In unserer Arbeitsgruppe haben wir eine Vielzahl von Projekten in Graslandökosystemen.

Jena Experiment

Versuchsfläche des Jena Experimentes 2016

Das Jena Experiment wurde 2002 angelegt um den Einfluss der Diversität von Grasländern auf Stoffkreisläufe und trophische Interaktionen zu untersuchen. Es ist eins der größten und ältesten Biodiversitätsexperimente im Grasland weltweit. Das Jena Experiment stellt eine einmalige Plattform dar, in der die Effekte von Artenzahl (von 1 – 60 Arten) und Anzahl funktioneller Gruppen (von 1 – 4 Gruppen) auf ein großes Spektrum von Ökosystemfunktionen getestet werden kann. Die Forschung unserer Arbeitsgruppe war seit Beginn eng mit dem Jena Experiment verbunden. In der laufenden Phase der Forschergruppe zu “Biotischen Interaktionen und öko-evolutionären Prozessen als Ursachen der Langzeiteffekte von Biodiversität auf Ökosystemfunktion” betreuen Christian Wirth und Alexandra Weigelt drei Doktorarbeiten und sind in die zentrale Aufnahme von Langzeitdaten eingebunden. Folgende zwei Doktorarbeiten im Jena Experiment sind direkt an unsere Arbeitsgruppe gebunden:

Links ein 3D-Bild einer Versuchsparzelle mit Blättern von Geranium pratense und Blüten von Leucanthemum vulgare. Rechts der Laser Scanner (TLS) beim Scannen einer Parzelle. Foto von Claudia Guimaraes-Steinicke

Dieses Projekt wird von Claudia Guimarães-Steinicke durchgeführt (betreut von Prof. Christian Wirth und Prof. Alexandra Weigelt).

Biodiversität verbessert oft die Funktion von Ökosystemen. Die meisten zur Erklärung dieses Zusammenhangs herangezogenen Mechanismen konzentrieren sich auf die komplementäre Nutzung von Nährstoffen, Licht oder Wasser. Zudem basiert ein Großteil der Studien auf Momentaufnahmen der Vegetation im Jahr. Wir untersuchen, wie die Struktur der Vegetation und die phänologische Diversität die Beziehung zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen beeinflussen. Dazu haben wir zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Daten mit einer Kombination aus modernsten Techniken wie terrestrischem Laserscanning (TLS), Zeitraffer- und Wärmebildern erfasst. Darüber hinaus nutzen wir funktionelle Merkmale aus dem Jena-Experiment, um die folgenden Fragen zu beantworten:

  1. Wie sagen verschiedene Facetten der Pflanzendiversität (Funktionelle Diversität, funktionale Identität und Artenreichtum) die oberirdische Biomasse im Laufe der Zeit voraus?
    Sehen Sie sich diese Studie an.
  2. Wie beeinflussen verschiedene Facetten der Biodiversität die Oberflächentemperatur der Gemeinschaft über die 3D-Struktur des Kronendachs in Grasland Gemeinschaften?
    Sehen Sie sich diese Studie an.
  3. Wie wird die Biodiversität im Verlauf der Zeit durch Veränderungen der Feinstruktur des Kronendachs gesteuert?
Schematische Darstellung des Energiehaushaltes (links) und konzeptionelles Modell wie die Pflanzendiversität die Oberflächentemperatur von Pflanzengemeinschaften regelt (rechts). (Quelle: Guimaraes-Steinicke et al. 2021)

Dieses Projekt wird von Ana Asato durchgeführt (betreut von Prof. Dr. Nico Eisenhauer (Universität Leipzig und IDiv), Dr. Jes Hines (IDiv), Prof. Dr. Christian Wirth (Universität Leipzig und IDiv) - als Co-PI - und unterstützt von Claudia Guimaraes-Steinicke)


