A4.1 Ökosystemreaktionen und Rückkopplungen im Ökosystem-Atmosphäre-Austausch von CO2, H2O und VOCs in einem heterogenen Waldökosystem Um die Lücke zwischen der relativ kleinen Skala eines einzelnen Baumes und einem Waldbestand zu schließen, analysiert A4.1 den Austausch zwischen Ökosystem und Atmosphäre durch Eddy-Kovarianz Messungen von H2O, CO2 und dessen Isoflux (13CO2). Somit lassen sich die Flüsse auf einer integrierten Skala in ihre Komponenten (Ökosystematmung und Bruttoprimärproduktion) auftrennen. Darüber hinaus messen wir die Aufnahme und Freisetzung von VOC durch unsere Wälder und bringen sie mit wichtigen Ökosystemfunktionen in Verbindung, die stark auf Umweltveränderungen reagieren. A4.2 Entwicklung eines auf einem Interbandkaskadenlaser basierenden Messsystems zur Untersuchung des Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre von VOCs. Hier entwickeln wir erstmals eine optische spektroskopische Sensortechnologie, um VOCs mit Hilfe der durchstimmbaren Laserabsorptionsspektroskopie (TLAS) zu messen. Dies soll entlang der Konzentrationsgradienten am Messturm und in Verbindung mit Einzelblattküvetten (A3.2) erfolgen.
Stressoren kaskadieren in komplexer Art und Weise durch Ökosysteme. Zum Beispiel führt Nährstoffeintrag in Seen zu erhöhten Chlorophyll-a-Konzentrationen; in der Folge entstehen Trübungen und kleine Makrophyten können durch Beschattung verschwinden; gleichzeitig nimmt die Kohlendioxidkonzentration durch Photosynthese ab, wodurch Makrophyten, die ausschließlich Kohlendioxid verwenden können, beeinträchtigt werden. Viele Studien behandeln einzelne Teile solcher komplexen Beziehungen, aber bisher ist es nicht möglich, aus Einzelstudien resultierende Funktionen meta-analytisch zu einem kausalen Netzwerk zu kombinieren. Dieses Projekt wird eine neue Methode entwickeln um die Ergebnisse zahlreicher Studien zu integrieren und so komplexe Folgen von Stressoren in Ökosysteme vorherzusagen. Zwar gibt es bereits einige prinzipiell geeignete Modelltypen, aber alle haben Schwächen: Mechanistische Modelle treffen Vorhersagen, aber ihnen fehlt ein meta-analytischer Ansatz; Bayesische Strukturgleichungsmodelle integrieren Pfade, aber ebenfalls ohne meta-analytische Komponente; Bayesian Belief Networks sind zwar flexibel, können aber nichtlineare Funktionen nicht integrieren; Bayesische meta-analytische Strukturgleichungsmodelle verwenden standardisierte Effektgrößen, können aber keinen Stressor-Gradienten vorhersagen. In dem beantragten Vorhaben wird ein neuer Ansatz entwickelt (Posterior Predictive Meta-Analytic Networks), der Vorteile existierender Ansätze kombiniert und ihre Schwächen umgeht. Die Methode basiert auf absoluten Effektgrößen, die meta-analytisch kombiniert werden und kann gleichermaßen lineare, Kurven- und nichtlineare Funktionen verwenden. Sie generalisiert direkte und indirekte kausale Beziehungen zwischen Stressoren und ihren Effekten und ist in der Lage, die Folgen mehrschrittige Reaktionen vorherzusagen. Die PPMN-Syntax wird in R entwickelt, auf GitHub und schließlich auf CRAN verfügbar gemacht. Ein Netzwerk zu den Folgen der Eutrophierung in flachen Seen wird aufgebaut und in zwei Richtungen (Stressorenwirkung auf Effekte; und Vorhersage der Stressorenstärke durch Indikatoren) modelliert. Die etablierte Modellstruktur ist auf viele andere ökologische Fragen anwendbar.
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.
