Objectives: 1. To test if the concept of novel and hybrid ecosystems forwarded by R. Hobbs and colleagues applies to degraded subtropical grasslands, i.e. if these ecosystems group along axes of deviation in abiotic conditions and biotic composition from reference ecosystems. 2. To investigate the extent to which ecosystem functions in the hybrid and novel ecosystems differ from reference grasslands, and whether these differences are related to deviation from the biodiversity of reference systems. 3. To manipulate degraded grasslands through selected restoration methods to identify transition thresholds and to test if restorability of abiotic conditions and biotic composition corresponds to restorability of ecosystem functions. A large-scale rapid ecosystem assessment will form the analytical basis of the study, followed up by field experiments on seed limitation (i.e. lack of seed bank or dispersal) and site limitation (i.e. lack of safe sites for germination and inadequate conditions for plant establishment). The experiments will be conducted in a factorial design testing for transition thresholds between degradation stages.
This project research will focus on plant functional diversity and its implications for carbon, nutrient and water cycling by varying plant species richness. Interactions of plant ecophysiology, but also community ecology with ecosystem processes, and processes at the transition between the biosphere and the pedosphere will be studied. This study has the following objectives: (1) to quantify the effect of changing plant biodiversity on ecophysiological and biogeochemical processes, such as net carbon, nitrogen and cation sequestration in above-ground plant biomass as well as gaseous soil CO2 and NO losses in experimental grassland communities, (2) to investigate the underlying ecophysiological mechanisms that produce plant biodiversity effects, (3)to test the redundancy of different plant species within a functional group, (4) to compare ecophysiological responses of individual plant species to responses of grassland communities to varying environmental conditions, and (5) to determine the relationship between inter-annual variability of those ecosystem processes and plant biodiversity.
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.
Schwefel (S) ist ein essentielles Nährelement für Mikroorganismen und Pflanzen. Eine ausreichende S-Versorgung ist daher entscheidend für die Erhaltung von Ökosystemfunktionen und -produktivität. Ziel dieses Projekts ist es, zu testen, ob die Kombination aus Ökosystem (Grünland vs. Wald) und Landnutzungsintensität (d.h. Einträge und Export von S) mit unterschiedlichen Mechanismen des S-Recyclings in Böden gekoppelt ist, wodurch letztlich der Artenreichtum und die Artenzusammensetzung an den jeweiligen Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien beeinflusst wird. Im Speziellen nehmen wir an, dass (i) die S-Vorräte und die S-Verfügbarkeit für jedes Ökosystem durch die Landnutzungsintensität und die S-Speicherkapazität innerhalb des Bodenprofils bestimmt werden; dass (ii) Ökosysteme mit geringer Landnutzungsintensität durch ein intensiveres S-Recycling und damit auch eine höhere S-Nutzungseffizienz im Vergleich zu Standorten mit intensiver Bewirtschaftung gekennzeichnet sind; und dass (iii) eine Abnahme der Landnutzungsintensität in Grünlandböden zu einem effizienteren S-Recycling führen wird. Da für die Biodiversitäts-Exploratorien bisher nur wenige Daten zu Schwefel erhoben wurden, werden in diesem Projekt zunächst die aktuellen S-Vorräte und die S-Verfügbarkeit im Bodenprofil entlang der Landnutzungsgradienten bestimmt. Anschließend werden wir das mikrobielle S-Recycling und die Enzymaktivität sowie Isotopenverhältnisse (delta 34S und delta 18O-SO4) analysieren, um standortspezifische Unterschiede in der S-Nutzungseffizienz und dem S-Recycling zu identifizieren. Über die Dauer des Projekts werden wir weiterhin beobachten, wie sich diese Indikatoren für S-Verfügbarkeit und S-Recycling nach einer Landnutzungsänderung in Grünland verändern. In Zusammenarbeit mit anderen Partnern aus diesem Schwerpunktprogramm wird das Projekt somit zu einem besseren Verständnis beitragen, welche Faktoren die Biodiverisität an den Standorten der Exploratorien beeinflussen.
Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.
This project aims to elucidate how sensitive and to which extent soil properties respond to different rangeland management in the grassland and savannah biome of semiarid South Africa, and to figure out to which degree changes of the ecosystems are perceived and caused by farmers' decisions. We hypothesise that both ecosystems respond differently to rangeland degradation: in the savannah biome bush encroachment leads to an improvement of the soil quality, whereas in grasslands degradation of the soils proceeds with intensified management.
