Beziehungen zwischen Nährstoffkonzentrationen, Rohfasergehalten und Isotopensignalen von Grünlandbiomasse zu Biodiversitätsmustern, Ökosystemprozessen und der Landnutzungsintensität mit Hilfe multitemporaler Daten aus Nahinfrarot Spektroskopie (NIRS)

Ziele

Die AG Ökosystemforschung am Institut für Landschaftsökologie der Universität Münster beteiligt sich als Teilprojekt BioComp an den Biodiversitäts-Exploratorien. Es wird die zeitliche und räumliche Variabilität der kompositorische Eigenschaften in der Grünlandbiomasse untersucht und die gefundenen Muster in Beziehung zu Landnutzung, Diversität, Ökosystemprozessen gesetzt.

Hypothesen

1.    Delta-15N ist positiv mit der aktuellen und historischen Landnutzungsintensität korreliert; für delta-13C gilt dieser Zusammenhang nicht.
2.    Delta-15N ist negativ mit dem Pflanzenartenreichtum korreliert und reichert sich mit sinkenden P Konzentrationen in der Biomasse ab; für delta-13C besteht dieser Zusammenhang nicht.
3.    Sowohl Nährstoffkonzentrationen als auch delta-15N und delta-13C in Grünlandbiomasse spiegeln interannuelle Witterungsschwanken wieder.
4.    Die jährliche Schwankung der Isotopensignale und der Nährstoffkonzentrationen ist in artenreichem geringer als in artenarmem Grünland.

Methoden

Die Messung von Pflanzeninhaltstoffen ist sehr zeit- und kostenintensiv, derartige Daten sind daher in der Regel nicht in großem Umfang bzw. ausreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung vorhanden. Für die Deutung von Diversitätsmustern sind Informationen zur chemischen Zusammensetzung der Biomasse jedoch von zentraler Bedeutung. Um diese Beschränkungen zu überwinden hat BioComp in der ersten Projektphase (2009-2011) die innovative Technik der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur günstigen und schnellen Messung der chemischen Zusammensetzung von Pflanzenbiomasse eingesetzt. Es wurden Vorhersagemodelle für C, N, P, K, Ca, Mg, NDF, ADF, ADL, Zellulose und den Aschegehalt entwickelt.

Das Fortsetzungsprojekt (2011-2014) wird die bereits vorhandenen Vorhersagemodelle nutzen und darüber hinaus Kalibrationen für delta-15N und delta-13C in Grünlandbiomasse entwickeln. Diese Kalibrationen können auf bereits existierende sowie neu aufgezeichnete Spektren angewandt werden, so dass ein fünfjähriger Datensatz mit verschieden chemischen Charakteristika der Biomasse für die 150 Experimentier plots im Grünland erzeugt werden kann. Neben unseren eigenen Forschungsfragen, können die Kalibrationsmodelle von anderen Teilprojekten für eine schnelle und günstige Messung der chemischen Zusammensetzung von Grünlandbiomasse genutzt werden, was vielfältige Möglichkeiten der synthetischen Datenauswertung eröffnet.

Labor

Abbildung: Das Foto zeigt auf einer ungemähten Wiese eine Probenfläche, die von einem quadratischen Biomasse-Rahmen umgrenzt wird. Der Rahmen ist aus grauem Metall und hat eine Kantenlänge von ungefähr vierzig Zentimetern und einer Höhe von ungefähr fünfzehn Zentimetern. Man sieht die zwei Hände einer Person, die Gras aus der Probenfläche entnimmt.

Publikationen

Evidence from the real world: 15N natural abundances reveal enhanced nitrogen use at high plant diversity in Central European grasslands

Stickstoffisotopie offenbart vollständigere Stickstoffausnutzung unter hoher Pflanzendiversität im Mitteleuropäischen Grünland

Kleinebecker T., Hölzel N., Prati D., Schmitt B., Fischer M., Klaus V. H. (2014): Evidence from the real world: 15N natural abundances reveal enhanced nitrogen use at high plant diversity in Central European grasslands. Journal of Ecology 102 (2), 456–465. doi: 10.1111/1365-2745.12202

Organic vs. Conventional Grassland Management: Do 15N and 13C Isotopic Signatures of Hay and Soil Samples Differ?

Lassen sich Heu- und Bodenproben von ökologisch bzw. konventionell bewirtschafteten Grünlandfl ächen anhand ihrer Stickstoff- und Kohlenstoff-Isotopie (15N und 13 C) unterscheiden?

Klaus V. H., Hölzel N., Prati D., Schmitt B., Schöning I., Schrumpf M., Fischer M., Kleinebecker T. (2013): Organic vs. Conventional Grassland Management: Do 15N and 13C Isotopic Signatures of Hay and Soil Samples Differ? PLoS ONE 8 (10): e78134. doi: 10.1371/journal.pone.0078134

Small‐scale variability and seasonal dynamics of chemical biomass composition of grassland in the Swabian Alb

Kleinräumige Variabilität und saisonale Dynamik der chemischen Biomassezusammensetzung eines Graslandes in der Schwäbischen Alb

Lüling J. (2013): Kleinräumige Variabilität und saisonale Dynamik der chemischen Biomassezusammensetzung eines Graslandes in der Schwäbischen Alb. Thesis, University Muenster

Effects of land-use intensity on leaf traits of Taraxacum sect. ruderalia

Feldmann S. (2013): Effects of land-use intensity on leaf traits of Taraxacum sect. ruderalia. Bachelor thesis, University Muenster

Does organic grassland farming benefit plant and arthropod diversityat the expense of yield and soil fertility?

