Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
Halle-Jena-Leipzig
 

iDiv-Ecotron

Forschung zu Biodiversität und der Funktionsweise von Ökosystemen unter kontrollierten Umweltbedingungen

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Allgemeine Beschreibung

Das Ecotron ist eine gemeinsame Forschungsplattform von iDiv und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ). Es handelt sich um eine Forschungsanlage im Innenbereich mit einer Reihe von 24 identischen, als „EcoUnits“ bezeichneten Versuchseinheiten, die jeweils eins bis vier von einander isolierte Ökosysteme beherbergen. Das Artenspektrum innerhalb der Ökosysteme kann über- und unterirdisch durch Variationen der horizontalen Diversität (d.h. die Anzahl der Arten in einer trophischen Ebene) sowie der vertikalen Diversität (d.h. die Anzahl der trophischen Ebenen) manipuliert werden. Ökologische Prozesse im Ecotron können mit nicht invasiven Methoden gemessen werden, während die Umweltbedingungen entweder für den gesamten Satz von Replikaten (z.B. bei der Lufttemperatur) oder für jedes Replikat einzeln (z.B. Beregnung, Beleuchtung, Bodentemperatur) gesteuert werden. 

Offizielles Ecotron Logo

Das Ecotron Logo ähnelt einer Ecotron Versuchseinheit (EcoUnit) und visualisiert die Interaktionen zwischen dem „grünen Netz“ (den oberirdischen Bestandteilen des Ökosystems) und dem „braunen Netz“ (den unterirdischen Bestandteilen). Außerdem bildet es das Wort „Eco”.
Offizielles Ecotron Logo

Forschungsschwerpunkt

Aktuelle Forschung zeigt deutlich, dass die Diversität in höheren trophischen Ebenen (z.B. überirdische Pflanzenfresser und Räuber sowie unterirdische Pflanzenfresser, Räuber und Zersetzer) eine Vielzahl von Ökosystemfunktionen gleichzeitig beeinflussen kann (= Multifunktionalität)1,2. Allerdings werden diese höheren trophischen Ebenen häufig durch anthropogene Einflüsse, wie beispielsweise die Intensivierung der Landnutzung, stark negativ beeinflusst 3,4. Die Forschung im Ecotron wird sich auf das Verständnis der Beziehungen zwischen horizontaler (d.h. die Anzahl der Arten innerhalb einer trophischen Ebene) und vertikaler Biodiversität (d.h. die Anzahl der trophischen Ebenen) und Ökosystemfunktionen konzentrieren, insbesondere im Hinblick auf höhere trophische Ebenen. Drei Schlüsselfragen, die wir untersuchen wollen, lauten:

  • Beeinflusst die Komplexität der Interaktionsnetzwerke zwischen Arten die Funktionsweise des Ökosystems?
  • Wie hängen Ökosystemfunktionen von den Beziehungen zwischen oberirdischen und unterirdischen Organismen und Prozessen ab?
  • Welche Auswirkungen hat der globale Wandel auf Biodiversität, Interaktionsnetzwerke und Ökosystemfunktionen?

Wir werden die große Bandbreite an Erfahrungen, Ansätzen und Fachkenntnisse der Forschergemeinschaft innerhalb von iDiv nutzen, um mehrere Teilstudien innerhalb der umfassenderen, langfristigen Experimente durchzuführen. Diese werden sich mit unterschiedlichen taxonomischen oder funktionellen Gruppen von Organismen sowie mit verschiedenen Ökosystemfunktionen und –prozessen beschäftigen. Die Synthese der Ergebnisse aus den Teilstudien wird uns dabei helfen ein ganzheitliches Verständnis der untersuchten Ökosysteme zu entwickeln. Ferner wird es uns möglich sein, die Mechanismen zu generalisieren  nach denen verschiedene Komponenten der Biodiversität zur Multifunktionalität von Ökosystemen beitragen.

