Die Verteilung anorganischer N-Verbindungen auf die Gas- und Partikelphase (vor allem NH3 und HNO3 bzw. NH4+ und NO3-) in der bodennahen Atmosphaere hat einen bedeutenden Einfluss auf die Pfade der trockenen Deposition des Stickstoff. Ueber die entsprechenden Phasenverteilungen in den nordbayerischen Mittelgebirgen liegen jedoch kaum Kenntnisse vor. Mit Hilfe von hochaufloesenden physikalischen und chemischen Messungen an einem der Untersuchungsstandorte des BITOEK soll die Verteilung von Stickstoffspezies im Multikomponentensystem Festphase/Wasserphase/Gasphase in detaillierter Weise als Funktionen atmosphaerischer Parameter (z.B. Luftfeuchte, unterschiedliche Level von Luftverschmutzung) charakterisiert werden. Die Interpretation der Daten wird mit Hilfe eines thermodynamischen Modells erfolgen, das die Artefakte, die beim Sammeln groessenfraktionierter Aerosolpartikel mit Hilfe von Impaktoren durch Druckabsenkung und lange Integrationszeiten auftreten, identifizieren und quantifizieren wird. Die Ergebnisse werden einen wesentlichen Beitrag leisten zur Beurteilung der potentiellen Duengung und/oder Belastung der Vegetation durch atmosphaerische Deposition. Zwischenbericht 1999: In diesem Projekt wird die Phasenverteilung reaktiver Stickstoffverbindungen (NO, NO2, HNO3, NH3, NH4+, NO3-, nicht N2 und N2O) in der bodennahen atmosphaerischen Grenzschicht ueber dem Waldoekosystem am BITOEK-Untersuchungsstandort Waldstein untersucht. Diese Phasenverteilung ist von grosser Bedeutung fuer den Depositionsmechanismus und die potentielle Aufnahme von N durch Pflanzen und Boeden. Die Untersuchungen werden vorwiegend experimentell, aber auch durch Anwendung eines thermodynamischen Gleichgewichtsmodells durchgefuehrt. Die atmosphaerischen Bedingungen sind hoch variabel. Im Groessenbereich 0.2-0.4 mym (aerodynamischer Partikeldurchmesser), der relativ stabil ist gegenueber physikalischen Veraenderungen und gegenueber Deposition, befinden sich grosse Anteile des Ammoniums und auch des Nitrats. Insgesamt scheint etwa die Haelfte des reaktiven Stickstoffs in der Gasphase und die andere Haelfte in der Partikelphase vorzuliegen.
Die Kohlenstofffluesse in einem terrestrischen Oekosystem und der Austausch von Spurengasen zwischen dem Boden, der Vegetation und der Atmosphaere unterliegen einer Vielzahl von biotischen und abiotischen Faktoren. Oekophysiologische Messungen auf der Blattebene sind aufgrund der hohen Variabilitaet im Bestand nur bedingt geeignet, ein Oekosystem in seiner Gesamtheit zu beschreiben. Zeitlich und raeumlich integrierende Messungen fuer die Schluesselprozesse turbulenter Austausch, Pflanzenatmung, Photosynthese sowie Bodenatmung werden daher auf der naechst hoeheren organisatorischen Ebene des Bestandes notwendig. Insbesondere Messungen des stabilen Kohlenstoffisotops 13C koennen fuer diese Aufgabe eingesetzt werden. Im Rahmen dieses Projektes schlagen wir vor, Konzentrationsmessungen der Kronenraumluft sowie der Boden- und Pflanzenatmung mit Messungen der Kohlenstoffisotope des CO2 zu verbinden. Dies erlaubt uns, die Oekosystematmung in ihre Komponenten zu zerlegen und moeglicherweise gleichzeitig mit Hilfe der Oekosystemdiskriminierung Aussagen ueber das Verhaeltnis der C-Fixierung zum Wasserverbrauch des Bestandes zu treffen. Darueber hinaus soll untersucht werden, inwieweit die Eddy-Akkumulationstechnik ueber heterogenen Waldbestaenden durchzufuehren und ggf. mit der Analyse von Kohlenstoffisotopen in Luft gekoppelt werden kann. Mit Hilfe dieser neuartigen Kombination waeren wir in der Lage, mit hoher raeumlicher und zeitlicher Aufloesung einzelne Luftpakete in ihrer Herkunft zu unterscheiden und so die Mechanismen des Stoffaustausches des gesamten Oekosystems naeher zu charakterisieren. Die Messungen sollen auf dem Intensivstandort Weidenbrunnen (Wassereinzugsgebiet Lehstenbach) des BITOEK stattfinden, wo bereits Eddy-Korrelationsmessungen stattfinden. Zwischenbericht 1999: Die Kombination von Messungen turbulenter Fluesse fuer das stabile