Signifikante Veränderungen hydrologischer Extremereignisse sind zentraler Bestandteil zukünftiger Klimawandelprognosen. Das Verständnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Wasserspeicherung in Boden und Grundwasser sowie Wasserflüssen im Einzugsgebiet ist eine große Herausforderung in der Ökohydrologie. Die Vegetation spielt dabei eine zentrale Rolle in dem sie 50-70% der terrestrischen Evapotranspiration kontrolliert. Verschiedene Pflanzenarten unterscheiden sich signifikant in ihren Wassernutzungsstrategien. Die Integration solcher Informationen zu artspezifischen Einflüssen auf die Bodeninfiltration und Wurzelwasseraufnahmedynamiken liefern erste Hinweise darauf, wie Bäume Wasser in Richtung ihrer aktiven Wurzelzone leiten können. Dies wird unter zukünftigen klimatischen Bedingungen und bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien für eine nachhaltige Waldökosystembewirtschaftung bedeutend. Das Konzept des Wasseralters mittels stabiler Wasserisotopen wird verwendet, um den Beitrag unterschiedlicher Wasserfließwege zum Abfluss und deren Änderungen zu bewerten. Das Wasseralter bietet dabei eine weitere Perspektive, um hydrologische Prozesse besser zu verstehen und Modelle zu optimieren. Jüngste Studien zur Bestimmung von Verweilzeit zeigen, dass besonders die Schnittstellen zwischen den Kompartimenten (z.B. Boden-Atmosphäre oder Boden-Wurzeln) besser berücksichtigt werden muss, um den ökohydrologischen Kreislauf ganzheitlicher zu verstehen. Artspezifische Unterschiede und die komplementäre Ressourcennutzung von Baum-Mischbeständen können dabei Wasserverweilzeiten und -alter im ökohydrologischen Kreislauf verändern. Unsere zentrale Hypothese lautet, dass Artidentität und Wasserkonkurrenz zwischen Baumarten ein Haupttreiber für ökohydrologische Rückkopplungsprozesse zwischen Boden und Bäumen sind. Wir werden unsere zentrale Hypothese in Rein- und Mischbeständen von Tannen und Buchen in einem kombinierten experimentellen (Arbeitspakete (WPs) 1-3) und Modellierungsansatz (WP 4) untersuchen, in dem räumlich hochaufgelöste Messungen von Isotopen sowie hydrometrische und ökophysiologische Messungen mit kontinuierlicher Langzeitüberwachung kombiniert werden, um alle Kompartimente des Wasserkreislaufs des Ökosystems zu quantifizieren. Isotopensignaturen von Wasserflüssen auf natürlichem Niveau werden zunächst über eine neuartige in-situ-Monitoringplattform (SWIP) für ein Jahr (WP 1) beobachtet, um das SWIP-System standortspezifisch zu validieren. In WP 2 werden wir ein Isotopenmarkierungsexperiment durchführen, um die standortspezifische zeitliche Heterogenität der Reaktionszeiten der Ökosystemkompartimente zu quantifizieren, während in WP 3 die Verweilzeiten und das Wasseralter der verschiedenen Kompartimente untersucht werden. WP 4 dient der Modellierung ökohydrologischer Prozesse mittels der erhobenen Daten. Der Fokus wird hier auf der Verbesserung der SWIS-Modellstruktur und der Anpassung an verschiedene Baumstände liegen.
A2.1 Ökohydrologische Flüsse und Prozesse in einem Mischwald-Ökosystem. Wir wollen die Wasser- und Kohlenstoffflüsse in heterogenen Baumbeständen und deren Auswirkung auf die räumlichen Muster der Bodenwasserflüsse analysieren. Dazu untersuchen wir ökohydrologische Prozesse, die Dynamik der Wasseraufnahme durch die Wurzeln, den Saftfluss der Bäume sowie den Zuckertransport im Phloem und dessen Kohlenstoffisotope. Weiterhin analysieren wir die Rückkopplungen auf die räumlich-zeitliche Variabilität und Heterogenität der Bodenfeuchte und deren Einfluss auf die Wassernutzungseffizienz der Bäume und den Zuckertransport im Phloem. A2.2 In-situ Flow-MRI und NMR zur Messung des Wasser- und Phloemzuckertransport. Wir entwickeln eine völlig neuartige Methodik mit kompakten Magnetresonanztomographie (MRT)- / Kernspinresonanz (NMR)- Sensoren, die auf Permanentmagneten basieren. Diese ermöglichen die In-situ-Bildgebung der H2O-Flüsse an Zweigen, ohne diese zu beeinträchtigen, sowie die NMR-Analyse der Wasser- und Phloem-Saftflüsse. Kontinuierliche In-situ-NMR-Messungen des Phloemsaftes erlauben eine neue Dimension der Quantifizierung des integrierten Kohlenstofftransports in Bäumen.
