Die Bergwälder der Ostanden gehören zu den artenreichsten terrestrischen Ökosystemen der Erde, zugleich stehen sie unter immensem Nutzungsdruck (Abholzung, Umwandlung in Weideland). In einem multidiszilinären Ansatz aus Bio-, Geo-, Forst- und Agrarwissenschaften - von der Ebene des Organismus ausgehend bis hin zur Landschaftsebene - wollen wir an einem ausgewählten, für Forschungen zugänglichen ostandinen Bergwald in Südecuador ein solches Ökosystem, sowie seine gebietstypischen, durch menschliches Wirtschaften entstandenen Ersatzformationen beispielhaft analysieren. Dabei gilt es im ersten Schritt wichtige geowissenschaftliche und biologische Eigenschaften des Systems (Klima, Boden, Verfügbarkeit von Wasser und Nährelementen, Struktur und Artenzusammensetzung der Vegetation sowie Vorkommen und Vielfalt tierischer und pilzlicher Schlüsselorganismen: Pollinatoren, Samenverbreiter, Herbivore und Destruenten) zu erfassen. Im zweiten Schritt wird die Funktionsweise wichtiger Teilsystem erschlossen (Stoffflüsse zwischen wichtigen Kompartimenten, Dynamik und Regenrationspotentiale der Vegetation in Wechselwirkung mit der Fauna und den abiotischen Randbedingungen). Darauf aufbauend wollen wir drittens Optionen entwickeln bzw. überprüfen für eine nachhaltige Nutzung, Erhaltung und - soweit möglich - Rehabilitation des Waldes. Diese Erkenntnisse werden über das Untersuchungsgebiet hinaus für das ökosystemare Verständnis und Management tropischer Bergwälder von genereller Bedeutung.
Der menschliche Einfluss durch Landnutzung hat global zu starken Veränderungen in der Bodenentwicklung geführt und verursachte Verluste von Kohlenstoff aus terrestrischen Ökosystemen. Trotz relativ langsamer netto-Änderungen ist organische Bodensubstanz eine der wichtigsten Speichergrößen für Kohlenstoff. Der heutige Stand der Forschung zeigt dass die Größe der Quellen- oder Senkenfunktion von Böden für atmosphärisches Kohlenstoffdioxid von Bodeneigenschaften abhängt, die wiederum das Ergebnis pedogenetischer Prozesse sind. Bisher wurden allerdings Landnutzung und Kohlenstoffspeicherung kaum hinsichtlich ihrer Verbindung mit pedogenetischen Prozessen erforscht. Ein Grund ist sicherlich dass es kaum Referenzflächen gibt, die sicher als natürlich bezeichnet werden können aber trotzdem vergleichbare Bedingungen zu genutzten Flächen aufweisen. In der Region Cusco in den peruanischen Anden haben wir solche natürlichen Flächen identifizieren können. Sie liegen an abgelegenen Berghängen und sind nur mit Bergsteigerausrüstung zu erreichen, sind aber direkt mit Flächen benachbart die seit Jahrtausenden durch extensive Weidewirtschaft gekennzeichnet sind. Unsere Hypothesen lauten (a) Landnutzung und assoziierte Veränderungen in der Vegetation beeinflussten die Bodenentwicklung so stark dass sich in natürlichen und genutzten Böden unterschiedliche Klassifikationseinheiten entwickelten und (b) Landnutzung und veränderte Bodenentwicklung haben die relative Bedeutung von Mechanismen der Stabilisierung organischer Bodensubstanz verschoben. Um diese Hypothesen zu untersuchen werden Bodenklassifizierung und Indikatoren der Profilentwicklung genutzt und mit der Verteilung der organischen Bodensubstanz in Fraktionen unterschiedlicher Stabilisierungsmechanismen in Verbindung gebracht. Die Verbindung von Aspekten der Bodengenese mit der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz wird das Verständnis des menschlichen Einfluss auf Kohlenstofffestlegung im Boden verbessern und kann somit helfen Strategien zu entwickeln die den Landnutzungsinduzierten Verlust von Kohlenstoff in die Atmosphäre verringern.
