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.
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.
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.
Ökosysteme können häufig den Einfluss von Störungen auf die Vegetation durch interne Puffermechanismen abfedern, die plötzliche, starke Veränderungen des Ökosystems zunächst verhindern. Diese Mechanismen agieren auf verschiedenen Ebenen des Systems, welche von der Population (z.B. Variabilität von Eigenschaften/Traits) über die Pflanzengemeinschaft (z.B. Arten mit ähnlicher Ökosystemfunktion) bis zur Landschaftsebene (z.B. Refugien, Selbstorganisation) reichen. Obwohl die Bedeutung von einzelnen Puffermechanismen in zahlreichen Ökosystemen untersucht wurde, fehlt bislang das Verständnis darüber, wie diese ineinander greifen. Daher ist oft unbekannt, was Ökosysteme unter heutigen Bedingungen stabilisiert und wie sich dies unter Klimawandel verändern könnte. Das Ziel dieses Projektes ist daher, den Einfluss von Puffermechanismen auf verschiedenen Ebenen des Ökosystems erst in einem artenreichen mediterranen System im Südwesten Australiens zu untersuchen und die Ergebnisse anschließend zu verallgemeinern. Die Eneabba Sandplain ist einer der globalen Biodiversitäts-Hotspots und besteht aus einer Dünenlandschaft mit dichter, sehr heterogener Strauchdecke, bei der die Rekolonisierung durch regelmäßig auftretende Feuer stattfindet. Das Projekt soll das Verständnis erhöhen, welche ökologischen Mechanismen dieses und andere Ökosysteme gegen unwirtliche Bedingungen stabilisieren, wie diese Mechanismen interagieren und welche dieser Mechanismen heute und in Zukunft von besonderer Bedeutung sind. Zu diesem Zweck werden wir ein ökohydrologisches Modell entwickeln, das die räumlich heterogene gekoppelte Dynamik von Wasser und Vegetation simuliert. Das Modell wird die Stärken zweier bisheriger Modelle in sich vereinen (Eneabba Vegetation: Esther et al. 2008, 2010, 2011; Ökohydrologie: Tietjen et al. 2009, 2010, Lohmann et al. 2012). Die Modellentwicklung und -anwendung wird eng mit umfangreichen Felduntersuchungen und Experimenten von Kooperationspartnern zu Bodenfeuchte, Wasserflüssen und Vegetationsdynamik unter heutigen und zukünftigen Klimabedingungen gekoppelt sein. Das Modell wird anschließend dazu verwendet, Szenarien zur Variabilität von Traits, der Artenzusammensetzung und der Landschaftsheterogenität auszuwerten. Dies wird dazu betragen die Mechanismen der Ökosystemresilienz und ihre Interaktionen unter heutigen Bedingungen zu verstehen, sowie die Rolle von verschiedenen Puffermechanismen und die daraus folgende zukünftige Resilienz von Ökosystemen unter Klimawandel abzuschätzen. Die Ergebnisse werden nicht nur unsere Kenntnis der spezifischen Ökosystemdynamik erhöhen, sondern auch eine neue Basis dazu bieten, Puffermechanismen und ihre Interaktionen in mediterranen Ökosystemen grundsätzlich zu verstehen.
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.
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.