Wassersysteme in Großstädten werden auch zukünftig vielfältigen Belastungen hinsichtlich Wassermenge und -qualität ausgesetzt sein, die aus Klima- und demografischem Wandel, Urbanisierung und Veränderungen im Wasserverbrauch resultieren. Dies erfordert mehr denn je, dass das aktuelle wie auch das zukünftige urbane Wassermanagement auf einem soliden Systemverständnis basiert, um nachhaltig zu funktionieren. Um dazu wesentlich beizutragen, werden wir die Zusammenarbeit von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern von TUB und IGB bei der Untersuchung wichtiger natürlicher und technischer Grenzzonen weiter verstärken und auch nationale und internationale Partner einbinden. Die Zielstellungen des Projektes sind: (i) ein weiter verbessertes Prozessverständnis zur Funktion natürlicher und technischer Grenzzonen und ihre quantitativen Auswirkungen auf den urbanen Wasserkreislauf, (ii) Vorhersage zukünftiger Veränderungen durch Integration von mechanistischem Wissen in Szenarien für entsprechende Modellierungen, (iii) das Erkennen von Schwachstellen in urbanen Wassersystemen und Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen für ein verbessertes Management. Für die zukünftige urbane Wasserwirtschaft müssen mehr Kompartimente, Teilsysteme sowie die darin befindlichen aquatischen Lebensgemeinschaften berücksichtigt werden, da ihr Zusammenspiel das gesamte Systemverhalten erheblich beeinflussen kann. Grenzzonen spielen hier eine Schlüsselrolle und erfordern einen integrativeren Ansatz als heute üblich. Zur weiteren Intensivierung der Zusammenarbeit wurde UWI umorganisiert und vier neue gemeinsame Themengebiete herausgearbeitet: (i) Grenzzonen in urbanen Einzugsgebieten, (ii) Grenzzonen in urbanen aquatischen Ökosystemen, (iii) urbane hyporheische Grenzzonen, (iv) Grenzzonen in Abwasserkanalisationssystemen. Diese vier Themengebiete sind querverbunden durch drei gemeinsame Herangehensweisen bei Methoden, Techniken und Anwendungen: (i) verbessertes Verständnis von Interfaceprozessen in natürlichen und technischen Grenzzonen, (ii) Entwicklung von Modellkonzepten und Prognosewerkzeugen, (iii) Anwendung des neuen Wissens für die urbane Wasserwirtschaft. Aufgrund von Veränderungen bei den beteiligten Forschern werden wir zukünftig einen stärkeren Fokus auf urbane Ökohydrologie und Wasserqualitätsmodellierung legen. Wir werden das Qualifizierungsprogramm für die Promovierenden weiterentwickeln, um die Promotionsdauern zu verkürzen und Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in die praktische Wasserwirtschaft zu überführen. Folgende Maßnahmen möchten wir dabei herausstellen: die neu entwickelten Grundlagenkurse, die systematische Umsetzung der interdisziplinären Betreuung für alle Promovierenden und die Etablierung eines Forschungskollegiums der Promovierenden.