Grünlandökosysteme sind der Schwerpunkt von Biodiversitätsforschung in den letzten Jahrzehnten, wobei die Biodiversitätsexploratorien einen wichtigen Beitrag geleistet haben. Die unterschiedlichen Pflanzentypen z.B. Leguminosen, Gräser und Krautige und deren Vorkommen in Lebensgemeinschaften haben einen starken Einfluss auf den Nährstoffumsatz und die Biomasseproduktion im Grünland. Viele Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf den Einfluss von Mechanismen der Landnutzungsänderung welche die Biodiversität von diesen Ökosystemen erklären. In diesem Zusammenhang wurde die Rolle von Silizium (Si) und Calcium (Ca) diskutiert. Beide Elemente werden von Pflanzen genutzt um Herbivorie abzuwehren. Poaceae sind reich an Si und arm and Ca wohingegen Fabaceae viel Ca und wenig Si akkumulieren. Die Anreicherung von Si und Ca in Pflanzen steht in Zusammenhang mit der Ressourcenaufnahmestrategie und Abbaubarkeit entlang des „fast-slow economic spectrum“. Durch den pflanzenspezifisch unterschiedlichen Bedarf an Si und Ca wirken sich unterschiedliche Verfügbarkeiten dieser Elemente im Boden unterschiedlich auf die Pflanzengemeinschaften aus. Die Si-Verfügbarkeit im Boden hat einen Einfluss auf die Biomasseproduktion von Gräsern und deren Phosphorgehalt. Für Leguminosen ist Ca wichtig für den Stickstoff- und Phosphorgehalt der Pflanzen. Im Rahmen der Biodiversitätsexploratorien wurde gezeigt, dass Landnutzungsart und -intentsität einen starken Einfluss auf Pflanzengemeinschaften hat. Da Si und Ca einen starken Einfluss auf die Ökosystemleistung im Grünland haben und dies bisher nicht umfassend untersucht wurde, möchten wir in unserem Projekt auf diesen Aspekt fokussieren. Wir erwarten direkte und indirekte Zusammenhänge zwischen Landnutzung, Si und Ca in Boden und Pflanzen im Hinblick auf Ökosystemprozesse und Ökosystemdienstleistung im Grünland. Das Ziel des Projekts ist es, die Mechanismen aufzuklären, welche die Verfügbarkeit von Si und Ca im Boden in Bezug zu der Konzentration von Si und Ca in Pflanzen für die verschiedenen Pflanzentypen und Pflanzengemeinschaften unter verschiedenen Nutzungsbedingungen in den Biodiversitätsexploratorien zugrunde liegen. Daher möchten wir aufklären, wie sich Landnutzung auf die Si und Ca- Gehalte in der Biomasse von Pflanzengemeinschaften auswirkt (Ziel 1), wie sich unterschiedliche Verfügbarkeit von Si und Ca in Böden auf die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften auswirkt (Ziel 2), und wie unterschiedliche Arten und funktionelle Gruppen plastisch auf Si- und Ca-Verfügbarkeit reagieren (Ziel 3). Schlussendlich wollen wir die kausalen Zusammenhänge verstehen, welche zu unterschiedlichen Si- und Ca-Konzentrationen in der oberirdischen Biomasse im genutzten Grünland führen (Ziel 4).