Zur Untersuchung unserer Forschungsfragen werden wir die Diversität innerhalb von sowie zwischen trophischen Ebenen und funktionellen Gruppen manipulieren und diese Behandlungen experimentell mit Treibern  des globalen Wandels kreuzen. Die Ecotron Versuchseinheiten (EcoUnits) sind so konzipiert, dass sie Organismen mit verschiedenen Wuchsformen und Lebensstrategien beherbergen können, was es uns ermöglicht, die Interaktionen zwischen Primärproduzenten, Zersetzern, Pflanzenfressern, Räubern, Mutualisten, Parasiten und Pathogenen sowie abiotischen Bedingungen zu untersuchen. Dazu werden in die EcoUnits Pflanzen wie Moose, Kräuter, Stauden und Baumsetzlinge eingebracht. Es werden oberirdische Tiere (z.B. Insekten, Spinnen und Weichtiere), unterirdische Tiere (z.B. Insekten, Regenwürmer, Springschwänze, Milben und Fadenwürmer) sowie Mikroorganismen hinzugefügt. Abiotische Bedingungen, wie die Intensitäten von Licht, Beregnung, Nährstoffversorgung oder Toxinen, werden manipuliert. Eine Reihe von Parametern wird mit nicht invasiven Methoden mit Hilfe fest installierter Messtechnik, automatisierter Bodenwasserbeprobung und Videokameras erfasst (siehe EcoUnits).

Zur Entwicklung von Experimenten und zur Organisation von Kooperationen im Ecotron Projekt wurde das Ecotron Wissenschaftskomitee gegründet, das sich mit allen wissenschaftlichen und administrativen Fragen im Zusammenhang mit der Forschungsplattform beschäftigt. Die Mitglieder des Komitees sind Nico Eisenhauer (iDiv/UL), Ulrich Brose (iDiv/FSU), Alexandra Weigelt (UL), François Buscot (UFZ/UL), Stan Harpole (iDiv/UFZ/MLU), Martin Schädler (UFZ) sowie der Ecotron Koordinator Manfred Türke (iDiv/UL).

Referenzen

1 Lefcheck et al. (2015) Nature Comm. 6: 6936

2 Soliveres et al. (2016) Phil. Trans. R. Soc. B 371: 20150269

3 Allan et al. (2014) PNAS 111: 308–313

4 Attwood et al. (2008) Global Ecol. Biogeogr. 17: 585–599

Ecotron Übersichtsposter 
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Ecotron Übersichtsposter

Inbetriebnahme des Ecotrons

Das Ecotron wird gegenwärtig gebaut und kann im Herbst 2016 erstmalig für ein Experiment eingesetzt werden. Es wird in einer klimagesteuerten Halle auf 580 m2 Fläche implementiert, welche sich in der Versuchsstation des Helmholtz Zentrums für Umweltforschung - UFZ in Bad Lauchstädt (Sachsen-Anhalt) befindet. Die Forschungsstation bietet durch Laborräume, Laborausstattung, Gewächshäuser sowie Maschinen zur Bodenbearbeitung eine herausragende Infrastruktur zur Unterstützung der Ecotron Forschung. Sie beherbergt außerdem weitere Plattformen wie GCEF, NutNet, DroughtNet, MyDiv und TrophinOak.

Rekonstruktion der Ecotron-Halle – PDF herunterladen
Rekonstruktion der Ecotron-Halle

EcoUnits

EcoUnit / Ecotron-Prototyp

Im Juli 2015 wurde der Prototyp einer Ecotron Versuchseinheit, die sogenannten EcoUnits, gebaut und an das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig geliefert. In den folgenden Monaten wurde der Prototyp durch uns experimentell getestet und hinsichtlich Lichtintensität, -heterogenität und -spektren, Beregnungsheterogenität unter Verwendung unterschiedlicher Düsentypen, Belüftung und Luftströmen sowie anderen Aspekten beurteilt. Die Ergebnisse dieser Tests haben wir dann verwendet, um das Design der endgültigen EcoUnits zu verbessern. Schließlich wird der Prototyp so modifiziert, dass er baugleich mit den anderen Einheiten ist und wird in die Serie der 24 EcoUnits aufgenommen.

