Darstellung ökologischer Indikatoren in fuzzy-gestützten Modellen : Qualitative und quantitative Prognose der Gefäßpflanzenarten auf Grünlandstandorten

Abstract

Die vorliegende Arbeit ist eingebunden in den Sonderforschungsbereich 299 "Landnutzungskonzepte für periphere Regionen". Ziel der Arbeit ist die ökologische Bewertung von Landnutzungsänderungen bei Beschränkung auf die Gefäßpflanzen des Grünlands.Das Vorkommen von Pflanzenarten auf einem Standort ist von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren abhängig, unter denen das Klima, der Boden und anthropogene Einflüsse besonders wichtig sind. Pflanzenarten, die sich auf einem Standort in ihrem ökologischen Optimum befinden, können besonders gut gegen andere Arten konkurrieren und ihre Auftrittschancen auf diesem Standort sind deutlich höher als für andere Arten, die hier nicht ihr ökologisches Optimum vorfinden.Basierend auf dem Indikatorsystem "Ökologische Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa und den Nutzungswertzahlen für Gefäßpflanzen des Grünlands" wird in dieser Arbeit ein innovatives Modell entwickelt, das unterschiedliche klimatische, bodenbedingte und anthropogene Einflüsse einbezieht und das Auftreten einzelner Pflanzenarten vorhersagt. Basierend auf den Prognosen über das Auftreten einzelner Pflanzenarten, können sowohl quantitative als auch qualitative Aussagen über die floristische Zusammensetzung auf einem Standort getroffen werden. Schwierigkeiten bei der Implementierung der Indikatorsysteme mit ihren linguistische Variablen werden durch die Verwendung von Fuzzy-Systemen gelöst. Die Fuzzy-Logik bietet die Möglichkeit, die Beschreibungen der Zeigerwerte in linguistische Variablen und linguistische Operatoren zu zerlegen und die linguistischen Variablen mathematisch zu modellieren. Durch die Verknüpfung der Zeigerwerte mit den metrischen Eingangsparametern können die Standorte nach den Indikatorensystemen von ELLENBERG und BRIEMLE klassifiziert werden.Die Beschreibung der Standorte über die Zeigerwerte von ELLENBERG und die Nutzungswertzah-len nach BRIEMLE bieten den Vorteil, dass eine direkte Zuordnung zu den einzelnen Pflanzenarten hergestellt werden kann. Über ein Filtersystem lässt sich dann das Auftreten einer Pflanzenart an einem bestimmten Standort prognostizieren. In dieser Arbeit werden die Zeigerwerte Feuchte, Reaktion und Stickstoff, sowie die Nutzungswertzeiger Mahdverträglichkeit und Weideverträglichkeit in Form von Filtern umgesetzt. Zur Erstellung der einzelnen Filtermodule wird zunächst mittels Fuzzy-Inferenz für den jeweiligen Zeigerwert eine linguistische Variable abgeleitet und dann anschließend der entsprechende Standortfilter durch Verknüpfung der linguistischen Variablen mit den Erläuterungen und Beschreibungen des jeweiligen Zeigerwertes erstellt. Während sich die meisten Zeigerwerte dabei auf Klima und Boden beziehen, stehen die Nutzungswertzahlen in Bezug zu der Nutzung des Grünlandes. Durch die Verwendung der Nutzungswertzeiger können Mahd- und Beweidungsverfahren genauer beschrieben und beurteilt werden. Beim Durchlauf durch das Filtersystem wird das Gesetz des Minimums nach LIEBIG angewendet. Dadurch entspricht letztendlich die Auftrittswahrscheinlichkeit dem jeweils niedrigsten Zugehörigkeitswert der einzelnen Filter. Vor Einsatz der Filter kann bereits über die natürliche Verbreitung von Pflanzenarten eine Vielzahl an Grünlandarten ausgeschlossen werden. Durch die Verwendung der Filter kann der ursprüngliche Artenpool des gesamten Untersuchungsgebietes auf den einzelnen Standorten deutlich eingeschränkt werden. Das potentielle Vorkommen der einzelnen Arten wird in Ranglisten ausgegeben. Um aus diesen qualitativen Informati-onen quantitative Werte ableiten zu können, wird dem Modell ein weiteres Modul hinzugefügt, dessen Informationsbasis die Dominanzwerte nach ELLENBERG bilden. Über die Dominanz können realistische Kombinationen von Pflanzenarten für den Standort erstellt und daraus die Artendichte eines Standortes ermittelt werden. Dies lässt sowohl eine quantitative Bewertung des Standortes als auch der Landnutzungsänderung zu.Die Ergebnisse für das Untersuchungsgebiet "Lahn-Dill-Bergland" liegen in einer Datenbankumgebung vor. Um eine einfache Bedienung dieser Datenbank zu gewährleisten, wurde eine