3 search hits
-
Structuring Descriptive Data of Organisms — Requirement Analysis and Information Models
(2007)
-
Gregor Hagedorn
- Data that describe organisms in a structured form are indispensable not only for taxonomic and identification purposes, but also many phylogenetic, genetic, or ecological analyses. By analyzing existing information models and performing selected fundamental requirement analyses, the present work contributes to a broadening of the understanding of these forms of data. It falls into an interdisciplinary area between biology and information science. The term “descriptive data” is understood here in a broad sense: As descriptions of individuals, populations, or taxa, intended for various purposes (e. g., genetic, phylogenetic, diagnostic, taxonomic, or ecological), and covering a wide array of observation methods and data types (e. g., morphological, anatomical, genetic, physiological, molecular, or behavioral data). The position of descriptive data in the context of biodiversity framework concepts (covering, e. g., nomenclatural data, specimen collection data, or resource management) is discussed. A number of fundamental problems arise when modeling biological descriptive data. The ways in which existing data exchange formats, information models, and software applications address them are studied and future possible solutions are outlined. One such solution, the information model for the software “DiversityDescriptions (DeltaAccess)” is one of the results of this thesis and fully documented (Ch. 7). This entity relationship model fully supports the concepts of the traditional DELTA data exchange format (Description Language for Taxonomy; TDWG standard since 1986). If further improves on DELTA by introducing “modifiers” as a new terminology class, by introducing a more flexible system of handling statistical measures, by improving the handling of multilingual data sets, by supporting subset and filter features for concurrent collaborative editing (instead of supporting these for report-generation purposes alone), by supporting improved character attributes to create natural language descriptions from structured descriptions, and by adding metadata for a data set to improve the ability of data exchange without external documentation. In preparation of a future improved information model for descriptive data, the results of three requirement analyses are presented: a data-centric analysis of general concepts, a process-centric analysis of identification tools, and a high-level use case analysis. The first analysis (Ch. 4) is a structured inventory of fundamental approaches and problems involved in collecting and summarizing scientific descriptions of organisms. It is informed in part by current practices in information science, comparative data analysis, statistical, descriptive or phylogenetic software applications, and data exchange formats in biodiversity informatics. At the end three topics are discussed in particular detail (“Federation and modularization of terminology”, “Modifiers”, and “Secondary classification resulting in description scopes”). Except for phylogenetic analyses, identification is the most common usage of descriptive data. The second analysis (Ch. 5) therefore studies the processes, data structures, presentational and user interface requirements for printable and computer-aided identification tools (“keys”). Finally, a general use case analysis is performed with the goal of creating a framework of high-level use cases into which present as well as future requirements may be integrated (Ch. 6). All three requirement analyses are explorative and do not fulfill formal criteria of software engineering. They identify many requirements not addressed by the relational DiversityDescriptions model. Some of these could only be explored and await future solutions. For others solutions are proposed (some of which could already be incorporated into the design of SDD, an xml-based TDWG standard since 2005): The traditional data types are changed into an extensible character type model. The importance of data aggregation concepts was recognized to be fundamental. Complementary to data aggregation, the present and potentially future use of data inheritance along the lines of the taxonomic hierarchy is briefly studied. The concept of calculated characters could be addressed only insofar as the mapping between values can potentially be generalized. Character decomposition models are studied, but ultimately the traditional character concept, supplemented with a forest of ontologies for compositional and generalization concept hierarchies, is preferred as a more general concept. Both the traditional character subset and character applicability models can be integrated into concept hierarchies.