Ecotron-Modelle

Abmessungen

EcoUnits sind Versuchskammern mit den Gesamtabmessungen von 1,55 × 1,55 × 3,20 m (L × B × H), die aus einem mit Boden gefüllten Unterteil (unterirdischer Teil), einem Oberteil (oberirdischer Teil) sowie einem technischen Aufsatz bestehen. Das Gestell der Kammer besteht aus Aluminiumprofilen, die für Stabilität sorgen und auch für Flexibilität, da zusätzliche Komponenten jederzeit leicht hinzugefügt werden können.

Das Unterteil umfasst einen Behälter mit den Innenabmessungen von 1,24 × 1,24 × 0,80 m (L × B × H), der mit 1,23 m3 Boden (≈ 2,2 t) befüllt werden kann oder alternativ vier Stahlzylinder (Lysimeter) von 0,50 × 0,80 m (T × H) mit je 0,16 m3 Boden (≈ 0,28 t) aufnehmen kann. Lysimeter können entweder manuell mit Erde befüllt oder zur Entnahme intakter Bodenmonolithe aus dem Feld verwendet werden, die dann in die EcoUnit eingebracht werden. Die mit Boden befüllten Behälter, ebenso wie die Lysimeter, bieten eine Habitatgröße, die dazu geeignet ist, um realistische Interaktionsnetzwerke unterirdischer Organismen einzurichten und um Ökosystemprozesse zu untersuchen.

Das Oberteil hat die Innenabmessungen von 1,46 × 1,46 × 1,50 m (L × B × H), die ausreichend Raum für das Wachstum selbst großer Kräuter und Baumsetzlinge sowie für die Entwicklung komplexer Interaktionsnetzwerke bieten.

Ein technischer Teil mit den Anlagen für die Beleuchtung, Belüftung und Beregnung sowie den Schaltschrank wird auf das Oberteil aufgesetzt.

Unterteil, Grundgestell
Unterteil, Grundgestell
Bodenbehälter
Bodenbehälter
Bodentemperatur-, Feuchtigkeits-, Spannungssensoren (Tensiometer)
Bodentemperatur-, Feuchtigkeits-, Spannungssensoren (Tensiometer)
Lysimeter
Lysimeter
Untere Abdeckplatte
Untere Abdeckplatte
Oberes Grundgestell
Oberes Grundgestell
Innenwände
Innenwände
Türen, Touch Panel, Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensoren
Türen, Touch Panel, Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensoren
Technischer Bereich, Belüftung, Videokameras
Technischer Bereich, Belüftung, Videokameras
LED-Lampen, Schaltschrank
LED-Lampen, Schaltschrank

Aufteilung

Jede EcoUnit kann mit Hilfe der vier Lysimeter in vier unterirdische Kompartimente sowie durch den Einbau von Innenwänden in vier oberirdische Kompartimente unterteilt werden. Die Unterteilung ist nur unterirdisch, nur oberirdisch oder in beiden Teilen zugleich möglich, so dass innerhalb einer EcoUnit vier getrennte Bereiche geschaffen werden können, zwischen denen der Austausch von Organismen und Materialien beschränkt ist. Jeder Viertelbereich der Kammer verfügt über eigene Beleuchtungs-, Beregnungs- und Belüftungssysteme sowie dauerhaft installierte Messtechnik. So können bis zu vier verschiedene experimentelle Behandlungen in jeder EcoUnit angesetzt werden.

