Biologische Vielfalt erhöht die Effizienz des Energieaustauschs im Grünland

Pflanzen beziehen ihre Energie aus der Sonne. Alle anderen Lebewesen müssen fressen, um zu leben. Doch wie funktioniert der Energiefluss in Ökosystemen und gibt es einen Unterschied zwischen Ökosystemen mit vielen und solchen mit wenigen Arten? Diesen Fragen gingen Forscherinnen und Forscher mit Daten aus einem großen Biodiversitätsexperiment in einem ganzheitlichen Ansatz nach. Erstmals wurden nicht nur einzelne Ernährungstypen wie Pflanzenfresser in den Blick genommen, sondern die Nahrungsbeziehungen eines ganzen Ökosystems.

Bisherige Forschungen zu den Auswirkungen der Biodiversität auf die Funktionsweise von Ökosystemen konzentrieren sich weitgehend auf einzelne Nahrungsebenen (trophische Ebenen) oder vereinfachte Nahrungsketten.

„Wir haben ein ganzes Nahrungsnetz, also multitrophische Interaktionen, sowohl über als auch unter der Erde analysiert. Das ist für das Verständnis der Folgen des anhaltenden, globalen Artenverlusts unerlässlich“, erklärt Prof. Jana Petermann von der Universität Salzburg, Senior-Autorin der Studie.

Ein Netz aus Energie

Eine oberirdische Nahrungskette könnte beispielsweise von Gräsern über Heuschrecken hin zu Spinnen gehen. Die Forschungsgruppe betrachtet, wieviel Energie in das System fließt, wieviel darin verbleibt – wieviel Biomasse folglich im System ist – und wieviel Energie das System wieder verlässt. Wichtigstes Ergebnis: Das gesamte Ökosystem nimmt mit zunehmendem Pflanzenartenreichtum auf allen Nahrungsebenen an Funktionsfähigkeit zu.

„Positive Effekte auf einer Ebene bedeuten nicht, dass es keine positiven Effekte auf einer anderen Nahrungsebene geben kann.“ Wenn sich eine Heuschrecke an den Gräsern satt isst, bedeutet dies nicht, dass auf der Ebene der Pflanzen negative Effekte daraus entstehen müssen – das System hält sich durch hohen Artenreichtum selbst im Gleichgewicht.

Einzigartige Datenbasis aus Grünland-Biodiversitätsexperiment

Die Gruppe arbeitet mit den Daten des Jena Experiments, einem groß angelegten Grünland-Biodiversitätsexperiment, das bereits seit 2002 läuft. Die kontrollierten Bedingungen, die das Experiment bietet, sind weltweit einzigartig und erlauben es, große Mengen an Daten zu vergleichen.

Für jede der 80 Parzellen des Jena Experiments stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler trophische Netzwerkmodelle des Grünlandökosystems zusammen. Diese enthalten die stehende Biomasse auf jeder Nahrungsebene und den Energiefluss zwischen den trophischen Ebenen in Wechselwirkungen. Zusätzlich zu den Pflanzen umfasst die Studie auch Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser, Mikroben, totes organisches Material im Boden und Zersetzer, die sich von abgestorbenem organischem Material ernähren.

Energienutzung im Ökosystem wird mit einer höheren Pflanzenvielfalt effizienter

 „Die Studie zeigt, dass eine höhere Pflanzenvielfalt zu mehr gespeicherter Energie, einem größeren Energiefluss und einer höheren Energieeffizienz im gesamten Netz, also in allen Nahrungsketten, führt“, erläutert Dr. Oksana Buzhdygan von der Freien Universität Berlin, ebenfalls Erstautorin der Studie.

Ökosysteme mit 60 Pflanzenarten hatten im Durchschnitt doppelt so viel stehende Biomasse wie die durchschnittliche Pflanzenmonokultur, was bedeutet, dass die Gesamtmenge der von der Gemeinschaft verbrauchten und wiederverwerteten Ressourcen mit zunehmender Pflanzenvielfalt zunahm.

Artenreichtum als Versicherung gegen Umweltschwankungen

„Eine verstärkte Ökosystemfunktion auf allen Ebenen kann dazu beitragen, die Versicherungswirkung der Biodiversität auf die Ökosystemfunktion bei Umweltschwankungen sowie die Robustheit bei Störungen zu erhöhen“, fasst Dr. Sebastian T. Meyer, Wissenschaftler am Lehrstuhl für Terrestrische Ökologie der Technischen Universität München (TUM) und Erstautor der Studie zusammen.

Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Biodiversität für die Funktionen und Dienstleistungen von Ökosystemen. Beispielsweise sollte eine landwirtschaftliche Bewirtschaftung, die auf eine breite Palette von Gütern und Dienstleistungen abzielt, mit einer höheren Pflanzenvielfalt arbeiten, etwa durch Mischkulturen, um den Verlust von Ökosystemressourcen zu vermeiden.

Publikation:

Oksana Y. Buzhdygan, Sebastian T. Meyer, Wolfgang W. Weisser, Nico Eisenhauer, Anne Ebeling, Stuart R. Borrett, Nina Buchmann, Roeland Cortois, Gerlinde B. De Deyn, Hans de Kroon, Gerd Gleixner, Lionel R. Hertzog, Jes Hines, Markus Lange, Liesje Mommer, Janneke Ravenek, Christoph Scherber, Michael Scherer-Lorenzen, Stefan Scheu, Bernhard Schmid, Katja Steinauer, Tanja Strecker, Britta Tietjen, Anja Vogel, Alexandra Weigelt, Jana S. Petermann (2020). Biodiversity increases multitrophic energy use efficiency, flow and storage in grasslands. Nature Ecology & Evolution. DOI: 10.1038/s41559-020-1123-8.

URL:   https://www.nature.com/articles/s41559-020-1123-8.

Mehr Informationen:

Im sogenannten „  Jena-Experiment“ (  www.the-jena-experiment.de) wird gemeinsam mit Kolleg*innen verschiedener Universitäten Deutschlands, der Niederland und der Schweiz untersucht, welche Bedeutung die biologische Vielfalt (Biodiversität) für Ökosysteme haben kann. Als Modellsystem dienen Grünländer unterschiedlicher Vielfalt. Im Jahr 2002 wurden aus einem Artenpool von 60 Arten Pflanzengemeinschaften von 1-60 Arten und 1-4 funktionellen Gruppen angelegt, in denen vergleichend Messungen zu Stoffflüssen und Wechselwirkungen zwischen Organismen untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine höhere Pflanzenvielfalt vielfältige positive Effekte auf Stoffkreisläufe und andere Prozesse im Ökosystem haben kann. Viele der Ergebnisse aus dem untersuchten Modellsystem Grünland lassen sich auch auf andere Ökosysteme und bewirtschaftete Flächen übertragen.

Links:

•   https://www.bcp.fu-berlin.de/en/biologie/arbeitsgruppen/botanik/ag_tietjen/People/wissenschaftliche_mitarbeiter/buzhdygan/index.html
•   https://www.uni-salzburg.at/index.php?id=209099&MP=200241-200835
• Imagefilm für das Jena Experiment:   https://youtu.be/yQSe6a2LBYM

Text: Dr. Katharina Baumeister-Krojer, Media-Relations TU München

Kontakt:
Assoz. Prof. Dr. Jana Petermann
Fachbereich Biowissenschaften
Hellbrunnerstraße 34, 5020 Salzburg
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