Aquatische Gemeinschaften sind stark körpergrößenstrukturiert mit einer exponentiellen Abnahme der Häufigkeit der Individuen mit zunehmender Körpergröße, die als Größenspektrum (SS) bezeichnet wird. Körpergrößenbasierte Ansätze bieten eine einfache und kostengünstige Methode zur Beantwortung komplexer ökologischer Fragestellungen in aquatischer Forschung. Widersprüchliche Ergebnisse zu den wichtigsten Faktoren, die Größenspektren beeinflussen unterstreichen jedoch die Notwendigkeit weiterer Studien. Um einige dieser widersprüchlichen Schlussfolgerungen anzugehen, habe ich eine Reihe von Fragen in den Bereichen Limnologie und Korallenriffökologie untersucht. In dieser Dissertation wurden größenbasierte Ansätze wie SS verwendet, um zu untersuchen, (i) was die Größenverteilung von Zooplankton beeinflusst und ob Zooplankton-fressende Fische (topdown) oder Ressourcenverfügbarkeit und Umweltbedingungen (bottom-up) die SS der Zooplanktongemeinschaft bestimmen, (ii) ob traditionelle Schleppnetze oder moderne hydroakustische Methoden Fisch-SS zuverlässiger darstellen, und (iii) ob SS von Korallenriff- Fischgemeinschaften und die strukturelle Komplexität der Korallen bzw. deren Beziehung zueinander sich unter verschiedenen anthropogenen Stressoren verändert. Zuallererst konnte ich zeigen, dass weder Top-down- noch Bottom-up-Kräfte stark die Größenverteilung der Zooplanktongemeinschaft beeinflussten. Zooplankton SS scheinen robust gegenüber Prädationseffekten zu sein, aber ein empfindlicher Indikator für die Energieverfügbarkeit und Transfereffizienz im Nahrungsnetz des untersuchten Sees. Des Weiteren konnten meine Studien bestätigen, dass hydroakustische Methoden die SS von pelagischen Fischgemeinschaften zuverlässig darstellen, was sie zu einer kostengünstigen und minimalinvasiven Alternative zu traditionellen Fischentnahmemethoden macht. Ich konnte jedoch kein allgemeingültiges Muster hinsichtlich der Größenverteilung von Korallenrifffischen und der strukturellen Komplexität der Korallen in Beziehung zu unterschiedlichen anthropogenen Stressoren finden. Insgesamt zeigt die Dissertation das weite Anwendungsspektrum von SS, um Strukturen und Prozesse in aquatischen Gemeinschaften und Fischfangmethoden zu untersuchen. Die hohe Variabilität von Größenspektren und der Einfluss von Umweltbedingungen unterstreicht weiter die Wichtigkeit, Daten über einen langen Zeitraum einzubeziehen. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit auch die Grenzen der Anwendung von SS, da für die Beantwortung mancher ökologischer Fragestellungen artenspezifische Informationen, wie Lebensraum- und Nahrungspräferenzen benötigt werden. / Aquatic communities are highly body-size structured with an exponential decline of abundance with increasing body size, which is referred to as the size spectrum (SS). The importance of body size as a principal and simplifying framework within aquatic communities, has led to a high number of theoretical and empirical studies on energy fluxes in food webs and predatorprey interactions using Size Spectra. These size-based approaches offer a rather simple and inexpensive method to answer complex ecological questions. However, conflicting findings on the key drivers of SS highlight the need for further studies. To address some of these conflicting conclusions, I investigated a range of questions within the fields of limnology and coral reef ecology. In this thesis size-based approaches such as SS were employed to explore (i) what drives zooplankton size distribution and whether zooplanktivorous fish (top-down) or resource availability and environmental condition (bottom-up) determine zooplankton community SS, (ii) whether traditional midwater trawling or modern hydroacoustic methods more reliably represent fish SS, and (iii) coral reef fish community SS and habitat structural complexity and their relationship across site-specific anthropogenic stressors. By analysing long term data, I first found that neither top-down or bottom-up forces drove the zooplankton community size distribution. Zooplankton SS seem robust against predation effects but a sensitive indicator for lake-wide energy availability and transfer efficiency in the food web. Then I found that hydroacoustic methods reliably represent pelagic fish community SS, making it a great alternative to traditional and more invasive fish removal sampling methods. Finally, I discovered that coral reef fish SS slope and structural complexity of the reef exhibited a significant negative relationship on two of the examined reef sites which are least exposed to anthropogenic disturbances. A consistent pattern of fish SS and reef complexity was missing, indicating that other environmental factors may also impact the assessed parameters. Overall, my studies show the range of applications of SS to effectively answer universal questions from trophic interactions and the importance of habitat characteristics in a community to a methodological comparison of fish sampling methods. The high variability of SS behaviour and the influence of environmental conditions further underlines the importance to include data on a large temporal scale. Community information, such as taxonomic identity and consideration of species-specific feeding and habitats preferences, for example, are still beneficial in some cases to answer ecologically questions extensively.