Schnittansicht EcoUnit (Grafik: Georg Mathias, iDiv)
Schnittansicht EcoUnit

Feste Einbauten für die Messtechnik

Im oberirdischen Teil befinden sich vier Sensoren für die Messung von Lufttemperatur und Luftfeuchte. Im unterirdischen Teil befinden sich in drei verschiedenen Bodentiefen (Mitte des Sensors in einer Bodentiefe von 9,5, 21,5 und 43,5 cm) jeweils vier Sensoren zur Messung von Bodentemperatur und –feuchte sowie vier Tensiometer zur Messung der Saugspannung. Die Daten dieser Sensoren werden in ausgewählten Zeitabständen automatisch von der zentralen Steuereinheit erfasst. Am Grund des Bodenbehälters bzw. jedes der vier Lysimeter befinden sich Saugsonden, die kontinuierlich Bodenwasser für chemische Analysen sammeln. Darüber hinaus befinden sich im oberirdischen Teil auch vier HD-IP-Videokameras, mit denen die Vegetationsentwicklung im Verlauf des Experiments sowie Insektenverhalten erfasst werden, wie etwa die Bewegung und Habitatnutzung, Herbivorie, Prädation und Bestäubung. Die Kameras können unter Verwendung des durch die Beleuchtung der EcoUnit bereitgestellten Infrarotlichts auch bei Dunkelheit aufzeichnen.

In den Wänden des Unterteils befinden sich vier Öffnungen in jeder der drei Bodentiefen (eine Öffnung pro Tiefenstufe in jedem Lysimeter). Diese können entweder zur horizontalen Entnahme von Bodenproben bzw. von Bodenvolatilen während der Experimente verwendet werden, oder zum Einbau von Plexiglasröhren, in welche wiederum ein transportabler Wurzelscanners eingeführt wird, der zur Überwachung des Wurzelwachstums dient.

Schnittansicht, Unterteil (Grafik: Georg Mathias, iDiv)
Schnittansicht, Unterteil

Umweltbedingungen

Jede EcoUnit verfügt über ein lokales Terminal (Touchpanel) zur Einstellung der Umweltparameter und zur Festlegung der Erfassungsintervalle für die Datenlogger, die allerdings auch über die zentrale Steuereinheit über das Netzwerk für die gesamte Reihe der 24 Einheiten, Gruppen von Einheiten oder individuelle Einheiten eingestellt werden können. Überdies werden auch alle Einstellungen der Umweltbedingungen (z.B. Änderungen der Lichtintensität oder Beregnungssereignisse) erfasst.

Licht: Jede EcoUnit verfügt über vier LED Lampen, die gemeinsam betrieben werden. Es gibt vier Farb- (Wellenlängen-) Kanäle, die einzeln auf Intensitäten zwischen 0 und 100% eingestellt werden können. Für jeden Farbkanal kann die Intensität für jede Stunde im Laufe des Tages definiert werden, wobei sich die Intensität zwischen aufeinanderfolgenden Stunden mit verschiedenen Einstellungen schrittweise verändert. So kann der relative Anteil von Licht mit verschiedenen Wellenlängen innerhalb des Lichtspektrums angepasst werden (z.B. ein höherer Anteil von Rotlicht während der Morgen- und Abenddämmerung). Die verfügbaren Farbkanäle sind weiß (3000 K und 5000 K), UV (400 - 405 nm), blau (460 - 475 nm) und rot (625 – 720 nm). Bei den maximalen Lichtintensitätseinstellungen beträgt die Intensität der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR)  auf Bodenniveau >400 μmol s-1 m-2. Für jeden Tag des Jahres kann ein Gesamtlichtintensitätsniveau für alle gemeinsam behandelten Farbkanäle zwischen 0 und 100% definiert werden, so dass saisonale Änderungen der Lichtintensität und Tageslänge simuliert werden können.

Bewässerung: Vier im Oberteil installierte Bewässerungsdüsen sorgen für die automatische Beregnung mit entionisiertem Wasser, wobei die Möglichkeit besteht, die Durchflussrate (über Änderungen des Wasserdruckes), die Wassermenge sowie die Häufigkeit der Beregnungsereignisse zu modifizieren. Die Düsen wurden so ausgewählt, dass eine bestmögliche, räumliche Homogenität des Niederschlags auf Bodenniveau erzielt wird. Für die vier Viertelbereiche der Einheit können unterschiedliche Beregnungsprogramme verwendet werden.