Kohlenstoffisotop 13C und fuer Kohlendioxid CO2 erlaubt, neben der Bilanzierung des Netto-CO2-Austauschs, die Bestimmung von Einzelkomponenten der CO2-Fluesse (Photosynthese und Atmung) fuer ein Oekosystem. Aus einer Analyse der Massenbilanzgleichungen fuer 13C und CO2 wurden die methodischen Grundlagen fuer eine Auswertung kombinierter 13C- und CO2-Flussmessungen abgeleitet. Die Voraussetzung fuer die Anwendung des Verfahrens ist die Verfuegbarkeit einer Relaxed Eddy Accumulation (REA) Anlage zur Messung von 13C-Fluessen. Ein 13C-REA-Messsystem wurde entwickelt und in Betrieb genommen. Erste Flussmessungen fuer das stabile Kohlenstoffisotop 13C wurden durchgefuehrt. Die Auswertungen zeigen den erfolgreichen Einsatz von Messsystem und Messmethode. Grundlage fuer die 13C- und CO2-Flussmessungen sind Analysen der messmethodischen Voraussetzungen zur Anwendung der REA am BITOEK-Messstandort 'Weidenbrunnen'.
Erfassung von Luftschadstoffmesswerten im Rahmen des Forschungsvorhabens der Uni Bayreuth zur Ursachenermittlung der Walderkrankungen (BITOEK).
Mit diesem Projekt soll der Einfluss anthropogener Schadstoffdepositionen auf die Qualitaet oberflaechennaher Grundwaesser in bewaldeten Einzugsgebieten untersucht werden. Auf der Grundlage experimenteller Beobachtungen in den BITOEK-Intensivflaechen und der langfristigen Abflussmessungen werden neue Methoden zur Umsetzung in wasserwirtschaftlich relevante Anwendungen entwickelt und getestet. Die vorliegenden umfangreichen Datensaetze werden mittels kuenstlicher neuronaler Netze auf interne Redundanzen ueberprueft. Diese Methode erlaubt es, Hypothesen ueber kritische Prozesse auf tatsaechlich beobachtete Variablen zu reduzieren (hauptsaechlich Beobachtungen zum Input-Outputverhalten), waehrend die internen Prozesse durch ein sehr effektives nicht-lineares Modell empirisch abgebildet werden. Damit koennen die bei prozessorientierten Modellen auftretenen Schwierigkeiten (Eindeutigkeit der Parameterbestimmung, Ueberparametrisierung) ueberwunden werden. Die gefundenen empirischen Abbildungsfunktionen sollen zur Identifizierung der jeweiligen Steuergroessen und relevanten Prozesse auf einer von den Daten vorgegebenen Aggregationsebene genutzt werden. Fuer die Risikobewertung von kurzzeitigen Belastungsspitzen der genutzten Gewaessser, sowie zur laengerfristigen Gefaehrdungsabschaetzung wird damit ein Verfahren angeboten, das nur soviel Empirie wie notwendig und soviel Prozessverstaendnis wie moeglich verwendet. Zwischenbericht 1999: Zur Untersuchung langfristiger anthropogener diffuser Stoffeintraege auf Oberflaechen- und Grundwasserqualitaet werden von BITOEK, wie auch von anderen Institutionen langjaehrige Messprogramme durchgefuehrt. Zur Auswertung der Zeitreihen werden im Rahmen dieses Teilprojektes ueberwiegend empirische, multivariate und nichtlineare Verfahren eingesetzt. Mittels Kuenstlicher Neuronaler Netze kann gezeigt werden, dass die Auswirkungen der in den letzten zwei Dekaden gesunkenen Schwefeleintraege auf den Abfluss des Lehstenbachs (Fichtelgebirge) zwar deutlich sind, sich aber im Wesentlichen auf die ersten Abflussspitzen jeweils gegen Ende der Vegetationsperiode beschraenken. Die Analyse der Si-Konzentrationsganglinien der Brugga (Schwarzwald) mittels Kuenstlicher Neuronaler Netze liefert Indizien auf die besondere Rolle der Schneeschmelze bei der Abflussbildung. Die Simulation der Zeitreihen der Konzentration geloesten organischen Kohlenstoffs in der Kronentraufe des Steinkreuzgebietes (Steigerwald) mittels eines einfachen prozessorientierten Modells lieferte erste vielversprechende Ergebnisse. Basierend auf Bodenradardaten, Bohrprofilen, geomorphologischen, hydrologischen und hydrochemischen Daten wurde ein Schichtmodell fuer das Steinkreuzgebiet erstellt. Dieses laesst sich nutzen, um geo- und hydrochemische Prozesse genauer zu lokalisieren. So laesst sich z.B. im Bereich der Intensivmessflaeche in 2-3 m Tiefe unter Gelaendeoberflaeche eine nicht unerhebliche Stickstoffsenke lokalisieren.
