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Biomassebildung und Nährstoffaneignungsvermögen der Wurzeln in experimentellen Grünlandbeständen mit unterschiedlicher Pflanzenartenzusammensetzung
(2005)
- In der Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Pflanzenartenzusammensetzung experimenteller Grünlandbestände und für das Nährstoffaneignungsvermögen relevanten morphologischen Wurzeleigenschaften untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf die Biomassebildung und den Nährstoffgehalt der Wurzeln analysiert, um den Eintrag von Kohlenstoff in den Boden und die Zirkulation mineralischer Nährelemente im Boden abzuschätzen. Die Untersuchungen fanden an Grünlandbeständen unterschiedlicher Zusammensetzung von Pflanzenarten (2 bis 8 Arten) und funktionellen Typen von Pflanzen (niedrigwüchsige Gräser, hochwüchsige Gräser, Rosettenpflanzen, hohe stängelbeblätterte Krautige) statt. Des Weiteren wurden auch die Mykorrhizierung und das Stickstoffaufnahmevermögen der Wurzeln untersucht. Die morphologischen Wurzeleigenschaften unterschieden sich deutlich je nach Bestandeszusammensetzung, Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bodentiefe. Wurzellängendichte, durchschnittlicher Wurzeldurchmesser und spezifische Wurzellänge wurden in erster Linie von spezifischen Effekten dominanter Arten bestimmt. Ein Einfluss der Pflanzenartenvielfalt und der funktionellen Typen von Pflanzen konnte nicht nachgewiesen werden. Auch die Mykorrhizierung der Wurzeln in Grünlandbeständen wurde in erster Linie von spezifischen Wurzeleigenschaften der bestandsbildenden Pflanzenarten beeinflusst. Interspezifische Wechselwirkungen scheinen eine untergeordnete Rolle zu spielen. Der Anteil mykorrhizierter Wurzellänge war positiv mit der Wurzellängendichte korreliert. Die Stickstoffaufnahme eines Pflanzenbestandes aus unterschiedlichen Bodentiefen wurde nicht von der Anzahl an Arten oder funktionellen Gruppen bestimmt, sondern vermutlich von den artspezifischen Leistungsfähigkeiten der Wurzeln. Die Stickstoffaufnahme einer bestimmten Art und die Konkurrenzkraft dieser Art bezüglich der Stickstoffaufnahme aus verschiedenen Bodentiefen variierten dabei je nach Wurzelkonkurrenz durch benachbarte Arten. Interspezifische Wechselwirkungen durch unterschiedliche Tiefenverteilung der Wurzeln spielten hier vermutlich eine entscheidende Rolle. Zur Beurteilung der Konkurrenzkraft scheint eine Einteilung der funktionellen Typen auf der Basis von morphologischen Wurzeleigenschaften demnach besser geeignet als die hier vorgenommene Einteilung nach morphologischen Sprosscharakteristika. Die potenzielle Stickstoffaufnahmefähigkeit der Wurzeln wurde ebenfalls in erster Linie durch die spezifischen Eigenschaften der im Bestand vorkommenden Arten beeinflusst. Schnitt der oberirdischen Biomasse und Jahreszeit hatten dagegen keinen Einfluss auf die Stickstoffaufnahmekapazität der Wurzeln. Selbst während der Vegetationspause im Winter blieb das Potenzial zur Nitrataufnahme erhalten. Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bestandeszusammensetzung hatten einen deutlichen Einfluss auf die Bildung pflanzlicher Biomasse. Die Bildung von Spross- und Wurzelbiomasse war im ersten Untersuchungsjahr deutlich höher als im zweiten, was auf witterungsbedingte Änderungen der Abundanz einzelner Arten zurückzuführen war. Dies deutet darauf hin, dass die Biomassebildung und somit der Ertrag von Grünlandsystemen in erster Linie von spezifischen Eigenschaften dominanter Arten bestimmt werden. Wurzelumsatz und Kohlenstoffeintrag in den Boden durch Wurzelstreu waren positiv mit dem Grasanteil in der Sprossbiomasse korreliert. Diese Beziehung fiel jedoch – den gesamten Untersuchungszeitraum betrachtet – deutlicher aus als bei ausschließlicher Betrachtung des letzten Untersuchungsjahres. Da sich die Abundanz der einzelnen Arten jedoch im Verlauf des Experiments änderte, scheinen die untersuchten Parameter in erster Linie durch artspezifische Eigenschaften beeinflusst zu werden. Die Akkumulation von Kohlenstoff im Boden war – über den gesamten Untersuchungszeitraum gerechnet – in den grasdominierten Beständen etwas niedriger als in den von dikotylen Kräutern dominierten Beständen. Eine erhöhte SOM-Zersetzungsrate aufgrund artspezifischer Einflüsse auf die Mikroflora im Boden könnte hierbei eine Rolle spielen. Die Akkumulation von Kalium, Magnesium und Phosphor in den Wurzeln war bei den in der ersten Hälfte des Experiments vom Gras Holcus lanatus dominierten Beständen geringer als in den übrigen Beständen. Die interne Zirkulation dieser Nährelemente wird offenbar von Effekten dominanter Arten bestimmt. In der vorliegenden Arbeit konnten keine konsistenten Zusammenhänge zwischen der Anzahl an Pflanzenarten oder an funktionellen Gruppen in einem Bestand und den untersuchten Parametern nachgewiesen werden. Vielmehr zeigten in erster Linie artspezifische Effekte dominanter Arten einen deutlichen Einfluss auf verschiedene Ökosystemfunktionen. Basis für künftige Untersuchungen zum Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf Ökosystemfunktionen sollte deshalb eine gezielte Definition von morphologischen und physiologischen Attributen von Pflanzenarten sein.
