit natürlichen und künstlich zusammengesetzten Planktongemeinschaften unter verschiedenen Nährstoff- und Fraß-Bedingungen in kleinem (Flaschen) und großem (Mesokosmen) Maßstab durchgeführt. Parallel dazu wird ein Individuen-explizites trait-basiertes Modell entwickelt, welches die intra- und interspezifische Größendiversität auflöst und die funktionale Austauschbarkeit der zwei Stufen von Diversität quantifiziert. Dieser synergistische Ansatz erlaubt es die relevanten Mechanismen (Änderungen der Artenzusammensetzung, genotypische und phänotypische Variabilität) zu beleuchten, welche die Biodiversität und Funktion von Ökosystemen prägen.

Ökologische Durchgängigkeit, Wanderkorridore einheimischer Fischarten in stauregulierten Bundeswasserstraßen

Nach derzeitigem Kenntnisstand nutzen wandernde Fischarten die Strömung eines Fließgewässers zur Orientierung. Sie schwimmen gegen die Strömung gerichtet flussaufwärts. Dabei verbrauchen sie Energie. Der Energieverbrauch steigt mit der stärke der Gegenströmung, die der Fisch im Querprofil des Flusses wählt. Es gibt Hinweise, dass der Wanderweg im Querschnitt eines Gewässers dabei nicht zufällig gewählt ist, sondern einen Wanderkorridor gewählt wird, in dem die Strömung zur Orientierung ausreicht aber möglichst geringe Energiekosten verursacht. Im Projekt soll untersucht werden, ob sich solch ein Wanderkorridor belegen und anhand welcher abiotischer Faktoren er sich beschreiben lässt. Dabei werden neben der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung auch weitere Faktoren untersucht. Ziel des Projektes ist es, Wanderkorridore für unterschiedliche Arten modellhaft zu beschreiben und Schlüsselfaktoren für eine räumliche und zeitliche Abgrenzung von Wanderkorridoren zu ermitteln.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Zentral-Projekt 3 - Exploratorien zur funktionellen Biodiversitätsforschung: Instrumentierung und Fernerkundung (Waldstruktur)

Core 3 liefert Umweltdaten über alle EPs. Es unterhält das Netzwerk von Klima- und Umweltstationen, deckt die Fernerkundung zur Erfassung von Plot- und Exploratorien-weiten Daten ab (von UAVs, Flugzeugen, Satelliten) und prozessiert die Daten bis zu Level 3 Information. Core 3 stellt spezifisch abgeleitete, räumlich explizite Daten zur Verfügung und unterstützt damit die Forschung zu Biodiversität und Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen. Core 3 wird seine Dienstleistungen im Zusammenhang mit (i) der Wartung der 300 Klimastationen, (ii) der Bereitstellung von Fernerkundungsdaten (UAV, Luft, Satellit) und (iii) der Vor- und Nachprozessierung dieser Daten fortsetzen. Zudem erzeugt Core 3 (iv) räumlich explizite, Fernerkundungs-basierte Datensätze zur Landnutzung. Weiterhin (v) wird das Stationsnetz auf die neuen Waldplots erweitert und ergänzt durch die Aufnahme akustischer und fotografischer Daten. Dies erfordert die Erstellung (vi) einer neue Datenbank, für die Core 3 das Fachwissen der botanischen und zoologischen Projekten nutzt. (vii) Die vernetzten Sensoren und Fernerkundungsdaten dienen der Modellierung der abiotischen Plotheterogenität auf den Waldparzellen unter dem Kronendach und der Sukzessionsprozesse in den neuen Waldexperimenten. Core 3 wird (viii) Koordination und individuelle Beratung zu Umwelt- und Fernerkundungsdaten fortsetzen. Core 3 ist stark serviceorientiert und bietet eine grundlegende Infrastruktur für die Exploratorien. Ein hohes Maß an integrativer technischer und wissenschaftlicher Expertise ist erforderlich, um diese umfassenden Umwelt- und Fernerkundungsdaten für die Core und Contributing Projekte bereitzustellen.

Variabilität der Biodiversität und ökosystemarer Leistungen entlang des El-Niño-Gradienten in peruanischen und brasilianischen Waldregionen, Teilvorhaben: Klimamodellierung - Klima-Feedback- und Prädiktionsmodell

Von Biodiversität zu Ökosystemfunktionen; Möglichkeiten für die Integration des Meeresbodens in MPA Management, Vorhaben: Meiofauna Diversität und Modellierung

Diversifizierung von Pflanzenbausystemen für die gemeinsame Gesundheit von Böden, Pflanzen und Menschen, Diversität der Insekten in diversifizierten Anbausystemen

Forschergruppe (FOR) 1598: From Catchments as Organised Systems to Models based on Dynamic Functional Units (CAOS)

Within phase 2 of the CAOS research unit we will work towards a holistic framework to explore how spatial organization alongside with spatial heterogeneity controls terrestrial water and energy cycles in intermediate scale catchments. 'Holistic' means for us to link the 'how' to the 'why' by drawing from generic understanding of landscape formation and biotic controls on processes and structures as well as to rely on exemplary experimental learning in a hypothesis and theory based manner. This also implies treatment of soil, vegetation and atmosphere as coupled system rather than a linear combination of different compartments. To jointly work towards this goal we propose 7 projects which will closely cooperate within two overarching work packages:WP1: Linking hydrological similarity with landscape structure across scalesWP2: Searching for appropriate catchment models and organizing principles. Within WP1 we will further refine the existing stratified multi-method and multi-sensor setup to search for functional entities in the Attert and, if they exist, to learn in an exemplary manner which structural features control functional characteristics. This essentially includes identification of suitable metrics to discriminate functional and structural similarity from data as well as identification of useful quantitative descriptors for the rather fuzzy term 'hydrological function'. Overall we aim to synthesize a protocol to decide 'where to assess which data for what reasons' for characterizing hydrological functioning across a scale range of four orders of magnitude.Within WP2 we will foster our distillery of parsimonious and nevertheless physically consistent model structures which rely on observable quantities and make use of symmetries in the landscape to simplify the governing model equations in a hypothesis based manner. To this end we will compare concurring model structures (among those the CAOS model) and work towards a framework for an objective model inter comparison with special emphasis on a) the added value of different data/information sources and b) on consistency of predictions with respect to distributed dynamics and integral flows. Additionally, we aim in WP2 at linking the 'how' to the 'why' by synthesizing testable hypotheses that could explain whether spatial organization has evolved in accordance with candidate organizing principles. Ecology, fluvial geomorphology and thermodynamics offer a large set of candidate organizing principles for this issue. Based on our recent work we will focus especially on thermodynamic limits and optimality principles like maximum entropy production, explore their value for uncalibrated hydrological predictions and work out the necessary requirements on data and models for testing these principles. We put special emphasis on a possible experimental falsification of these candidate principles; also in close collaboration with the B2-Landscape Evolution Observatory in Tucson, Arizona.

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