Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

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1 Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung Bruker Anwendertreffen, Ettlingen, Renate Nitschke Institut für Forstwissenschaften Professur für Waldbau

2 Waldbau eine alte Disziplin der Forstwissenschaft Steuerung von Struktur, Zusammensetzung und Funktion von Wäldern Zusammenhänge zwischen Waldstruktur, Baumartenvielfalt, Bewirtschaftung und den Ökosystemfunktionen In Freiburg seit 8 Jahren Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen seit 23 Prof. Jürgen Bauhus +/ 3 Mitarbeiter +/ 25 Projekte Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

3 Anwendung der Nahinfrarotspektroskopie Identifikation von Pflanzengeweben auf Artebene Feinwurzeln Blattstreu Humusbildung Reduktion Analyseaufwand Stickstoff und Kohlenstoff in Totholz Phosphor im Boden Seit 24 Tensor 37 mit Integrationskugel Auflösung 8 Wellenzahlen 32 scans / Spektrum 5 Spektren pro Probe Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

4 Artidentifikation Feinwurzeln (< 2mm) BIOTREE Pflanzung in Kaltenborn, Thüringen vier verschiedene Baumarten Wurzelzylinder in Baumquadraten Buche Eiche Fichte Douglasie Gras PCA 1. Ableitung (13) + Vektornormierung Frequenzbereiche ; Lei, P. and J. Bauhus (21). "Use of near infrared reflectance spectroscopy to predict species composition in tree fineroot mixtures." Plant and Soil 333(1): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

5 Artidentifikation Feinwurzeln Wurzeln von 4 Baumarten Evaluierung künstliche Mischungen und sortierte Wurzelzylinder Beispiel Eiche Modell künstliche Mischungen Vorhersage Anteil Eiche [%] wahr Anteil Eiche [%] Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

6 Artidentifikation Feinwurzeln Wurzeln von 4 Baumarten Evaluierung künstliche Mischungen und sortierte Wurzelzylinder Beispiel Eiche Modell künstliche Mischungen Vorhersage Anteil Eiche [%] wahr Anteil Eiche [%] künstliche Mischungen natürliche Mischungen Reinproben Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

7 Artidentifikation Feinwurzeln Wurzeln von 4 Baumarten Evaluierung künstliche Mischungen und sortierte Wurzelzylinder Beispiel Eiche Modell künstliche Mischungen Modell künstliche und natürliche Mischungen Vorhersage Anteil Eiche [%] wahr Anteil Eiche [%] künstliche Mischungen natürliche Mischungen Reinproben Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

8 Artidentifikation Streuzersetzung Buchen und Fichtenstreu aus Streufallen, litterbags, Streuschicht und fermentierte Schicht der Humusauflage Evaluierung 1 Buche 1 Fichte 8 8 Vorhersage [mg/g] streu OL OF litterbags Streu_unsortiert OL_unsortiert wahr [mg/g] -2 wahr [mg/g] -4-4 Gruselle, M. C. and J. Bauhus (21). "Assessment of the species composition of forest floor horizons in mixed sprucebeech stands by Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS)." Soil Biology and Biochemistry 42(8): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

9 Analyseaufwand Stickstoff in Totholz 21 3 Arten 9 Proben 1,6 1,4 N_Modell 21 Vorhersage N [%] 1,2 1,8,6,4,2 Modell Test Set Validierung externes Testset,2,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 wahr N [%] Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

10 Analyseaufwand Stickstoff in Totholz 21 3 Arten 9 Proben 39 Arten (24 Gattungen) 6 Proben 1,6 1,4 N_Modell 21 1,6 1,4 N_aktuell Vorhersage N [%] 1,2 1,8,6,4,2,2 Modell Test Set Validierung externes Testset,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,2 1,,8,6,4,2,,2 Modell Kreuzvalidierung externes Testset 4 Baumarten 214 Birken 215,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 wahr N [%] Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