The Local Management Teams (LMTs) provide the basis for the experimental work of all projects in the three Biodiversity Exploratories. The LMT maintain the infrastructure of the plots and support the research of the individual projects. The main tasks of the three LMTs (one per exploratory) include (1) maintenance of all 300 Experimental Plots (EPs) including the Medium Intensive (MIP) and Very Intensive Plots (VIPs), (2) maintenance of the new multi-plot experiments in grassland and forest, (3) procurement of all necessary research permits, (4) introduction of researchers to the plots and the logistics of the exploratory project, (5) support of research activities in the field, (6) provision of baseline data on local land use and meteorology, (7) public relations work in the region. The LMTs are the interface of the Biodiversity Exploratories project in the three regions and act as liaison body to land users, local and regional government offices and other stakeholders. The LMTs together with the BEO form the administrative and operational backbone of the Exploratories. Given the high number of participants, the particular setting of the research plots in a landscape with large numbers of different landowners and land-users as well as different land-use intensities and the high workload associated with plot maintenance, research permits and overall coordination, the LMTs are indispensable for the short and long-term continuation of the project as an interdisciplinary research platform for biodiversity.
Ziel dieser Studie ist es zu verstehen, wie sich Unterschiede im chemischen Aufbau baumbürtiger DOM (treeDOM; Kronendurchlass, Stammabfluss, Streulösungen, Wurzelexsudate) auf die Bodenvegetation und mikrobiell-ökologische Prozesse in Boden und Untergrund auswirken. Neben der Erfassung von Baumarten- und Landnutzungseffekten auf DOM und Nährstoffe vom Kronenraum bis in die Wurzelzone, werden DOM und Wurzelexsudate aus dem Freiland analysiert und ihre Wirkung auf bodenmikrobiologische Prozesse ermittelt. Mesokosmenversuche testen die Interaktionen zwischen DOM, Pflanzenwachstum und Prozessen der bodenmikrobiellen Gemeinschaft. Die Kombination dieser sich ergänzenden experimentellen Ansätze erlaubt neue Einblicke in die Beziehung zwischen treeDOM und ökologischen Prozessen am Waldboden.
Materielle sowie immateriellen Beiträge der Natur zu Menschen (nature’s contributions to people, NCP) sind wichtige Bestandteile des menschlichen Wohlbefindens, werden jedoch selten gemeinsam untersucht. Wichtig hierbei ist, dass derzeit ein gutes Verständnis der Beziehungen und Mechanismen fehlt, die die biologische Vielfalt und materielle und immaterielle NCP verbinden. Dies gilt insbesondere für tropische Gebirgsökosysteme. Das übergeordnete Ziel von KiLi-SES SP2 besteht darin, Komponenten der biologischen Vielfalt zu identifizieren und zu quantifizieren, die die Versorgung mit materiellen und immateriellen NCP unterstützen, und die Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsgradienten auf die Beziehungen zwischen biologischer Vielfalt und NCP zu untersuchen. Für materielle NCP werden wir uns auf die Produktion von Brennholz und Holzkohle (Energie), Pflanzen, Lebensmittel aus der Natur, Viehfutter und schädliche Arten (für Lebensmittel und Futtermittel), Ethnopharmazie (medizinische Ressourcen), Holzproduktion und Kleidung (Materialien) konzentrieren. Für immateriellen NCP werden wir Freizeitaktivitäten, Klanglandschaften, Landschaftsästhetik und psychologisch nützliche und schädliche Arten (physische und psychologische Erfahrungen) sowie die Zufriedenheit mit dem Kennen bestimmter Arten und heiliger Orte (unterstützende Identitäten) untersuchen. Wir werden uns zum einen auf Datensätze stützen, die in KiLi 1 auf der Ebene von 65 Untersuchungsflächen entlang des Höhengradienten am Kilimandscharo gesammelt wurden. Zum anderen werden wir weitere Datenerhebungen durchführen, um Biodiversitätskomponenten auf der Ebene der Arten, über taxonomische, phylogenetische und funktionelle Vielfalt, bis hin zur Vielfalt von Ökosystemen zu erfassen. Insbesondere sind zusätzliche Daten erforderlich, um spezifische Biodiversitätskomponenten zu quantifizieren, die materielle NCP (z. B. Sorten, Ernteertrag) und nicht-materielle NCP (z. B. Landschaftsästhetik, Klanglandschaften) unterstützen. Unsere spezifischen Ziele sind: (1) Die Bewertung des Angebots an materiellen und immateriellen NCP am Kilimandscharo, (2) Die Untersuchung, welche Biodiversitätskomponenten für materielles und immaterielles NCP und deren Beziehung zu Klima- und Landnutzungsgradienten verantwortlich sind, und (3) die Untersuchung der Synergien und Zielkonflikte beim Angebot multipler materieller und immaterieller NCP in Bezug auf die verschiedenen am Kilimandscharo anwesende Akteursgruppen. KiLi-SES SP2 wird daher wichtige Informationen zur Versorgung mit materiellen und immateriellen NCP und deren Treibern liefern, die zusätzlich zu den Daten zur Regulierung von NCP in KiLi-SES SP1 zu einem grundlegenden Verständnis dessen beitragen, wie die Natur zum Wohlbefinden von Menschen in tropischen Gebirgsökosystemen beiträgt.