-
Soil microbial community structure and function of agriculturally used Mollisols in the periurban area around Buenos Aires, Argentina, with emphasis on pesticide and heavy metal contamination
(2007)
-
Thorsten Ullrich
- Buenos Aires, the capital of Argentina is surrounded by an agricultural green belt with fertile Mollisols, which provides the entire supply especially for vegetables of the city. The fast growing population is causing a decrease in the agriculturally available area on the one hand and also a higher demand for food on the other hand. Therefore, an intensification of agriculture and the maintenance of sustainable soil fertility are of essential importance. However, the population is increasingly concerned about an environmental contamination because of an enhanced application of pesticides and heavy metal containing fertilisers in the course of which organic management systems are getting increasing attention. The green belt is agriculturally used in manifold ways. Besides fallows and pastures, organic and conventional cultivations are conducted on open fields and under greenhouses, while also anthropogenically unaffected areas with soils representing a reference for natural soil condition still exist. The objectives of this dissertation were to examine whether inputs of pesticides and heavy metals cause soil pollution and whether the different land use systems lead to an alteration of soil microbial community structure and function. Additionally, it was investigated whether conventional cultivation leads to a soil quality deterioration and if a replacement by organic cultivation can improve this situation. With the aid of a field experiment it was also tested whether land use conversion from a fallow to typical management systems influences soil microbiology, why special emphasis was put on conventional as well as on organic cultivation and pesticide application. Exclusively in top soils of conventionally managed fields pesticides were quantified up to 34.2 µg/kg. The mean heavy metal concentrations did not differ significantly from natural background contents and between the diverse land use systems. A contamination hazard coming from pesticides and heavy metals was regarded as low and consequently, no risk potential for the ecosystems were expected. For the characterisation of the soil microbial community structure and function in soils of the different land use systems twenty phospholipid fatty acids and the following parameters were examined, respectively: enzyme activities (acid phosphatase, arylsulfatase, cellulase, dehydrogenase and urease), basal and substrate-induced respiration, soil microbial biomass, metabolic quotient, net nitrogen mineralisation, net nitrification and potential denitrification. Two principal component analyses were carried out, one for the structural and one for the functional parameters. For the first ones six microbial taxonomic groups were distinguished, while for the latter four principal components (microbial capacity, mineralisation activity, nitrogen transformation potential and metabolic activity) were extracted. With the aid of a subsequent discriminant analysis calculated by the functional data six independent land use groups could be differentiated. Nearly all soils of conventionally managed greenhouses as well as those of organically managed greenhouses and agricultural fields, pastures and the reference were allocated to the expected groups. Only soils of conventionally managed agricultural fields and fallows were combined into one group exhibiting high similarities between these two land use systems. All microbial taxonomic groups showed a reduction in biomass due to agricultural use, while a shift of relative contributions to the total biomass was hardly observable. A differentiation of the land use systems by a discriminant analysis calculated by the structural data was not possible. In the field experiment with the aid of two discriminant analyses calculated by both the data of the structural and the functional parameters it could clearly be distinguished between conventionally and organically managed as well as non-treated and fallow soils. However, a differentiation between soils of the same management with respect to different pesticide applications and varying application amounts was not possible. Finally, correlations between phospholipid fatty acid contents of all analysed microbial taxonomic groups and soil microbial functional parameters were found indicating close connections between soil microbial community structure and function. Hence, the microbial community composition on its own is of no indicator value for soil quality and has to be combined with functional properties. Recapitulatory, it can be concluded that the Mollisols of the green belt around Buenos Aires are not sensitive against intensive agricultural utilisation.
-
Spatio-Temporal Patterns of Biodiversity and their Drivers - Method Development and Application
