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Räumliche Lösungen für eine Nachhaltigkeitstransformation der Fischerei in der Westlichen Ostsee, Vorhaben: Ökologische Lösungen-Identifizierung von räumlichen Möglichkeiten und Schutzbedürfnissen

Global assessment of vegetation photosynthesis and carbon assimilation through space measurements of chlorophyll fluorescence

The gross carbon uptake of terrestrial vegetation through photosynthesis is a crucial parameter in climate change research. A global, observation-based characterization of ecosystem gross primary production can only be performed with satellite measurements. However, the traditional description of vegetation from space is based on the so-called spectral vegetation indices, which are not able to provide a reliable indication of photosynthetic efficiency driving carbon assimilation by vegetation. This results in an inherent limitation of existing satellite products to provide an accurate description of ecosystem functioning. By contrast, ongoing developments in instrument design and modelling approaches have very recently made possible the retrieval of vegetation chlorophyll fluorescence from space measurements. A vast number of laboratory and field experiments have demonstrated that fluorescence is a direct proxy to vegetation light use efficiency which can therefore enable a much more accurate description of gross primary production. This project proposes the implementation of a research group with focus on the global monitoring and interpretation of chlorophyll fluorescence from existing and upcoming Earth Observation missions. This task will imply the development of a variety of atmospheric-surface radiative transfer modelling approaches, data processing, retrieval techniques and ecosystem modelling tools, with the ultimate objective of developing a new approach to the observation of carbon assimilation by vegetation from space.

Polarregionen im Wandel 1: SQUEEZE - Schutz der schwindenden Arktischen Tundra - Potential, Planung und Kommunikation, Vorhaben: Erfassung zukünftiger Ökosystemfunktionen und Ermittlung arktischer Schutzgebiete

Modelling vegetation dynamics and biomass in semiarid ecosystems (Eastern Africa) using remote sensing multisensor approaches

This pre-study pilot project will be carried out in Kenya and Tanzania and is part of a more extensive remote sensing project (initiated by the European Space Agency, ESA) aiming to develop a monitoring system for the assessment of land cover change of farmlands, rangelands and forest standings (logging, fires, uncontrolled deforestation, new settlements, etc.) at a national regional level. An integrated approach of remote sensing techniques (both through the use of satellite and ground data), physical vegetation models and ground measurements will be adopted. Operatively, the execution will consist of a 6-month period (pre-study) consisting in a ground campaign along a north-south transect, which is almost unknown to the current vegetation cartography. Based on the field results of the pre-study and within an on-going 30 month period (extended study, see Annexed 3), new classification methods and algorithms will be developed for assessment of land use and cover change using ENVISAT-data. An outcoming of this research will be a system capable to monitor and plan the available agricultural food resources for those developing regions.

Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung und Denitrifizierung in einem Erdsystem-Modell mit flexibler Stöchiometrie und deren Einfluss auf das marine Stickstoffinventar in einem sich wandelnden Klima

Der Schlüssel zu Verständnis und Projektion des künftigen Stickstoffinventars des Ozeans und der Veränderung der Biologischen Pumpe im globalen Klimawandel liegt in der Frage, wie und wie stark die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff und die Denitrifizierung im Ozean gekoppelt sind. Während in bisherigen Modellstudien Stickstofffixierung und Denitrifizierung eng gekoppelt sind, zeigt ein neu entwickeltes optimalitätsbasiertes Ökosystemmodell mit flexibler Stöchiometrie (OPEM) im globalen UVic-ESCM eine deutlich schwächere Kopplung. In diesem Projekt sollen die Faktoren und Mechanismen, die die Kopplung steuern, identifiziert und ihre Veränderung in ver- schiedenen Klimaszenarien untersucht werden. Hierzu wird OPEM in einem vorindustriellen Szenario, einem Szenario der Maximalphase der letzen Eiszeit und einem heutigen Szenario angewendet und die Sensitivität der Modellergebnisse in Bezug auf das ozeanische Stickstoffinventar und die biolo- gische Kohlenstoffpumpe bewertet. Das Ziel des Projekts ist es, die Steuerungsprozesse des marinen Stickstoffinventars genauer abzubilden, um bessere Projektionen der biogeochemischen Kreisläufe im Ozean und ihrer Auswirkungen auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu ermöglichen.

