Elementkreisläufe in Wäldern und Grünländern der Biodiversitäts-Exploratorien: Reaktion auf Managementintensität und Biodiversität

 

Projekt in vorigen Phasen (2011-2017)

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Beate Michalzik

Sebastian Bischoff

Sebastian W. Oehmke

(Uni Jena)

Prof. Dr. Wolfgang Wilcke

Dr. Sophia Leimer

Dr. Peter Escher

Niklas Emendörfer

Tobias Wirsing

(Karlsruher Institut für Technologie)

Prof. Dr. Jan Siemens

Lisa Thieme

(Uni Gießen)

Prof. Dr. Martin Kaupenjohann

Katja Kerber

(TU Berlin)

Dr. Diana Hofmann (cooperat.)

(Forschungszentrum Jülich)

Elementflüsse reagieren weit schneller auf veränderte Umweltbedingungen (einschließlich veränderter Landnutzung und reduzierter Biodiversität) als die Bodenfestphase oder der Waldbestand selbst. Daher ist die Untersuchung von Elementflüssen ein geeignetes Mittel, um den Einfluss der Landnutzungsintensität und der Biodiversität auf das Funktionieren der Wald- und Grünlandökosysteme der Biodiversitäts-Exploratorien aufzuklären. Während bereits bekannt ist, dass unterschiedliche Landnutzungsformen (etwa Forst oder Grünland) starke Auswirkungen auf Elementkreisläufe haben, sind die Folgen unterschiedlich intensiven Managements derselben Landnutzungsform und der damit verbundenen Biodiversität für Elementkreisläufe in etablierten, real genutzten Ökosystemen bislang noch weitgehend unbekannt.

Element- und Nährstoffhaushalte von Ökosystemen umfassen Einträge (atmosphärische Deposition, Düngung), interne Kreisläufe (Mineralisation, Verwitterung, Aufnahme durch die Biomasse, Translokation, Akkumulation) sowie Austräge (Auswaschung, gasförmige Emissionen, Ernteentzug). Ein großer Teil der Umsetzung und des Stofftransportes erfolgt dabei in gelöster Form in Niederschlag und Bodenlösung. Sowohl für die Bereitstellung als auch für die Retention von Nährstoffen sind vor allem Prozesse im Boden und im Kronenraum von Bedeutung und finden deshalb besondere Beachtung. Viele dieser Prozesse sind biologischer Natur und es wird vermutet, dass Synergien durch höhere Biodiversität das interne Recycling von Elementen und Nährstoffen begünstigen und somit Nährstoffverluste verringert werden.

Als Beitrag zur Aufklärung der Steuergrößen stabiler Ökosystemfunktionen und daraus resultierender Ökosystemdienstleistungen („ecosystem services“) untersuchen wir Wasserflüsse und Nährstoffkreisläufe von verschiedenen Wald- als auch von Grünland-Management-Systemen unterschiedlicher Biodiversität in jedem der drei Exploratorien (insgesamt 56 Versuchsflächen).

 

Hypothesen

1.    Nährstoffein- und -austräge von Ökosystemen sowie Elementkreisläufe sind mit der Landnutzungsintensität und der Biodiversität verknüpft.

2.    Die Verluste von Nährelementen und Kohlenstoff mit dem Sickerwasser verhalten sich umgekehrt proportional zur Nutzungsintensität und Biodiversität von Wald- und Grünlandökosystemen.

3.    Die Umsetzung und das Recycling von Kohlenstoffverbindungen in Ökosystemen führt zu einer Angleichung der Qualität gelöster organischer Substanz unterschiedlicher Ökosysteme entlang des Wasser-Fließweges vom Kronenraum bis hin in den Unterboden.

 

Methoden

Zu diesem Zweck wurden Freilandniederschlags-, Bestandesniederschlags- und Stammabflusssammler sowie Streufallsammler aufgestellt, um sowohl den atmosphärischen Stoffeintrag als auch Umsetzungsprozesse im Kronenraum zu erfassen. Umsetzungen im Boden und Verluste mit dem Sickerwasser werden mit Hilfe von Lysimetern unter den organischen Waldbodenauflagen und Saugkerzen aufgeklärt.