Kleine, flache Gewässer gelten als sogenannte „hotspots“ der Primärproduktion und Kohlenstoffbindung. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die Primärproduktion verschiedener kleiner Gewässer zu quantifizieren sowie die Mechanismen, die den Kohlenstoffkreislauf dieser Systeme beeinflussen, zu analysieren. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss globaler Veränderungen, die diese Mechanismen verändern können Im ersten Abschnitt wurde die Primärproduktion (PP) in kleinen, temporären Söllen untersucht, die sehr anfällig für Störungen sind. Ich konnte zeigen, dass die PP der Sölle im Sommer außergewöhnlich hoch ist, was hauptsächlich auf eine hohe Makrophytenproduktion zurückzuführen ist Im zweiten Teil analysiere ich die Ergebnisse eines Experiments zum Einfluss erhöhter Temperaturen auf die benthische PP kleiner Gewässer im Frühjahr. Acht Mesokosmen wurden bei normalen und um 4°C erhöhten Wassertemperaturen gemäßigter Breiten betrieben. In der ersten Hälfte des Experiments konnte ich eine erhöhte benthische PP in den erwärmten Mesokosmen feststellen, die auf direkte Temperatureffekte und indirekte Auswirkungen einer höheren Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen war. Anfang Juni stieg jedoch der Einfluss der Makroinvertebraten auf das Periphyton in den erwärmten Mesokosmen, so dass keine Unterschiede in der PP mehr auftraten. Schließlich, untersuche ich die Resilienz eines Sees gegenüber einem plötzlichen Eintrag gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) aus dem terrestrischen Umland, der zu einer starken Braunfärbung des Wassers führte. Der Fokus liegt dabei auf Veränderungen der Wasserqualität und der aquatischen PP des Sees, nachdem sich die DOC-Konzentration verfünffacht hatte. Drei Jahren nach Erreichen der maximalen DOC- und Gesamt-Phosphor im See sanken diese signifikant, lagen jedoch noch immer 1,5- bzw. 2-fach oberhalb der Ausgangskonzentrationen vor dem DOC-Eintrag. Die benthische PP zeigte eine teilweise Erholung, erreichte jedoch ebenfalls nicht die Ausgangswerte. / Small, shallow freshwater ecosystems are now considered hotspots of primary production & carbon sequestration. Yet till recently they’ve been mostly neglected. This thesis aims at explaining the underlying mechanisms affecting carbon cycling in these systems, particularly focusing on how contemporary global changes alter ecological equilibria. In the first section, using a compartmental approach, I study primary production in small, temporary ponds (kettle holes) within agricultural fields that are highly susceptible to environmental & anthropogenic disturbances. I show that summertime gross primary production (GPP) in kettle holes is exceptionally high, mostly driven by a strong macrophyte production. In winter, periphyton contributes to the majority of the systems’ GPP. High summertime deposition, correlated to GPP, and low sediment mineralization rates, signified a high potential for carbon burial. In the second experiment, I test the impact of increased temperatures on periphyton production during spring. I use eight mesocosms running at normal & +4°C temperatures. Initially, I recorded elevated periphyton GPP in the warmed treatment driven by direct temperature effects & indirect effects of higher nutrient availability. By late spring, the trend is reversed due to increased grazing pressure in the warm treatment. In the third study, I investigate a lake’s resilience to a sudden brownification event: A 5-fold increase in dissolved organic carbon (DOC) concentrations. Within three years after peak brownification, the lake DOC & total phosphorous concentrations dropped significantly but seem to have plateaued at 1.5 & 2-fold their pre-brownification levels, respectively. Consequently, benthic GPP, which had collapsed due to light limitation at peak brownification, marked only a partial recovery, while phytoplankton (& whole-lake) GPP remained higher than pre-brownification levels. Phytoplankton & periphyton exhibited an inverse response to DOC & TP concentrations.