Die Univeristaet Bayreuth beabsichtigt, eines der Zentren fuer Oekosystemforschung des BMFTs in Bayreuth einzurichten. Ein Antrag auf Unterstuetzung des Bayreuther Institut fuer terrestrische Oekosystemforschung und Oekophysiologie (BITOEK) wurde getrennt gestellt. Der vorliegende Antrag dient der Einrichtung eines wissenschaftlichen Sekretariats, das die Eroeffnung des BITOEK vorbereitet und danach in BITOEK ueberfuehrt wird.
Das integrierte Flussauenmodell INFORM in der Version 2.0 wurde im Jahre 2003 vorgestellt [Fuchs et al., 2003] und ist seitdem in der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) im Einsatz. Es vereint in sich Regelsätze und Simulationsmodelle für die unterschiedlichsten Fragestellungen bezüglich Abiotik und Biotik (zusammengefasst bezeichnet als Ökologie) der Flüsse und Flussauen. Im Laufe der Entwicklung und Anwendung des Systems wurden die Ansprüche der Nutzer und Anforderungen der Wissenschaft komplexer. Die Grundlagen der ökologischen Flussauenmodellierung und die Modellgrundlagen von INFORM 2.0 sind in der Mitteilung Nr. 25 der Bundesanstalt für Gewässerkunde vom Mai 2003 ausführlich beschrieben worden. Mit dem vorliegenden Bericht wird die Weiterentwicklung zur Version 3 vorgestellt. INFORM betrachtet ökologische Zusammenhänge in der Flussaue. In der Modellierung wird der Wirkungspfad Abfluss -> Flusswasser -> Grundwasser -> Boden -> Biotik verfolgt und bewertet. Der Modellablauf folgt dabei der Vorstellung, dass neben der Nutzung der Faktor Flusswasserstand und seine Dynamik für das Ökosystem Fluss und Aue von entscheidender Bedeutung ist und das Vorkommen von Pflanzen und Tieren sowie die Artenzusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaften (Vegetation und Fauna) stark beeinflusst. INFORM bereitet ökologisch relevante Daten einer Flussaue zu planungs- und entscheidungserheblichen Ergebnissen auf. Damit ist es als Planungsinstrument in der ökologischen Modellierung für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung einsetzbar.
Das integrierte Flussauenmodell INFORM in der Version 2.0 wurde im Jahre 2003 vorgestellt [Fuchs et al., 2003] und ist seitdem in der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) im Einsatz. Es vereint in sich Regelsätze und Simulationsmodelle für die unterschiedlichsten Fragestellungen bezüglich Abiotik und Biotik (zusammengefasst bezeichnet als Ökologie) der Flüsse und Flussauen. Im Laufe der Entwicklung und Anwendung des Systems wurden die Ansprüche der Nutzer und Anforderungen der Wissenschaft komplexer. Die Grundlagen der ökologischen Flussauenmodellierung und die Modellgrundlagen von INFORM 2.0 sind in der Mitteilung Nr. 25 der Bundesanstalt für Gewässerkunde vom Mai 2003 ausführlich beschrieben worden. Mit dem vorliegenden Bericht wird die Weiterentwicklung zur Version 3 vorgestellt. INFORM betrachtet ökologische Zusammenhänge in der Flussaue. In der Modellierung wird der Wirkungspfad Abfluss -> Flusswasser -> Grundwasser -> Boden -> Biotik verfolgt und bewertet. Der Modellablauf folgt dabei der Vorstellung, dass neben der Nutzung der Faktor Flusswasserstand und seine Dynamik für das Ökosystem Fluss und Aue von entscheidender Bedeutung ist und das Vorkommen von Pflanzen und Tieren sowie die Artenzusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaften (Vegetation und Fauna) stark beeinflusst. INFORM bereitet ökologisch relevante Daten einer Flussaue zu planungs- und entscheidungserheblichen Ergebnissen auf. Damit ist es als Planungsinstrument in der ökologischen Modellierung für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung einsetzbar.
