FRIDoLINo Eine Datenbankumgebung zur Berechnung vegetationsökologischer kenngrößen

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1 forstarchiv 80, (2009) DOI M. & H. Schaper GmbH ISSN Korrespondenzadresse: nw-fva.de Eingegangen: Angenommen: kurzfassung FRIDoLINo Eine Datenbankumgebung zur Berechnung vegetationsökologischer kenngrößen FRIDOLINO A database application providing the calculation of vegetation-ecological parameters ANDreAS PArth 1 und christoph FIScher 2 1 Abteilung Waldbau und Waldökologie der gemäßigten Zonen, Georg-August-Universität Göttingen, büsgenweg 1, D Göttingen 2 Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Grätzelstraße 2, D Göttingen Die berechnung vegetationsökologischer Parameter aus pflanzensoziologischen Aufnahmen kann je nach Datenumfang sehr aufwendig sein. Um diesbezüglich nicht auf lizenzpflichtige Spezialprogramme angewiesen zu sein, wurde die Datenbankanwendung FrIDOLINO entwickelt. Diese bietet dem Nutzer die Möglichkeit, häufig verwendete ökologische Kenngrößen aus Vegetationsdaten in wenigen bedienschritten zu berechnen. In diesem beitrag werden der Aufbau und die Funktionsweise von FrIDOLINO erläutert und durch eine beispielauswertung dargestellt. Schlüsselwörter: Vegetationsaufnahme, Zeigerwert, Diversitätsindex, computerprogramm, Abstract the calculation of ecological parameters from phyto-sociological surveys is usually laborious due to large and complex data sets. In order to be independent from commercial software products, the database application FrIDOLINO was developed. the program offers the possibility to easily calculate common ecological parameters. Our article describes the structure and the functionality of FrIDOLINO and introduces into the program by conducting an exemplary analysis. key words: vegetation survey, indicator value, diversity parameter, computer program Einleitung Die Ableitungen und Interpretation ökologischer Kenngrößen aus Vegetationsaufnahmen ist ein wichtiger und häufig verwendeter Ansatz in der Vegetationsökologie. Auf diese Weise lassen sich z. B. Erkenntnisse über Umweltbedingungen an durch Vegetationsaufnahmen charakterisierten Standorten gewinnen. Anwendung in zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten finden beispielsweise die Zeigerwerte nach Ellenberg et al. (2001), der Gefährdungsgrad nach der Roten Liste (z. B. Ludwig und Schnittler 1996), ökologische Florenmerkmale (s. z. B. Klotz et al. 2002) oder verschiedene Diversitäts- und Dominanzmaße. Besonders bei größerem Datenumfang kann eine Berechnung dieser Kenngrößen mit einem Tabellenkalkulationsprogramm wie Excel sehr aufwendig sein. Zwar existieren für die Behandlung von Vegetationsdaten speziell entwickelte Programme wie SORT, TURBOVEG (Hennekens und Schaminée 2001) oder JUICE (Tichý 2002), jedoch sind diese in der Regel lizenzpflichtig und stellen somit einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar. Außerdem besteht für den Nutzer nicht die Möglichkeit, individuelle Anpassungen, wie die Implementierung anderer ökologischer Kenngrößen/Merkmale, an den Programmen vorzunehmen. Aus diesem Anlass wurde im Jahr 2003 an der Abteilung Waldbau und Waldökologie der gemäßigten Zonen der Universität Göttingen die Datenbankanwendung FRIDOLINO entwickelt, die eine Berechnung vegetationsökologischer Parameter aus der Artzusammensetzung einer Aufnahmefläche weitestgehend automatisiert durchführt. Da die Anwendung einfach zu bedienen und auch für