Die Ökonomie von Pflanzen wird als Kompromiss zwischen Nährstoffaufnahme und -erhalt angesehen. Wurzeln sind in unserem Verständnis der gesamten Pflanze jedoch immer noch unterrepräsentiert. Wurzeltraits scheinen aufgrund ihrer Interaktion mit Bodenbiota multidimensional zu sein. Kompromisse zwischen der Investition in die Oberfläche der Wurzel bzw. der arbuskulären Mykorrhiza Pilze (AMF) wurden bislang anhand der spezifischen Wurzellänge untersucht. Allerdings sind auch Wurzelhaare dafür bekannt die Phosphoraufnahme zu erhöhen. Diese sind bislang in Konzepten der Wurzelökonomie nicht enthalten. In Gewächshausversuchen zeigte sich, dass Wurzelhaarlänge und -häufigkeit negativ mit der AMF-Kolonisation korrelieren. Dieser Gradient zwischen einer Strategie zur Vergrößerung der Wurzelhaaroberfläche und der AMF-Symbiose erwies sich als unabhängig von der spezifischen Wurzellänge, was auf eine bislang unberücksichtigte Varianz in Wurzeltraits hindeutet. Studien zeigen, dass die AMF-Oberfläche - gemessen als extraradikale Hyphenlänge - mit der Landnutzungsintensität zunimmt, wobei die Bodennährstoff-Stöchiometrie einen Einfluss haben könnte. Daher sind zur Untersuchung der Komplexität des Wurzel-Pilz-Oberflächen-Gradienten Daten von Flächen mit unterschiedlichen Böden erforderlich. In diesem Projekt möchte ich das Konzept eines Wurzel-Pilz-Oberflächen-Gradienten unter Beachtung von Wurzelhaaren und extraradikalen Hyphen erstmals testen. Ich werde Individuen der dominantesten Pflanzenarten im Feld (VIP-Ebene) entlang eines Landnutzungsgradienten untersuchen. Dabei gehe ich von einer Verlagerung hin zu AMF Oberfläche mit zunehmender Landnutzungsintensität aus. Aufgrund von Artenüberschneidungen zwischen den Feldern werde ich sowohl inter- als auch intraspezifische Muster testen können. Die AMF-Gemeinschaft in der Rhizosphäre wird analysiert, um zu testen, ob Veränderungen in der Hyphenlänge auf Veränderungen der AMF-Lebensgemeinschaft zurückzuführen sind. In einem mechanistischen Gewächshausexperiment wird die direkte Wirkung der Bodennährstoff-Stöchiometrie untersucht. Die AMF-Gemeinschaft in der Rhizosphäre sowie der Wurzel soll analysiert werden, um Veränderungen der AMF-Lebensgemeinschaft sowie die Plastizität von Pilzarten bei der Biomasseallokation zu testen. Die Daten werden mit morphologischen, anatomischen und chemischen Wurzeltraits aus früheren Projekten der Biodiversitäts-Exploratorien kombiniert, um die Erkenntnisse in bestehende pflanzenökonomische Konzepte zu integrieren. Der Rahmen der Exploratorien ermöglicht es, dieses verbesserte Verständnis von Wurzeltraits mit Ökosystemprozessen wie Pflanzenproduktivität, Nährstoffkreisläufen oder Bodenaggregation zu verbinden. Dieses Projekt wird das mechanistische Verständnis von Wurzelökonomie verbessern und dazu beitragen, deren Bedeutung für die Vorhersage von Veränderungen in Pflanzengemeinschaften und Ökosystemen bei zunehmender Landnutzung und globalem Wandel zu untersuchen.