Klima: In der Ecotron Halle werden Lufttemperatur und -feuchte geregelt. Die durch die oberirdischen Datenlogger zur Verfügung gestellten Informationen zu Temperatur und Feuchte innerhalb der EcoUnits werden mit den Bedingungen in der Ecotron Halle verglichen. Die Klimabedingungen innerhalb der Einheiten können nun durch die Erhöhung oder Reduzierung der Lüftergeschwindigkeit automatisch an die Bedingungen in der Halle  angeglichen werden. Auch manuelle Einstellungen können verwendet werden. Für die vier Viertelbereiche der Einheit sind unterschiedliche Einstellungen möglich.

Bodentemperatur: Um einen naturnahen Bodentemperaturgradienten zu erzielen, bei dem die Temperatur von den tieferen Bodenschichten zur Oberfläche hin ansteigt, wurde am Boden des Unterteils/Bodenbehälters ein Kapillarsystem installiert, in dem ein Kühlmedium zirkuliert. Verschiedene Einstellungen, in denen die Daten aus den ober- und unterirdischen Temperatursensoren verwendet werden, können zur automatischen Anpassung der Bodentemperatur verwendet werden. Die Bodentemperatur kann für jede EcoUnit einzeln reguliert werden.

EcoUnit Explosionsdarstellung (Grafik: Georg Mathias, iDiv)
EcoUnit Explosionsdarstellung

Prof. Nico Eisenhauer

Rolle im Ecotron-Projekt:
PI

Kontaktaufnahme aus folgenden Gründen:
Forschung, Kooperationen

Kontakt:
nico.eisenhauer@idiv.de

Dr. Manfred Türke

Rolle im Ecotron-Projekt:
Koordinator/Postdoktorand

Kontaktaufnahme aus folgenden Gründen:
Forschung, Kooperationen, Verwaltung, Inhalte, Stand der Technik

Kontakt:
manfred.tuerke@idiv.de
+49 341 9733193

Georg Mathias

Rolle im Ecotron-Projekt:
Techniker

Kontaktaufnahme aus folgenden Gründen:
Technische Fragen, Webseite

Kontakt:
georg.mathias@idiv.de
+49 341 9733191

Vorteile für Labor- und Feldstudien

 

Die Ergebnisse aus Laborexperimenten spiegeln unter Umständen nicht immer die Ergebnisse aus natürlichen Lebensräumen wider, da in den vereinfachten Bedingungen im Labor oft die Wechselwirkungen zwischen Arten sowie die Wechselbeziehungen zwischen Prozessen in Ökosystemen fehlen. Andererseits variieren in natürlichen Ökosystemen die Umweltbedingungen zeitlich und räumlich stark, und Ökosystemprozesse werden durch eine Vielzahl (häufig unbekannter) Faktoren beeinflusst, die Varianz in den Daten verursachen können. Diese Varianz kann wiederum die allgemeinen Mechanismen, die  den untersuchten Prozessen zu Grunde liegen, verschleiern oder verwirren. Das Ecotron ermöglicht den Aufbau komplexer Ökosysteme, die naturnahen Bedingungen ähneln, aber es bietet zugleich die Möglichkeit, die Varianz in den Daten, die aus unbekannten Faktoren (z.B. durch die Steuerung von Umweltbedingungen) hervorgehen, zu eliminieren oder zu reduzieren.  Außerdem können die meisten Variablen,  die ökologische Prozesse beeinflussen, unkompliziert gemessen werden. Des Weiteren bietet das Ecotron die Möglichkeit, ökologische Wechselwirkungen von Pflanzen und Wirbellosen in einem angemessenen, räumlichen Maßstab zu untersuchen. Daher ermöglicht uns das Ecotron, die Mechanismen tiefgehender zu untersuchen, die der Beziehung zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen zugrunde liegen.

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