Zwischenbericht 1999: Die Messungen auf den Dauerbeobachtungsflaechen beinhalten die Elementfluesse mit dem Freilandniederschlag und der Kronentraufe (als Eckdaten zum Stoffeintrag und zum Elementumsatz im Kronenraum) sowie die Messungen der Fluesse mit der Bodenloesung in 90 cm (Stoffaustrag mit dem Sickerwasser) und der Oberflaechengewaesser. Vergleichend zu laengeren Zeitreihen, bei der ueber 14 Tage bzw. 1 Monat integriert wird, wurde fuer Bodenloesungen, Abfluss und Niederschlag die Messintervalle auf taeglich verkuerzt. Ziel war dabei i) die Erfassung von oekologisch wirksamen Amplituden der Konzentrationen, ii) verbessertes Verstaendnis von Elementumsaetzen im Boden und der steuernden Prozesse, iii) die Beschreibung der Stofffluesse und -konzentrationen auf verschiedenen Zeitskalen und iii) eine Minimierung des Fehlers bei der Stoffflussberechnung. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich fuer die Datenreihen mit taeglichen Beprobungsintervallen sehr aehnliche Zusammenhaenge zwischen Wasserfluss und Schwankungen von pH, Leitfaehigkeit, SO42-, NO3- und Cl- -Konzentrationen ergeben, wie sie schon aus den Daten des 14taegliches Messintervalls bekannt sind. Allerdings ergaben sich signifikante Korrelationen fuer Konzentrationen im Elementeintrag mit denen des Abfluss fuer die Datenbasis des taeglichen Messintervalls. Letzteres war aus den Daten des 14taeglichen Messintervalls nicht festzustellen. Ob dies einen grundsaetzlichen Erkenntnisgewinn hinsichtlich des Prozessverstaendnisses ergibt, wird vor allem aus den Modellsimulationen sowie aus den Auswertungen der Stofffluesse ersichtlich werden. Hinsichtlich der auftretenden Amplituden in der Elementkonzentration ist festzustellen, dass zunaechst groessere Amplituden der Elementkonzentrationen des taeglichen Messintervalls erfasst werden, wenn einzelne Raumpunkte miteinander verglichen werden. Sowie jedoch die raeumliche Heterogenitaet, wie sie im Messkonzept des Monitoringprogrammes des BITOEK eingeplant ist, beruecksichtigt wird, wird der Informationsgewinn hinsichtlich einer Erfassung der Amplituden ausgeglichen. Die Berechnung des Stoffaustrags mit dem Gebietsabfluss Lehstenbach ergab allerdings entscheidende Unterschiede zwischen den beiden Datenreihen. Im Vergleich zu den Werten aus der taeglichen Beprobung wurde fuer die bisher ausgewertete Messreihe von 7 Monaten (17.3.-26.10.1998) bei der Berechnung der Stofffluesse mit den im 14taeglichen Messintervall erhobenen Daten der H +-Austrag wesentlich ueberschaetzt und den Cl- Austrag unterschaetzt. Eine geostatistische Auswertung der Zeitreihen ergab, dass vor allem die Messstrategie und weniger die Messintervalle eine Rolle spielen, solange die Zeitreihe lang genug ist (n groesser 100). Eine Mischprobenbildung und die damit durchgefuehrte Integration ueber die Zeit in Bestandesniederschlag und Bodenloesung fuehrt zu einer Veraenderung von Mustern in den Daten wie z.B. eine Vortaeuschung einer Autokorrelation oder einer Verschleierung von Periodi