Ein wesentlicher Grund, warum sich die Beziehungen zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionalität im Laufe der Zeit verstärken, könnte darin liegen, dass Arten auf die Anwesenheit von Konkurrenten reagieren, indem sie sich in unterschiedliche Nischen differenzieren, was diversen Gemeinschaften erlaubt, die Ressourcennutzung zu maximieren und die Konkurrenz zu minimieren. Theoretisch schließen solche Nischenunterschiede die zeitliche Variation der biologischen Aktivität ein, aber die Saisonalität (Phänologie) und die Entwicklung der zeitlichen Pflanzennischen und mögliche Verbindungen zu den biologischen Aktivitätsmustern im Boden wurden in BEF-Experimenten selten quantifiziert.
In diesem Teilprojekt haben wir drei koordinierte Arbeitspakete entworfen, um Mechanismen zu testen, die potentielle Verschiebungen in den Aktivitätsperioden antreiben. Wir beginnen mit der Prüfung, ob ober- und unterirdische Aktivitätsperioden mit den Auswirkungen der Pflanzendiversität auf die abiotischen Bedingungen verbunden sind (WP1). Wenn ja, sind Aktivitätsperioden von längerfristigen Selektionseffekten der Pflanzendiversität auf Böden abhängig (WP2), oder sind Aktivitätsperioden stärker mit Pflanzenmerkmalen und der Pflanzengeschichte und deren Interaktion mit der Bodengeschichte verbunden (WP3)? Indem wir den Einfluss der Pflanzendiversität, der Pflanzengeschichte und der Bodengeschichte auf den Beginn, das Ausmaß, die Dauer und die Stabilität von Aktivitätsmustern untersuchen, testen wir, ob diese Faktoren die zeitliche Nischendifferenzierung vorantreiben und sich im Laufe der Zeit aufgrund von Effekten der Pflanzengeschichte und der Bodengeschichte verstärken. Falls dies zutrifft, ist eine wichtige Implikation, dass neuartige Gemeinschaften ohne gemeinsame Interaktionsgeschichte ein schlechtes Surrogat für die Erhaltung der Biodiversität und das Funktionieren von Ökosystemen auf lange Sicht sein könnten.

Wissenschafterinnen und studentin in Jena Experiment Feldarbeit
Feldarbeit von Ana Asato in Jena Experiment in 2020/2021. Photos von Claudia Guimaraes-Steinicke und Ana Asato.
Leonardo Bassi Laborarbeit
Der PhD-Student Leonardo Bassi arbeitet im Labor. Bild von Claudia Guimaraes-Steinicke

Dieses Projekt wird von Leonardo Bassi durchgeführt (betreut von Prof. Alexandra Weigelt und Prof. Nicole van Dam)

Der Zusammenhang zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktion (BEF) wird häufig stärker über die Zeit. Die zunehmende Performanz von diversen Artengemeinschaften könnte durch die Akkumulation von Organismen mit positiven Effekten auf das Pflanzenwachstum herbeigeführt werden. Alternativ, könnte die Anreicherung von Antagonisten negative Folgen auf das Wachstum von artenarmen Gemeinschaften haben und damit die Funktionalität des Ökosystems herabsetzen. Sollten Antagonisten den BEF Zusammenhang über die Zeit steuern, würden wir eine höhere Investition in die Abwehr oder Toleranz von Antagonisten in artenarmen Gemeinschaften erwarten. Das Ziel dieser Studie ist es:

  1. Pflanzenmerkmale, speziell Wurzelmerkmale zu identifizieren, die durch verschiedene Abwehrmechanismen über den Diversitätsgradienten gesteuert werden.
  2. zu untersuchen ob Veränderungen in Pflanzenmerkmalen mit der Historie des Bodens oder der Pflanzen im Zusammenhang steht.

Wir werden ein umfassendes Set morphologischer und chemischer Wurzel- und Sproßmerkmale erfassen die unterschiedliche Abwehrstrategien repräsentieren. Wir stellen die Hypothese auf, daß Abwehrmerkmale am stärksten in alten, arten-armen Gemeinschaften ausgeprägt sind. Unser Ziel ist es eine mechanistische Erklärung für die negativen feedback Effekte in BEF Zusammenhängen zu finden.