In der nächsten Phase der Biodiversitäts Exploratorien sollen Experimente dabei helfen die Effekte verschiedener Landnutzungskomponenten auf Ökosysteme zu ermitteln. 'Common garden' Experimente werden genutzt, um die Umweltheterogenität zu minimieren, die ansonsten interessante Effekte verschleiert. Wir planen Grasnarben, die von n = 42 Plots der Biodiversitäts Exploratorien entnommen werden, in einem 'common garden' auszubringen wo die Intensität der Mahd und der Düngung manipuliert werden soll. In den nächsten drei bis 15 Jahren werden die Veränderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften auf den Grasnarben verfolgt. Hierfür wird die Zusammensetzung und Diversität der Pflanzen und Bakterien (next-generation 16S rRNA gene amplicon sequencing) ermittelt. Zusätzlich werden noch 3D-Modelle der Pflanzengemeinschaften, die durch multispektrale Information ergänzt werden, erstellt (PlantEye F500, Phenospex, Heerlen, The Netherlands). Diese Modelle erlauben die Errechnung von Parametern, die ganze Pflanzengemeinschaften charakterisieren. Änderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften werden mit der Landnutzung der Plots in den vergangenen Jahren ins Verhältnis gesetzt. Wir erwarten, dass Gemeinschaften, die aus verschiedenen Plots stammen, aber die gleiche Landnutzung erfahren in Ihrer Zusammensetzung und Diversität konvergieren; Gemeinschaften aus den gleichen Plots, die aber unterschiedliche Landnutzung erfahren, sollten divergieren. Das Projekt nutzt das Vorwissen zu den einzelnen Plots in Bezug auf Landnutzung und Artenzusammensetzung, liefert neuartige Daten für die Biodiversitäts Exploratorien, und stellt einen unabhängigen und neuartigen Beitrag zu der Frage, wie Landnutzug Ökosysteme beeinflusst, dar.
The importance of data and their re-use in synthesis and long-term studies is very well acknowledged in the Biodiversity Exploratories. A data policy was already adopted at the start of the project and a central database was implemented at the beginning of the first phase. The early provision of the database and a consistent observance and incorporation of user needs and requirements have resulted in high acceptance. The central data management provides an environment for data interchange and simple data re-use, stimulating and facilitating synthesis. The central database also provides the IT- infrastructure for efficient field resource management needed by the local management teams and the Biodiversity Exploratory Office, as well as a tool to provide information about species occurrence to landowners and a tool to compute the Land Use Intensity Index, LUI, for grasslands, a parameter that is used by many groups. The database secures the interpretability of data and provides the means for data quality control. It functions both as a work-in-progress storage and as a temporary archive. This proposal shall secure the continuation of this strong and, for the overall success of the Exploratories, essential work. In addition to continued provisioning of the infrastructure and user support (in particular with respect to synthesis) the work in the new funding period will focus on the following topcis: development of further research supporting tools, development of features for scientific communication, ensuring FAIRness of data and the repository itself.
Bakterielle Gemeinschaften die mit oberirdischen Pflanzenteilen assoziiert sind spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit der Wirtspflanze. Es wird vermutet, dass die Zusammensetzung dieser zu einem großen Teil durch das Ursprungsmaterial für Besiedelung (z.B. Erde) determiniert wird, aber auch dass Pflanzen-Charakteristika wie die Verfügbarkeit von Stickstoff und Kohlenstoff, sowie Sekundärmetabolite entscheidend sind. Obwohl Blüten direkt an die Gesundheit und Reproduktion von Pflanzen gekoppelt sind, sind die bakteriellen Kolonisierer der Anthosphäre derzeit deutlich weniger charakterisiert und verstanden als Blatt-assoziierte Bakterien. Dies betrifft auch deren ökologische Rolle und wie sich Umgebungsgradienten, wie z.B. Landnutzung auf Zusammensetzung und Funktion dieser Organismen auswirken. Wir planen mit Hilfe des hierarchischen Designs der Exploratorien organismische und genetische alpha-, beta- und gamma-Diversität von Blüten-Microbiomen zu erfassen. Wir zielen darauf hin, diese in Zusammenhang mit Landnutzung, Pflanzendiversität sowie Blütencharakteristika (Düfte, C- und N-Verfügbarkeit) zu bringen und die Verknüpfung der verschiedenen Biodiversitäts-Ebenen untereinander zu verstehen. Diese Daten werden uns erlauben, die jeweilige Bedeutung von Umgebungs- und Pflanzenfaktoren abzuschätzen. Damit werden die Ergebnisse eine neue Perspektive auf die Assoziation von Bakterien und Blüten ermöglichen und auch die Einflüsse anthropogener Veränderungen auf deren organismische und genetische Diversität zu verstehen.
