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The influence of land-use intensification and biodiversity on grassland biomass, water use and plant functional traits

dc.contributor.advisorLeuschner, Christoph Prof. Dr.de
dc.contributor.authorRose, Laurade
dc.date.accessioned2012-01-19T06:51:29Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T14:33:23Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:14Zde
dc.date.issued2012-01-19de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B3BB-Cde
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3333
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3333
dc.description.abstractIn den vergangenen 50 Jahren wurden im Zuge einer landwirtschaftlichen Intensivierung viele Grünlandflächen Mittel- und Westeuropas von extensiv zu intensiv genutztem Grasland umgewandelt. Dies führte zu einer stark gesteigerten Biomasseproduktion, einhergehend mit einer starken Verringerung der pflanzlichen Artenvielfalt. Aus diesem Grund haben wir den Einfluss verschiedener Landnutzungsintensitäten und der pflanzlichen Diversität auf die Struktur und Ökosystemfunktionen von temperaten Wiesen und Weiden untersucht. Diese Studie wurde im Kontext zweier Großprojekte in den Jahren 2008 bis 2010 im Solling in Mitteldeutschland durchgeführt: Das BIOMIX Projekt hat zum Ziel, den Einfluss der Häufigkeit unterschiedlicher funktioneller Pflanzengruppen in der Grasnarbe und verschiedener Weidetiere auf Produktion, Artzusammensetzung, den pflanzlichen Stickstoffgehalt und Biomasseallokation von Grünland zu analysieren. Im GrassMan Projekt wird der Einfluss der Bewirtschaftungsintensität von Mähwiesen auf den Wasserhaushalt, sowie auf die oben genannten Parameter entlang eines Gradienten in der pflanzlichen Artenvielfalt untersucht. Wir haben auf der BIOMIX Fläche im Jahr 2008 den Effekt von verschiedenen Weidetierarten auf die ober- und unterirdische Biomasse und die Stickstoffallokation in Abhängigkeit der Häufigkeit von Gräsern, Krautigen und Leguminosen in der Grasnarbe untersucht. Unterschiedliche Beweidung entweder mit Rindern, Schafen oder einer Mischung aus beiden erfolgte für zwei Jahre vor der Durchführung von Vegetationsaufnahmen, ober- und unterirdischen Biomasseerhebungen und Stickstoffanalysen. Während die oberirdische Biomasse durch Beweidung um bis zu 80 % reduziert wurde, blieb die unterirdische Biomasse im Vergleich mit unbeweideten Kontrollflächen weitgehend konstant. In leguminosen- und krautreichen Flächen war die Reduzierung der oberirdischen Biomasse durch Rinder stärker als durch Schafe, während Beweidung mit Schafen in grasdominierten Flächen tendenziell zu einer stärkeren Biomassereduktion führten. Im Vergleich zu der oberirdischen Biomasse wurde der oberirdische Stickstoffvorrat weniger stark reduziert, da das C/N-Verhältnis der Biomasse durch Beweidung verringert wurde. Das GrassMan Projekt wird in einer Matrix von Wiesenplots auf historisch altem Grünland durchgeführt. Die Bewirtschaftungsintensität unterscheidet sich bezüglich der Düngung (keine vs. NPK-Düngung) und der Schnittfrequenz (ein vs. drei Schnitte pro Wachstumsperiode). Zusätzlich wurde durch gezielten Herbizideinsatz gegen entweder Monokotylen oder Dikotylen ein Gradient in der Pflanzenartenzahl erzeugt. Wir haben den Einfluss von Pflanzendiversität und Bewirtschaftungsintensität auf die oberirdische- und unterirdische Biomasse und die oberirdische Produktion im Jahr 2009 untersucht. Während Düngung zu einer starken Steigerung der oberirdischen Biomasse und Biomasseproduktion führte, hatte eine erhöhte Schnittfrequenz nur eine leichte Steigerung der Produktion zur Folge. Höhere Artenvielfalt ging mit einer leichten Abnahme der Biomasseproduktion einher und hatte keinen signifikanten Einfluss auf die stehende ober- und unterirdische Biomasse am Ende der Wachstumsperiode. Das Wurzelsystem war weitgehend unbeeinflusst von der Düngung und wurde durch häufigen Schnitt leicht reduziert. Es konnte keinen Hinweis auf unterirdische komplementäre Ressourcennutzung festgestellt werden. Des Weiteren wurden auf der GrassMan Fläche Untersuchungen zum Wasserhaushalt in Abhängigkeit der Bewirtschaftungsintensität durchgeführt. Dabei wurden mit Hilfe von Wägelysimetern sowohl die Evapotranspiration als auch die Tiefensickerung und Grundwasserneubildung während der Wachstumsperiode 2009 erfasst. Die Untersuchungen ergaben, dass NPK-Düngung zu einer Steigerung der Biomasseproduktion um 50 70 % und einer Steigerung der Evapotranspiration von 10 15 % und somit zu einer Steigerung der Wasserausnutzungseffizienz um 20 30 % führte. Damit einher ging eine Verringerung der Tiefensickerung um 50 %. Die Schnitthäufigkeit hatte keinen Einfluss auf den Wasserhaushalt der untersuchten Fläche. Sowohl Evapotranspiration als auch Infiltration hingen stark von der oberirdischen Biomasseproduktion ab. Der letzte Schwerpunkt unserer Untersuchungen befasste sich mit den Auswirkungen von Management auf funktionelle Blatteigenschaften von acht Grünlandarten auf der GrassMan Fläche in den Jahren 2009 und 2010. Es wurden sowohl die spezifische Blattfläche als auch die massen- und oberflächenbezogenen Stickstoffkonzentrationen von acht Graslandarten erfasst. Wir konnten zeigen, dass NPK-Düngung bei allen Arten zu einer starken Zunahme der drei Parameter führte, während die Auswirkung verschiedener Schnittfrequenzen stark von der Ökologie einzelner Arten abhing. Eine Trockenperiode, gefolgt von starken Niederschlägen im Jahr 2010, führte zu erhöhten Werten im Vergleich zum Jahr 2009. Unterschiedliche Reaktionen der verschiedenen Arten auf die Bewirtschaftungsintensität führten sowohl zu Änderungen der blatteigenschaftsbasierten Rangfolge der Arten als auch der Beziehungen zwischen der spezifischen Blattfläche und der massen- bzw. oberflächenbezogenen Stickstoffkonzentration. Unsere Ergebnisse zeigen, dass funktionelle Blatteigenschaften weniger konstant gegenüber Landnutzung und klimatischen Bedingungen sind als bislang angenommen.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleThe influence of land-use intensification and biodiversity on grassland biomass, water use and plant functional traitsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDer Einfluss von Landnutzungsintensivierung und Biodiversität auf die Biomasse, den Wasserhaushalt und funktionelle Pflanzeneigenschaften von Grünlandde