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Instationarität und räumliche Variabilität in Abflusszeitreihen aus Süddeutschland
(2009)
- Die meisten statistischen Methoden zur Auswertung hydrologischer Daten implizieren zumindest asymptotische Stationarität sowohl in den Wahrscheinlichkeitsdichten als auch in der dynamischen Struktur (ergodische Systeme). Vielfach werden außerdem lückenfreie Daten vorausgesetzt. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie berechtigt diese Annahmen auf den in der Praxis zur Verfügung stehenden Zeitskalen von bis zu einem Jahrhundert sind. Dazu wurde ein Ensemble von langen, in täglicher Auflösung vorliegenden Abflusszeitreihen aus Süddeutschland analysiert. Die Spektralmethode des Lomb-Scargle-Periodogramms (LSP) – entwickelt für in unregelmäßigen Zeitabständen gemessene astronomische Daten – wurde auf ihre Anwendbarkeit für lückenbehaftete Abflusszeitreihen beurteilt. Die quantitative Fehlerabschätzung erfolgte in Abhängigkeit von Anteil, Zahl und Verteilung der Lücken. Die Methode liefert für einen Lückenanteil von 1 bis 10% verwertbare Ergebnisse und ist hier einfachen Interpolationsmethoden überlegen. Sind die Daten stark saisonal geprägt, sind auch höhere Lückenanteile unproblematisch, die ansonsten die Interpretierbarkeit der Peaks einschränken. Ist bei längeren Lücken eine Datenrekonstruktion aus geeigneten Nachbarpegeln möglich, liefern Fast-Fourier-Analysen der so vorbehandelten Daten bessere Ergebnisse als das LSP. Bei kurzen Lücken (<1%) sind einfache Interpolationsroutinen ausreichend. Der anhand der Modelleffizienz des LSP quantifizierbare maximal zu erwartende Qualitätsverlust kann mit einer für unkorrelierte Daten hergeleiteten Beziehung abgeschätzt und mittels weiterer Kriterien (Anzahl und Position der Lücken, Saisonalität der Daten) präzisiert werden. Das LSP ist damit für die Frequenzraumanalyse von Abflussdaten mit bis zu 10% Lücken eine sinnvolle Alternative zu aufwändigeren Interpolationsverfahren. Die Stationarität von 97 Pegeln im oberen Donauseinzugsgebiet wurde mittels Fenstertechnik auf Zeitskalen von 2 bis 30 Jahren mit verschiedenen Methoden untersucht. Exemplarisch durchgeführte sequentielle parametrische Verteilungsanpassungen waren methodisch unbefriedigend, nicht-parametrische Ansätze standen daher im Fokus. Herkömmliche Charakteristika von Verteilungen wie Perzentile und Momente und die Entwicklung in daraus abgeleiteten Phasenräumen wurden analysiert. Ausgehend von der Testgröße des Kolmogorow-Smirnow-Zweistichprobentests wurden verschiedene Stationaritätsmaße zum sequentiellen Vergleich von Verteilungen entwickelt, um statt einzelner Kennwerte die Veränderungen im gesamten Wertebereich zu berücksichtigen. Die neuen Maße eignen sich hervorragend zur Einschätzung der Stärke der Schwankungen im Pegelvergleich, ihre Darstellung in Matrizenform erlaubt eine detaillierte zeitliche Analyse der Einzelpegel. Der Zeitverlauf der integrativen Stationaritätsmaße ist weniger von einzelnen Episoden oder Extremereignissen geprägt und damit gleichmäßiger als die mit Hilfe einzelner Verteilungsmerkmale dargestellte Dynamik. Die Analyse des oberen Donaueinzugsgebiets zeigt einen fast alle Pegel betreffenden langfristigen Anstieg der Abflussmengen in den letzten drei Jahrzehnten. Hiervon betroffen sind insbesondere niedrige Abflüsse, abgeschwächt der mittlere Bereich der Werteverteilung und in nur geringem Maße die Hochwasserabflüsse. Streuung, Schiefe und Wölbung zeigen keine pegelübergreifenden langfristigen Tendenzen. Auf kürzeren Zeitskalen von 3 bis 6 Jahren ist bei sämtlichen Pegeln eine synchrone Mittelwerts-Schwankung zu beobachten, die sich abgeschwächt auch in Varianz und höheren Momenten zeigt. Aus dieser regional gleichmäßigen Abflussdynamik auf Zeitskalen von mehreren Jahren lassen sich starke räumliche Korrelationen ableiten, die sich über mehrere 100 km und damit über den Bereich des Untersuchungsgebiets hinaus erstrecken. Die Abflussschwankungen sind von Pegel zu Pegel unterschiedlich stark ausgeprägt, wobei die alpenbeeinflussten Abflüsse durch ihre vergleichsweise geringe Variabilität eine Sonderrolle einnehmen. Das pegelspezifische Instationaritätsniveau kann in der Praxis zur Beurteilung der Unsicherheit von aus Verteilungsanpassungen berechneten Bemessungsgrößen mit herangezogen werden.