Der weit nach Süden vordringende Keil Südamerikas ist weltweit die einzige nennenswerte Landmasse zwischen ca. 45° und 60°Süd. Das senkrecht zur Hauptwindrichtung verlaufende Andengebirge stellt eine wirksame Barriere für die Westwinddrift dar und hat einen bestimmenden Einfluss auf die hemisphärische Zirkulation sowie das lokale Wettergeschehen. Das Gebirge zwingt die maritimen Luftmassen zum Aufsteigen, was häufig mit intensiven Steigungsregen auf der Luvseite der Anden einhergeht. Durch die Überströmung des Gebirges kommt es zur Ausbildung von speziellen Prozessgefügen in der atmosphärischen Strömung sowohl auf der Meso- als auch regionaler Skala. Der damit einhergehende Transport und Austausch von Energie und Masse beeinflusst maßgeblich die Entstehung und den Ausfall von Hydrometeoren. Trotz der starken Wechselwirkung zwischen Strömung, Topographie und Niederschlag wurde in Patagonien darüber bisher nur wenig geforscht. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben leistet daher einen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen dynamischen Prozessen und der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Niederschlag in dieser Region. Ziel des Projektes ist die Quantifizierung wichtiger Prozesse die neue Aufschlüsse über die relevanten Mechanismen liefern soll. Anhand von hochauflösenden numerischen Simulationen werden an Einzelfallstudien die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der atmosphärischen Strömung im Detail analysiert. Begleitende Sensitivitätsstudien mit vereinfachten analytischen Modelle werden zudem Aussagen zu den Auswirkungen der atmosphärischen Variabilität auf die Niederschlagsverteilung liefern. Das aus der Studie gewonnene Prozessverständnis ist eine wichtige Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten im Bereich der Hydrologie, Glaziologie und Ökologie.
The goal of this project is to infer a phylogeographical hypothesis of a selected group of Lepidoptera, the subtribe Pronophilina, based on comprehensive phylogenetic and distributional data, and by doing so, to propose spatial and temporal patterns for the evolution of Andean faunas. The hypothesis is that the study group evolved in South America, and that its radiation is congruent with the uplift of the Andes and changing paleoclimates, hence with the availability of suitable habitats in South and continental Central America.
Außer dem bekannten Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) existieren weitere stark klimawirksame Spurengase biologischen Ursprungs, z.B. Lachgas (N2O) und Methan (CH4), die mikrobiell im Boden produziert (N2O, CH4) oder im Falle des Methans auch verbraucht (oxidiert) werden. Die steigende atmosphärische CO2-Konzentration kann sich über die Pflanzen in vielfacher Weise auf die bodenmikrobiellen, Spurengasproduzierenden Prozesse auswirken. So ist beispielsweise nachgewiesen worden, dass der Wasserverbrauch der Pflanzen unter erhöhtem CO2 häufig sinkt und die Abgabe von leicht zersetzbarem Kohlenstoff an den Boden (Wurzelexudation) steigt. Beides könnte die Denitrifikation und damit die N2O-Produktion begünstigen, ebenso die Methanproduktion, wenn im Boden anaerobe Bedingungen (z.B. durch Überflutung) eintreten. Steigende Bodenfeuchte würde zugleich die Sauerstoff-abhängige Methanoxidation im Oberboden hemmen. Zu diesem Thema existieren bislang weltweit nur Kurzzeit- und Laborstudien. Im hier vorgestellten Projekt werden im Freilandexperiment die Langzeitauswirkungen steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen über das System Pflanze-Boden auf die Flüsse der klimawirksamen Spurengase N2O und CH4 in einem artenreichen Dauergrünland untersucht. Hierzu gelangt ein im Institut für Pflanzenökologie neuentwickeltes Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) zur Anwendung, bei dem die CO2-Konzentration in drei Anreicherungsringen seit Mai 1998 um etwa 20 Prozent gegenüber den drei Kontrollringen erhöht wurde. Über die Jahresbilanzierungen der Spurengasflüsse sowie über begleitende Prozessstudien soll geklärt werden, wie und auf welche Weise erhöhtes CO2 auf die N2O- und CH4-Spurengasflüsse rückwirkt. Die ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass in einem etablierten artenreichen Ökosystem wie dem untersuchten Feuchtgrünland zuerst die unterirdischen Prozesse auf die steigenden CO2-Konzentrationen reagierten (Bestandesatmung). Die oberirdische Biomasse zeigte erst nach etwa 1,5 Jahren der CO2-Anreicherung einen signifikanten Zuwachs gegenüber den Kontrollflächen. Im Jahr 1997, vor dem Beginn der CO2 -Anreicherung, waren sowohl die N2O-Emissionen als auch die CH4 Flüsse auf den (späteren) Anreicherungs- und den Kontrollflächen fast identisch. Seit Beginn der Anreicherung hingegen sind die N2O-Emissionen vor allem während der Vegetationsperiode dramatisch angestiegen: auf 278 Prozent der Emissionen der Kontrollflächen. Die Methanoxidation war rückläufig unter erhöhtem CO2: Mittlerweile oxidieren die CO2 Anreicherungsflächen 20 Prozent weniger CH4 als die Kontrollflächen (Jahr 2000), wobei auch hier der größte Unterschied während der Vegetationsperiode auftrat. Eine erhöhte Bodenfeuchte kommt als Erklärung nicht in Frage, da sich diese nicht geändert hat.
