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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.

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.

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.

Klima-, Meeresspiegel- und Ökosystementwicklung in triassischen und jurassischen Sauerstoffmangelsystemen

Im Rahmen des SFB 275 (Universität Tübingen) wurden innerhalb der ersten Antragsphase (1995-1997) die Schwarzschiefer des Unteren Toarciums SW-Deutschlands bearbeitet. In der zweiten Antragsphase (1998-2000) wurde/wird die Schwarzschiefer-Genese in verschiedenen Ablagerungsmilieus unterschiedlicher Zeitscheiben untersucht. Eine Förderung von weiteren zwei Jahren wird beantragt, um die Datenbasis stratigraphisch zu erweitern und ein Synthese-Modell für die Schwarzschieferbildung in Trias und Jura zu erarbeiten.

Mikrokalorimetrische Modelluntersuchungen zum Einfluss der Aggregierung auf die Steuerung mikrobieller Stoffwechselprozesse in Böden bei unterschiedlichen O2-Partialdrücken

Der Wechsel zwischen aerober und anaerober Stoffwechselprozesse in Böden findet überwiegend in Mikrohabitaten statt. Bodenaggregate stellen solche Mikrohabitate dar, in denen Sauerstoffverfügbarkeit durch Diffusionsbarrieren (wassergefülltes Porenvolumen) und die Sauerstoffzehrung durch mikrobielle Aktivität (Substrat) bestimmt wird. Ziel des Vorhabens ist es, auf mikroskaliger Ebene kritische Werte der Sauerstoffverfügbarkeit zu ermitteln, unter denen vorwiegend anaerobe Stoffwechselprozesse stattfinden. Dazu wird ein Durchflussmikrokalorimeter genutzt, in dem die unmittelbare Reaktion der mikrobiellen Aktivität auf stufenlos veränderbare Sauerstoffpartialdrücke bei einer gleichzeitigen Analyse von isotopenmarkierten Gasverbindungen (CO2, N2O, CH4) bestimmt werden kann. In Parallelansätzen in Mikrokosmen werden weitere wichtige Kenngrößen anaerober Stoffwechselprozesse wie organische Säuren und reduzierte Eisen- und Manganverbindungen ermittelt. Die Ergebnisse aus diesem Vorhaben sollen dazu beitragen, Prognosen über ablaufende Stoffwechselprozesse im Grenzbereich aerober und anaerober Zustände in Bodenaggregaten und bei natürlich oder anthropogen verursachten Veränderungen von Umweltbedingungen zu erstellen.

Struktur und Funktion des Oekosystems in einem Mittelgebirgsbach

Struktur- und Funktionsbeschreibung des Modell-Oekosystems Breitenbach bei Schlitz/Hessen. Ausgangsinformationen: physikochemische Rahmenbedingungen, Fauna im einzelnen bekannt. Jetzige Aktivitaeten: 1) Praezise Messung physikochemischer Parameter, teils durch staendige automatische Registrierung, Erfassung diurnaler und saisonaler Variationen. 2) Analyse der Primaerproduzenten: Erfassung der Algenflora: Bestandsaufnahme, Standortansprueche, Produktionsleistung dominanter Vertreter (z.Zt. nicht besetzt). Allochthone Nahrungsbasis der Biozoenose: Partikulaeres organisches Material in fliessender Welle und Sediment im Jahresgang. 4) Gehalt an geloesten organischem C, als Nahrungsbasis der Bakterienflora; dessen Festlegung in Bakterienbiomasse. 5) Bakterienzahlen und Aktivitaeten in freier Welle und Sedimenten. 6) Emergenz der Wasserinsekten. 7) Zusammenhang zwischen Emergenz und benthischer Produktion. 8) Laengsverteilung der Zoenose und jaehrliche Unterschiede im Emergenzerfolg der Wasserinsekten in Abhaengigkeit von abiotischen und biotischen Faktoren (Nahrungsversorgung, Konkurrenz). 9) Interaktionen zwischen Aufwuchs und Weidegaengern. 10) Experimentelle Untersuchungen zur Autooekologie dominanter Taxa, vor allem der Wasserinsekten und Amphipoda. 1-9 als Bausteine fuer eine synoekologische Gesamtbetrachtung des Systems.

Quantifizierung der Rhizodeposition unter Grünland

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die Mengen der Wurzelexsudate in einem im Labor modellierten Grünlandökosystem quantifiziert werden. Die Untersuchungen sollen genaue Kenntnis über die Teilkomponenten der Rhizodeposition und der Bodenatmung erbringen. Zur präzisen Quantifizierung der Teilkomponenten der Rhizodeposition wird die Translokation von14C-Assimilaten in den Boden von einem für Grünlandökosystem typischen Vertreter - Lolium perenne - verfolgt. Dabei werden drei aus der Literatur bekannte Methoden mit eigenen Modifikationen und einer selbst entwickelten Methode verglichen. Diese Methoden stützen sich auf die Prinzipien: der Isotopenverdünnung, der Markierung verschiedener Pools in parallelen Varianten, der kurzfristigen Inhibierung der Mikroorganismenaktivität und der zeitlichen Trennung von Prozessen mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die anderen Kapitel der Habilitationsschrift werden folgenden Teilprozessen der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden anhand der Ergebnisse früherer Untersuchungen des Antragsstellers gewidmet: 1) den Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der niedermolekularen organischen Substanzen 2) ihrer Verwertung durch die Bodenmikroorganismen 3) Dynamik des Einbaus in die Humusfraktionen und Rezyklierung der Humusfraktionen durch die niedermolekularen organischen Substanzen 4) Aufnahme von niedermolekularen organischen Substanzen durch die Pflanzen (kurz) 5) ihre Migration im Boden (kurz) Ein spezielles Kapitel wird der Transformation der Aminosäuren - den wichtigsten N-haltigen organischen Substanzen im boden - gewidmet. Die experimentellen Ergebnisse werden in der Habilitation zu einem Gesamtkonzept der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden zusammengefasst.

Scenarioanalyse mit dem dynamischen Gewaessermodell SALMO zur Prognose der Wassergueteentwicklung in stehenden und gestauten Gewaessern

Mit dem am Institut fuer Hydrobiologie entwickelten dynamischen Oekosystemmodell SALMO laesst sich der Einfluss externer Belastungsquellen (Naehrstoffe, organische Belastung) und gewaesserinterner Massnahmen (Stauspiegelabsenkung, Teilzirkulation, Biomanipulation) auf die Wasserqualitaet von Talsperren und Seen (Phytoplanktonbiomasse, Sauerstoff, Nitratkonzentration) abschaetzen. So half das Modell in einer Studie der IDUS-GmbH bei der Charakterisierung von Einfluss und Wechselwirkungen unterschiedlicher Belastungskomponenten (Naehrstoffe, lichtabsorbierende Stoffe) bezueglich der Wasserguete der Talsperre Bleiloch. Unter massgeblicher Beteiligung des Instituts fuer Automatisierungs- und Systemtechnik der TU Ilmenau entstand eine komplette Neuimplementierung des Gleichungssystems mit dem Simulationssystem Matlab/Simulink sowie in der objektorientierten Programmiersprache JAVA. Diese ermoeglicht die Simulation raeumlich kompartimentierter Gewaesser, eine einfachere Handhabbarkeit des Gleichungssystems und eine betraechtliche Erweiterung des Anwendungsspektrums von SALMO als Werkzeug fuer Forschung, Lehre und Entscheidungsfindung.

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

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