Merkmale und Funktionen von Pflanzen Multifunktionalität von Dauergrünland anders betrachtet

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1 Merkmale und Funktionen von Pflanzen Multifunktionalität von Dauergrünland anders betrachtet Jürgen Schellberg Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz Universität Bonn - Agrar- und Produktionsökologie - 1

2 Inhalt: Merkmale und Funktionen von Pflanzen Multifunktionalität von Dauergrünland anders betrachtet 1. Was bedeutet Multifunktionalität? 2. Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands 3. Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung 4. Lessons learned 5. Ausblick 2

3 Was bedeutet Multifunktionalität? Dokumentation im Millenium Assessment

4 Was bedeutet Multifunktionalität? Problem: Multifunktionalität (sensu MA 2005) nicht kompatibel mit dem Begriff der Funktion in der Ökologie Erfassung der Ökosystemdienstleistungen bedürfen eines funktionalen Ansatzes Ansatz über Biodiversität hat Grenzen, denn taxonomische Zuordnungen geben nicht hinreichende Informationen über die funktionale Identität und die funktionale Diversität des Graslands Ziel: Funktionen sensu MA 2005 anhand funktionaler Merkmale erklären um Ökosystemdienstleistungen anhand funktionaler Merkmale des Graslands und ihrer Interaktionen abschätzen und vorhersagen zu können. there is an urgent need to move beyond the heuristic objective of early biodiversity experiments, and then to disentangle the contributions of the various components of biodiversity on ecosystem processes and, ultimately, to build a predictive framework for biodiversity and ecosystem functioning research that can forecast the potential effects of biodiversity changes that all ecosystems on earth are experiencing. 4

5 Was bedeutet Multifunktionalität? Beitrag von Ökosystemdienstleistungen auf Grasland entlang eines Gradienten der Bewirtschaftungsintensität (Kombination von Düngungsintensität, Häufigkeit der Schnitt- und Weidenutzung, Besatzdichte und Nachsaathäufigkeit). Nach Pötsch, verändert 5

6 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Funktionale Merkmale sind morphologische, physiologische und phänologische Eigenschaften von Pflanzen die einen signifikanten Einfluss auf die Etablierung, das Überleben, die Fitness einer Pflanzenart haben. 6

7 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Ordinationsdiagramm der floristischen Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Nutzung und Düngung: 2 CL+ und 2CL Zweischnittnutzung mit und ohne Kalkung 4 CL+ und 4CL Vierschnittnutzung mit und ohne Kalkung Con Kontrolle ( Mähweide) 7

8 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Bewertung funktionaler Merkmale für C-, S- und R-Typen 8

9 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands CSR-Diagramm der extremen Düngestufen im DDV Rengen A: ungedüngt, F: CaNPK 9

10 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Artenzusammensetzung und Kombination funktionaler Merkmale bei geringer Nährstoffversorgung Richtung der Änderung der Nährstoffzufuhr Artenzusammensetzung und Kombination funktionaler Merkmale bei hoher Nährstoffversorgung 10

11 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands kumulative Netto-Rückzahlung des Blattes pro Einheit Blattfläche (in dry mass units) r 1 i 1 a 1 Kosten b1 lls 1 Zeit seit Beginn des Blattwachstums i Kosten r 1 /r 2 Rückzahlung a 1 /a 2 Zeitpunkt der Kompensation der Kosten b 1 /b 2 Netto-Rückzahlung pro Einheit Zeit c 1 /c 2 Beginn der Seneszenz lls 1 /lls 2 Blattlebensalter c 1 C-Typ Kikuzawa 1995, Vegetatio 121, Mark Westoby et al., Ann. Rev. Ecol. Syst. 33,

12 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands kumulative Netto-Rückzahlung des Blattes pro Einheit Blattfläche (in dry mass units) r 2 r 1 i 1 i 2 a 1 Kosten b1 a 2 lls 1 lls 2 Zeit seit Beginn des Blattwachstums i Kosten r 1 /r 2 Rückzahlung a 1 /a 2 Zeitpunkt der Kompensation der Kosten b 1 /b 2 Netto-Rückzahlung pro Einheit Zeit c 1 /c 2 Beginn der Seneszenz lls 1 /lls 2 Blattlebensalter c 1 b 2 c 2 S-Typ C-Typ Kikuzawa 1995, Vegetatio 121, Mark Westoby et al., Ann. Rev. Ecol. Syst. 33,

13 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Theoretische Reaktion der Ausprägung numerischer funktionaler Merkmale von Grünlandpflanzen entlang eines Nährstoffgradienten 13

14 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Theoretische Reaktion der Häufigkeit kategorischer funktionaler Merkmale von Grünlandpflanzen entlang eines Nährstoffgradienten 14

15 Funktionale Merkmale und Funktionen von Pflanzen des Grünlands Typische Reaktionen funktionaler Merkmalen auf Umweltbedingungen und Bewirtschaftung life form, leaf traits and genome size in response to climate (McGillivray & Grime 1995; Niinemets 2001; Pavón et al. 2000) specific leaf area (SLA) and leaf chemical composition for response to soil resource availability (Cunningham, Summerhayes & Westoby 1999; Poorter & de Jong 1999); life cycle, relative growth rate (RGR) and photosynthetic pathway for response to CO 2 (Poorter, Roumet & Campbell 1996) RGR, leaf and root morphology, and seed mass for response to shading (Leishman & Westoby 1994; Reich et al. 1998) life cycle, plant height, architecture, resprouting and seed traits for response to disturbance (Bond & Midgley 2001; McIntyre & Lavorel 2001) aus: Lavorel und Garnier,

