Application of near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) to assess some properties of a sub-arctic ecosystem

SummaryInvestigations of temporal and spatial variation of chemical properties of ecosystem components on a landscape level are hampered by the need to analyze large numbers of samples. Near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) might provide a useful tool to overcome this problem. Here we investigated the possibilities and limitations to quantify the chemical composition of different plant parts and ecological properties with the help of NIRS. For this, we addressed the following questions:(1)Can NIRS-models be used to quantify different primary compounds (nitrogen, fibre), groups of secondary compounds (condensed tannins, total phenolics) as well as specific phenolic components (e.g., salicin) in leaves, twigs and litter of Salix phylicifolia?(2)Can NIRS be used to predict ecological properties such as moose browsing on willow or the decomposition rate of leaf litter?NIRS predicted the different primary compounds and grouped secondary compounds in different plant material with high accuracy. Results were inconsistent for specific phenolics. For ecological properties (moose browsing, litter decomposition rate) NIRS-models had high coefficients of determination. But tests of the models with a second independent set of samples (independent-data-set-test: IDS-test) showed that the predicted values were too low even though they were ranked correctly.Based on these results, the application of a second independent test is recommended. In the present study this second validation indicated inconsistencies in the NIRS-models that had not been revealed by the conventional validation procedures used to develop the models (test-set and cross-validation). According to the present results NIRS represents a suitable and cost-effective tool to measure primary and groups of secondary components of plant material. Application to specific phenolic compounds requires more elaborate testing. The successful reconstruction of moose browsing and the prediction of litter decomposition rate show that NIRS offers new possibilities for ecological applications.

ZusammenfassungDie Erfassung zeitlicher und räumlicher Unterschiede von chemischen Eigenheiten der Komponenten eines Ökosystems wird durch die Notwendigkeit der Analyse großer Probenzahlen erschwert. Dies gilt insbesondere für Untersuchungen auf ökosystemarer Ebene. Nah-Infrarot-Spektrometrie (NIRS) könnte bei der Überwindung dieses Problems helfen. In dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten und die Grenzen sowohl bei der Erfassung von chemischen Inhaltsstoffen in unterschiedlichen Pflanzenteilen als auch bei der Erfassung von ökologischen Parametern mit NIRS untersucht. Hierzu wurden folgende Fragen bearbeitet:(1)Kann NIRS zur quantitativen Erfassung verschiedener primärer (Stickstoff, Rohfaser) und sekundärer Inhaltsstoffe (kondensierte Tannine, Gesamtphenole) genutzt werden, und ist es zudem möglich, spezifische Phenole mit NIRS in unterschiedlichem Pflanzenmaterial zu erfassen?(2)Können mit Hilfe von NIRS ökologische Parameter bestimmt werden? Ist es z.B. möglich, den Elchverbiß an Weiden zu rekonstruieren oder die Kompostierungsrate von Laub vorherzusagen?Zur Untersuchung dienten Blätter, Zweige und Laub der Weide Salix phylicifolia.Mit hoher Genauigkeit konnte der Gehalt an primären und sekundären Inhaltsstoffen (kondensierte Tannine, Gesamtphenole) mit NIRS vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zur Bestimmung von spezifischen Phenolen waren jedoch widersprüchlich. Die entwickelten NIRS Modelle zur Bestimmung ökologischer Parameter wiesen einen hohen R2-Wert auf, jedoch lagen die Ergebnisse bei der Anwendung dieser Modelle auf einen unbekannten Datensatz zu niedrig. Aufgrund unserer Ergebnisse wird die Verwendung eines zweiten unabhängigen Tests (independent-data-set-test) zur Evaluierung der NIRS Modelle empfohlen. In der vorliegenden Untersuchung wurden durch diesen Test Unzulänglichkeiten der entwickelten NIRS Modelle aufgedeckt. Diese waren durch die üblichen Validierungsmethoden zur Methodenerstellung (Kreuz- und test-set-Validierung) nicht ersichtlich. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse kann NIRS zur effektiven und kostengünstigen Analyse von primären und sekundären Pflanzenstoffen in unterschiedlichstem Pflanzenmaterial eingesetzt werden. Die Verwendung von NIRS zur Bestimmung spezifischer Phenole bedarf weiterer Versuche. Die erfolgreiche Rekonstruktion von Elchverbiß und die Vorhersage der Kompostierungsrate von Weidenlaub zeigen, dass NIRS neue Anwendungsmöglichkeiten bei ökologischen Fragestellungen bietet.