11 Analyseaufwand Kohlenstoff in Totholz 21 3 Arten 9 Proben 39 Arten (24 Gattungen) 6 Proben Vorhersage C [%] C Modell C aktuell Arten 45 Modell Test Set Validierung externes Testset Modell Kreuzvalidierung externes Testset wahr C [%] Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

12 Analyseaufwand Phosphor im Boden Simulation Pflanzenverfügbarkeit durch Fraktionierung zeit und arbeitsintensiv 8 11 Fraktionen 2 Proben in 2 Wochen Bodenprobe Austauscherharz in H 2 O NaHCO 3 (+ Aufschluss) NaOH (+ Aufschluss) NaOH + Ultraschall (+ Aufschluss) HCl verdünnt HCl konzentriert Phosphorpool labil moderat stabil 2 Projekte Druckaufschluss HNO 3 Proben aus Bodenzustandserhebung 1996 BEF China Biodiversitätsstudie Gutianshan, China Niederberger, J., B. Todt, et al. (215). "Use of near infrared spectroscopy to assess phosphorus fractions of different plant availability in forest soils." Biogeosciences 12(11): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

13 Analyseaufwand Phosphorpools im Boden Beispiel P moderat pflanzenverfügbar Modell Kreuzvalidierung externes Testset Vorhersage [mg/kg] BZE alle wahr [mg/kg] Niederberger, J., B. Todt, et al. (215). "Use of near infrared spectroscopy to assess phosphorus fractions of different plant availability in forest soils." Biogeosciences 12(11): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

14 Analyseaufwand Phosphorpools im Boden Beispiel P moderat pflanzenverfügbar Modell Kreuzvalidierung externes Testset Vorhersage [mg/kg] BZE alle BEF China wahr [mg/kg] wahr [mg/kg] Niederberger, J., B. Todt, et al. (215). "Use of near infrared spectroscopy to assess phosphorus fractions of different plant availability in forest soils." Biogeosciences 12(11): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

15 Analyseaufwand Phosphorpools im Boden Beispiel P moderat pflanzenverfügbar Modell Kreuzvalidierung externes Testset Vorhersage [mg/kg] BZE alle BZE Braunerden BEF China wahr [mg/kg] Niederberger, J., B. Todt, et al. (215). "Use of near infrared spectroscopy to assess phosphorus fractions of different plant availability in forest soils." Biogeosciences 12(11): Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

16 Fazit Künstliche Mischungen für Quantifizierung der Anteile von Pflanzenarten an gemischten Proben unzureichend Stickstoff und Kohlenstoff in Totholz auch in heterogenen Datensätzen gut kalibrierbar; Phosphor im Boden als indirekte Bestimmung nicht Lernprozess Große Probenmengen notwendig mindestens 2 Proben Referenzanalytik zur Kalibrierung Konstante Evaluierung der Vorhersagequalität Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung ist keine einfache und schnelle Analysenmethode sondern eine langfristige Investition Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

17 Statistische Parameter Vorhersagequalität unabhängiger Datensatz Wurzelmischung Eiche künstliche und natürliche Mischungen RMSEP RPD r2 n= Streuzersetzung Buche und Fichte RMSEP RPD r2 n= Stickstoff RMSEP RPD r2 n= Kohlenstoff RMSEP RPD r2 n= RMSEP RPD r2 n= RMSEP RPD r2 n= RMSEP RPD r2 n= n= n= RMSEP RPD r2 n= Phosphor BEF China RMSEP RPD r 2 n= Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung

18 Artenzuordnung Wurzeln Wurzelzylinder in Baumquadraten Evaluierung sortierte Wurzelzylinder n=132 RMSEP RPD r2 Modell künstliche Mischungen Buche Fichte Douglasie n=274 RMSEP RPD r2 Modell künstliche und natürliche Mischungen Buche Fichte Douglasie Vorhersage Buche [%] Vorhersage Fichte [%] Vorhersage Douglasie [%] Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung Modell künstliche Mischungen Modell künstliche und natürliche Mischungen wahr [%]

19 Artidentifikation Schema Streuzersetzung Anwendungen der Nahinfrarotspektroskopie in waldökologischer Forschung