Anthropogene Umweltveränderung beeinflussen die Phänologie und genetische Diversität von Pflanzen, mit weitreichenden Konsequenzen für ökologische Lebensgemeinschaften und die Evolution. Langzeitdaten solcher Veränderungen sind jedoch selten. Herbarien bieten die seltene Möglichkeit für Langzeitstudien über Phänologie und genetische Diversitätsveränderungen, vor allem da neue genomische Hochdurchsatzmethoden neuerdings auch eine Analyse historischer Proben von Nicht-Modellarten erlauben. Wir schlagen ein Forschungsprojekt vor, dass die Langzeitperspektiven von Herbarien mit den Stärken der Biodiversitätsexploratorien verbinden und die Phänologie und genetische Diversität heutiger Pflanzen in der Biodiversitätsexploratorien mit der von historischen Belegen der gleichen Arten aus den gleichen Regionen vergleichen soll. Wir werden uns auf frühblühende Pflanzen im Laubwald-Unterwuchs konzentrieren, da diese Arten eine deutliche, zeitlich begrenzte Blühperiode haben, und somit besonders geeignet zur Untersuchung phänologischer Veränderungen, sowie des Einflusses der Waldnutzung auf die Phänologie, sein sollten. Unser Projekt wird Feldbeobachtungen mit dem Studium naturwissenschaftlicher Sammlungen und cutting-edge Methoden der Herbariumgenomik verbinden um (1) eine umfassende Untersuchung der Blühphänologie aller frühblühenden Pflanzenarten in Wald-EPs durchzuführen und den Einfluss der Waldnutzung auf die Blühphänologie zu testen, sowie (2) mehrere grosse Herbaria nach Belegen der gleichen Pflanzenarten aus den gleichen Regionen zu durchsuchen, um langfristige Trends in der Blühphänologie, sowie den Einfluss des Klimas auf die Phänologie zu testen und die aktuellen Phänologie daten in einen historischen Kontext stellen zu können. Darüberhinaus wollen wir eine neue genomische Hochdurchsatzmethode zur Untersuchung historischer Herbarbelege, hyRAD-hybridization capture using RAD probes, etablieren und austesten, und (4) diese Methode dann dazu verwenden, um die genetische Diversität der heutigen Pflanzen im Laufwaldunterwuchs mit der ihrer Vorfahren aus den gleichen Regionen zu vergleichen. Unser Projekt wird die erste umfassende Unterschung von Pflanzenphänologie, sowie die erste Analyse der genetischen Diversität von Waldpflanzen in den Biodiversitätsexploratorien beinhalten. Vor allem bietet es erstmals eine Langzeitperspektive, und den ersten Versuch eines Vergleichs heutiger mit historischer Biodiversität in den Biodiversitätsexploratorien.
A2.1 Ökohydrologische Flüsse und Prozesse in einem Mischwald-Ökosystem. Wir wollen die Wasser- und Kohlenstoffflüsse in heterogenen Baumbeständen und deren Auswirkung auf die räumlichen Muster der Bodenwasserflüsse analysieren. Dazu untersuchen wir ökohydrologische Prozesse, die Dynamik der Wasseraufnahme durch die Wurzeln, den Saftfluss der Bäume sowie den Zuckertransport im Phloem und dessen Kohlenstoffisotope. Weiterhin analysieren wir die Rückkopplungen auf die räumlich-zeitliche Variabilität und Heterogenität der Bodenfeuchte und deren Einfluss auf die Wassernutzungseffizienz der Bäume und den Zuckertransport im Phloem. A2.2 In-situ Flow-MRI und NMR zur Messung des Wasser- und Phloemzuckertransport. Wir entwickeln eine völlig neuartige Methodik mit kompakten Magnetresonanztomographie (MRT)- / Kernspinresonanz (NMR)- Sensoren, die auf Permanentmagneten basieren. Diese ermöglichen die In-situ-Bildgebung der H2O-Flüsse an Zweigen, ohne diese zu beeinträchtigen, sowie die NMR-Analyse der Wasser- und Phloem-Saftflüsse. Kontinuierliche In-situ-NMR-Messungen des Phloemsaftes erlauben eine neue Dimension der Quantifizierung des integrierten Kohlenstofftransports in Bäumen.