umfangreichere Datenmengen flexibel verwendbar ist, wird sie regelmäßig zur Auswertung von Vegetationsdaten als Vorarbeit für wissenschaftliche Publikationen eingesetzt (u. a. Ebrecht und Schmidt 2008, Mölder et al. 2008, Vor und Schmidt 2008, Mölder et al. 2009, Schmidt und Streit 2009). Ziel dieses Beitrags ist es, den Aufbau der Anwendung in seinen grundlegenden Prinzipien kurz darzustellen und darauf aufbauend eine Einführung in die Funktionsweise von FRIDOLINO anhand einer Beispielauswertung zu geben. Grundlagen FRIDOLINO ist als Komplex von Tabellen, Abfragen und Formularen, die über Makros miteinander verknüpft sind, in eine Microsoft Access Datenbank integriert. Neben einigen Grundlagen sind keine fundierten Kenntnisse im Umgang mit Access erforderlich, da der Nutzer über konsekutiv organisierte Formulare, die als Benutzeroberflächen dienen, durch die Anwendungen geführt wird. FRIDO- LINO selbst ist nicht lizenzpflichtig, lediglich eine Installation von Microsoft Access wird vorausgesetzt. Innerhalb der Datenbank sind in einer zentralen Tabelle eine Vielzahl an Gefäßpflanzen und Moosen mit den dazugehörigen ökologischen Kennwerten (Zeigerwerte, Rote-Liste-Status, Florenmerkmale etc.) als Datensätze organisiert. Die Nomenklatur der Gefäßpflanzen folgt dabei Wisskirchen und Haeupler (1998) und die der Moose Koperski et al. (2000). Als erster Schritt einer Auswertung werden allen Arten des auszuwertenden Datensatzes die vorhandenen ökologischen Kennwerte aus der zentralen Tabelle zugeordnet und in einer Abfrage für die nachfolgenden Berechnungen gespeichert. Daher muss beim Datenimport darauf geachtet werden, dass sich die Pflanzennamen nach der oben genannten Nomenklatur richten. Als Hilfe sind die wissenschaftlichen Namen nach verschiedenen Nomenklaturen und auch deutsche Bezeichnungen als zusätzliche Tabelle in FRIDOLINO hinterlegt. Für die Auswahl der gewünschten Auswertungen stehen 236 forstarchiv 80, Heft 5 (2009),

2 Datenbank für vegetationsökologische kenndaten Abb. 2. Formular mit der Liste der Arten, die nicht in FrIDOLINO implementiert sind oder deren Artnamen sich nicht nach der in FrIDOLINO verwendeten Nomenklatur richten. List with species which are not implemented in FRIDOLINO or whose names do not correspond to the nomenclature used in FRIDOLINO. Abb. 1. benutzeroberfläche beim Start von FrIDOLINO mit importierten Daten. User interface starting FRIDOLINO with imported data set. im Anschluss an den erfolgreichen Datenimport verschiedene Formulare zur Verfügung, die über Anklicken bestimmter Schaltflächen aufgerufen werden können. Ergebnisse werden als Abfragen angelegt und können über einen Dialog aufgerufen und anschließend zur statistischen Analyse oder grafischen Aufbereitung in gängigen Dateiformaten (.txt,.xls,.dbf) exportiert werden. Datenimport Vegetationsdaten liegen meist als Kreuztabellen vor. In der Regel sind in der ersten Spalte die Arten aufgeführt, die zweite Spalte beinhaltet die Zugehörigkeit zu einer Vegetationsschicht, und die folgenden Spalten enthalten die Abundanzen (Deckungsgrade) der jeweiligen Art, wobei jede Spalte einer Aufnahme entspricht. Für den Datenimport ist es zunächst erforderlich, dass die Abundanzen als metrische Werte vorliegen. Werte einer Ordinal- oder Nominalskala (z. B. Braun-Blanquet 1964) müssen dementsprechend transformiert werden. In Abhängigkeit von der verwendeten Schätzskala stellt die Berechnung von Klassenmitteln (in Prozent) eine geeignete