Der boreale Nadelwald, die Taiga, ist eines der groessten Oekosysteme der Erde. Doch seine verschiedenen Teilgebiete sind auch innerhalb des Postglazials recht unterschiedlich alt. Ebenso verschiedenartig sind die oekologischen Gegebenheiten. Es stellt sich die Frage, ob die Taiga als ein einziges Oekosystem betrachtet werden darf. Die laufenden oekologischen Untersuchungen sollen die Ursachen fuer den lichten Stand der Baeume in einzelnen Teilen der Taiga klaeren. Von Bedeutung sind dabei Fragen nach Art, Ort und Intensitaet der Wurzelkonkurrenz sowie nach den oekologischen Folgen der Nadelstreu und des Moos- und Flechtenteppichs im Hinblick auf den Wasser und Waermehaushalt und auf die Bestandesverjuengung. Die Untersuchungen werden in Kanada, Nordeuropa und Ostjakutien durchgefuehrt.
Borealen Wälder speichern fast ein Drittel des weltweiten terrestrischen Kohlenstoffs in Biomasse und Böden. Die Stabilität dieser Kohlenstoffvorräte ist in der jüngsten Zeit intensiv diskutiert worden, denn es wird erwartet, dass Waldstörungen wie etwa Insektenausbrüche, Stürme oder Brände im Klimawandel zunehmen werden. Während für die nordamerikanischen und europäischen borealen Wälder eine solide Wissensbasis über sich verändernde Waldstörungen existiert, gibt es für die russischen borealen Wälder nur wenige Fallstudien. Diese wenigen Fallstudien decken jedoch nur einen sehr kleinen Teil der riesigen Ausdehnung des russischen borealen Waldes ab, was wiederum das Kohlenstoffbudget des russischen borealen Waldes höchst unsicher macht. Im Rahmen des BOFOR-Projekts schlagen wir daher vor, diese Wissenslücke zu schließen, indem wir unser Verständnis der sich veränderte Waldstörungen und deren Einfluss auf den Kohlenstoffhaushalt des russischen borealen Waldes verbessern. Das Projekt verfolgt dabei die folgenden sechs Ziele: (1) Entwicklung eines neuen räumlich expliziten Datensatzes für Waldstörungen für den gesamten russischen borealen Wald unter Verwendung von Erdbeobachtungsdaten. (2) Die Zuordnung von Waldstörungen zu ihren kausalen Verursachern wie Feuer, Wind, Insektenbefall und Holzernte. (3) Quantifizierung der Sensitivität von Störungen in borealen Wäldern gegenüber zunehmenden Klimaextremen im Zuge des Klimawandels. (4) Quantifizierung der Erholungsfunktion nach Störung, mit besonderem Blick auf die Biomasse. (5) Quantifizierung der Sensitivität der Erholungsfunktion gegenüber biotischen, bodenkundlichen und klimatischen Faktoren. (6) Erstellung eines vollständigen Kohlenstoffbudgets für den borealen Wald, einschließlich Störungen und Erholung. Das von uns vorgeschlagene Projekt wird eine wichtige Wissenslücke im globalen Kohlenstoffkreislauf schließen und damit unser Verständnis des Klimaschutzpotenzials der Wälder weltweit erheblich verbessern.