Kalkmagerrasen sind durch traditionelle Landnutzung in europäischen Kulturlandschaften entstanden und gehören zu den artenreichsten Lebensraumtypen. Sie beherbergen viele seltene und stark gefährdete Arten, sind aber heute oft bedroht, vor allem durch Nutzungsaufgabe und Eutrophierung. Restaurierungsmaßnahmen sind daher dringend erforderlich. Allerdings fehlen länderübergreifende Restaurierungsansätze und Bewertungen innerhalb regionaler Restaurierungsprogramme konzentrieren sich meist nur auf Indikatorarten oder Artenvielfalt und ignorieren biotische Interaktionen, Ökosystemfunktionen und den Landschaftskontext. Gerade biotische Interaktionen sind wichtige Indikatoren für den Restaurierungserfolg, da sie oft sensitiver auf Umweltveränderungen reagieren und essentielle Funktionen bestimmen, die zur Stabilisierung von Ökosystemen notwendig sind.In diesem Projekt werden wir biotische Interaktionen über verschiedene trophische Ebenen untersuchen, einschließlich (1) Pflanzen-Boden-, (2) Pflanzen-Bestäuber- und (3) Vogel-Nahrungsressourcen-Interaktionen, in restaurierten und degradierten Kalkmagerrasen, die in unterschiedlichen sozio-ökologischen und landschaftlichen Kontexten in drei Ländern (Deutschland, Spanien und Estland) eingebettet sind. Zusätzlich werden wir Ökosystemfunktionen wie Bodenfunktionen, Bestäubung und Prädation messen. Wir stellen die Hypothese auf, dass im Vergleich zu degradierten Standorten lokale Restaurierungsmaßnahmen auf Magerrasen zu komplexeren und stabileren Interaktionen und verbesserten Ökosystemfunktionen führen werden. Darüber hinaus werden wir untersuchen, ob eine landschaftsbezogene Restaurierung durch Agrarumweltmaßnahmen die lokale Restaurierung durch additive oder synergistische Effekte effektiver machen kann. Wir erwarten, dass Agrarumweltmaßnahmen die Vernetzung von Kalkmagerrasen erhöhen, insbesondere an isolierten Standorten, an denen es keine anderen Kalkmagerrasen in der Umgebung gibt. Darüber hinaus werden wir den sozialen Kontext der Restaurierungsprogramme analysieren und zentrale Akteure identifizieren, die notwendig sind, um lokale und landschaftliche Restaurierungsziele zu erreichen. Dabei werden wir untersuchen, wie soziale Abhängigkeiten biologische Interaktionen als indirekte Faktoren beeinflussen. Um die Ergebnisse dieses Projekts zu synthetisieren, werden wir Metanetzwerke, multifunktionale und sozial-ökologische Netzwerkansätze verwenden, um z.B. Schutzprioritäten und mögliche Zielkonflikte zu identifizieren.