Entwicklung Terrestrischer Modellökosysteme: Neue Möglichkeiten zum Einsatz als Standardtestverfahren in der Abschätzung des Risikos von Pflanzenschutzmitteln auf Bodenorganismen

Die gegenwärtigen europäischen Vorschriften zur Zulassung von Pflanzenschutzmitteln sehen auf der ersten Stufe Einzelartentests unter Laborbedingungen vor. Sie sollen worst-case Szenarien der Exposition abbilden und können keinen Aufschluß über die vielfältigen Wechselbeziehungen sowie über Änderungen im strukturellen Gefüge der Bodenorganismen verschiedener trophischer Ebenen geben. Höherstufige Testverfahren sind mit Ausnahme des funktionellen Streubeuteltests nicht standardisiert. Nur großangelegte und damit kostenintensive Feldstudien liefern strukturelle Endpunkte und können zur adäquaten Beschreibung der komplexen Wirkzusammenhänge in der heterogenen Bodenmatrix beitragen. In der aktuellen Diskussion um die Revision der bestehenden EU-Richtlinien zeichnet sich ab, daß künftig zunehmend strukturelle Endpunkte, auch auf dem Niveau des Halbfreilandes, einbezogen werden sollen, um eine realitätsnahe Bewertungsgrundlage zu bilden. Im Kontext der bestehenden internationalen Leitlinien ist am Institut für Umweltforschung ein TME-System entwickelt worden, das unter natürlichen Witterungsbedingungen und über einen Zeitraum von bis zu einem Jahr artenreiche Gemeinschaften von Bodenorganismen weitgehend in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung beherbergen kann. Im Mittelpunkt stehen dabei vier der abundantesten Gruppen der Meso- und Mikrofauna: Collembolen, Oribatiden, Enchytraeen und Nematoden. Diese Systeme sollen ausreichend empfindlich reagieren, um Effekte auf der Ebene von Organismengemeinschaften oder Populationen statistisch nachzuweisen. Umfangreiche Vorstudien befassen sich mit der Variabilität im Boden und der Stabilität der Biozönosen in TMEs, um das Design von Effektstudien den speziellen Gegebenheiten von Wiesenökosystemen anzupassen. Die TMEs bestehen aus großen, intakten und ungestörten Bodenkernen mit einer Höhe von 40 Zentimetern und einem Durchmesser von bis zu 47 Zentimetern. Sie werden unter natürlichen Witterungsbedingungen betrieben, bieten aber die Möglichkeit bei langandauernden Extremverhältnissen (vor allem Dürre) steuernd einzugreifen. Um möglichst empfindliche und diverse Lebensgemeinschaften vorzufinden, wurden die Bodenkerne nicht einem Agrarökosystem entnommen, sondern einer regelmäßig gemähten Wiese, die über Jahrzehnte nicht mit Pflanzenschutzmitteln behandelt worden sind. In Vorstudien im Freiland konnte gezeigt werden, daß die geklumpte Verteilung der Organismen über die Entnahmefläche Anpassungen bei der Gewinnung der Bodenkerne erfordert, welche die Variabilität in nachfolgenden Versuchen senken können. Nach dem Stechen der Bodenkerne werden die TMEs in die Versuchsanlage der RWTH Aachen transportiert, welche eine ausreichende Drainage in Verbindung mit einer intakten Wasserspannung gewährleisten soll, um sowohl Staunässe als auch ein Austrocknen der Kerne zu verhindern. U.s.w.

Langfristige radiooekologische Umgebungsbelastung durch eine Anhaeufung von nuklearen Anlagen

Ziel des Vorhabens ist die modelltheoretische Beschreibung langfristiger oekologischer Auswirkungen - ueber Zeitraeume von 20-30 Jahren - von radioaktiven Freisetzungen aus kerntechnischen Anlagen bei Normalbetrieb und Stoerfaellen unter Beruecksichtigung der Konzentrierung dieser Anlagen in bestimmten Gebieten.