dc.contributor.refereeLeuschner, Christoph Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-05-04de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaftende
dc.subject.dnbBiologiede
dc.description.abstractengAgricultural intensification has transformed most grasslands of Central and Western Europe from extensive to highly intensive management during the last 50 years, resulting in a strong increase in biomass production and large reductions of plant species diversity. We investigated the impact of different management intensities and plant diversity on the structure and functioning of temperate pastures and meadows. The study took place within the framework of two projects in the Solling Mountains, Central Germany in the years 2008 to 2010: The BIOMIX project aims at disentangling the effects of plant functional group abundances and different types of livestock on species composition, grassland yields, plant nitrogen status and biomass allocation. The objective of the GrassMan project is to investigate the effects of plant species richness and land-use intensification on the above mentioned parameters and the water balance of meadows. At the BIOMIX site, we investigated the effects of different types of livestock in pastures with different abundances of herbs and grasses on above- and belowground biomass and nitrogen allocation. Pastures were grazed by cattle, sheep, or a mixture of both for two years before we conducted vegetation analyses, biomass sampling and biomass N analyses. Aboveground biomass was reduced up to 80 % by grazing while belowground biomass was not altered. Cattle reduced aboveground biomass to a larger extent than sheep in diverse pastures while sheep grazing tended to do so in grass-dominated pastures. The aboveground N pool was less reduced than biomass, because grazing reduced the C/N ratio of aboveground biomass relative to the ungrazed control. The GrassMan project is conducted in a matrix of meadow plots at an old grown permanent grassland site. Plots differ in fertilization (no vs. NPK-fertilization) and cutting frequency (one vs. three cuttings per season) and a gradient of species richness was created by the application of herbicides either against dicotyledonous or monocotyledonous species. One of our approaches at the GrassMan site aims at analyzing the effects of species richness under altered cutting frequencies with and without fertilization on above- and belowground biomass and biomass production. While fertilization had a strong positive effect on standing aboveground biomass and aboveground biomass production and increased cutting frequency a minor positive effect on aboveground biomass production, the effect of plant species richness on aboveground biomass was insignificant and aboveground biomass production was negatively related to species richness. Root biomass and distribution patterns gave no indication of belowground complementary resource use at this site. Another study, also conducted at the GrassMan site, focused on the effects of different land-use intensities on the water balance of temperate meadows. With small weighable lysimeters, we measured evapotranspiration and infiltration rates in response to different management intensities during the growing season 2009. Aboveground biomass production, belowground biomass, root length density, plant diversity, water use efficiency, and climatic factors were also measured. Fertilization increased aboveground biomass production by 50 70 % and stand evapotranspiration by 10 15 %, while infiltration and groundwater recharge decreased by about 50 %. Consequently, fertilization increased the water use efficiency of the grassland plants by 20 30 %, while increasing the mowing frequency from one to three had no significant effect. We found close relations between aboveground biomass production and evapotranspiration or infiltration and conclude that grassland management intensification influences the water balance primarily through fertilization effects on productivity. The last focus was on plant functional trait responses to climatic conditions and different land-use at the GrassMan site in 2009 and 2010. We measured the specific leaf area (SLA) of eight grassland species and related the values to mass- and area-based nitrogen concentrations of the leaves (Nmass, Narea, respectively). It could be shown that NPK-fertilization led to generally higher SLA, Nmass and Narea values, while the effect of altered cutting frequencies on leaf traits was more species-specific. A dry period followed by a period of high precipitation led to higher values of these traits in 2010 compared to 2009. Differences in species responses to management altered the trait-based species rankings and the SLA-Nmass and SLA-Narea relationships. These results indicate that plant functional traits are not as consistent between management and years as suggested by earlier studies.de
dc.contributor.coRefereeIsselstein, Johannes Prof. Dr.de
dc.subject.topicGöttingen Centre for Biodiversity and Ecology (GCBE)de
dc.subject.gerGraslandde
dc.subject.gerProduktivitätde
dc.subject.gerWasserumsatzde
dc.subject.gerBeweidungde
dc.subject.engGrasslandde
dc.subject.engProductivityde
dc.subject.engWater balancede
dc.subject.engGrazingde
dc.subject.bkBiologiede
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3332-3de
dc.identifier.purlwebdoc-3332de
dc.affiliation.instituteGöttinger Zentrum für Biodiversitätsforschung und Ökologie (GZBÖ)de
dc.subject.gokfullBiologiede
dc.identifier.ppn686770846de


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