Begünstigt ökologische Landwirtschaft im Grünland die Diversität von Pflanzen und wirbellosen Tieren auf Kosten von Erträgen und Bodenfruchtbarkeit?

Klaus V. H., Kleinebecker T., Prati D., Gossner M. M., Alt F., Boch S., Gockel S., Hemp A., Lange M., Müller J., Oelmann Y., Pasalic E., Renner S. C., Socher S., Türke M., Weisser W. W., Fischer M., Hölzel N. (2013): Does organic grassland farming benefit plant and arthropod diversityat the expense of yield and soil fertility? Agriculture, Ecosystems and Environment 177, 1– 9. doi: 10.1016/j.agee.2013.05.019

Direct and indirect associations between plant species richness and productivity in grasslands: regional differences preclude simple generalization of productivity-biodiversity relationships

Direkte und indirekte Zusammenhänge von Pflanzenartenreichtum und Produktivität im Grünland: regionale Unterschiede verhindern einfache Verallgemeinerung von Produktivitäts-Diversitäts-Beziehungen

Klaus V. H., Hölzel N., Boch S., Müller J., Socher S. A., Prati D., Fischer M., Kleinebecker T. (2013): Direct and indirect associations between plant species richness and productivity in grasslands: regional differences preclude simple generalization of productivity-biodiversity relationships. Preslia 85, 97–112

Interannuelle Variabilität der Aufwuchsqualität von Wirtschaftsgrünland entlang eines Landnutzungsgradienten

Wittig S. (2012): Interannuelle Variabilität der Aufwuchsqualität von Wirtschaftsgrünland entlang eines Landnutzungsgradienten. Bachelor thesis, University Muenster

Räumliche Variabilität der chemischen Zusammensetzung oberirdischer Grünlandbiomasse entlang eines Landnutzungsgradienten

Bülter S. (2012): Räumliche Variabilität der chemischen Zusammensetzung oberirdischer Grünlandbiomasse entlang eines Landnutzungsgradienten. Bachelor thesis, University Muenster.

NIRS meets Ellenberg’s indicator values: Prediction of moisture and nitrogen values of agricultural grassland vegetation by means of near-infrared spectral characteristics

NIRS trifft auf Indikatorwerte nach Ellenberg: Vorhersage von Feuchte- und Stickstoff-Werten der Vegetation landwirtschaftlichen Grünlands mittels Nahinfrarot-Spektroskopie

Klaus V. H., Kleinbecker T., Boch S., Müller J., Socher S., Prati D., Fischer M., Hölzel N. (2012): NIRS meets Ellenberg's indicator values: Prediction of moisture and nitrogen values of agricultural grassland vegetation by means of near-infrared spectral characteristics. Ecological Indicators 14 (1), 82-86. doi:10.1016/j.ecolind.2011.07.016

Relationships between productivity, land-use intensity and plant species richness in agricultural grasslands

Klaus V. H.(2012): Relationships between productivity, land-use intensity and plant species richness in agricultural grasslands. Dissertation, University Muenster.

Reducing sample quantity and maintaining high-prediction quality of grassland biomass properties with near infrared reflectance spectroscopy

Reduzierung der Probenmenge und Aufrechterhaltung von präziser Vorhersagequalität der Eigenschaften von Grünland-Biomasse mittels Nahinfrarot-Spektroskopie

Kleinebecker T., Klaus V., Hölzel N. (2011): Reducing sample quantity and maintaining high-prediction quality of grassland biomass properties with near infrared reflectance spectroscopy. Journal of Near Infrared Spectroscopy 19(6), 495–505. doi: 10.1255/jnirs.957

Nutrient concentrations and fibre contents of plant community biomass reflect species richness patterns along a broad range of land-use intensities among agricultural grasslands

Nährstoffkonzentrationen und Fasergehalte der Biomasse von pflanzlichen Gemeinschaften spiegeln Artenreichtumsmuster entlang einer großen Spanne von Landnutzungsintensitäten bei landwirtschaftlichen Grünlandflächen wider

Klaus V. H., Kleinebecker T., Hölzel N., Blüthgen N., Boch S., Müller J., Socher S.A., Prati D., Fischer M. (2011): Nutrient concentrations and fibre contents of plant community biomass reflect species richness patterns along a broad range of land-use intensities among agricultural grasslands. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 13(4), 287–295. doi: 10.1016/j.ppees.2011.07.001

Vorhersage kompositorischer Merkmale von Grünland mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

Schwarz C.(2010): Vorhersage kompositorischer Merkmale von Grünland mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). Bachelor thesis, University Muenster