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Rehabilitation of Degraded Forests in Yunnan (German-Chinese Cooperation for Agrarian Research)

Background: An increasing frequency of massive flooding along the lower Yangtse River in China ended in a disastrous catastrophe in summer 1998 leaving several thousand people homeless, more than 3.600 dead and causing enormous economic damage. Inappropriate land-use techniques and large scale timber felling in the water catchment of the upper Yangtse and its feeder streams were stated to be the main causes. Immediate timber cutting bans were imposed and investigations on land use patterns were initiated by the Chinese Government. The Institute for World Forestry of the Federal Research Centre for Forestry and Forest Products was approached by the Yunnan Academy of Forestry in Kunming to exchange experiences and to cooperate scientifically in the design and application of appropriate afforestation and silvicultural management techniques in the water catchment area of the Yangtse. This cooperation was initiated in 1999 and is based on formal agreements in the fields of agrarian research between the German and Chinese Governments. Objectives: The cooperation was in the first step focussing on the identification of factors which caused the enormous floodings. After their identification measures of prevention were determined and put into practice. In this context experiences made in past centuries in the alpine region of central Europe served as an incentive and example for similar environmental problems and solutions under comparable conditions. Relevant key questions of the cooperation project were: - Analysis of forest related factors influencing the recent floodings of the Yangtse, - Analysis and evaluation of silvicultural management experiences from central Europe for know-how transfer, - Evaluation of rehabilitation measures for successful application in Yunnan, - Dissemination of knowledge through vocational training. Results: - Frequent wild grazing of husbandry is a key factor for forest degeneration beyond unsustainable timber harvests, forest fires and insect calamities leading to increased water run-off in the mountainous region of Yunnan; - Browsing of cattle interrupts succession thus avoiding natural regeneration and leaving a logging ban ineffective; - Mountain pasture in the Alps had similar effects in the past in central Europe. The introduction of controlled grazing has led to an ecologically compatible coexistence of pasture and ecology. Close-to-nature forestry can have positive effects in this sensitive environment. - Afforestation with site adopted broadleaves and coniferous tree species was implemented on demonstration level using advanced techniques in Yunnan.

MEPHYSTO: Combining population dynamics and drought related ecophysiology in the regional forest model TreeMig

The project is part of the COST action FP0603 Forest models for research and decision support in sustainable forest management (http://www.cost.esf.org/index.php?id=143&action number=FP0603) which aims at extending the scope of forest models from growth only to population dynamics and ecophysiology. Rationale: For sustainable forest management over large areas and for simulating different forest functions especially under changing conditions, different aspects of the system forest' must be modelled jointly: ecophysiological/biogeochemical processes, population dynamics, spatial interactions, and horizontal/vertical species stand structure. We develop a forest model with a stand-size grain suitable to be applied on large areas for assessment of, e.g., climate change or management effects on forest functions. This is achieved by merging and if necessary up- and down-scaling model functions of ecophysiological and population dynamical processes contained in existing models (single tree physiology, local scale ecophysiological, empirical forest growth, spatio-temporal forest landscape, and dynamic global vegetation models). Drought is predicted to occur more frequently with climate change, thus the main focus is on drought and the mechanisms how it affects the trees. Research questions: What are the mechanisms by which drought affects trees? Which is the best (sufficiently accurate and efficient) way to model and simulate these mechanisms? How can population dynamics and ecophysiology be combined in a landscape scale model concerning - allocation of water and carbohydrates to trees and organs? - spatial heterogeneity of soil water and trees? Methods: The project builds on the climate-driven forest landscape model TreeMig (Lischke et al., 2006). Process descriptions from various existing models are compiled, evaluated and included into TreeMig. This involves a thorough scaling of process formulations. Drought effects, involving soil water balance, stomata regulation, photosynthesis, CO2 fertilization effects, allocation of carbohydrates, dynamics of reserve pools and the relationship between these and regeneration, growth and mortality are studied in literature and other models and included into MEPHYSTO.

Trophic interactions in the soil of rice-rice and rice-maize cropping systems

Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.

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.

Effects of diversity on plant ecophysiological and biogeochemical processes in experimental grassland communities

This project research will focus on plant functional diversity and its implications for carbon, nutrient and water cycling by varying plant species richness. Interactions of plant ecophysiology, but also community ecology with ecosystem processes, and processes at the transition between the biosphere and the pedosphere will be studied. This study has the following objectives: (1) to quantify the effect of changing plant biodiversity on ecophysiological and biogeochemical processes, such as net carbon, nitrogen and cation sequestration in above-ground plant biomass as well as gaseous soil CO2 and NO losses in experimental grassland communities, (2) to investigate the underlying ecophysiological mechanisms that produce plant biodiversity effects, (3)to test the redundancy of different plant species within a functional group, (4) to compare ecophysiological responses of individual plant species to responses of grassland communities to varying environmental conditions, and (5) to determine the relationship between inter-annual variability of those ecosystem processes and plant biodiversity.