Zunehmende Dürreperioden haben in den letzten Jahren Wälder in Mitteleuropa stark geschädigt. Unser Verständnis von Legacy-Effekten, d.h. von Abweichungen des Ökosystemzustands vom Zustand vor der Dürre aufgrund einer verzögerten Erholung oder Überkompensation, ist jedoch begrenzt. Die Dürreauswirkung auf verschiedene Baumarten und deren Erholung werden durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Anpassungsstrategie einer Art, sowie den edaphischen und hydrologischen Bedingungen bestimmt. Diese ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Boden und Baum können Schlüsselfaktoren für die Verstärkung oder Abmilderung von Dürreauswirkungen sein. Insbesondere unterirdische Prozesse und der Einfluss artenspezifischer ökohydrologischer Feedbacks bei Trockenheit sind weitgehend unerforscht. Um diese ökohydrologischen Feedbacks zu quantifizieren, sind stabile Wasserisotope ein idealer Tracer. Unser neues Messsystem zur kontinuierlichen Messung stabiler Wasserisotope in-situ ermöglicht wichtige unterirdische Prozesse, wie z.B. die Wasseraufnahme von Wurzeln, und deren Einfluss auf den Wasserhaushalt der Bäume auf täglicher Basis zu bestimmen. Mit einem Regenausschlussexperiment werden wir die Dürreresistenz und Legacy-Effekte von fünf wichtigen Baumarten (Buche, Fichte, Tanne, Traubeneiche, Douglasie) unter verschiedenen Trockenheitsregimen untersuchen. Isotopen-Tracer-Experimente nach jeder Dürre in Kombination mit ökohydrologischen Messungen werden zur Quantifizierung von Dürrefolgen von a) Sommer-, b) Frühjahrs- und c) wiederkehrender Trockenheit und der Auswirkung von ökohydrologischen Feedbacks auf verschiedene Legacy Effekte genutzt. Ziel ist die Quantifizierung der unterschiedlichen Dürre- und Legacyeffekt der fünf ausgewählten Baumarten insbesondere bezüglich wiederkehrender Trockenheit. Wir untersuchen die Hypothese, dass die art-spezifischen ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Baum und Boden für die Legacy-Effekte bei wiederkehrender Trockenheit entscheidend sind. In Arbeitspaket 1 (AP1) wird unser Messsystems für stabile Wasserisotopen weiterentwickelt, um eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung zu ermöglichen. Nach der Installation von ökohydrologischen Messsensoren (AP2) werden eine Frühjahrs- (1. Jahr) und Sommertrockenheit (2. Jahr) mit einem dynamischen Regenausschlussexperiment simuliert (AP3). Isotopentracer-Experimente nach den experimentellen Dürren werden ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Baum und Boden aufdecken und ihre Bedeutung für Legacy Effekte herausstellen. AP4 wird Legacy-Effekte und ökohydrologische Feedbacks quantifizieren und darauf abzielen, hydrologische Modelle zu verbessern, um ökohydrologische Feedbacks zu berücksichtigen (WP4). Die Untersuchung von Trockenheitsanfälligkeit, Legacy-Effekten und deren ökohydrologischen Feedbacks wird wichtige Erkenntnisse liefern, um unsere Wälder klimaresistenter zu machen.
Die Auswirkungen von Klimavariabilität und Landbedeckungsänderungen auf die Vernetzung im Boden-Pflanzen-Atmosphären-Kontinuum (SPAC) und auf die ökohydrologische Wasserspeicherung und -verteilung sind nur unzureichend bekannt. Dieses begrenzte Verständnis ist das Ergebnis komplizierter Messungen und ungeeigneter Modellierungstechniken. Dies gilt insbesondere für die komplexen klimatischen und landschaftlichen Gegebenheiten Costa Ricas und ähnlicher tropischer Entwicklungsregionen, die unter dem akuten Druck des globalen Wandels stehen. Wir wollen diese Wissenslücke beheben, indem wir einen gekoppelten, tracergestützten atmosphärisch-ökohydrologischen Modellierungsrahmen entwickeln, um zu bewerten, wie sich veränderte klimatische Bedingungen, Feuchtigkeitsquellen und Landbedeckungsänderungen auf die hydrologische Reaktion in Form von Verdunstungs-, Transpirations- und Abflussflüssen sowie auf die Grundwasserneubildung in einem großen, strategisch wichtigen Einzugsgebiet in Costa Rica auswirken (was Untersuchungen auf mehreren Ebenen ermöglicht). Dieses Projekt zielt darauf ab, zu verstehen, wie klimatische Variabilität und Veränderungen der Landbedeckung die ökohydrologische Wasserverteilung im SPAC beeinflussen und wie sich Prozesse auf lokaler Ebene auf größere Skalen in tropischen Regionen auswirken können. Das vorgestellte neuartige gekoppelte Modellsystem wird die Quantifizierung großräumiger, historischer Landbedeckungsveränderungen und ihre Auswirkungen auf die Wasserverteilung in einem tropischen Testeinzugsgebiet ermöglichen, das über eine Vielzahl bereits vorhandener hydrometeorologischer und Isotopendaten verfügt. Konkret werden wir uns mit den folgenden zwei Forschungsfragen befassen, die sich direkt auf zwei Arbeitsabschnitte beziehen: i) Können wir die ökohydrologische Aufteilung und die Rückkopplungen in einem großen (>1000km2) feuchten tropischen Einzugsgebiet mit Hilfe von Isotopenmessungen innerhalb eines gekoppelten, prozessbasierten ökohydrologischen und regionalen Klimamodellierungsrahmens besser charakterisieren und quantifizieren? ii) Wie werden sich Veränderungen der Landbedeckung (z.B. von Tieflandwäldern zu Ananas-Monokulturen) auf die ökohydrologische Aufteilung auswirken, und wie wird dies die Niederschlagsmuster, die Temperatur, den rückgeführten Feuchtigkeitstransport und die Wasserverfügbarkeit in den feuchten Tropen beeinflussen? Dieses Projekt, das gemeinsam von einem international renommierten Team geleitet wird, hat das Potenzial, unser Wissen darüber zu erweitern, wie das SPAC auf hydrologische Extremsituationen in den feuchten Tropen Zentralamerikas reagiert, um die Resilienz und Regenerationsfähigkeit von Wasserressourcensystemen auf Stressfaktoren wie Dürren zu bewerten.
