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The effect of elevated atmospheric CO2 concentration on gross nitrogen dynamics, plant N-uptake and microbial community dynamics in a permanent grassland

To predict ecosystem reactions to elevated atmospheric CO2 (eCO2) it is essential to understandthe interactions between plant carbon input, microbial community composition and activity and associated nutrient dynamics. Long-term observations (greater than 13 years) within the Giessen Free Air Carbon dioxide Enrichment (Giessen FACE) study on permanent grassland showed next to an enhanced biomass production an unexpected strong positive feedback effect on ecosystem respiration and nitrous oxide (N2O) production. The overall goal of this study is to understand the long-term effects of eCO2 and carbon input on microbial community composition and activity as well as the associated nitrogen dynamics, N2O production and plant N uptake in the Giessen FACE study on permanent grassland. A combination of 13CO2 pulse labelling with 15N tracing of 15NH4+ and 15NO3- will be carried out in situ. Different fractions of soil organic matter (recalcitrant, labile SOM) and the various mineral N pools in the soil (NH4+, NO3-, NO2-), gross N transformation rates, pool size dependent N2O and N2 emissions as well as N species dependent plant N uptake rates and the origin of the CO2 respiration will be quantified. Microbial analyses will include exploring changes in the composition of microbial communities involved in the turnover of NH4+, NO3-, N2O and N2, i.e. ammonia oxidizing, denitrifying, and microbial communities involved in dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA). Stable Isotope Probing (SIP) and mRNA based analyses will be employed to comparably evaluate the long-term effects of eCO2 on the structure and abundance of these communities, while transcripts of these genes will be used to target the fractions of the communities which actively contribute to N transformations.

Pollen and environmental reconstruction, Holocene dynamics of tropical rainforest, climate, fire, human impact and land use in Sulawesi and Sumatra, Indonesia

The present-day configuration of Indonesia and SE Asia is the results of a long history of tectonic movements, volcanisms and global eustatic sea-level changes. Not indifferent to these dynamics, fauna and flora have been evolving and dispersing following a complicate pattern of continent-sea changes to form what are today defined as Sundaland and Wallacea biogeographical regions. The modern intraannual climate of Indonesia is generally described as tropical, seasonally wet with seasonal reversals of prevailing low-level winds (Asian-Australian monsoon). However at the interannual scale a range of influences operating over varying time scales affect the local climate in respect of temporal and spatial distribution of rainfall. Vegetation generally reflects climate and to simplify it is possible to distinguish three main ecological elements in the flora of Malaysia: everwet tropical, seasonally dry tropical (monsoon) and montane. Within those major ecological groups, a wide range of specific local conditions caused a complex biogeography which has and still attract the attention of botanists and biogeographers worldwide. Being one of the richest regions in the Worlds in terms of species endemism and biodiversity, Indonesia has recently gone through intensive transformation of previously rural/natural lands for intensive agriculture (oil palm, rubber, cocoa plantations and rice fields). Climate change represents an additional stress. Projected climate changes in the region include strengthening of monsoon circulation and increase in the frequency and magnitude of extreme rainfall and drought events. The ecological consequences of these scenarios are hard to predict. Within the context of sustainable management of conservation areas and agro-landscapes, Holocene palaeoecological and palynological studies provide a valuable contribution by showing how the natural vegetation present at the location has changed as a consequence of climate variability in the long-term (e.g. the Mid-Holocene moisture maximum, the modern ENSO onset, Little Ice Age etc.). The final aim of my PhD research is to compare the Holocene history of Jambi province and Central Sulawesi. In particular: - Reconstructing past vegetation, plant diversity and climate dynamics in the two study areas Jambi (Sumatra) and Lore Lindu National Park (Sulawesi) - Comparing the ecological responses of lowland monsoon swampy rainforest (Sumatra) and everwet montane rainforests (Sulawesi) to environmental variability (vulnerability/resilience) - Investigating the history of human impact on the landscape (shifting cultivation, slash and burn, crop cultivation, rubber and palm oil plantation) - Assessing the impact and role of droughts (El Niño) and fires - Adding a historical perspective to the evaluation of current and future changes.

Sonderforschungsbereich (SFB) 607: Wachstum oder Parasitenabwehr? Wettbewerb um Ressourcen in Nutzpflanzen aus Land- und Forstwirtschaft, Teilprojekt B1: Allometrie und Raumbesetzung von krautigen und holzigen Pflanzen. Integration von Pflanzen- und Bestandesebene

Das Projekt B1 'Allometrie und Raumbesetzung von krautigen und holzigen Pflanzen' ist Teil des Sonderforschungsbereiches 607 Wachstum und Parasitenabwehr und befindet sich bereits in der vierten Phase des seit 1998 laufenden Forschungsprojektes. Bisher wurde im Projekt B1 die Allometrie als Resultat der pflanzeninternen Steuerung der Allokation untersucht. Auf Individuenebene wurden Allometrie und ihre Veränderung für verschiedene Baumarten in verschiedenen ontogenetischen Stadien untersucht. Auf Bestandesebene wurden die self-thinning-Linien von Yoda und Reineke für krautige bzw. holzige Pflanzenbestände analysiert. Bisherige Allometriebestimmungen erbrachten für diese Arten zwar ähnliche Größenordnung aber auch charakteristische Unterschiede, die Ausdruck spezifischer Strategien der Raumbesetzung und -ausbeutung widerspiegeln. Die bisher vereinzelten Auswertungen sollen in Phase IV in eine übergreifende Analyse (versch. Arten, ontogenetische Stadien, Konkurrenzsituationen, Störfaktoren) der Allometrie auf Pflanzen- und Bestandesebene münden.