(2007)
-
Gerald Jurasinski
- Landnutzungsveränderungen und Klimawandel führen weltweit zu einer rapiden Veränderung von Landschaften und Ökosystemen. Es werden dringend standardisierte und vergleichbare Daten benötigt, um den damit einhergehenden Verlust von Biodiversität zu erfassen. Daher ist es überaus wichtig, Methoden für eine umfassende Erfassung und Bewertung von Biodiversität zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der Geschwindigkeit des Biodiversitätsverlustes sollten diese ebenso repräsentativ wie pragmatisch sein. Wenn Biodiversität auf Landschaftsebene verloren geht, müssen Aufnahmen häufig wiederholt werden, um diese Veränderungen erfassen und analysieren zu können. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung räumlich expliziter, übertragbarer Methoden zur Erfassung und Analyse pflanzlicher Vielfalt. Dies schließt Artenreichtum ebenso ein wie die räumliche und zeitliche Heterogenität der Artenzusammensetzung. Die konzeptionelle Erarbeitung einer Methodik sowie ihre Anwendung zur Untersuchung ökologischer Fragestellungen bilden die zwei Schwerpunkte dieser Arbeit. Eine Bewertung der bestehenden Terminologie zur biologischen Vielfalt - insbesondere bezüglich des Begriffes beta-Diversität - macht deutlich, dass eine Vielzahl konkurrierender Konzepte existiert. Diese Fülle an Definitionen verhindert die Anwendung sowie den wissenschaftlichen Fortschritt. Daher wird eine neue Terminologie vorgeschlagen, welche - im Gegensatz zu Whittakers Konzept der Vielfalt (mit den Begriffen alpha-, gamma- und beta-Diversität) - klarere Begriffe zur Verfügung stellt (Erfassungs-, Unterscheidungs- und Verhältnis-Diversität). Sie ermöglicht eine direktere Erfassung der zugrunde liegenden ökologischen Phänomene und Fragestellungen was wiederum eine effiziente Strukturierung zukünftiger Forschung und Diskussionen ermöglicht. Räumliche Muster der Vielfalt können am ehesten mit systematischem Sampling erfasst werden. Allerdings sind rektanguläre Raster - wie sie bisher angewendet worden - nicht unproblematisch. Einerseits wird dabei die Veränderung der Ähnlichkeit von Erfassungsflächen mit der Entfernung zwischen ihnen nicht berücksichtigt. Andererseits ergeben sich uneindeutige Ähnlichkeitswerte. Daher wird das systematische Sampling in hierarchisch geschachtelten, equidistanten Rasterflächen vorgeschlagen. Es scheint eine geeignete Methode zur Untersuchung räumlicher Muster in der Vegetation zu sein. Zur Analyse von Vielfaltsmustern wird ein neuer Koeffizient der Multi-Plot-Diversität vorgestellt. Zum ersten Mal ist damit die simultane Berechnung der Ähnlichkeit zwischen einer und mehreren Erfassungsflächen unter Berücksichtigung der Identitäten der Arten auf allen betrachteten Flächen möglich. Er erlaubt eine bessere Darstellung von Gradienten der Artenzusammensetzung und Hotspots der Artenvielfalt als andere getestete Indizes. Damit stellt dieser Koeffizient ein viel versprechendes Werkzeug für die ökologische Forschung als auch für Naturschutzplanung und -monitoring bereit. Das entwickelte equidistante Erfassungsraster wurde in einer Fallstudie in Nordost-Marokko angewendet, um räumliche Muster der Biodiversität und die sie bestimmenden Faktoren zu untersuchen. Das geschachtelte Raster mit hexagonalen Aufnahmeflächen ermöglicht eine detaillierte Bewertung verschiedenster Apekte der biotischen Vielfalt auf Landschaftsebene. Störungen stellen einen wichtigen Einflussfaktor in Bezug auf räumliche Muster der Artenverteilung dar. Allerdings ist das langfristige Störungsregime von noch stärkerer Bedeutung. Es manifestiert sich in der Vegetationsstruktur der Baum- und Strauchschicht. Am bedeutsamsten ist jedoch die Feststellung, dass die Beziehungen zwischen räumlichen Mustern der Biodiversität und den sie bestimmenden Einflussfaktoren erheblich mit der Maßstabsebene auf der sie erfasst werden schwanken. Sie zeigen keine Stationarität im statistischen Sinne. Für die ökologische Forschung ist dies eine bedeutende Feststellung. Wenn die Beziehungen zwischen Mustern und den sie bestimmenden Prozessen untersucht werden, muss die Erfassungsmethode dem Rechnung tragen und die Untersuchung von maßstabsabhängigen Varationen der Beziehungen zwischen Umweltvariablen ermöglichen. Teile der für die Analyse von multiplen Untersuchungsflächen entwickelten Methodik wurden auf einen Vegetationsdatensatz von Alpengipfeln im Bernina-Gebiet (Schweiz) angewendet. Dabei wurde untersucht, ob das klimabedingte Aufwärtswandern von Arten zu einer Homogenisierung der Artenzusammensetzung auf diesen Gipfeln führt. Die Analyse zeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist: Die Zunahme der Artenvielfalt auf den Bergspitzen geht mit einer Abnahme der Unterschiedlichkeit zwischen ihnen einher. Im Kontext der vorliegenden Arbeit ist festzustellen, dass das Heterogenitätskonzept eine interessante Möglichkeit für die Bewertung aktueller ökologischer Fragestellungen sowie für die Naturschutzplanung darstellt.