Formularumgebung entwickelt, die dem Anwender menügesteuert die einzelnen Module erschließt. The present thesis is written within the framework of the collaborative research center 299 "land use options for peripheral regions". A goal of this thesis is the ecological evaluation of these land use changes. The evaluation concerns vascular plant species growing on grassland.The qualitative and quantitative evaluation is derived from the potential occurrence of plant species. The occurrence of plant species depends on a multiplicity of different factors, such as climate, soil and anthropogenic influences. Plant species having their ecological optimum on a specific site can compete particularly well against other species that are less well adapted. The thesis at hand develops a method to transfer the indicator system "Ecological indicator values of vascular plants in Central Europe" and "Land use indicators for vascular plants on grassland" into a set of rules. Based on both ecological indicator systems, an innovative model is developed which includes various climatic, soil-related and anthropogenic influences and predicts the occurrence of several plant species. Quantitative and qualitative statements about a site s flora can therefore be made.Difficulties about implementing the indicator systems in a model are solved with the help of fuzzy systems. Fuzzy systems offer an opportunity to divide the linguistic descriptions of the indicator values into linguistic variables and linguistic operators. Beyond that, fuzzy logic can quantify the content of linguistic variables and describe them with metric parameters.By linking the indicator values with metric parameters spatial classifications according to the indicator systems of ELLENBERG and BRIEMLE become feasible. The description of sites with indicator values offers a wide range of opportunities, such as spatial allocation of plant species and classification of habitat types by indicator values and land use indicators.The indicator values moisture, soil acidity and nutrient availability, as well as the land use indicators for mowing and grazing tolerance are converted into filter modules. To create these filter modules, linguistic variables and initial metric values are defined for every indicator. Using a fuzzy inference, it is possible to link the initial values, the linguistic variables and the explanations and descriptions of the indicator values, respectively. While most indicator values refer to climate and soil, the land use indicators refer to anthropo-genic influences. Procedures of mowing and grazing can be described precisely with land use indicators making it possible to evaluate detailed land use prognoses ecologically.The number of plant species that can occur on a site can also be limited in accordance with the distribution of plant species. Only those plant species occurring in the research area are surveyed in the filter modules. All filter modules are assembled using LIEBIG s minimum law. The ultimate membership of a plant species for one habitat type is derived from the lowest membership of all filters for the certain plant species and habitat type. The potential occurrence of the plant species is displayed in rank lists. This qualitative information shows which plant species can be expected on a site. In order to derive a quantitative value for the plant species richness on a site, another module must be added. The dominance values are the source for this module. Even if two species are both in their ecological optimum, they can nevertheless differ in their dominance. Some species naturally dominate a site with groups of plants and others only appear with only a small number of single plants. The more dominant plant species occur on a site the fewer plant species overall will be found. In order to solve that problem, all possible combinations of plant species on a site were analyzed and weighted using the membership values of each plant species in the combination. Applying the weighted memberships for combinations of plant species, respective density can be assessed. This allows a quantitative evaluation of a site and thus of land use changes.All results are displayed in a database environment. In order to ensure easy handling, a menu-based environment was developed.