Alpine plant ecology

Our long term activities aim at a functional understanding of alpine plant life. Overall our research shifted gradually from studying resource acquisition (e.g. photosynthesis) toward resource investment and questions of developement. As with treeline, sink activity seems to be the major determinant of growth. A common misconception associated with alpine plant life finds its expression in the use of the terms 'stress' and 'limitation'. See the critique in: Körner C (1998) Alpine plants: stressed or adapted? In: Press MC, Scholes JD, Barker MG (eds.) Physiological Plant Ecology. Blackwell Science , 297-311. Ongoing experimental work: The influence of photoperiod on growth and development in high elevation taxa (Ph.D. by Franziska Keller in cooperation with the Dept. of Geography, University of Fribourg). We test, whether and which species are responsive to earlier snow melt. It appears there exists a suite of different sensitivities, suggesting biodiversity shifts. We also tested the influence of nutrient addition on high elevation pioneer plants and run a longer term project on the interactive effect on sheep tramplng, nitrogen deposition and warming as part of the Swiss National Project NFP 48. A Europe-wide assessment of ground temperatures in alpine grassland is part of ALPNET (see associated organisations). The assessment provides a basis for comparing biodiversity in alpine biota from 69 to 37 degree of northern latitude. (Nagy et al. (2003) Ecological Studies, Vol. 167. 577 p. Springer, Berlin). A synthesis of research in functional ecology of alpine plants over the past 100 years was published in 1999.

Wieder-Etablierung von Extensivgrünland zur Förderung von Biodiversität und wesentlichen Ökosystemleistungen (Mitarbeit am FWF-Projekt REGRASS)

Ziele des FWF Projektes: - kurzfristige Steigerung von Artenreichtum und -häufigkeit von Insekten (v.a. Bestäubern und Raubinekten) auf neu etabliertem Extensivgrünland - neu etabliertes Extensivgrünland dient als Nahrungshabitat und Ausbreitungskorridor für Spezialisten vom Extensivgrünland-Habitaten in die Agrarlandschaft - Einfluss artspezifischer Eigenschaften (in Abhängigkeit von nicht-Acker-Habitaten, Verbreitungskapazität und Nahrungsangebot) auf die Besiedlungsgeschwindigkeit und räumliche Verbreitung - kurzfristig Steigerung der Effektivität von Ökosystemleistungen in Hinblick auf biologische Schädlingsbekämpfung und Bestäubung auf neu etabliertem Extensivgrünland - Verhältnis von biologische Schädlingsbekämpfung und Bestäubung in Relation zu Artenreichtum und der Häufigkeit von Bestäubern und Raubinsekten.

Sind permeable Sedimente in Küstengebieten Hotspots für die Bildung von nicht-flüchtigem gelöstem organischem Schwefel (DOS) im Meer?

Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.

Effect of habitat fragmentation on reptiles in South East Asia

Fragmentation of the natural environment has contributed to major biodiversity loss in South East Asia. Reptiles represent a significant biomass and occupy important functions in our ecosystem. However, these organisms are highly sensitive to relatively minor changes in temperature and habitat alteration. In this study we will investigate the effects of habitat fragmentation and potentially climate change on agamids at several sites in Southeast Asia. We will identify the species richness of agamids, their habitat use, and their diet. By using morphometrics, we aim to correlate morphology and habitat use and diet to explore the ecological niches these lizards occupy. We will also test for microhabitat preferences and optima to understand the ecological impacts on these species caused by forest fragmentation. We hope to use this approach to lay the foundations for macro-ecological modelling proving insights into future distributions and the impact of habitat connectivity.