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Changes of habitats are amongst the main drivers of evolutionary processes. Corresponding shifts in the behaviour and life history traits of species might in turn also alter ecosystem attributes. The reproduction of Western European fire salamanders (Salamandra salamandra), in small pond habitats instead of first order streams, is one example of a recent local adaptation. Since fire salamander larvae are important top-predators in these fish free habitats, their presence likely changes various aspects of ecosystem functioning. Here, it was analysed how the ecological performance of salamander larvae in ponds in the Kottenforst in Western Germany changed in comparison to sympatric stream populations. Further, it was analysed how their presence in ponds influenced key ecosystem attributes such as prey density and diversity and aquatic-terrestrial linkage. To assess the impact of the life cycle shifts in salamanders on the pond functioning, detailed investigations of salamander larvae population dynamics, phenology, and macroinvertebrate community development in ponds were combined with experimental manipulations of the salamander presence. In the first part of this study, the impact of pond presence of fire salamanders in terms of ecosystem functioning focussing on aquatic terrestrial subsidy transfer was calculated. The study could show, that the adaptation of fire salamanders to breed in pools led to strong increases of animal-mediated import of terrestrial matter into the aquatic habitats. The hypothesis about the impact on macroinvertebrate communities derived from these calculations was then tested experimentally. It was shown, that presence of salamander larvae could influence some taxa of macroinvertebrates but they had only limited effects on the food web structure in their aquatic habitats. Yet, a high relevance of the subsidy exchange from aquatic to terrestrial and its high relevance for the predator persistence in the system could again be confirmed. Moreover, it was demonstrated, that the larval behaviour and performance could have a high inter-annual variability as a reaction to contrasting ecosystem constraints in comparison to the stream habitats. A fact that integrally separates the pond ecotype from stream ecotype conspecifics.

Rund 3.000 Arten zur Beschreibung des ökologischen Zustandes von Gewässern nach den Vorgaben der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie wurden bisher in Sachsen erfasst. Die größte Gruppe stellen Wasserpflanzen einschließlich Algen dar. Die reich bebilderte Broschüre stellt eine Auswahl in Sachsen vorkommender Wasserpflanzen und am Gewässerboden lebender Algen vor und gibt Einblick in eine faszinierende Unterwasserwelt. Sie ermöglicht wasserwirtschaftlichen Praktikern und interessierten Naturschützern einen Einstieg in die Interpretation des ökologischen Gewässerzustands.

Die konventionelle Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen ist mit vielen Nachteilen verbunden: hohe elektrische Lastspitzen, Energieverbräuche, Umweltbelastungen, signifikante Kosten sowie ein umfangreicher Einsatz von ozonabbauenden Kältemitteln in den letzten Jahren. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erreicht werden. Durch die thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist eine rationelle Nutzung der im Kühllastfall ausreichend vorhandenen Wärme möglich. Um die Kälteerzeugung weiter energetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern, stellt der Einsatz von Kältespeichern eine aussichtsreiche Alternative dar. In diesem Projekt wird deshalb der Kältespeicher-Einsatz speziell für die Randbedingungen in Deutschland untersucht.

The role of competition in tree communities is increasingly well understood, while little is known about the patterns and mechanisms of the interplay between above- and belowground competition in tree communities. This knowledge, however, is crucial for a better understanding of community dynamics and developing adaptive near-natural management strategies. We assessed neighbourhood interactions in an unmanaged old-growth European beech (Fagus sylvatica) forest by quantifying variation in the intensity of above- (shading) and belowground competition (crowding) among dominant and co-dominant canopy beech trees during tree maturation. Shading had on average a much larger impact on radial growth than crowding and the sensitivity to changes in competitive conditions was lowest for crowding effects. We found that each mode of competition reduced the effect of the other. Increasing crowding reduced the negative effect of shading, and at high levels of shading, crowding actually had a facilitative effect and increased growth. Our study demonstrates that complementarity in above- and belowground processes enable F. sylvatica to alter resource acquisition strategies, thus optimising tree radial growth. As a result, competition seemed to become less important in stands with a high growing stock and tree communities with a long continuity of anthropogenic undisturbed population dynamics. We suggest that growth rates do not exclusively depend on the density of potential competitors at the intraspecific level, but on the conspecific aggregation of large-diameter trees and their functional role for regulating biotic filtering processes. This finding highlights the potential importance of the rarely examined relationship between the spatial aggregation pattern of large-diameter trees and the outcome of neighbourhood interactions, which may be central to community dynamics and the related forest ecosystem services.