Biodiversitäts-Exploratorien

Landschaft des Hainich, ein Standort der Biodiversitäts-Exploratorien. Quelle: http://www.biodiversity-exploratories.de

Dieses Projekt wird durch Karl Andraczek durchgeführt (Betreuung durch Prof. Alexandra Weigelt und Asst. Prof. Alfons van der Plas und weitere Expert*innen der Pilz- und Wurzelforschung, zusammenarbeit mit Spezialistinnen)

Eine wesentliche Frage in der Ökologie ist wie die Diversität von Pflanzen in Grasländern mit deren Biomasseproduktion zusammenhängt. Hierbei wurde lange angenommen, dass Veränderungen der Pflanzendiversität durch einen Produktivitätsgradienten zu erklären seien (Productivity Richness Relationships/ PRR), oder das sich die Produktivität entlang eines Gradienten von Pflanzendiversität verändert (Biodiversity and Ecosystem Functioning/ BEF). Obwohl PRR und BEF Prozesse zur gleichen Zeit ablaufen können, wurden diese vor allem unabhängig voneinander erforscht. Um ein besseres Verständnis beider Prozesse zu ermöglichen, wird in dieser Studie versucht die wechselseitige Beziehung zwischen PRR und BEF Prozessen zu erforschen. 

Für dieses Projekt werden sowohl Daten von experimentell manipulierten, als auch von nicht-manipulierten landwirtschaftlich genutzten Grasländern erhoben. Die Untersuchungsflächen sind hierbei Teil der “Biodiversity Exploratories”, einer deutschen Forschungsplattform für funktionelle Biodiversitätsforschung.

In diesem Projekt versuchen wir folgende Fragen zu beantworten:

  1. Verändern experimentelle Manipulationen von Biomasse (durch Beweidung, Mahd oder Düngung) den Artenreichtum von Pflanzen?
  2. Verändern experimentelle Manipulationen der Artenvielfalt (durch Beweidung, Mahd und/oder Saatzugabe) die Biomasseproduktion bzw. stehende Biomasse?
  3. Was sind absolute und standardisierte Effekte von Biomasseproduktion (durch stehende Biomasse und Lichtverfügbarkeit) auf Pflanzendiversität, bzw. Pflanzendiversität auf Biomasseproduktion? 
Feldarbeit in Süddeutschland im Rahmen des Projekts Biodiversity Exploratories. Rinderfeld mit Studenten, die die Biomasse der Vegetation schätzen. Photo von Karl Andraczek.

Jena Experiment und Biodiversity Exploratories

Feldexperiment von Jena Experiment und Landschaft vom Gelände der Biodiversitätsexploratorien.

Dieses Projekt wird durch Justus Hennecke durchgeführt (Betreut durch Prof. Dr. Alexandra Weigelt und weitere Pilz- und Wurzelexpert:innen)

Kürzlich wurde ein neues funktionelles Konzept von sROOT vorgestellt, das Variation in Wurzelmerkmalen weltweit erklärt. Dieser Root Economics Space (RES) hat einen direkten Bezug zu Mykorrhiza-Pilzen und könnte so einen wichtigen Rahmen für die Verbindung zwischen pflanzlicher funktioneller Diversität und Bodendiversität bilden und ermöglicht somit neue Perspektiven zum Verständnis der Vielfalt von Bodenmikroorganismen in Grasländern. Im Projekt RESfun wird diese Verbindung am Beispiel bodenbewohnender Pilze getestet. Wri erwarten, dass Unterschiedlichkeit in Wurzelmerkmalen innerhalb des Root Economics Space eine höher Diversität an Nahrungsquellen und Nischen für Interaktionen für Bodenorganismen fördert und somit Bodenbiodiversität begünstigt.

