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Element and nutrient budgets of ecosystems include inputs (atmospheric deposition, fertilisation), internal cycles (mineralisation, weathering, uptake by biomass, translocation, accumulation) and outputs (leaching, gaseous emissions, crop removal). A large part of the conversion and mass transport takes place in dissolved form in precipitation and soil solution. For both the provision and the retention of nutrients, processes in the soil and in the canopy are of particular importance and therefore receive special attention. Many of these processes are biological in nature and it is assumed that synergies through higher biodiversity favour the internal recycling of elements and nutrients, thus reducing nutrient losses.

To help elucidate the drivers of stable ecosystem functions and resulting ecosystem services, we are investigating water flows and nutrient cycling from different forest and grassland management systems of varying biodiversity in each of the three exploratories (56 experimental plots in total).


1. Nutrient inputs and outputs of ecosystems and element cycling are linked to land use intensity and biodiversity.

2. losses of nutrients and carbon with leachate are inversely proportional to land use intensity and biodiversity of forest and grassland ecosystems.

3. the conversion and recycling of carbon compounds in ecosystems leads to an equalisation of the quality of dissolved organic matter of different ecosystems along the water flow path from the canopy to the subsoil.


For this purpose, outdoor precipitation, stand precipitation and stemflow collectors as well as litterfall collectors were set up to record both atmospheric substance input and conversion processes in the canopy. Conversions in the soil and losses with the seepage water are elucidated with the help of lysimeters under the organic forest soil layers and suction candles.

In the aqueous solutions obtained, we determine concentrations of various C (dissolved inorganic carbon = DIC, dissolved organic carbon = DOC, particulate organic carbon = POC), N (dissolved nitrogen = DN, particulate nitrogen = PN, NH4-N, NO3-N) and P species (total phosphorus = TP, PO4-P), as well as elements such as S, Na, K, Ca, Mg, Al, Mn and Si. The characterisation and determination of the quality of dissolved organic matter (DOM) is carried out by FT-ICR-MS, fluorescence measurements and titration microcalorimetry, turnover of nutrients and their sources are investigated by stable isotope approaches (15N). Investigations of 15N signals on deciduous and coniferous tree leaves using nano-secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) will provide information on the formation and spatial distribution of particulate N compounds and other nutrients in the microbially colonised leaf space of trees. In addition, the composition of the microbial phyllosphere community will be investigated molecularly in cooperation with the Chair of Aquatic Geomicrobiology (FSU Jena).

The results of our investigations are a prerequisite for separating land use and biodiversity effects from each other and evaluating them in terms of their impact on material cycles.