Für den Wald wird Trockenstress als eine der gravierendsten Auswirkungen des Klimawandels angesehen. In diesem Zusammenhang sind Waldböden in ihrer hydrologischen Funktion, sowie ihre Rückkopplungen mit der Bodenvegetation von großer Bedeutung. Unter Wald stellen Laub- und Lebermoose einen wichtigen ökologischen Faktor als Wasserreservoir und Bodenstabilisator dar. Dabei spielen sie speziell bei der Naturverjüngung und nach Aufforstungen eine bedeutende Rolle. Moose beeinflussen den Oberflächenabfluss und bilden so einen wirksamen Schutz gegen Erosion, welcher speziell in Jungbeständen und an Störungsstellen z.B. nach Waldarbeiten zum Tragen kommt. Eine großflächige Bedeckung des Waldbodens durch Moose kann große Mengen Wasser speichern und verzögert in Trockenphasen wieder abgeben. Bei zunehmenden Niederschlägen können Moose somit auch eine Infiltrationsbarriere in tiefere Bodenschichten darstellen. Diese ökohydrologischen Prozesse und Wechselwirkungen sowie deren Auswirkungen auf den Bodenwasserhaushalt sind quantitativ wenig untersucht und verstanden. Neben der ökohydrologischen Bedeutung sind Moose zudem ein wichtiger Faktor im globalen Kohlenstoffkreislauf und z.B. in gemäßigten und borealen Wäldern für ein Fünftel der Kohlenstoff-Nettoaufnahme verantwortlich. Auch hier und insbesondere in jungen Wäldern, ist bislang nur wenig über die Rolle von Moosgesellschaften für den Kohlenstoffkreislauf bekannt. Bei der Beschreibung aller oben genannten Effekte lassen sich deutlich artspezifische Wechselwirkungen beobachten, die im Detail bisher kaum beachtet und von der Wissenschaft behandelt wurden. Vor diesem Hintergrund sollen Möglichkeiten der Anpassung an den Klimawandel in Form der Erhöhung der Wasserretention, der Strukturstabilität und der CO2-Bindung in Waldböden durch Waldmoose untersucht werden.
Dieses Einzugsgebietsmodell wurde mit Hilfe des Modellierungssystems ArcEGMO erstellt. ArcEGMO ist ein öko-hydrologisches Modellierungssystem zur räumlich und zeitlich hoch aufgelösten, physikalisch fundierten Simulation aller maßgeblichen Prozesse des Gebietswasserhaushaltes und des Abflussregimes. - in unterschiedlichen Maßstabsbereichen vom Einzelstandort (Lysimeter) über Kleinsteinzugsgebiete von wenigen km² bis hin zu großen Flussgebieten (wie z.B. dem Haveleinzugsgebiet), - in unterschiedlichen Regionen vom Tiefland über das Mittel- bis hin zum Hochgebirge und - für unterschiedliche Zielstellungen mit verschiedenen Modellbausteinen.