Lösung dar (Dierschke 1994). Anschließend ist eine Umstellung der Daten in ein Access-Datenbankformat erforderlich, d. h., der Datentyp (numerisch oder alphanumerisch) innerhalb einer Spalte muss in jeder Zeile gleich sein. Das von FRIDOLINO benötigte Importformat beschränkt sich auf fünf Spalten. Die erste Spalte beinhaltet die Bezeichnung der Aufnahmefläche, in der zweiten Spalte wird eine Nummer für eine spätere Sortierung vergeben, in der dritten Spalte ist die Art aufgeführt, gefolgt von der Vegetationsschicht in der vierten Spalte und dem Deckungsgrad in Prozent in der letzten Spalte (Abbildung 1). Mögliche Klassifizierungen der Vegetationsschicht sind b1 = Baumschicht 1, b2 = Baumschicht 2, s = Strauchschicht, k = Krautschicht, m = Moosschicht. Abb. 3. Auswahldialoge der Vegetationsschicht oder Schichtkombination, für die eine Auswertung erfolgen soll. Selection dialog enabling the user to choose the vegetation layer or layer combination, for which a calculation is to be conducted. Nach dem Import findet ein Abgleich mit den in FRIDOLINO integrierten Artnamen statt. Dieser wird durch Doppelklick auf den Dialog Überprüfen der von Ihnen benutzten Artnamen auf dem Startformular aufgerufen (Abbildung 1), wodurch der Benutzer eine Liste der Arten erhält, die keiner in der Datenbank verwendeten Art zugeordnet werden können. In diesem Fall sollte der Nutzer die Nomenklatur der Arten überprüfen und ggf. fehlende Arten einschließlich der ökologischen Kenngrößen in die zentrale Tabelle einfügen. Anschließend muss der Datenimport wiederholt werden. Wird in der Fehlerliste keine Art aufgeführt, kann über den entsprechenden Dialog direkt zur Berechnung vorangeschritten werden (Abbildung 2). Berechnung von ökologischen kenngrößen Die Aufnahmeflächen bilden eine übergeordnete Gruppierungsvariable, nach der die Berechnungen in FRIDOLINO getrennt erfolgen. Darüber hinaus muss der Nutzer selbst über einen Auswahldialog festlegen, für welche Vegetationsschicht oder Schichtkombination eine Berechnung durchgeführt werden soll (Abbildung 3). In FRI- DOLINO sind zwei Auswertungsmodi integriert. Zum einen besteht forstarchiv 80, Heft 5 (2009),

3 Abb. 4. Formular mit den Auswahldialogen der einzelwertbasierten berechnungsmöglichkeiten und Anforderung der Auswahldialoge für verteilungsbasierte berechnungsmöglichkeiten. Form providing the selection dialogs for the single value-based parameters and request of the dialogs for the distribution-based calculation options. tab. 1. Verzeichnis der vegetationsökologischen Parameter, die mit FrIDOLINO berechnet werden können. List of parameters for vegetation ecology, which can be calculated using FRIDOLINO. Soziologie kenngröße hauptgruppe (ellenberg et al. 2001) Klasse (ellenberg et al. (2001) Verband (ellenberg et al. 2001) Unterverband (ellenberg et al.2001) Diversität und Dominanz Shannon-Weaver Index (Shannon u. Weaver 1949) evenness (Pielou 1966) berger-parker Index (berger u. Parker 1970) Simpson Index (Simpson 1949) McIntosh Index (McIntosh1967) brillouin Index (brillouin 1956) Artenzahl (u. a. Magurran 2004) ökologie ökologische Zeigerwerte (ellenberg et al. 2001) Lebensformen (raunkiaer 1905) Ausbreitung (Klotz et al. 2002) Floristischer Status (Klotz et al. 2002) rote Liste Niedersachsen (Garve 2004) blattausdauer (ellenberg et al. 2001) ökologische Strategie (Grime 1974) rote Liste Deutschland (Ludwig u. Schnittler 1996) Dominanz (ellenberg et al. 2001) Änderungstendenz (ellenberg et al. 2001) Messtischblattfrequenz (ellenberg et al. 2001) Gefährdung (ellenberg et al. 2001) Waldarten (Schmidt et al. 2003) Abb. 5. Formular mit den Auswahldialogen für die verteilungsbasierten Auswertungsmöglichkeiten. Form providing dialogs for various distribution-based calculation options. die Möglichkeit, für die ausgewählte Schicht oder Schichtkombination die Artenzahl, die mittleren Zeigerwerte, verschiedene Diversitäts- und Dominanzindizes sowie die Summe der Deckungsgrade als flächenbezogene Einzelwerte zu berechnen (Abbildung 4). Die zweite Option wird über den Dialog ZW-Spektren aufgerufen und ermöglicht pro Kenngröße die Berechnung des prozentualen Anteils der vorhandenen Faktorstufen (Abbildung 5), d. h. wie teilen sich die einzelnen Arten einer Fläche prozentual auf bestimmte Ausprägungen einer Kenngröße auf (verteilungsbasierte Berechnung). Die Auswertungen werden sowohl ungewichtet (qualitativ) als auch nach Deckungsgraden gewichtet (quantitativ) durchgeführt. Innerhalb beider Modi kann die Berechnung mehrerer Kenngrößen gleichzeitig erfolgen, sofern diese über die jeweiligen Schaltflächen ausgewählt werden. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der Kenngrößen, die bisher in FRIDOLINO implementiert sind. Da sich die Struktur der Ausgabe der beiden Berechnungsoptionen unterscheidet, existieren zwei als Kreuztabellenabfragen realisierte Ausgabeformate. Für den ersten Berechnungsmodus kann die entsprechende Ausgabe über den Dialog Ausgabe Zeigerwerte für Excel angefordert werden. Die Ausgabe der Spektren erfolgt über den betreffenden Dialog (Abbildung 3). Nach dem Aufruf der Ergebnisse können diese in andere Programme zur weiteren Analyse exportiert werden. Anwendungsbeispiel Für die beiden Aufnahmeflächen aus dem Testdatensatz in Abbildung 1 sollen folgende Auswertungen durchgeführt werden: alle Schichten: Artenzahl Strauch- und Krautschicht: gewichtete mittlere Ellenberg-Zeigerwerte nur Krautschicht: Diversitäts- und Dominanzindizes nur Krautschicht: Verteilung der Arten auf ökologische Strategietypen. 238 forstarchiv 80, Heft 5 (2009),

4 Datenbank für vegetationsökologische kenndaten Abb. 7. ergebnis der verteilungsbasierten beispielauswertung in FrIDOLINO. Stufe = Merkmalsausprägung; c = Konkurrenzstrategen; cs = Übergangstyp Konkurrenz- Stress-Strategen; csr = Übergangstyp Konkurrenz-Stress-ruderal-Strategen. Exemplary summary table of the distribution-based calculation. Stufe = factor level; c = competitor; cs = Stress-tolerant competitor (intermediate strategy type); csr = intermediate strategist between competitor, stress tolerator and ruderal. Abb. 6. ergebnistabelle der einzelwertbasierten beispielauswertung in FrIDOLINO. Sch = Schicht; Par = Parameter (= ökologische Kenngröße); A_1, b_2 = Aufnahmen; ges = alle Schichten; KS = Krautschicht; SS = Strauchschicht; AZ = Artenzahl; 1/[parker] = berger-parker-index (reziprok); brio = brillouin-index; eve = evenness; McInt = McIntosh-Index; Sha = Shannon-Index; simp = Simpson-Index; F = Feuchtezahl; K = Kontinentalitätszahl; L = Lichtzahl; N = Nährstoffzahl; r = reaktionszahl; t = temperaturzahl; _qn = quantitative berechnung. Exemplary summary table of the single value-based calculation. Sch = vegetation layer; Par = ecological parameter; A_1, B_2 = surveys; ges = all layers; KS = herb layer; SS = shrub layer; AZ = species richness; 1/[parker] = Berger-Parker Index (reciprocal); brio = Brillouin Index; Eve = evenness; McInt = McIntosh Index; Sha = Shannon Index; simp = Simpson Index; F = indicator value for moisture; K = indicator value for continentality; L = indicator value for light; N = indicator value for nutrients; R = indicator value for reaction; T = indicator value for temperature; _qn = quantitative calculation. Abb. 8. Arbeitsschritte bei der berechnung vegetationsökologischer Parameter in FrIDOLINO. Calculation workflow for parameters of vegetation ecology in FRIDOLINO. Der Beispieldatensatz enthält nur zwei Flächen mit einer relativ geringen Artenanzahl. In FRIDOLINO lassen sich in einem Auswertungsschritt jedoch Berechnungen für bis zu 253 Flächen gleichzeitig durchführen. Sollte der Eingangsdatensatz mehr Flächen enthalten, so muss eine Auswertung nach dem Aufteilen des Datensatzes schrittweise erfolgen. Eine Beschränkung der maximalen Artenzahl im Datensatz wird durch die maximale Zeilenanzahl einer Access- Tabelle gegeben und besitzt daher nur theoretische Relevanz. Für die in FRIDOLINO festgelegte Datenbankstruktur dürfte die maximale Anzahl an Datensätzen je Tabelle im mehrstelligen Millionenbereich liegen. Abbildung 6 zeigt das Ergebnis der Artenzahlen, Zeigerwerte und Diversitätsindizes für die Beispieldaten. Die erste Spalte enthält die Bezeichnung der den Berechnungen zugrunde liegenden Vegetationsschichten. In der zweiten Spalte sind die berechneten Parameter aufgelistet, die Berechnungsergebnisse für die beiden Flächen folgen in der dritten und vierten Spalte. Bei Betrachtung aller fünf Vegetationsschichten kommen auf den Flächen insgesamt zehn bzw. neun Arten vor. Eine Art wird nur einmal gezählt, auch wenn sie in mehreren Schichten präsent ist. Die Indizes zeigen für die Fläche B eine höhere Diversität, wohingegen die Dominanzstruktur auf Fläche 1 einseitiger ausgeprägt ist. Hinsichtlich der quantitativen Zeigerwerte ergibt sich vor allem bei den mittleren L-, N- und R-Zahlen ein deutlicher Unterschied zwischen beiden Aufnahmen. Das Spektrum der Strategietypen wird für die Beispieldaten über die verteilungsbasierte Berechnungsoption ermittelt (Abbildung 7). Für jede vorhandene Ausprägung ist eine nach Deckungsgraden gewichtete (qn) sowie eine nach Deckungsgraden ungewichtete Berechnung (ql) aufgeführt. Die Summe der Anteile an den Faktorstufen beträgt sowohl für den quantitative als auch für den qualitativen Ansatz jeweils 100 %. Im Beispiel ergibt die quantitative Berechnung eine klare Dominanz der Konkurrenz-Stress-Ruderal-Strategen für die Aufnahme A, während in der Aufnahme B die Konkurrenz- Stress-Strategen überwiegen. Abschließende Betrachtung Anhand der gegebenen Darstellungen wird deutlich, dass FRI- DOLINO nach wenigen und unkomplizierten Bedienschritten (Vorgehensweise noch einmal als Flussdiagramm in Abbildung 8 dargestellt) eine Vielzahl gängiger Auswertungsmöglichkeiten für Vegetationsdaten bietet. Bei größeren Datenmengen mit einer Vielzahl von Pflanzenarten und Aufnahmeflächen erhöht sich der Aufwand für den Nutzer bezüglich der Datenaufbereitung im Vorfeld des Imports in FRIDOLINO, nicht aber bei der Berechnung selbst. Eine Einarbeitungszeit entfällt, da der Nutzer lediglich die Vegetationsschicht als Gruppierungsvariable und anschließend die von ihm gewünschten Berechnungen mittels Schaltflächen auswählen muss. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass neue Arten einschließlich ihrer ökologischen Kenngrößen eingefügt werden können. Mit Programmierkenntnissen lassen sich zudem auf Basis der bestehenden Strukturen auch neue Auswertungsmethoden problemlos in die Umgebung integrieren. forstarchiv 80, Heft 5 (2009),

