Die Studie präsentiert erste Ergebnisse des Langzeitfeldexperiments zu PriOrity Effect Mechanisms (POEM), das 2020 initiiert wurde. Ziel ist es, zu untersuchen, wie Prioritäts- und Jahreseffekte die Struktur und Funktion nährstoffarmer, saurer Graslandpflanzengemeinschaften im Verlauf der Zeit beeinflussen – sowohl ober- als auch unterirdisch.

Info: Prioritätseffekte
„Prioritätseffekte treten auf, wenn Arten, die früher ankommen und sich etablieren, die Ansiedlung und den Erfolg später eintreffender Arten stark beeinflussen können – mitunter auch in Bezug auf Ökosystemfunktionen. Sie können zu alternativen Vegetationszuständen führen und spielen daher möglicherweise eine zentrale Rolle im Naturschutz.“

Das POEM-Experiment

Auf einem ehemaligen Ackerstandort in Niederhaverbeck in Norddeutschland richtete das Forschungsteam 2020 das POEM-Feldexperiment ein. Es handelt sich um ein mehrjähriges, repliziertes Experiment, in dem unterschiedliche Aussaatabfolgen von Pflanzlich-funktionellen Gruppen (PFGs) – Gräser, Kräuter (Forbs) und Leguminosen – getestet werden. Um Jahreseffekte abzubilden, wurden die Behandlungsplots in verschiedenen Jahren etabliert. Mittels transparenter Röhren, sogenannter Minirhizotrons, und einem Kamerasystem wurde das Wurzelwachstum über drei Jahre hinweg dokumentiert – ohne eine einzige Pflanze auszugraben.

Erkenntnisse mit Tiefgang

Die ersten Ergebnisse dieses Langzeitexperiments sind bereits jetzt sehr aufschlussreich: Zunächst stellten die Forschenden fest, dass die Zeit seit der Etablierung der stärkste Einflussfaktor auf die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft war – noch vor der Reihenfolge der funktionellen Gruppen (PFGs) oder dem Jahr der Etablierung. Die Artenvielfalt und Diversität wurde durch die Reihenfolge der Aussaat beeinflusst – und entwickelte sich über die Zeit weiter, wobei auch das Aussaatjahr eine Rolle spielte. Plots, in denen Gräser zuerst ausgesät wurden, wiesen eine geringere Diversität auf – wahrscheinlich durch ihre Dominanz (z.B. Bromus hordeaceus; Weiche Trespe). 

Während sich die unterirdische Produktivität (Gesamtwurzelbiomasse/-dichte) nicht signifikant zwischen den Behandlungen unterschied, war die vertikale Verteilung der Wurzeln deutlich verschieden: Gemeinschaften, in denen Kräuter oder Leguminosen zuerst ausgesät wurden, wuchsen deutlich tiefer in den Boden als Gemeinschaften mit einer frühen Gräseraussaat. Diese Erkenntnisse könnten, wenn sie auch in anderen Graslandschaften zu finden sind, ein nützlicher Weg sein, um Pflanzengemeinschaften mit tieferen Wurzeln zu schaffen, die besser an Dürren angepasst sind. Weitere Forschungen im dritten POEM-Experiment (das im Jahr 2025 eingerichtet wird) werden diese Frage untersuchen. Hier werden Minirhizotronen im Boden installiert, mit denen die Forscher prüfen können, ob es einen wiederholbaren Effekt der Reihenfolge der Ankunft auf die Wurzelverteilung gibt. Ähnliche Ergebnisse in einem kontrollierten Experiment (Alonso-Crospo et al. 2022 Oikos) sind vielversprechend, aber die Forschenden müssen sich die Mühe machen, dasselbe Experiment noch einmal auf dem Feld durchzuführen, um zu wissen, inwieweit diese Ergebnisse verallgemeinerbar sind.

Die oberirdische Produktivität hingegen wurde vor allem durch das Aussaatjahr beeinflusst: Plots, die 2020 etabliert wurden, waren produktiver als jene von 2021 – wahrscheinlich aufgrund günstigerer Wetterbedingungen im ersten Jahr. Das zeigt: Das Jahr der Aussaat – als Spiegel wechselnder Umweltbedingungen – hat großen Einfluss auf die anfängliche Entwicklung der Pflanzengemeinschaft.

Folgerungen über das Experiment hinaus

Da die ökologische Renaturierung zunehmend als Schlüsselmaßnahme für Biodiversitäts- und Klimaschutz gesehen wird, sind differenzierte Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen essenziell. Das POEM-Experiment liefert genau solche und wird weiterhin untersuchen, wie ökologische Vorgeschichte, Prioritätseffekte, funktionelle Merkmale und Wetterbedingungen miteinander wechselwirken und die Wiederherstellung von Ökosystemen prägen.

Für die Praxis ergeben sich bereits jetzt wichtige Hinweise: Zum Beispiel zeigt sich, dass Witterungsbedingungen im Etablierungsjahr die Produktivität stark beeinflussen – was nahelegt, dass Aussaaten möglichst auf günstige Zeitfenster abgestimmt werden sollten. Die durch frühe Aussaat von Kräutern oder Leguminosen entstehenden tiefwurzelnden Pflanzengemeinschaften könnten in degradierten Böden die Bodenstabilität erhöhen, die Wasserversorgung verbessern und längerfristig bestehen bleiben. Gerade im Angesicht zunehmender Trockenperioden ist ihre Stabilität und Resilienz besonders wertvoll. Außerdem tragen tiefreichende Wurzeln verstärkt zu langfristigen Kohlenstoffspeichern im Boden bei – ein zentraler Aspekt sogenannter “Natural Climate Solutions”.