16 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Ordinationsdiagramm der funktionalen Merkmale in Abhängigkeit von der Düngung im Rengener Dauerversuch (Mittelwerte ) 16

17 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Phyto-soziologische Assoziation Rescaled Distance Cluster Combine B Geranio-Trisetetum Poo-Trisetetum Ca C Geranio-Trisetetum Poo-Tristetum CaN mit P A Geranio-Trisetetum Polygalo-Nardetum Poo-Trisetetum Kontrolle D E F Arrhenatheretum Poo-Trisetetum ohne P Dendrogram der Versuchsvarianten im Rengener Dauerversuch Cluster der phytosoziologischen Assoziationen basierend auf der Kombination der kategorischen Merkmale von Pflanzen (Mittelwerte der Jahre , jeweils erster Aufwuchs). 17

18 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Merkmalsausprägung (z-transformiert) Species selected: Alopecurus pratensis Anthoxantum odoratum Arrhenatherum elatius Briza media Cynosurus cristatus Dactylis glomerata Leucanthemum vulgare Lotus corniculatus - Ca CaN CaNP CaNPKCl CaNPK 2 SO 4 Düngestufe Ausprägung numerischer funktionaler Merkmale im Rengener Dauerversuch 18

19 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung δ 15 N Abundanz ausgewählter Pflanzenarten in Abhängigkeit von der Langzeitdüngung (Kriszan et al., 2009) 19

20 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung δ 15 N Abundanz von Grünlandflächen (Boden und Biomasse) in Abhängigkeit von der Langzeitdüngung (Kriszan et al., 2014) 20

21 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Relativedistance plasticity index 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 B. media A. elatius G a b C B c A d d D F E e f H g I h IL ILPHR PH SDM TDM SN IDM TLDM LN Relative distance plasticity index (RDPI) estimated for each trait and for each species across their respective fertilizer treatments. The figure shows the mean and s.e. for the two species. Different upper-case and lower-case indicate significant differences between traits of Briza media and Arrhenatherum elatius, respectively (Tukey post hoc, error 1%). IL: inflorescence length; ILPHR: inflorescence length to plant height ratio; PH: plant height; SDM: stem dry mass; TDM: total dry mass; SN: spikelet number; IDM: inflorescence dry mass; TLDM: total leaf dry mass; LN: leaf number. 21

22 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Verbreitungsgebiet und Clusterung von Accessionen von Chloris gayana (Rhodes grass) 22

23 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung a. Räumliche Veränderung des Beweidungsdruckes (GP) und der Biomasse (standing biomass) entlang eines Transektes (transect position) von der Tränkestelle (Position 1) in die Weidefläche b. Änderung der Länge von Trieben und deren Gewicht entlang des in a) gezeigten Transektes 23

24 Einfluß von Standort und Bewirtschaftung auf die funktionale Zusammensetzung Veränderung der spezifischen Blattfläche (a) des Blatt-Stickstoffgehalts und (b) des Zellwandgehaltes in Pflanzen entlang eines Weidegradienten. (Moreno et al., 2014) 24

25 Lessons learned Aufgrund der Vielfalt der Standortbedingungen und der Bewirtschaftung sowie der Formenvielfalt bedient das Grünland sehr unterschiedliche Funktionen und Ökosystemdienstleistungen ( Multifunktionalität lität des Grünlands im klassischen Sinne) Die daran gebundenen Prozesse und Funktionalitäten in unterirdischen en Organen von Pflanzen ( root traits ) und im Boden ( the hidden half ) sind kaum aufgeklärt Funktionale Merkmale (numerische und kategorische) ermöglichen die Ansprache und Quantifizierung dieser Funktionen und Prozesse; die Identifizierung Funktionaler Gruppen und die CSR-Klassifizierung vereinfachen das Verfahren. 25

26 Lessons learned Empfehlungen für die Auswertung von Vegetationsdaten zur funktionalen Analyse Tabellarische Auflistung der Arten mit Ertragsanteilen / Deckungsgraden Zuordnung von kategorischen funktionalen Merkmalen anhand von Datenbanken (z.b. LEDA, Biolflor) Berechnung der funktionalen Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft ( community weighted trait composition ) Bestimmung der funktionalen Diversität mittels statistischer Auswertung Zuordnung der funktionalen Zusammensetzung zu biotischen und abiotischen Faktoren am Standort Auswertung komplexer Datensätze mit Hilfe von Ordinationsverfahren zur Identifizierung von Pflanze-Umwelt-Interaktionen 26

27 Ausblick Die funktionalen Merkmale von Wiederkäuern sind angepaßt an die funktionalen Merkmale von Pflanzen Untersuchungen liegen dazu jedoch kaum vor. Die funktionale Zusammensetzung von Pflanzenbeständen kann mit Hilfe von Fernerkundungssensoren nicht-destruktiv erfasst werden, weil die solare Einstrahlung in typischer, von den funktionalen Merkmalen der Pflanzen abhängigen Weise reflektiert wird. NNI Simulationsmodelle ( Maxent Model / Traitspace Model ) prognostizieren Wahrscheinlichkeitsfunktionen für die floristische und funktionale Zusammensetzung von Grünlandbeständen 27