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Grünland spielt eine große Rolle in der Landnutzung und nimmt ein Drittel der landwirtschaftlich genutzten Fläche von Europa ein. Als Konsequenz der Intensivierung landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmaßnahmen der letzten 60 Jahre nahm die Produktivität des Grünlands zu während die Diversität dieser Systeme abnahm. In Grünland-Ökosystemen spielt Stickstoff (N) eine Schlüsselrolle – N bedingt die Primärproduktion und beeinflusst die Biodiversität. Zudem kann eine steigende N-Verfügbarkeit gasförmige Emissionen, wie z.B. Distickstoffoxid (N2O) und Stickstoffmonoxid (NO) fördern, die eine große Rolle in der Atmosphäre spielen und zur globalen Erwärmung beitragen. Eine höhere Nitratauswaschung (NO3-) aus Böden kann eine Gefahr für die Grundwasserqualität sein. N-Verluste durch Ausgasung von N2O und NO sowie NO3--Auswaschung sind dabei die Folgen der mikrobiellen Prozesse Denitrifikation und Nitrifikation. In dieser Studie haben wir den Effekt von unterschiedlichen Bewirtschaftungsintensitäten und funktioneller Pflanzendiversität auf die N-Verluste und Ökosystemfunktionen untersucht. Die Studie ist Teil des Excellenzclusters „Funktionelle Biodiversitätsforschung“ der Georg-August-Universität Göttingen und wurde durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur finanziert. Die Studie wurde im Rahmen von zwei interdisziplinären Projekten (BIOMIX & GRASSMAN) von 2008 bis 2010 im Solling, Niedersachsen, Deutschland durchgeführt. Wir untersuchten von Rindern und Schafen beweidetes Grünland (BIOMIX) und gemähtes Grünland mit unterschiedlichen Bewirtschaftungsintensitäten (GRASSMAN). In beiden Projekten wurde die funktionelle Pflanzendiversität durch Herbizide eingestellt. Der Fokus unserer Arbeit lag auf den N-Verlusten (N2O and NO Emissionen, NO3--Auswaschung) und der N Dynamik (Netto und Brutto Mineralisation). In GRASSMAN berechneten wir zusätzlich die N-Nutzungseffizienz und die N-Rückhalteeffizienz auf Ökosystemebene. Dabei ist die N-Nutzungseffizienz das Produkt der Aufnahmeeffizienz (definiert als N-Aufnahme der Pflanze pro verfügbares N) und der N-Nutzungseffizienz auf Pflanzenebene (definiert als Produktivität pro N-Aufnahme der Pflanze). Darüber hinaus berechnen wir N-Rückhalteeffizienz in Böden als einen Index, der das Verhältnis von N-Verlusten zu dem im Grünland verbleibenden N beschreibt. In BIOMIX haben wir die Auswirkung von Beweidung und Pflanzenarten-zusammensetzung auf N2O and NO Emissionen untersucht. Die mit einem Herbizid gegen Dikotyle vorbehandelten Weiden wurden mit Rindern oder Schafen Rotationsweise beweidet. Mittlere N2O Emissionen lagen bei 38.7 µg N2O-N m-2 h-1, mittlere NO Emissionen betrugen 2.4 µg NO-N m-2 h-1. Kumulative NO-N Emissionen waren höher auf den von Schafen beweideten Flächen als auf den von Rindern beweideten Flächen. In einem kontrollierten Applikations-Experiment führte die Behandlung mit Rinderurin zu höheren N2O Emissionen als die Behandlung mit Schafurin. Die Emissionshöchstwerte von 1921 µg N2O-N m-2 h-1 bei Behandlung mit Rinderurin im Vergleich zu 556 µg N2O-N m-2 h-1 bei Schafurin standen im Zusammenhang mit unterschiedlichen N-Einträgen pro Ausscheidung der Tiere. Die Emissionshöchstwerte der mit Dung behandelten Flächen waren im Vergleich mit den jeweiligen Urinbehandlungen viel geringer. Die N2O Emissionsfaktoren betrugen 0.4% für Rinderurin, 0.5% für Schafurin, 0.05% für Rinderdung und 0.09% für Schafdung. Sowohl das Beweidungs-Experiment, als auch das kontrollierte Applikations-Experiment zeigten, dass die Pflanzenartenzusammensetzung auf N-Emissionen im Vergleich zum Einfluss der Weidetierart auf N-Emissionen unbedeutend war. Trotz höherer N-Einträge auf Rinderweiden waren die N-Emissionen aus der Schafbeweidung höher. Wir führten dies auf die gleichmäßigere Verteilung von Schafs-Exkrementen im Vergleich zu