In der letzten Phase der Biodiversitäts-Exploratorien wurden sowohl die Großexperimente als auch der ‚common garden‘ EXClAvE etabliert, um die relativen Auswirkungen einzelner Landnutzungskomponenten (Mähen und Düngung) und ihrer Kombinationen auf die Vielfalt und Funktionalität von Ökosystemen zu quantifizieren. Um die morphologischen und physiologischen Reaktionen von Pflanzengemeinschaften zu verfolgen, haben wir einen Pflanzenscanner (PlantEye F500, Phenospex, Heerlen, Niederlande) genutzt, der die Eigenschaften ganzer Gemeinschaften vermisst in dem er der diese in 3D erfasst und die 3D-Informationen um multispektrale Informationen ergänzt. Wir konnten zeigen, dass Pflanzengemeinschaften kurzfristige Reaktionen auf Landnutzungsmaßnahmen in Bezug auf morphologische und physiologische Eigenschaften zeigen, nicht aber in Bezug auf die Artenzusammensetzung. In dem vorgeschlagenen Projekt werde ich a) den zeitlichen Verlauf der Reaktionen von Pflanzengemeinschaften auf experimentelle Landnutzungsmaßnahmen verfolgen; b) morphologische und physiologische Reaktionen von Pflanzengemeinschaften im ‚common garden‘ und in den REX/LUX-Experimenten vergleichen, um allgemeine Regeln für die Reaktionen von Gemeinschaften auf Landnutzungsänderungen zu generieren; und c) ein Gewächshausexperiment durchführen, um die Reaktionen der Pflanzenmorphologie, -physiologie und des Mikrobioms auf experimentelle Landnutzungsmaßnahmen bei vier ausgewählten Arten zu verfolgen, um abzuschätzen, wie die interspezifische Variation der Reaktionen zu gemeinschaftsweiten Auswirkungen beiträgt. Daher baut das vorgeschlagene Projekt auf den Daten der Biodiversitäts-Exploratorien und von EXClAvE auf, liefert neue Daten für die Biodiversitäts-Exploratorien, ist ein eigenständiger Beitrag zu der Frage, wie sich die Landnutzung auf Ökosysteme auswirkt, und wird zu einem mechanistischen Verständnis der Reaktionen von Gemeinschaften auf Komponenten der Landnutzung beitragen.
Auf Grund ihrer Bedeutung für die Anpassung der Wälder an Umweltänderungen und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen ist die Naturverjüngung zu einem Schwerpunkt der ökologischen Waldforschung geworden. Trotz der jüngsten technologischen Entwicklungen bleibt dies eine große Herausforderung. Insbesondere sehr kleine Pflanzen mit einer Höhe von weniger als 1,30 m und entsprechend kleinen Durchmessern sind mit photogrammetrischen Methoden schwer zu identifizieren. Manuelle Inventurmethoden, wie z. B. die klassische Vollinventur sind aber arbeitsintensiv und zu teuer, um sie auf großen Flächen anzuwenden. Das Projekt möchte dazu beitragen, dieses Problem zu lösen, in dem es ein Simulationswerkzeug zur Rekonstruktion von Punktmustern vorstellt und seine Qualität systematisch untersucht. Es basiert auf einem Forschungsansatz der drei Arbeitsschritte umfasst (1) die Erfassung der räumlichen Daten aller Bäume einschließlich der Verjüngung auf einer kleinen Teilfläche (= Referenzfläche), (2) die Erfassung des Oberstandes im gesamten Bestand (=Untersuchungsfläche) und (3) die Rekonstruktion der Verjüngung im gesamten Untersuchungsgebiet, wobei davon ausgegangen wird, dass überall die gleichen Beziehungen zwischen den Bäumen des Oberstandes und der Verjüngung wie in der Referenzfläche bestehen. Dieser Ansatz erlaubt es, die heutigen logistischen Möglichkeiten zu kombinieren: (a) die manuelle Erfassung der Verjüngung auf kleiner Fläche ist machbar, und (b) die Inventur des Oberstandes mit modernen Fernerkundungs- oder photogrammetrischen Methoden ist relativ einfach und weniger arbeitsintensiv. Indem das Projekt einen vorhanden und in den Forstwissenschaften bekannten Datensatz nutzt (Trainingsgrundlage wird der Datensatz des saisonalen tropischen Regenwaldes der Insel Barro Colorado (BCI) in Panama sein), kann es sich auf Schritt (3) beschränken. Ziel ist es systematisch zu untersuchen, welchen Einfluss eine höhere Strukturvielfalt und das Größenverhältnis von Referenz- und Prädiktionsflächen (= die gesamte Untersuchungsfläche) auf die Ergebnisse der Punktmuster-Rekonstruktion von Verjüngungspflanzen (=Unterstand) hat und welche räumlichen Statistiken besonders geeignet sind, diesen Einfluss quantitativ oder qualitativ zu bewerten. Die numerischen Methoden werden in einem dokumentierten R-Skript (bzw. R-Package) als zuverlässiges und effizientes Werkzeug für die Waldökologie und die forstliche Praxis zur Verfügung gestellt.