Die Bedeutung von Fischereiabfällen und Erfahrung für das Verhalten und die Energetik von Seevögeln

Um die lückenhaft über große Flächen und oft unberechenbar verteilten Meeresressourcen zu nutzen, fliegen Albatrosse und Sturmvögel oft Hunderte von Kilometern pro Tag und füttern ihre Küken selten. In marinen Ökosystemen unter starkem anthropogenem Einfluss wird die Verfügbarkeit von Beute oft durch die Anwesenheit der Fischereifahrzeuge verändert, die große Mengen an Abfällen wie Innereien von verarbeitetem Fisch, Nichtzielarten und zu kleine Fische verwerfen. Dadurch erzeugen sie nicht nur eine vorhersehbare und reichliche Nahrungsquelle für Seevögel, sondern Fischerei-Abfälle erschließen Seevögeln auch den Zugriff auf demersale Organismen wie Bodenfische als neuartige Nahrungsquelle. In vielen fischreich genutzten Meeresgebieten stellen Abfälle daher einen großen Anteil der Nahrung von Seevögeln. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die Ernährungsökologie der Seevögel haben. Das Ziel der geplanten Studie ist es, unser Verständnis von Verhaltensanpassungen als Reaktion auf Änderungen in der Verfügbarkeit von Beute zu vertiefen. Wir schlagen dazu eine Fallstudie an Sturmtauchern Calonectris diomedea im Mittelmeer vor, einer Art, die sowohl natürliche Beute als auch Fischereiabfälle als Nahrung nutzt. Um das Ausmaß und die Auswirkungen der Nahrungsquellen zu bewerten, werden wir eine Kombination aus GPS-Tracking, Messungen der Stoffwechselrate mit 2 Methoden (Beschleunigungsdaten und Schwerwassermethode) und nicht-invasive genetische Nahrungsbestimmung verwenden. Wir werden untersuchen, ob die Nutzung der Fischereiabfälle durch die Sturmtaucher als Reaktion auf geringe Verfügbarkeit von ihrer natürlichen Beute auftritt oder ob diese Art sich an die neue Nahrungsquelle angepasst hat, und sie unabhängig von der Verfügbarkeit ihrer natürlichen Beute regelmäßig nutzt. Darüber hinaus werden wir erfahren und neue Brutpaare vergleichen, um zu bewerten, wie die Qualität von Alttieren dieses Verhalten beeinflusst, sowie die Energiebilanz der natürlichen Beute und von Fischereiabfällen vergleichen.

Einfluss der Vegetationsstruktur auf die Invasibilität von subarktischen Heidesystemen

Der aktuelle Klimawandel hat bereits Auswirkungen auf eine Reihe natürlicher Prozesse (z.B. Walther et al. 2002, Nature 416: 389-395; Walker et al. 2006, PNAS 103: 1342-1346). Ansteigende Temperaturen haben die Phänologie von Arten verändert mit bedeutenden Auswirkungen für komplexe direkte und indirekte Interaktionen zwischen Arten und es gibt deutliche Hinweise auf aktuelle Arealverschiebungen als Reaktion auf Erwärmung (Walther et al. 2002; 2005, P Roy Soc B-Biol Sci 272: 1427-1432). Die Ergebnisse des International Tundra Experiment (ITEX) Forschungsprogramms zu Auswirkungen von Temperaturerhöhung auf die Struktur von Pflanzengemeinschaften deuten an, dass (1) die Produktivität ansteigen wird, (2) der Deckungsgrad toter Pflanzenteile (Streu) und der Deckungsgrad von Zwergsträuchern und Gräsern zunehmen wird, während (3) der Deckungsgrad von Moosen in arktischen Regionen abnehmen wird (Walker et al. 2006). Die für die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften und die Verbreitungsreale von Arten erwarteten Veränderungen als Folge des Klimawandels hängen von der Invasibilität von Pflanzengemeinschaften ab. Obgleich letztere wiederum unter anderem durch die Vegetationsstruktur (z.B. Deckung, Höhe der Vegetation) bestimmt wird, ist die Bedeutung verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Sträucher, Moose, Gräser, Krautige) noch wenig erforscht. Im Lichte der klimainduzierten Veränderungen dieser Komponenten können empirische Studien zur Invasibilität von Pflanzengemeinschaften wichtige Informationen für die realistische Modellierung bezüglich der erwarteten Veränderung der Zusammensetzung von Vegetation und der Verbreitung von Arten liefern. Daher ist es Ziel dieses Projektes die Auswirkungen von Veränderungen verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Lebende Pflanzen, Moose, Streu) auf die Etablierung von Keimlingen in einem subarktischen Heidesystem zu analysieren.

DNA barcoding of benthic invertebrates from Lake Sevan (Armenia)

Lake Sevan, the only large water reservoir within the South Caucasus, is under severe ecological pressure, and understanding the species composition of the lake and especially the rivers of its drainage basin is of central importance to inform natural resource management decisions in Armenia. Due to the limited capacity in the area for exact and fast taxonomic identification of benthic invertebrates, we started to compile a DNA barcode reference database of aquatic arthropods from the Lake Sevan drainage basin, spearheaded by Dr. Marine Dallakyan from Yerevan's Scientific Center of Zoology and Hydroecology (Armenian Academy of Sciences), whose first visit to ZFMK has been financed by DAAD. The project is closely linked to the efforts undertaken and planned within the GGBC(link is external) project. The project results are aimed at making future standardized assessment of aquatic biodiversity monitoring in Armenia and the Caucasus easier, faster, and more reliable.

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