Die Pflanzengemeinschaften der Krautschicht in Wäldern sowie die epigäischen und epiphytischen Moose und Flechten sind ein wesentlicher Bestandteil der Biodiversität temperater Wälder. Zudem spielen sie eine wichtige Rolle für zahlreiche Ökosystemfunktionen, z.B. Primärproduktion, Regulation des Mikroklimas, Zersetzung oder Habitatbereitstellung. Es ist gut belegt, dass diese Taxa stark auf eine Veränderung der Habitatbedingungen reagieren, was wiederum zu einem Wandel in der Artenzusammensetzung und Diversität auf der lokalen Ebene (d.h. der a-Diversität) führt. Es ist daher zu erwarten, dass die Modifikation der biotischen und abiotischen Habitatbedingungen durch eine Erhöhung der strukturellen Komplexität auf der Ebene der Parzelle (sog. ESC-Behandlung) und des Waldbestandes (ESBC-Behandlung) starke Auswirkungen auf diese Lebensgemeinschaften und die damit verbundenen Ökosystemfunktionen hat. Die Richtung und das Ausmaß der ESBC-Behandlungseffekte auf die taxonomische und funktionelle ß-Diversität der Pflanzengemeinschaften in der Kraut- und Bodenschicht sowie der baumbewohnenden Kryptogamen in realen Waldlandschaften ist jedoch unbekannt. Das Hauptziel dieses Teilprojekts ist zu untersuchen, inwieweit eine Erhöhung der räumlichen Heterogenität durch die Anwendung von ESBC-Behandlungen die ß-Diversität von krautigen Gefäßpflanzen sowie epigäischen und baumbewohnenden Moosen und Flechten ansteigen lässt. Bezüglich der krautigen Arten soll zudem analysiert werden, wie sich dies auf die ober- und unterirdische Biomasseproduktion auswirkt. Auf allen Parzellen werden wir Vegetationsaufnahmen durchführen und die epiphytischen Kryptogamen erfassen. Dadurch führen wir unsere Dauerbeobachtungsreihen fort, die wir in den Jahren 2016 bis 2018 auf allen 11 Standorten begonnen haben. Darüber hinaus ermitteln wir funktionale Merkmale von krautigen Gefäßpflanzen (bezogen auf Blätter, Wurzeln und Pflanzengröße), um funktionelle Diversitätsmaße auf der a- und ß-Ebene zu berechnen. Zudem wird die ober- und unterirdische Biomasse der Kraut- und Bodenschicht bestimmt als Maß für die Primärproduktivität. Wir testen die Hypothesen, dass die Erhöhung der räumlichen Heterogenität infolge von ESBC-Behandlungen die taxonomische und funktionelle ß-Diversität der krautigen Gefäßpflanzen sowie epigäischen Moose und Flechten ansteigen lässt (Hypothese 1), und dass die Erhöhung der taxonomischen und funktionellen ß-Diversität die ober- und unterirdische Produktivität der krautigen Gefäßpflanzen auf der Ebene der Waldbestände positiv beeinflusst (Hypothese 2). Für die gesamte Forschungsgruppe stellen wir Biodiversitätsdaten für Gefäßpflanzen, Moose und Flechten bereit. Darüber hinaus liefern wir wichtige funktionale Merkmale krautiger Gefäßpflanzen für die Merkmalsdatenbank. Schließlich wird unser Teilprojekt die ober- und unterirdische Primärproduktivität als eine wichtige Ökosystemfunktion von Wäldern bestimmen, und damit zur Multifunktionalitätsanalyse beitragen.