Rindern-Exkrementen zurück. In GRASSMAN untersuchten wir die Auswirkungen von unterschiedlichen Bewirtschaftungsregimen (Düngung und Schnittintensität) und Pflanzenarten-zusammensetzung auf die N-Verluste (N2O Emissionen, NO3- Auswaschung) und die N-Dynamik (Netto und Brutto Mineralisation) und kalkulierten die N-Nutzungseffizienz und die N-Rückhalteeffizienz. Ein dreifaktorielles Design mit folgenden Faktoren wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren etabliert: Düngung (180 – 30 – 100 kg NPK ha-1 yr-1 und keine Düngung), Schnittintensität (ein- und dreimal pro Jahr) und Pflanzenartenzusammensetzung (eine unbehandelte Kontrolle, eine Dikotyl-erhöhte und eine Monokotyl-erhöhte Grasnarbe). In 2009 wurden die N2O Emissionen erheblich von beiden Bewirtschaftungsfaktoren (Düngung und Schnittintensität) beeinflusst, während in 2010 nur die Düngung die N2O Emissionen beeinflusste. In 2009 wurden NO3- Auswaschungsverluste durch Düngung und in 2010 von beiden Bewirtschaftungsfaktoren (Düngung und Schnittintensität) beeinflusst. Die Netto N-Mineralisation Raten wurden in 2009 nur von der Düngung beeinflusst. In 2010, zeigte nicht nur die Düngung, sondern auch die Schnittintensität einen Einfluss auf die Netto N-Mineralisation Raten. Weder die Bewirtschaftung (Düngung) noch die Pflanzenartenzusammensetzung hatte einen Einfluss auf die Brutto N-Mineralisation. Die N-Nutzungseffizienz wurde vor allem durch die Düngung und als weiterer Faktor durch die Schnittintensität in 2009 beeinflusst, welche 41% bzw. 3% der Varianz erklärten. In 2010 hatte die Düngung mit 24% der erklärten Varianz einen geringeren Effekt auf die N-Nutzungseffizienz, während die Auswirkungen der Schnittintensität (12%) und die Pflanzenartenzusammensetzung (6%) stärker ausgeprägt waren. Die N-Nutzungseffizienz war auf ungedüngten Flächen größer als auf gedüngten, in den dreimal geschnittenen Flächen höher als in den einmal geschnittenen, und in der unbehandelten Kontrolle höher als in der Monokotyl-erhöhte oder Dikotyl-erhöhte Grasnarbe. Düngung verringert die N-Nutzungseffizienz durch die Abnahme in der N-Aufnahmeeffizienz und der N-Nutzungseffizienz auf Pflanzenebene, während die Schnittintensität und die Pflanzenartenzusammensetzung nur durch die N-Aufnahmeeffizienz beeinflusst werden. Die N-Rückhalteeffizienz wurde nur für 2010 berechnet und wurde durch die Düngung und die Pflanzenartenzusammensetzung mit 22% und 17% der erklärten Varianz beeinflusst. N-Rückhalteeffizienz nahm in der Reihenfolge unbehandelte Kontrolle > Dikotyl-erhöhte > Monokotyl-erhöhte Grasnarbe mit einem signifikanten Unterschied zwischen der unbehandelten Kontrolle und der Monokotyl-erhöhten Grasnarbe ab. Die N-Rückhalteeffizienz ist mit dem mikrobiellen Ammonium (NH4+) und der mikrobiellen Biomasse hoch und mit der N-Aufnahme der Pflanzen nur gering korreliert, was die Bedeutung der mikrobiellen N Retention im System Boden-Pflanze unterstreicht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bewirtschaftung der wichtigste und bestimmende Faktor der Ökosystemfunktionen eines Grünlands ist. Düngung, Schnittintensität und Beweidung beeinflussen die N-Nutzungseffizienz, die N-Rückhalteeffizienz und die N-Verluste. Die Zusammensetzung der botanischen Grasnarbe hat einen geringen Einfluss auf den N Kreislauf oder die N-Nutzungs- und die N-Rückhalteeffizienz. Wobei die Pflanzenartenzusammensetzung der unbehandelten Kontrolle (~70% Monokotyle und ~30% Dikotyle), die sich unter der extensiven Langzeit-Bewirtschaftung eingestellt hatte, die höchsten Effizienzen zeigte - sowohl eine Erhöhung der Monokotyledonen als auch eine Erhöhung der Dikotyledonen führte zu einer Verringerung der Effizienzen. Darüber hinaus sind N-Nutzungs- und N-Rückhalteeffizienz geeignete Werkzeuge, die sich zur Evaluierung ökologischer Nachhaltigkeit von Pflanzenartenzusammensetzungen und Management-Praktiken im Grünland eignen.