Räumliche Heterogenität in Standorteigenschaften ist ein Hauptfaktor für das Entstehen von Biodiversität, er wurde jedoch in den Biodiversitätsexploratorien kaum untersucht. Wir wollen diese Lücke füllen, indem wir theoretische, experimentelle und beobachtenden Studien integrieren, um die Mechanismen zu untersuchen, durch welche Habitatheterogenität von Landnutzung und Heterogenität durch Landnutzung Artenvielfalt im Grünland beeinflussen. Ein zugrunde liegendes Modell ist, dass Heterogenität sowohl positive als auch negative Effekte hat, bewirkt durch einen immanenten trade-off zwischen dem Heterogenitätsniveau und der effektiven Fläche, welche für Individuen in der Gemeinschaft zur Verfügung steht (AHTO-area-heterogeneity trade-off). In Phase 1 verwenden wir analytische Modelle, um einige simplifizierende Annahmen voriger AHTO-Modelle zu erweitern. Gleichzeitig diente ein einmaliges neues experimentelles System dem Test einiger Grundvorhersagen der Modelle. In Phase 2 erweitern wir unsere Arbeit in 3 Richtungen. 1) Wir skalieren unsere Modelle sowohl hoch (durch Erweitern des lokalen Modells zu einem Meta-Gemeinschaftsmodell) als auch herunter (durch explizite Modellierung von ober- und unterirdischen Konkurrenzeffekten bei individuellen Pflanzen). Die größere Skala wird das Modell an die Struktur der empirischen Arbeiten angleichen, die kleine Skala erfasst die eigentlichen Mechanismen, welche Landnutzung (insbesondere Düngung, Mahd, Beweidung) mit Konkurrenz und Artenvielfalt verbindet. 2) Um die empirisch beobachteten Diversitätsmuster besser zu verstehen, etablieren wir ein neues Experiment, in welchem wir das Wachstum der Zielarten ohne Konkurrenz messen, sowie unter Simulation von Düngung, Mahd und Tritt auf flachen und tiefen Böden. Die Ergebnisse gehen auch als realistischere Parameter in unsere Modelle ein. 3) Wir etablieren ein neues skalenübergreifendes Beobachtungssystem, um Landnutzung, Habitatheterogenität und Diversität zu verknüpfen. Die Untersuchungseinheit entspricht dabei derjenigen in den Experimenten, und das Design umfasst einen sehr großen Bereich von Skalen (vom Zentimeterbereich bis hin zu vielen Hundert Kilometern). Zudem nutzen wir neue Kooperationen in den Exploratorien, insbesondere mit CP3, um mit Fernerkundungsmethoden umfassende Daten zu kleinskaliger Habitatheterogenität und beta-Diversität für alle Grünland-EPs zu generieren. Die skalenübergreifenden theoretischen, experimentellen, beobachtenden und Fernerkundungsmethoden tragen signifikant zum Kausalverständnis darüber bei, wie Landnutzung Biodiversität indirekt, nämlich durch Modifikation von Habitatheterogenität, beeinflusst. Zudem liefern wir Daten für umfassende neue Syntheseprojekte.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 128 |
| Europa | 1 |
| Global | 1 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 86 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 128 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 128 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 107 |
| Englisch | 125 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Webseite | 128 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 103 |
| Lebewesen und Lebensräume | 127 |
| Luft | 60 |
| Mensch und Umwelt | 128 |
| Wasser | 50 |
| Weitere | 128 |