In den gewonnenen wässrigen Lösungen bestimmen wir Konzentrationen von verschiedenen C- (Engl.: dissolved inorganic carbon = DIC, dissolved organic carbon = DOC, particulate organic carbon = POC), N- (dissolved nitrogen = DN, particulate nitrogen = PN, NH4-N, NO3-N) und P- Spezies (total phosphorus = TP, PO4-P), sowie von Elementen wie S, Na, K, Ca, Mg, Al, Mn und Si. Die Charakterisierung und Bestimmung der Qualität der gelösten organischen Substanz (Engl.: dissolved organic matter = DOM) erfolgt mit Hilfe von FT-ICR-MS, Fluoreszenzmessungen und Titrations-Mikrokalorimetrie, Umsätze von Nährelementen und deren Quellen werden mittels Stabilisotopenansätzen (15N) erforscht. Untersuchungen von 15N-Signalen auf Laub- und Nadelbaumblättern mittels Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) sollen Aufschluss über die Bildung und räumliche Verteilung partikulärer N-Verbindungen und anderer Nährstoffe im mikrobiell besiedelten Blattraum von Bäumen geben. Zusätzlich wird dabei die Zusammensetzung der mikrobiellen Phyllosphären-Gemeinschaft in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Aquatische Geomikrobiologie (FSU Jena) molekularbiologisch untersucht.

Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sind eine Voraussetzung dafür, Landnutzungs- und Biodiversitätseffekte voneinander zu trennen und hinsichtlich der Auswirkungen auf Stoffkreisläufe zu bewerten.

 

 

Installationen des Teilprojektes auf den Grünland VIPs
Installationsfläche im Wald VIP
Saugkerzenflaschen
Lysimeter
Stammabfluss
Stammabfluss
Aussicht von einer Grünlandfläche

Martin Schwarz, Wald

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Elementkreisläufe in Wäldern und Grünländern der Biodiversitäts-Exploratorien: Reaktion auf Managementintensität und Biodiversität

 

Projekt in vorigen Phasen ( 2009-2011)

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Wolfgang  Wilcke

Martin Schwarz

(Universität Bern)

PD Dr. Jan Siemens

Lisa Thieme

Nils Meyer

Sophia Leimer

(Universität Bonn)

Prof. Dr. Beate Michalzik

Sebastian Bischoff

(Universität Jena)


Elementkreisläufe in Wäldern und Grünländern der Biodiversitäts Exploratorien: Nachhaltige Bewirtschaftung von Ökosystemen wird durch geschlossene Element- und Nährstoffkreisläufe charakterisiert.

 

Hypothesen

1. Nährstoffeinträge und Elementkreisläufe im Ökosystem hängen mit der Landnutzungsintensität zusammen.

2. Die Nährelement- und Kohlenstoffauswaschung nimmt entlang eines Natürlichkeitsgradient von Wald- und Grünlandökosystemen und damit verbundener zunehmender Pflanzendiversität von Monokulturen zu naturnahen Pflanzengemeinschaften, ab.

 

Einleitung und Ziele

Element- und Nährstoffhaushalte von Ökosystemen gliedern sich in Eintrag (atmosphärische Deposition, Düngung), internen Umsatz und Transfer (Mineralisation, Verwitterung, Aufnahme durch die Biomasse, Translokation, Akkumulation) und Austrag (Auswaschung, gasförmige Emissionen, Ernteentzug). In natürlichen Ökosystemen tritt sowohl der interne Umsatz/Transport als auch der Export von Elementen und Nährstoffen hauptsächlich gelöst in Wasser auf.  Sowohl für die Bereitstellung als auch für die Retention von Nährstoffen sind vor allem Prozesse im Boden und im Kronenraum von Bedeutung und erfahren deshalb besondere Beachtung. Viele dieser Prozesse werden biologisch gesteuert und es wird vermutet, dass Synergien durch höhere Biodiversität das interne Recycling von Elementen und Nährstoffen begünstigen und somit Nährstoffverluste verringert werden. Deshalb werden wir Wasserflüsse und Nährstoffumsetzungsprozesse von drei unterschiedlich biodiversen Management-Systemen sowohl von Wald als auch von Grünland in jedem der drei Exploratorien bestimmen (insgesamt 54 Versuchsflächen).

Schema BECycles
Projekt-Schema (B. Michalzik)

Methoden

Zu diesem Zweck werden wir Freilandniederschlags-, Bestandesniederschlags- und Stammabflusssammler aufstellen, um sowohl den atmosphärischen Eintrag als auch Umsetzungsprozesse im Kronenraum zu bestimmen. Verwitterungsraten und Nährelementkreisläufe im Boden werden wir mit Hilfe von Streulysimetern und Saugkerzen aufklären. Nährelementumsätze und -quellen werden mit Stabilisotopenansätzen (?13C, ?15N, ?18O) untersucht.

Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sind eine Voraussetzung dafür, Landnutzungs- und Biodiversitätseffekte von einander zu trennen und hinsichtlich der Auswirkungen auf Stoffkreisläufe zu bewerten.

 

 

BECycles Bild
Installationen des Teilprojektes auf den Grünland VIPs (Foto: Martin Schwarz)
Installationsfläche im Wald VIP (Foto: Martin Schwarz)
Lysimeter im Waldboden (Foto: Martin Schwarz)
Saugkerze (Foto: Martin Schwarz)

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