Gegenstand des Forschungsprojektes ist eine Untersuchung der Phylogeographie ausgewählter Taxa eierlegender Zahnkarpfen (Cyprinodontiformes, Aplocheilidae) mit molekulargenetischen Methoden. Es soll die Hypothese getestet werden, ob Evolution und Radiation in dieser Fischgruppe entscheidend durch die historische und rezente Entwicklung des zentralafrikanischen Regenwaldes beeinflußt wurde. Aufgrund der engen Habitatbindung der untersuchten Artgruppen an den Regenwald wird diese Hypothese von den bisherigen Bearbeitern favorisiert. Für die betrachteten Taxa soll das Ausmaß der genetischen Unterschiede zwischen den Arten und den verschiedenen Populationen ermittelt werden, um Rückschlüsse auf Biogeographie, Phylogenie, Artbildungsprozesse und Evolutionsverlauf ziehen zu können. die biogeographischen und phylogenetischen Ergebnisse sollen dann mit den vorliegenden Daten zur Geologie und zur Regenwaldgenese verglichen werden, um festzustellen, ob hier eine Korrelation vorliegt und sich dadurch weitere Details zur bisher nur in groben Zügen bekannten Genese west- und zentralafrikanischer Regenwaldgebiete gewinnen lassen. Die betrachteten Verbreitungsgebiete umfassen dabei mehrere der angenommenen Regenwaldrefugien im Bereich Nigeria, Kamerun, Äquatorial Guinea und Gabun.
Es werden verschiedene Umwelt- und Klimaarchive im Hinblick auf deren Eignung zur Rekonstruktion postglazialer Klimabedingungen im Gebiet der südlichen Anden untersucht. Neben dendroökologischen Analysen von Jahrringsequenzen werden Seesediment- und Torfarchive untersucht. Entlang eines Ost-West-Transektes in den südlichsten Andenausläufern Chiles wurden Stammscheiben von Pilgerodendrum uviferum, Nothofagus betuloides, N. antarctica and N. pumilio gewonnen. Diese werden in den Messlabors des Institut für Waldwachstum präpariert, vermessen und analysiert. Das Institut für Waldwachstum wirkt bei der statistischen Analyse der Dendrozeitreihen mit.
Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Trinkwasser können negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Konsumenten haben und führen zu einem erhöhten Risiko für Korrosionen im Leitungsnetz. Aufgrund dessen schreibt die Trinkwasserverordnung einen Grenzwert von 240 mg/l vor. Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Grundwasser, die eine spezielle Aufbereitungstechnik erfordern, kommen vor allem durch den Einfluss von Tagebauaktivitäten zustande. Im ausgehobenen Kippenmaterial kommt es zur Oxidation des Pyrits, was nach der Verfüllung der Gruben zu einem Anstieg der Sulfat-, Calcium- und Schwermetallkonzentration im Grundwasser führt. In betroffenen Grundwasservorkommen in Deutschland wurden Konzentrationen von bis zu 2500 mg/l Sulfat gemessen. Die Nanofiltration ist eine mögliche Aufbereitungstechnologie, die die Grundwassernutzung in derart beeinträchtigten Standorten auch nach der Verfüllung der Gruben erlaubt. Es wird erwartet, dass die Nanofiltration im Vergleich zu den anderen in Frage kommenden Technologien Ionenaustauscher, Destillation, Elektrodialyse und Umkehrosmose vor allem bei höheren Sulfatkonzentration in der Größenordnung >1000 mg/l das wirtschaftlichste Verfahren darstellt. In dem Projekt Nanofiltration zur Sulfatabscheidung bei der Trinkwasseraufbereitung wird die Aufbereitung mittels Nanofiltration experimentell im Labor- und Pilotmaßstab untersucht. Es wird dabei schwerpunktmäßig ein Standort betrachtet, der im Einflussgebiet des Braunkohletagebaureviers Inden I liegt und derzeit Sulfatkonzentrationen von 1000-1500 mg/l in einem Trinkwasserbrunnen aufweist. Neben der Untersuchung der Nanofiltration an sich wird eine Konzentrataufbereitung mittels CaSO4-Kristallisation auf ihre Effektivität geprüft.
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