Wir nutzen dazu die Stärken des Deutschen zentrums für Integrative Biodiversitätsforschung Halle-Jena-Leipzig (iDiv), indem wir laufende Grasland-Experimente (Jena Experiment und Biodiversitäts-Exploratorien) und Monitoring Programme (SoilBON) auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen integrieren, um die Verbindungen zwischen Wurzelmerkmalen und der Pilzgemeinschaft im Boden zu demonstrieren. Das Projekt fokussiert sich auf Pilze, da diese eine große und sehr variable Gruppe darstellen, die vielfältige wichtige ökologische Funktionen übernehmen. Die Zusammenarbeit mit Spezialisten in Molekularer Ökologie (Liesje Mommer, Anna Heintz-Buschart, Joana Bergmann) sind wir in der Lage, diese Pilze taxonomisch und insbesondere funktionell zu klassifizieren. Die Zusammenarbeit mit Bodenökologen (Nico Esienhauer, Carlos Guerra, Markus Lange) ermöglicht uns zudem, diese Ergebnisse auf andere Organismen (z.B.Nematoden)  hochzuskalieren. 

Wir erwarten:

  1. Die Häufigkeit und Zusammensetzung spezifischer bodenbewohnender pilzlicher Gilden hängt von den zwei Achsen des RES ab: Saprotrophe Pilze sind abhängig von dem ‘Conservation Gradient’, während Mutualisten und Pathogene eher von dem ‘Collaboration gradient’ der Wurzelmerkmale abhängen.
  2. Die Diversität der Pilze in der Rhizosphäre von einzelnen Pflanzen in einer gemischten Pflanzengemeinschaft ist eine Funktion der Wurzelmerkmale der spezifischen Pflanze und ihrer Nachbarn.
  3. Größere Umwelt- und Managementgradienten haben einen stärkeren Einfluss auf die Beziehung zwischen Wurzelmerkmalen und Pilzgemeinschaft als steigende Diversitätsgradienten
  4. Der RES kann Diversität funktioneller Gilden auch in anderen taxonomischen Gruppen z.B. Nematoden) erklären.
Hauptkomponentenanalyse, die den konzeptionellen Wurzelwirtschaftsraum zeigt, der die Bodenpilzstrategien entlang der Wurzeleigenschaften bestimmt. Abbildung entwickelt von Justus Hennecke.

Beta Diversity Experiment

Blick auf das Beta-Diversitäts-Experiment im Botanischen Garten Leipzig. Photo von Alexandra Weigelt.

Diese Forschungsplattform wurde 2020 von unserer Arbeitsgruppe angelegt und wird vor allem für Projekte in der Lehre genutzt (Hauptbetreuung: Justus Hennecke & Prof. Alexandra Weigelt zusammen mit Ass. Prof. Fons van der Plas und Ass. Prof. Kathryn Barry und Prof. Christian Wirth).

Veränderungen von Biodiversität sind ein komplexes Phänomen. Die Veränderung geschieht unterschiedlich auf verschiedenen räumlichen Ebenen: großräumiger Biodiversitätsverlust (γ-Diversitätsverlust) kann durch Diversitätsverlust innerhalb kleinräumiger Flächen (α-Diversitätsverlust) und/oder durch eine Verringerung im Artenumsatz (Turnover) zwischen den Flächen (Biotische Homogenisierung oder β-Diversitätsverlust) geschehen. Forschung zu Biodiversität und Ökosystemfunktionen (BEF) fokussiert sich hauptsächlich auf die Folgen von α-Diversitätsverlust, während die Konsequenzen von β-Diversitätsverlust trotz dessen häufigen Vorkommens weniger gut verstanden sind.

Der Effekt von β-Diversität auf die Beziehung zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen zwischen Vegetationsflächen könnte von Umweltheterogenität und Verbreitungsprozessen zwischen einzelnen Flächen getrieben sein. Allerdings gibt es bislang kaum Experimente, die die Bedeutung von β-Diversität als Treiber für BEF Beziehungen zwischen Flächen untersuchen. Daher haben wir das Experiment etabliert und untersuchen die folgenden Fragen:

  1. Wie wirkt sich die Abnahme von Turnover (und damit geringere Unterschiedlichkeit der Artengemeinschaften) auf die Ökosystemfunktionen aus, wenn dies getrennt von einer Abnahme der Artenzahl betrachtet wird?
  2. Wie beeinflusst Verbreitung die Turnover-Ökosystemfunktion-Beziehung?
Der Techniker bei der Biomasse-Ernte im Beta Diversity Experiment. Photo von Alexandra Weigelt

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