Pflanzenbauliche Strategien müssen zukünftig vermehrt auf effiziente Ressourcennutzung achten. Wasser ist bereits heute in vielen Teilen der Welt limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum. Ein vermehrtes Auftreten von Trockenheit wird im Zuge des Klimawandels erwartet. Die Pflanzenwurzel kann über effiziente Wasseraufnahme einen besonders wichtigen Beitrag zur Trockenstressresistenz leisten. Wurzelsysteme haben eine hohe natürliche Vielfalt, die jedoch bisher kaum zur Verbesserung der Nutzpflanzen genutzt wird. Die Stress-Vermeidung über effiziente Wasseraufnahme ist im Gegensatz zu viele oberirdische Trockenstress-Reaktionen der Pflanze mit hohen Erträgen kompatibel. Bisher gibt es kein ausreichendes Verständnis welche Wurzelsysteme und -eigenschaften sich am besten eignen, um in einer bestimmten hydrologischen Situation die Pflanze optimal mit Wasser zu versorgen. Wenn es um die Integration der Wurzel in die züchterische Verbesserung von Nutzpflanzen geht ist jedoch die gezielte Wahl von Pflanzenmaterial unerlässlich, da bisher keine Methoden der Phänotypisierung größerer Populationen auf Wurzeleigenschaften existieren. Im vorliegenden Projekt wird vorgeschlagen, dass eine gezielte Auswahl pflanzengenetischer Ressourcen mit hoher Wurzelwasseraufnahme über den Zusammenhang zwischen Wurzelsystemausprägung und den ökohydrologischen Standortbedingung möglich ist. Diese Hypothese geht davon aus, dass die Evolution der Wurzelsysteme ein Optimierungsprozess an das vorherrschende Feuchteregime in den Entstehungsregionen der jeweiligen Genotypen ist. Ziel des Projektes ist es daher, die Beziehung zwischen Wurzeldiversität und Standortcharakteristika zu bestimmen. Dazu wird eine Auswahl von Hartweizen-Landsorten untersucht, deren regionaler Ursprung einem Trockenheitsgradienten folgt. Ergänzend werden ausgewählte Wildformen (Einkorn, Emmer) sowie zwei moderne Zuchtsorten untersucht. Besonders bei Landsorten wird eine effiziente Wurzelwasseraufnahme erwartet, während für Wildtypen eher eine Wassernutzungsstrategie mit reduzierten Verlusten angenommen wird, die gleichzeitig das Assimilationspotential limitiert. Im Projekt wird die Wurzelarchitektur der Genotypen mit einem neuen hyperspektralen Bildanalyse-System für Rhizoboxen vermessen. Unterschiedliche Durchwurzelungsstrategien und deren Beziehung zu Umweltvariablen werden mittels Cluster- und Hauptkomponentenanalyse bestimmt. Aufbauend auf die empirischen Daten wird mittels einer innovativen Koppelung von ökohydrologischer und Wurzelarchitekturmodellierung eine Methode entwickelt, um die Hypothese der Wurzelsystemausprägung als Optimierungsprozess an die Standorthydrologie zu überprüfen. Die Bedeutung der unterschiedlichen Wurzelsystemtypen für eine verbesserte Trockenstress-Resistenz wird im Feldversuch überprüft. usw.
Climate projections and trend analysis of historical data suggest that precipitation and temperature changes can dramatically alter the supply of and the demand for water in the human- and eco-systems. Moreover, anthropogenic landscape changes are occurring at unprecedented scales and rates given the societal needs for various (and often competing) ecosystem goods and services (food, energy, and water). How stable or resilient are the human- and eco- systems to climatic and anthropogenic perturbations remain a major societal concern. Of these concerns, hydrologic cycle changes, water resources availability and related management rank among the highest because of their importance in regulating human and ecological sustainability and climate feedbacks. A number of recent studies suggest that continental runoff increased throughout the 20th century despite a rapid increase in water consumption by humans and their activities. Scope of the project: The goal of this research program is on the overall impact of such changes on rainfall (the source of water) and concomitant replenishment of usable water supplies (e.g. ground- and stream- water) given their high priority to any future water resource planning. Even within this restricted scope, the barriers to scientific progress are numerous necessitating an inter-disciplinary approach that combines principles from eco-hydrology, hydraulics and fluid mechanics, soil physics, plant physiology, stochastic processes, dynamical systems theory, and water resources management. This project aims to build a network of researchers with complementary talents to begin progress on these fronts. Moreover, this network of researchers will be actively engaged in preparing the next generation of international scientists (via graduate student exchanges) who will be trained to approach such interdisciplinary societal problems and progress on them by adopting trans-disciplinary approaches now emerging from complex systems science.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 14 |
| Land | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 14 |
| Text | 1 |
| unbekannt | 1 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 1 |
| offen | 15 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 13 |
| Englisch | 10 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 1 |
| Dokument | 1 |
| Keine | 6 |
| Webseite | 9 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 16 |
| Lebewesen und Lebensräume | 16 |
| Luft | 14 |
| Mensch und Umwelt | 16 |
| Wasser | 16 |
| Weitere | 16 |