Biodiversität lehren und lernen

Verschiedene Aspekte in der Lehr-/Lernforschung, speziell zur Biodiversität und Formenkenntnis wurden untersucht. Neben konkreten Fragestellungen werden verschiedene Treatments verglichen, ebenso werden Befragungen von Schülern und Lehrern durchgeführt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Der Einfluss des Klimawandels auf die C-Bilanz von Photosynthese und Respiration in planktischen und benthischen Mikroalgen

Der biologische C-Kreislauf in der Antarktis unterliegt der Kontrolle der planktischen und benthischen Primärproduzenten. Die Menge an fixiertem Kohlenstoff hängt dabei nicht nur von deren photosynthetischer Aktivität ab, sondern auch von den Verlusten durch Respiration. Daher ist das Verhältnis von Photosynthese zu Respiration (rP/R) ein wichtiger Parameter den Einfluss des Klimawandels auf den antarktischen Kohlenstoffkreislauf abschätzen zu können, da aus Laborstudien bekannt ist, dass dieser Parameter empfindlich auf Umweltfaktoren reagiert. Allerdings sind quantitative Daten kaum verfügbar und Freilanddaten fehlen ganz. Das ist hauptsächlich einer methodischen Limitierung geschuldet, da sich zwar die Photosynthese Leistung über 14C, Sauerstoff oder Fluorometrie ermittelt lässt, sich die Atmung kaum oder nur mit hohem Aufwand erfassen lässt. In diesem Vorhaben soll zunächst gezeigt werden, wie hoch die Variabilität des Verhältnisses rP/R bei antarktischen Mikroalgen unter global change Bedingungen ist (steigende Temperatur, Eisenmangel. Mit diesen Daten kann dann in Modellrechnungen gezeigt werden, wie hoch der Fehler bei Primärproduktionsmessungen sein kann, wenn die Atmung nicht adäquat berücksichtigt wird. Danach soll eine Methode zur Messung der Atmung entwickelt werden, die ohne Gaswechsel und mit hohem Durchsatz im Freiland eingesetzt werden kann, um auch im Feld richtige rP/R Werte ermitteln zu können. Auf diese Weise können alle Teilprojekte, die sich mit klimawandel-abhängigen Veränderungen der antarktischen C-Bilanz beschäftigen, mit Zusatzinformationen versorgt werden, die den Wert der Daten deutlich steigern können.

Populationsmodell des Auerhuhns in den Schweizer Alpen: Grundlagen für den Artenschutz

Das Auerhuhn ist eine stark gefährdete Brutvogelart der Schweiz. Veränderungen in der Zusammensetzung und Nutzung des Waldes haben dazu geführt, dass sich die Bestände dieses Raufusshuhns in den letzten drei Jahrzehnten halbiert haben. Deshalb sollen die Lebensraumansprüche des attraktiven Waldvogels vermehrt in der Planung und Umsetzung von Waldreservaten und der Bewirtschaftung von Wäldern der höheren Lagen berücksichtigt werden. Auf der kleinen räumlichen Ebene sind die Habitatsansprüche der Art durch Untersuchungen in West- und Mitteleuropa (Storch 1993, 2002, Schroth 1994) und Skandinavien relativ gut bekannt. Dagegen werden die Populationsprozesse auf der Ebene der Landschaft erst in Ansätzen verstanden (Sjöberg 1996, Kurki 2000). Entsprechend konnte man die Bestandsrückgänge in den meisten Gebieten Europas noch nicht stoppen, da einerseits genauere Kenntnisse über das Zusammenspiel und die relative Bedeutung der einzelnen Faktoren fehlen (Habitatqualität, Störungen, Prädatoren, Witterung-Klima, Huftierkonkurrenz), und andererseits noch nicht versucht wurde, die Bestandsentwicklung im grossen landschaftlichen Massstab als Metapopulationsdynamik zu verstehen. Es ist das primäre Ziel dieses Projekts, ein räumlich explizites Metapopulationsmodell des Auerhuhns für einen grossen Landschaftsausschnitt der Schweizer Alpen zu erarbeiten. Dabei sollen die erwähnten Einflussfaktoren möglichst umfassend berücksichtigt werden. Die Arbeit soll modellhaft zeigen, dass für das Verständnis von Populationsvorgängen von raumbeanspruchenden Wildtierarten eine Analyse und Bewertung von lokal bis überregional wirksamen Einflussfaktoren notwendig sind. Die Ergebnisse sollen zudem als konzeptionelle Grundlage für den Nationalen Aktionsplan Auerhuhn und für regionale Artenförderungsprojekte dienen. Folgende Fragen und Themen sind für das Projekt von zentraler Bedeutung: Wie gross ist das landschaftsökologische Lebensraumpotenzial für das Auerhuhn in den Alpen, wie ist es räumlich verteilt? Wie verteilen sich die lokalen Auerhuhnpopulationen in diesen Potenzialgebieten? Wie gross sind die Bestände? Welche Faktoren beeinflussen den Status von Lokal- und Regionalpopulationen? Welche Populationen haben abgenommen oder sind verschwunden, welche sind stabil (Source-Sink-Mechanismen)? Zwischen welchen räumlich getrennten Populationen besteht ein Austausch? Welche Landschaftselemente wirken als Barrieren? Entwickeln einer nicht-invasiven Methode für die genetische Differenzierung von Populationen, sowie für Bestandsschätzungen und Monitoring.

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.

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