Doc
Bischoff S., Schwarz M. T., Siemens J., Thieme L., Wilcke W., Michalzik B. (2015): Properties of dissolved and total organic matter in throughfall, stemflow and forest floor leachate of central European forests. Biogeosciences 12, 2695-2706. doi: 10.5194/bg-12-2695-2015
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Doc
Vorräte und heißwasserlösliche Fraktionen von C und N in organischen Auflagen entlang eines forstlichen Nutzungsgradienten im Biodiversitäts-Exploratorium Hainich-Dün
Hilbig L. (2010): Vorräte und heißwasserlösliche Fraktionen von C und N in organischen Auflagen entlang eines forstlichen Nutzungsgradienten im Biodiversitäts-Exploratorium Hainich-Dün. State examination, University Jena
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Charakterisierung von cDom mittels Fluoreszenzanalyse
Jonov R. (2014): Charakterisierung von cDom mittels Fluoreszenzanalyse. Bachelor thesis, TU Berlin
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Einflüsse unterscheidlicher Bewirtschaftung auf Kohlenstoff- und Stickstofffraktionen in Grünlandböden des Biodiversitäts-Exploratoriums Hainich-Dün
Knoll A. (2011): Einflüsse unterscheidlicher Bewirtschaftung auf Kohlenstoff- und Stickstofffraktionen in Grünlandböden des Biodiversitäts-Exploratoriums Hainich-Dün. State examination, University Jena
Doc
Landnutzungs- und Biodiversitäts-Effekte auf die Infiltrationskapazität und hydraulische Leitfähigkeit von Grünlandböden in Süddeutschland
Leimer S., Berner D., Birkhofer K., Boeddinghaus R. S., Fischer M., Kandeler E., Kuka K., Marhan S., Prati D., Schäfer D., Schöning I., Solly E. F., Wolters V., Wilcke W. (2021): Land-use intensity and biodiversity effects on infiltration capacity and hydraulic conductivity of grassland soils in southern Germany. Ecohydrology: e2301. doi: doi: 10.1002/eco.2301
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Beeinflusst Pflanzendiversität die Wasserbilanz etablierter Grünlandsysteme?
Leimer S., Bischoff S., Boch S., Busch V., Escher P., Fischer M., Hänsel F., Hölzel N., Kerber K., Klaus V. H., Kleinebecker, T., Michalzik B., Nauss T., Schäfer D., Schöning I., Schwarz M. T., Siemens J., Thieme L., Wöllauer S., Wilcke W. (2018): Does plant diversity affect the water balance of established grassland systems? Ecohydrology 11, e1945.
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Dynamik der C-, N-, P- und K- Flüsse in Freiland- und Bestandsniederschlag unterschiedlich bewirtschafteter Grünlandökosysteme
Leyrer D. S. (2017): Dynamik der C-, N-, P- und K- Flüsse in Freiland- und Bestandsniederschlag unterschiedlich bewirtschafteter Grünlandökosysteme. Bachelor tesis, University Jena
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Land-use intensity and associated biodiversity as drivers of the phosphorus cycle in Central European forest ecosystems: Do dry conditions in spring matter?
Landnutzungsintensität und assoziierte Biodiversität als Treiber des Phosphor-Kreislaufs mitteleuropäischer Waldökosysteme: Welche Rolle spielt Frühjahrstrockenheit?
Loferer K. (2019): Land-use intensity and associated biodiversity as drivers of the phosphorus cycle in Central European forest ecosystems: Do dry conditions in spring matter? Master thesis, Karlsruhe Institute of Technology
Doc
Flüsse, chemische Zusammensetzung und Umsatz von Streufall in zwei mitteleuropäischen Regionen: Einfluss der Landnutzungsintensität und mit ihr verbundener Biodiversität
Mösch S. (2015): Flüsse, chemische Zusammensetzung und Umsatz von Streufall in zwei mitteleuropäischen Regionen: Einfluss der Landnutzungsintensität und mit ihr verbundener Biodiversität. Master thesis, University Bern
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Influence of stand structural attributes, land-use intensity and biodiversity on the spatial heterogeneity of throughfall in forest ecosystems
Einfluss von Bestandsstruktur, Landnutzungsintensität und Biodiversität auf die räumliche Heterogenität des Bestandesniederschlags in Waldökosystemen
Reichelt M. (2018): Influence of stand structural attributes, land-use intensity and biodiversity on the spatial heterogeneity of throughfall in forest ecosystems. Master thesis, Karlsruhe Institute of Technology
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Stickstoffbilanz von mitteleuropäischem Grünland unterschiedlicher Nutzungsintensität
Rüdy M. (2014): Stickstoffbilanz von mitteleuropäischem Grünland unterschiedlicher Nutzungsintensität. Master thesis, University Bern