Ökologische Experimente wie dieses, die auf den ersten Blick rein wissenschaftlich erscheinen, haben also eine hohe praktische Relevanz – besonders in Zeiten sich überlagernder ökologischer Krisen.

Link zur Studie: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jvs.70026

Interesse an Prioritätseffekten geweckt? Hier unserer Beitrag zu : Barrieren abbauen: Ein Aufruf zur Kohäsion bei Studien über Prioritätseffekte – Ökologische Forschung der Leuphana Universität Lüneburg

Das große Ganze

Schon von der Definition her klingt der Begriff so, als wäre er besonders in der Gemeinschaftsökologie relevant. Prioritätseffekte spielen tatsächlich in dieser Disziplin eine wichtige Rolle, werden aber auch in vielen anderen Forschungsbereichen untersucht. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Begriffen, die diesen Effekt in unterschiedlichen Kontexten beschreiben. Verwandte Begriffe sind beispielsweise „alternative stabile Zustände“ in der Renaturierungsökologie, „induzierte Resistenz“ in der Immunologie und Krankheitsökologie oder „Monopolisierung“ in der Evolutionsökologie. Die Wissenschaftler:innen um Stroud et al. (2024), darunter Vicky Temperton vom Institut für Ökologie der Leuphana Universität, deckten den Mangel an konzeptioneller Kohärenz und die Unterschiede in der disziplinären Sprache auf, die derzeit das Verständnis von Prioritätseffekten als breiteres biologisches Phänomen verhindern. Hierzu untersuchten die Forschenden die verschiedenen biologischen Bereiche, die sich in ihren Studien mit Prioritätseffekten befassen, mit dem Ziel, einen Rahmen für ein besseres Verständnis der Bedingungen und Mechanismen von Prioritätseffekten und ihrer Folgen über räumliche und zeitliche Skalen hinweg zu entwickeln.

Ein Netzwerk zeichnen

Für diese Überprüfung und zur Entwicklung eines solchen Rahmenkonzepts führten Stroud und Kolleg:innen eine Kozitationsnetzwerkanalyse von Studien zu Prioritätseffekten durch. Bei solch einer Analyse wird untersucht, wie oft zwei Studien in veröffentlichten Arbeiten gemeinsam zitiert werden. Ein Netzwerkalgorithmus identifiziert dabei Cluster von Studien, die innerhalb eines Clusters mehr Zitate aufweisen als zwischen Clustern. Die Ergebnisse der Analyse zeigen deutlich eine unbeständige Kohärenz zwischen Studien über Prioritätseffekte und verwandte Themen in verschiedenen biologischen Teilbereichen. Genauer gesagt ergab die Analyse vier primäre Cluster von Studien, die häufiger gemeinsam zitiert werden: (1) Allgemeine Ökologie, (2) Tierökologie, (3) Pflanzenökologie und (4) Evolutionsökologie. Diese als „Super-Cluster“ bezeichnete, gut miteinander verbundene Gruppe von Disziplinen hat ein gemeinsames Interesse an Prioritätseffekten und steht somit im Gegensatz zu zwei weiteren, kaum miteinander verbundenen Clustern: (5) Parasitologie und (6) Polarbiologie.

Aufruf zur interdisziplinären Kommunikation

Die Analyse unterstreicht, wie wichtig es ist, den interdisziplinären Dialog und die Zusammenarbeit zu fördern, um die Forschung zu Prioritätseffekten voranzutreiben. Als ersten Schritt zur Überwindung der semantischen Barrieren zwischen den verschiedenen Teilbereichen haben Stroud und Kolleg:innen eine Liste aller Begriffe zusammengestellt, die mit Prioritätseffekten in Verbindungen stehen, um den Forschenden, die sich hiermit beschäftigen, Schlüsselwörter an die Hand zu geben, mit denen sie in Zukunft arbeiten können. Dies bildet die Grundlage für einen einheitliche Rahmen zur Förderung eines einheitlichen Verständnisses der Prioritätseffekte. Dadurch könnten beispielsweise ökologische Vorhersagen verbessert, die interdisziplinäre Forschungszusammenarbeit erleichtert, Strategien für das Ökosystemmanagement optimiert, praktische Anwendungen in der biomedizinischen und landwirtschaftlichen Forschung sowie Einblicke in die Neuzusammensetzung von Gemeinschaft unter dem Klimawandel ermöglicht werden. Darüber hinaus zielte die Review darauf ab, Forschende dabei zu unterstützen, Ergebnisse, Forschungsmethoden und Schlussfolgerungen aus verschiedenen Disziplinen zu übernehmen und zu verbinden. Außerdem sollte das Interesse von Forschenden geweckt werden, die bisher noch nicht mit dem Konzept der Prioritätseffekte in Berührung gekommen sind, um sie zu ermutigen, den potenziellen Einfluss solcher Effekte in ihren eigenen Studien zu untersuchen. Die Zusammenarbeit und der Austausch von Erkenntnissen über Disziplinen hinweg bereichert nicht nur unser Verständnis biologischer und ökologischer Dynamiken, sondern unterstreicht auch die Verflechtung verschiedener Prozesse über Skalen hinweg. Und: Die interdisziplinäre Kommunikation gewinnt auch bei der Bewältigung der komplexen Herausforderungen unserer Zeit immer mehr an Bedeutung.

Wenn Sie Interesse haben, tiefer in diese Review einzutauchen und die mit Prioritätseffekten verbundenen Teilbereiche und Begriffe zu entdecken, finden Sie die Studie von Stroud und Kolleg:innen hier:
Stroud, J. T., Delory, B.M., Barnes, E.M. et al. Priority effects transcend scales and disciplines in biology. Trends in Ecology & Evolution. (2024). https://doi.org/10.1016/j.tree.2024.02.004