5 Danksagung An dieser Stelle sei Steffi Heinrichs, Inga Mölder, Andreas Mölder, Luitgard Schwendenmann, Christian Ammer sowie zwei anonymen Gutachtern für die Korrekturvorschläge am Manuskript gedankt. Literatur Berger W.H., Parker F.L Diversity of planktonic Foraminifera in deep sea sediments. Science 168, Braun-Blanquet J Pflanzensoziologie. 3. Aufl. Springer, Wien, New York Brillouin L Science and information theory. Academic Press, New York Dierschke H Pflanzensoziologie. Ulmer, Stuttgart Ebrecht L., Schmidt W Bedeutung der Bodensamenbank und des Diasporentransports durch Forstmaschinen für die Entwicklung der Vegetation auf Rückegassen. Forstarchiv 79, Ellenberg H., Weber H.E., Düll R., Wirth V., Werner W., Paulissen D Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa. 3. Aufl. Scripta Geobotanica 18, Garve E Rote Liste und Florenliste der Farn- und Blütenpflanzen in Niedersachsen und Bremen. Stand Nds. Landesamt für Ökologie, Hildesheim Grime J. P Vegetation classification by reference to strategies. Nature 250, Hennekens S., Schaminée J TURBOVEG, a comprehensive database management system for vegetation data. J. Veg. Sci. 12, Klotz S., Kühn I., Durka W BIOLFLOR Eine Datenbank mit biologisch-ökologischen Merkmalen zur Flora von Deutschland. Schr.R. f. Vegetationskunde 38 Koperski M., Sauter M., Braun W., Gradstein S.R Referenzliste der Moose Deutschlands. Schr.R. f. Vegetationskunde 34 Ludwig G., Schnittler M Rote Liste gefährdeter Pflanzen Deutschlands. Schr.R. f. Vegetationskunde 28 Magurran A Ecological diversity and its measurement. Princeton University Press, Princeton McIntosh R.P An index of diversity and the relation of certain concepts to diversity. Ecology 48, Mölder A., Bernhardt-Römermann M., Schmidt W Herb-layer diversity in deciduous forests Raised by tree richness or beaten by beech? For. Ecol. Manage. 256, Mölder A., Bernhardt-Römermann M., Schmidt W Vielfältige Baumschicht reichhaltige Verjüngung? Zur Naturverjüngung von artenreichen Laubwäldern im Nationalpark Hainich. Allg. Forst- u. Jagdztg. 180, Pielou E.C The measurement of diversity in different types of biological collections. J. Theoret. Biol. 13, Raunkiaer C Types biologiques pour la géographie botanique. Overs. Kongl. Danske Vidensk. Selsk. Forh., Schmidt M., Ewald J., Fischer A., Oheimb G. v., Kriebitzsch W.-U., Schmidt W., Ellenberg H Liste der in Deutschland typischen Waldgefäßpflanzen. Mitt. Bundesforschungsanstalt f. Forst- u. Holzwirtschaft 212 Schmidt W., Streit M Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Diversität der Baumschicht und der Bodenvegetation? Untersuchungen in Buchen-Edellaubholz-Mischwäldern des Göttinger Waldes (Süd- Niedersachsen, Deutschland). Waldökologie, Landschaftsforschung u. Naturschutz 7, 5-19 Schnittler M., Ludwig G Rote Liste gefährdeter Pflanzen Deutschlands. Schr.R. f. Vegetationskunde 28 Shannon C.E., Weaver W The mathematical theory of communication. University Illinois Press Simpson E.H The measurement of diversity. Nature 162, 688 Tichý L JUICE, software for vegetation classification. J. Veg. Sci. 13, Vor T., Schmidt W Neophyten in der Hördter Rheinaue/Rheinland Pfalz. Forstarchiv 79, Wisskirchen R., Haeupler H Standardliste der Farn- und Blütenpflanzen Deutschlands. Ulmer, Stuttgart 240 forstarchiv 80, Heft 5 (2009),