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die Mengen der Wurzelexsudate in einem im Labor modellierten Grünlandökosystem quantifiziert werden. Die Untersuchungen sollen genaue Kenntnis über die Teilkomponenten der Rhizodeposition und der Bodenatmung erbringen. Zur präzisen Quantifizierung der Teilkomponenten der Rhizodeposition wird die Translokation von14C-Assimilaten in den Boden von einem für Grünlandökosystem typischen Vertreter - Lolium perenne - verfolgt. Dabei werden drei aus der Literatur bekannte Methoden mit eigenen Modifikationen und einer selbst entwickelten Methode verglichen. Diese Methoden stützen sich auf die Prinzipien: der Isotopenverdünnung, der Markierung verschiedener Pools in parallelen Varianten, der kurzfristigen Inhibierung der Mikroorganismenaktivität und der zeitlichen Trennung von Prozessen mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die anderen Kapitel der Habilitationsschrift werden folgenden Teilprozessen der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden anhand der Ergebnisse früherer Untersuchungen des Antragsstellers gewidmet: 1) den Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der niedermolekularen organischen Substanzen 2) ihrer Verwertung durch die Bodenmikroorganismen 3) Dynamik des Einbaus in die Humusfraktionen und Rezyklierung der Humusfraktionen durch die niedermolekularen organischen Substanzen 4) Aufnahme von niedermolekularen organischen Substanzen durch die Pflanzen (kurz) 5) ihre Migration im Boden (kurz) Ein spezielles Kapitel wird der Transformation der Aminosäuren - den wichtigsten N-haltigen organischen Substanzen im boden - gewidmet. Die experimentellen Ergebnisse werden in der Habilitation zu einem Gesamtkonzept der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden zusammengefasst.
Die Intensivierung der Landnutzung ist ein wichtiger Faktor für den Verlust der biologischen Vielfalt in terrestrischen Ökosystemen. Studien in Graslandökosystemen haben gezeigt, dass Veränderungen im lokalen Pflanzenreichtum Effekte auf höhere trophische Ebenen, biotische Interaktionen und damit verbundene Ökosystemprozesse haben können. Einer dieser Prozesse, die Prädation auf Pflanzensamen, kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Demographie von Pflanzenarten haben und letztlich die Artenvielfalt und die Gemeinschaftsstruktur verändern. Bislang fehlt uns ein klares Verständnis, wie sich Samen-Prädation auf Veränderungen in Grasländern reagieren. Bisher waren die Fortschritte begrenzt durch die Kluft zwischen Biodiversitätsexperimenten einerseits, und reinen Beobachtungsstudien andererseits. Ein neues Grünlandexperiment zielt darauf ab, dies zu überwinden, indem es die Managementintensität einzelner Faktoren der Landnutzung experimentell erhöht oder verringert. Darüber hinaus wird der Reichtum der lokalen Pflanzenarten durch die Zugabe von Saatgut beeinflusst. Das neue Experiment dient damit als wichtige Brücke zwischen Beobachtungs- und experimentellen Grünland-Biodiversitätsstudien. In unserem Projektantrag planen wir auf allen 75 Plots des neuen Experimentes zu arbeiten. Wir werden die Beziehungen zwischen der Pflanzengemeinschaft und den bodenbewohnenden Arthropoden und dem Ökosystemprozess der Samen-Prädation als Reaktion auf Veränderungen der Landnutzungsintensität und der Vegetationsmerkmale untersuchen: (i) Untersuchung der Veränderungen der Vielfalt an Arthropodenarten und funktionellen Gruppen, der Merkmalsvielfalt und der Zusammensetzung der Gemeinschaft in allen drei Exploratorien. Dies ermöglicht es erstmals, die Auswirkungen einzelner Komponenten der Landnutzung, d.h. der Bewirtschaftung durch Mähen und Weiden sowie der Düngung, zu entflechten. (ii) Quantifizierung der Ökosystemprozessrate der Samen-Prädation und des relativen Beitrags der verschiedenen Taxa der Samenprädatoren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir ein neuartiges Feldexperiment unter realen Bedingungen durchführen, dass in das neue Grünlandexperiment im Hainich-Dün eingebettet ist.(iii) Wir werden die Ernährungspräferenzen von Samenprädatoren qualitativ und quantitativ mit zusätzlichen Messungen erfassen. Wir werden Merkmalseigenschaften der Arten wie Körpergröße und Mandibelbreite mit Hilfe neuartiger HD-Mikroskopiertechniken ermitteln. Messungen der elementaren Zusammensetzung von Konsumenten und ihren Ressourcen werden neue Erkenntnisse über Fraßinteraktionen liefern.Das Projekt wird eng mit anderen Projekten der Biodiversitäts-Exploratorien zusammenarbeiten. Insgesamt kombiniert unser neuartiger Ansatz Manipulationen von Diversität und Messungen einer Prozessrate mit reellen Formen der Landnutzung. Er wird einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Rolle der Pflanzendiversität und der Intensität der Landnutzung für die Samen-Prädation liefern.
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