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Modellierung von Vagheiten im Prozess der Oekobilanzierung

Ausgehend von der Analyse bestehender oekologischer Bewertungsverfahren und der Modellbildung mittels Fuzzy Logic wird ein fuzzybasiertes Modell zur Oekobilanzierung entwickelt. Durch die Nutzung fuzzybasierter Methoden koennen die in einer Datenlage vorhandenen Vagheiten beruecksichtigt und nur verbal verfuegbare Aussagen direkt in den Modellansatz integriert werden. Durch Auswertung der im Modell entwickelten Kennzahlen wird die Bewertung des Bilanzergebnisses und die Ermittlung der fuer die Bilanz wesentlichen Einflussgroessen ermoeglicht. Mittels theoretischer Ueberlegungen und exemplarischer Anwendungen fuer ausgewaehlte Prozesse der Gussteilfertigung wird gezeigt, dass die Erstellung von Oekobilanzen mit dem entwickelten Modell sinnvoll und gegenueber herkoemmlichen Methoden vorteilhaft ist. In den Modellrechnungen erfolgt ein Vergleich von Sandformverfahren in unterschiedlichen Umweltkategorien und fuer verschiedene Bilanzrahmen. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass durch das fuzzybasierte Modell die oekologischen Aspekte der betrachteten Prozesse plausibel wiedergegeben werden und das Modell insbesondere eine bessere Interpretation und objektivere Bewertung des Bilanzergebnisses ermoeglicht.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Dynamik der Phosphor- und Wasserflüsse im Abfluss und bei der Pflanzenaufnahme in bewaldeten Kopfeinzugsgebieten

Hydrologische Fließwege bilden die kritische Verbindung zwischen der Quelle der P Mobilisierung und des P Exports zu den Flüssen. Die Prozesse der P Mobilisierung auf der Standortskale ist vergleichsweise gut verstanden, jedoch ist die Kenntnis des P Transportes in Hängen und Einzugsgebieten durch die Komplexität der Transport-Skalen und Fließprozesse begrenzt. In Hängen können große P Flüsse zum dynamischen P Export beitragen, da P oft in schnellen Fließwegen transportiert wird, insbesondere in bewaldeten Systemen wo präferentielle Fließwege häufig auftreten. Ein adäquates Prozesswissen der Hanghydrologischen Dynamik ist daher wichtig um die P Transport Dynamik zu beurteilen und vorherzusagen. Jedoch wurden bisher solche Studien fast ausschließlich in Einzugsgebieten mit landwirtschaftlicher Nutzung durchgeführt. In dieser experimentellen und modellierungs-basierten Studie über hanghydrologische Prozesse und Phosphortransport werden wir die Auswirkungen der Abflussprozesse auf den P-Transport in bewaldeten Hängen entlang des grundlegenden Hypothesen des SPP untersuchen. Wir werden die Auswirkungen unterschiedlicher Fließwege und Verweilzeiten auf den P Transport und den damit verbundenen hydrologischen Bedingungen untersuchen. Die Hypothese wird getestet, dass die P-Signaturen im Abfluss im Zusammenhang stehen mit den bodenökologischen P-Gradienten und dass die P-Signaturen durch die Verweilzeiten des Wassers im Hang bestimmt werden, die insbesondere durch präferentielle Fließwege bei Niederschlagsereignissen dominiert werden. Diese Hypothesen werden an den vier SPP Standorte im Gebirge mit einem innovativen, kontinuierliche Monitoring-System für unterirdische Hangabflüsse und P-Transport bei hoher zeitlicher Auflösung untersucht. Event-basierte und kontinuierliche Probenahmen für die verschiedenen P Spezies, stabile Wasserisotope und andere geogene Tracer in Niederschlag, Abfluss und Grundwasser werden es uns ermöglichen, Verweilzeiten von Wasser mit den P Flüsse und P Transportprozessen zu verknüpften. Schließlich werden wir ein prozessorientierten hydrologischen Hang-Modell weiterentwickeln um die verschiedenen Fließ-und Transportwege zu simulieren, um die Dynamik von Abfluss und P Transport zwischen der Hang- und Einzugsgebietsskala zu verknüpfen. Die Modellierung wird sich darauf fokussieren die Altersverteilung von Wasser und die bevorzugte Fließwege die durch 'hot spots' bei der Infiltration und P Mobilisierung entstehen in bewaldeten Hängen adäquat darzustellen.

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