B1.1 Räumlich-zeitliche Heterogenität der Blattchlorophyll Fluoreszenz Wir werden die räumlich-zeitliche Heterogenität von Chlorophyll Fluoreszenz als sensitiver Parameter für Stresseffekte zusammen mit mikroklimatischen Parametern auf Blattebene messen. Durch multiple Mikro-Sensoren erreichen wir eine neue Dimension von räumlichen Analyse um sowohl innerhalb einzelner Baumkronen und Baumgruppen Hot Spots und Hot Moments stressbedingter Veränderungen der photosynthetischen Effizienz zu identifizieren.B1.2 Minimalinvasive und energiebewusste multifunktionale Blattsensoren Wir entwickeln neuartige drahtlose, energieautarke ChlF-Sensoren, die flexible, multifunktionale (Mikroklima) und hochintegrierte Mikrosensoren verwenden. Die neuartigen Blattsensoren (<1cm²) werden den höchsten Grad an Miniaturisierung aufweisen, um die geringste Störung bei den Blättern zu gewährleisten. Diese Sensoren fungieren als unabhängige Sensorknoten, da sie dank Solarenergie ihre Daten drahtlos übermitteln. Sie können im Rahmen einer "Deploy and forget"-Strategie installiert werden.
Die Verschmutzung durch Kunststoffe hat sich zu einer anerkannten Bedrohung für terrestrische Ökosysteme entwickelt. Sobald Kunststoffe in die Umwelt gelangen, kommt es zu einem Abbau, der die Eigenschaften des Plastikmülls verändert (z. B. Sorptionsfähigkeit, Sprödigkeit, Flexibilität), was Auswirkungen auf Pflanzen-Boden-Systeme haben kann. Die Photodegradation kann als einer der häufigsten Prozesse des Kunststoffabbaus weltweit angesehen werden. Dadurch wird Kunststoff spröde und zersplittert in kleine Stücke (Mikroplastik), erhöht seine Sorptionskapazität für Metalle und organische Verbindungen und kann potenziell das Sickerwasser oder gefährliche Chemikalien in den Boden erhöhen. Der Abbau von Mikroplastik kann nicht nur die Bodenfunktionalität und die Struktur von Lebensgemeinschaften verändern, sondern auch die Leistung von Pflanzen, so dass die jüngsten Forschungen, die scheinbar positive Auswirkungen von Mikroplastik auf die Pflanzenproduktivität und die Bodeneigenschaften beschreiben, möglicherweise nur einen Teil der Wahrheit erfassen, da sie nur die Auswirkungen von unberührtem Mikroplastik (bevor es abgebaut wurde) auf Pflanzen-Boden-Systeme berücksichtigen. Das Ziel dieses Projekts ist es zu verstehen, wie abgebautes Mikroplastik (das echte Mikroplastik, das tatsächlich in die Bodenmatrix gelangt) die Pflanzen-Boden-Funktionalität unter Verwendung von Mikrokosmen beeinflusst. Konkret möchte ich i) die Mechanismen entwirren, durch die sich der Abbau von Mikroplastik (Mikroplastik, Form, Polymertyp, Größe und Sickerwasser) auf Pflanzen-Boden-Systeme auswirkt, und ii) die Auswirkungen auf die Struktur der Pflanzengemeinschaften testen, die sie haben können. Um dies zu wissen, werde ich eine Reihe von Experimenten entwickeln, um dies zu untersuchen. Zunächst möchte ich den Abbau von Mikroplastik in Abhängigkeit von der Form des Mikroplastiks (Fasern, Folien, Schäume) und dem Polymertyp (z.B. Polyethylen, Polypropylen) untersuchen. Dann möchte ich die Mechanismen des Mikroplastikabbaus in Abhängigkeit von der Größe des Mikroplastiks und den chemischen Sickerstoffen entschlüsseln, und schließlich möchte ich verstehen, welche Auswirkungen die Form des Mikroplastiks, der Polymertyp, die Größe und die Sickerstoffe auf wichtige Lebensstadien der Pflanzenentwicklung haben. Das heißt, Samenkeimung, Pflanzenwachstum und Pflanzenfitness. Darüber hinaus möchte ich die potenziellen Auswirkungen verstehen, die all dies auf die Konkurrenzfähigkeit von Pflanzenarten haben kann.
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.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 128 |
| Europa | 1 |
| Global | 1 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 112 |
| 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 |