Die initiale Verteilung von Sedimenten im Wassereinzugsgebiet bildet den Ausgangszustand für die Ökosystementwicklung. Analysen öko-hydrologischer Selbstorganisation erfordern quantitative Beschreibungen der Strukturen und der räumlichen Heterogenitäten im Sediment sowie im Boden. Während der initialen Entwicklungsphase werden die ursprünglichen Sedimentstrukturen vor allem von Umlagerungsprozessen verändert, wodurch das initiale System in strukturelle Kompartimente zerteilt wird. Unklar ist, in wie weit die zukünftige Entwicklung des Ökosystems und Wassereinzugsgebiets von der initialen räumlichen Konfiguration und den neuen Strukturen und Kompartimenten abhängen. Zur Modellierung der initialen 3D-Verteilungen der Sedimente wurde zunächst ein prozess-basierter Strukturgenerator entwickelt. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines geo-pedologischen Modellierungsansatzes zur Generierung der räumlich-strukturellen Heterogenität in Wassereinzugsgebieten unter Berücksichtigung von Entstehungsprozessen und 3D Massenbilanzen der Festphase. Dazu soll das bisherige Strukturmodell des initialen Zustands als integratives Werkzeug weiterentwickelt werden, um (i) die zeit-räumliche Entwicklungsdynamik in Abhängigkeit der Anfangsstrukturen zu analysieren; und (ii) die modellierte strukturelle Entwicklung mit den (beobachteten) Wasserflüssen in Beziehung zu setzen. Aufgrund der umfassenden Monitoringdaten soll das künstliche Wassereinzugsgebiet Hühnerwasser (Niederlausitz, Brandenburg) exemplarisch zur Modellentwicklung dienen. Zur Darstellung der initialen Entwicklung sollen bereits etablierte strukturerzeugende Modelle für die Simulation von Erosions- und Depositionsstrukturen, Krusten, und Vegetationssukzession verwendet werden. Der Parameteraustausch zwischen diesen Modellen wird während der Programmlaufzeit über eine spezielle Software-Schnittstelle (OpenMI) erfolgen. Dieser genetische Ansatz sollte eine mechanistische, prozess-basierte Generierung von wahrscheinlichen Sedimentverteilungen und Festphasenstrukturen in mehreren Szenarien erlauben. Aus den generierten Verteilungen der Sedimente werden über adaptierte hydrologische Pedotransferfunktionen die 3D-Verteilungen hydraulischer Parameter geschätzt. Der Einfluss der strukturellen Entwicklung auf den Wasserhaushalt des Einzugsgebiets wird durch Vergleich von gemessenen mit modellierten Abflüssen bestimmt. Durch den Vergleich von Szenarien unterschiedlich generierter 3D-Sedimentverteilungen sollen Auswirkungen von sich ändernden räumlichen Strukturen auf das Abflussverhalten analysiert werden. Damit soll ein generelles Werkzeug zur Generierung und Überprüfung von Untergrundstrukturen in einem 3D Einzugsgebietsmodell entstehen. Anhand der Modelldaten können verallgemeinerbare öko-hydrologische Kompartimente (Prozess-Domänen) bestimmt werden, die eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ähnliche Umgebungen ermöglichen (z.B. Tagebaulandschaften und postglaziale Landschaften).
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.
Die Aufstauung des Yangtze durch den Drei-Schluchten-Staudamm und die damit in Verbindung stehenden ständigen Veränderungen der Wasserspiegelhöhe bewirken eine deutliche Zunahme von Massenbewegungen und Bodenerosionsprozessen. In der ersten Phase des Verbundprojektes wurde ein System zur Risikoabschätzung und zur räumlichen Lokalisierung von Hochrisikogebieten für Bodenerosion, Massenbewegungen und Stoffeinträge in einem der größten Nebenflüsse des Yangtze, dem Xiangxi Einzugsbereich, entwickelt. Durch die Integration aller Methodenbausteine der bodenkundlichen und geologischen Kartierungen, der durch Radardaten (TerraSAR) erfassten Bewegungsraten, dem Sedimentabflussverhalten sowie durch die Erstellung Neuronaler Netze konnte das Risikopotenzial für Bodenerosion und Hangrutschungen für das untersuchte Einzugsgebiet erfasst werden. In der zweiten Phase des Verbundprojekts wird die im Xiangxi-Gebiet entwickelte Methodik auf den zentralen Teil des Yangtze Aufstaugebietes übertragen und inhaltlich erweitert, um eine räumlich explizite Risikovorhersage für den Mittellauf des Yangtze treffen zu können. Anhand von zeitlich kontinuierlichen Eingangsdaten aus den Bereichen Bodenerosion, Massenbewegungen, Ökohydrologie und Landnutzungsdynamik werden Szenarien-basierte Vorhersagen und Risikoabschätzungen vorgenommen. Das Verbundprojekt wird von der Universität Tübingen koordiniert und findet in enger Zusammenarbeit mit den Universitäten Erlangen-Nürnberg, Trier, Kiel und der DMT GmbH & Co.KG statt. Koordinierende Einrichtung auf chinesischer Seite ist weiterhin die China University of Geosciences (CUG) in Wuhan. Die Geländearbeiten, Analytik und Auswertung der Ergebnisse erfolgen in enger bilateraler Zusammenarbeit.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 11 |
| Land | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 11 |
| Text | 1 |
| unbekannt | 1 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 1 |
| offen | 12 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 10 |
| Englisch | 7 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 1 |
| Keine | 7 |
| Webseite | 6 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 13 |
| Lebewesen & Lebensräume | 13 |
| Luft | 11 |
| Mensch & Umwelt | 13 |
| Wasser | 13 |
| Weitere | 13 |