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Arbuskuläre Mykorrhizapilze als Treiber der Makronährelement-Rückhaltung in Grünland
Schlöffel A. (2021): Arbuskuläre Mykorrhizapilze als Treiber der Makronährelement-Rückhaltung in Grünland. Bachelor thesis, Karlsruhe Insitute of Technology
Doc
Einfluss der Kronenraumstruktur auf die räumliche Verteilung von kronenraumbürtigen Flüssen gelöster und partikulärer organischer Substanz in Waldökosystemen
Schulz F. (2012): Einfluss der Kronenraumstruktur auf die räumliche Verteilung von kronenraumbürtigen Flüssen gelöster und partikulärer organischer Substanz in Waldökosystemen. Master thesis, University Jena
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Biotische und abiotische Steuergrössen des Stickstoff- und Phosphorkreislaufes mitteleuropäischer Wälder
Schwarz M. T. (2015): Biotic and abiotic controls of nitrogen and phosphorus cycling in Central European forests. Dissertations, University Bern
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Steuergrössen der Stickstoffauswaschung aus organischen Auflagen mitteleuropäischer Buchenwälder
Schwarz M. T., Bischoff S., Blaser S., Boch S., Grassein F., Klarner B., Schmitt B., Solly E. F., Ammer C., Michalzik B., Schall P., Scheu S., Schöning I., Schrumpf M., Schulze E. D., Siemens J., Wilcke W. (2016): Drivers of nitrogen leaching from organic layers in Central European beech forests. Plant and Soil 403 (1), 343–360. doi: 10.1007/s11104-016-2798-0
More information:  doi.org
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Effizientere oberirdische Stickstoffnutzung in höher diversen mitteleuropäischen Waldkronen
Schwarz M. T., Bischoff S., Blaser S., Boch S., Schmitt B. Thieme L., Fischer M., Michalzik B., Schulze E.-D., Siemens J., Wilcke W. (2014): More efficient aboveground nitrogen use in more diverse Central European forest canopies. Forest Ecology and Management 313, 274–282. doi: 10.1016/j.foreco.2013.11.021
More information:  doi.org
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Gelöste organische Substanz in Wäldern mit unterschiedlichem Management
Thieme L. (2018): Dissolved organic matter in differently managed forest ecosystems. Dissertation, TU Berlin
More information:  depositonce.tu-berlin.de
Doc
Thieme L., Graeber D., Hofmann D., Bischoff S., Schwarz M. T., Steffen B., Meyer U.-N., Kaupenjohann M., Wilcke W., Michalzik B., Siemens J. (2019): Dissolved organic matter characteristics of deciduous and coniferous forests with variable management: different at the source, aligned in the soil. Biogeosciences 16, 1411-1432. doi: 10.5194/bg-16-1411-2019
More information:  doi.org
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Schockgefrieren mit flüssigem Stickstoff erhält die Konzentration von gelöstem organischen Material aber nicht seine Zusammensetzung
Thieme L., Graeber D., Kaupenjohann M., Siemens J. (2016): Fast-freezing with liquid nitrogen preserves bulk dissolved organic matter concentrations, but not its composition. Biogeosciences 13, 4697-4705, doi: 10.5194/bg-13-4697-2016
More information:  doi.org
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Biotic and abiotic drivers of nitrate and ammonium concentrations in soil solution of established grassland systems: A Bayesian approach
Biotische und abiotische Treiber der Nitrat- und Ammoniumkonzentrationen in der Bodenlösung von etablierten Grünland-Systemen: Ein Bayes'sches Ansatz
Willenbacher F. (2018): Biotic and abiotic drivers of nitrate and ammonium concentrations in soil solution of established grassland systems: A Bayesian approach. Master thesis, Karlsruhe Institut of Technology
Doc
Einfluss der Landnutzungsintensität und assoziierter Biodiversität auf den Wasserhaushalt mitteleuropäischer Waldökosysteme
Zimmer V. (2021): Einfluss der Landnutzungsintensität und assoziierter Biodiversität auf den Wasserhaushalt mitteleuropäischer Waldökosysteme. Bachelor thesis, Karlsruhe Institute of Technology.

Project in other funding periods

BECycles (Contributing project)
#Soil biology & Element Cycling  #2014 – 2017  #Ecosystem processes […]

Scientific assistants

Prof. Dr. Martin Kaupenjohann
Project manager
Prof. Dr. Martin Kaupenjohann
Prof. Dr. Beate Michalzik
Project manager
Prof. Dr. Beate Michalzik
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Prof. Dr. Jan Siemens
Project manager
Prof. Dr. Jan Siemens
Justus-Liebig-Universität Gießen
Prof. Dr. Wolfgang Wilcke
Project manager
Prof. Dr. Wolfgang Wilcke
Karlsruher Institut für Technologie
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