Der Abbau von Totholz stellt einen wichtigen Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf der Wälder dar. Die biotischen Hauptagenten des Holzabbaus sind Mikroorganismen und Insekten, aber während Insekten in den Tropen den Holzabbau beschleunigen, wirken sie in der gemäßigten und borealen Zone neutral oder sogar negativ auf den Holzabbau. Insekten interagieren eng mit holzzersetzenden Mikroorganismen, einschließlich symbiotischer Assoziationen, Facilitation und Konkurrenz. Es ist jedoch unklar, wie sich die Auswirkungen von Insekten auf mikrobielle Gemeinschaften entlang globaler Klimagradienten verändern. Während lokale Feldstudien und Laborexperimente gezeigt haben, dass Insekten-Mikroorganismen-Interaktionen den Holzabbau sowohl beschleunigen als auch verlangsamen können, wurde bisher nicht untersucht, ob dieser Mechanismus erklärt, warum sich die Auswirkungen von Insekten auf den Abbau so stark von tropischen zu borealen Wäldern ändern. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir die erste globale Studie zu Insekten-Pilz-Interaktionen in Totholz durchführen, indem wir Holzproben aus einem globalen Experiment verwenden, das Behandlungen umfasste, die entweder Insekten Zugang gewährten oder Insekten ausschlossen (Seibold et al. 2021, Nature). Die Holzproben wurden bereits gesammelt und nun sollen die Pilz- und Bakteriengemeinschaften durch DNA-Sequenzierung bestimmt werden, um die Effekte der Insekten zu untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht es zu untersuchen, wie globale Klimagradienten die Interaktionen zwischen Insekten und holzzersetzende Pilzen und Bakterien beeinflussen. Dies wird zu einem besseren Verständnis darüber beitragen, wie Insekten die mikrobielle Biodiversität beeinflussen und wie sich diese Effekte auf den Holzabbau übertragen. Wir werden fünf Hypothesen testen bezüglich der Effekte von Insekten auf Mikroorganismengemeinschaften in Relation zu globalen Klimagradienten. Dabei werden wir Diversität auf verschiedenen Ebenen (alpha- und beta-Diversität), sowie Maße für Spezialisierung basierend auf Netzwerkanalysen und phylogenetische Diversität betrachten.Angesichts des globalen Klimawandels und des anhaltenden Verlusts an Biodiversität, einschließlich unter den Waldinsekten, ist ein besseres Verständnis der Effekte des Klimas auf die komplexen Beziehungen zwischen holzbewohnenden Insekten und Mikroorganismen erforderlich, um die Zukunft der globalen Kohlenstoffsenke im Wald vorherzusagen. Wir sind zuversichtlich, dass das vorgeschlagene Projekt ein wichtiger Schritt ist, um diese Wissenslücke zu schließen und damit nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Umwelt- und CO2-Politik von großer Bedeutung sein wird.
In einem naturnahen Mischbestand werden an der forstlichen Versuchsstation Lyaly (Republik Komi) die Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten (Picea obovata), Kiefern (Pinus sylvestris), Aspen (Populus tremulus) und Birken (Betula spec.) zeitlich hochaufgelöst registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume wird zusätzlich im 5-Minuten Takt die elektrische Leitfähigkeit des Stammes registriert. Gleichzeitig werden die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie die Bodenfeuchte gemessen. Am Untersuchungsstandort werden mit einem Magnetometer Schwankungen des Erdmagnetfeldes in den drei Raumrichtungen registriert. Aus den Analysen werden Informationen über die Bedeutung verschiedener Standorts- und Umweltfaktoren auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten von Bäumen erwartet.
Ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs im Tundra-Taiga-Ökoton (engl. ‚Tundra Taiga Ecotone‘, TTE) wird als oberirdische Biomasse (engl. ‚Above-Ground Biomass‘, AGB) in Bäumen und Sträuchern durch Photosynthese gespeichert, wobei Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre während der kurzen Wachstumsperiode in hohen Breiten entzogen wird. Dies führt zu geringer Kohlenstoffspeicherung im TTE. Der Klimawandel könnte die Produktivität beeinflussen und Vegetationsmuster verändern. Die Rolle abiotischer Faktoren in der Kohlenstoffspeicherung borealer Wälder ist ungenügend verstanden. Eine Neubewertung der Vegetationsorganisation muss hinsichtlich statischer Modulatoren erfolgen. Topografie, ein wichtiger Faktor für Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, ist ein statischer abiotischer Faktor, der die lokalen Wachstumsbedingungen beeinflusst. Mit steigenden Temperaturen wird erwartet, dass Niederschlag intensiver und häufiger wird, was zu Wasserstau oder Nährstoffauswaschung an bestimmten topografischen Positionen führen kann und den Rückgang bestimmter Baumarten zur Folge haben könnte. Daher könnte der Klimawandel lokale Reaktionen auf die topografische Position verändern und Wechselwirkungen mit Wetterbedingungen beeinflussen. Die Topografie könnte die Auswirkungen des Klimawandels mildern und anpassungsfähigen Arten zugutekommen, während andere unter veränderten Bedingungen leiden. Das Verständnis der Beziehung zwischen Topografie und Biomasseakkumulation ist entscheidend für die Bewertung der zukünftigen Rolle borealer Wälder im globalen Kohlenstoffhaushalt. Das BToBE-Projekt zielt darauf ab, Wissenslücken hinsichtlich des Einflusses der Topografie auf die Biomasseakkumulation im TTE zu schließen und deren Auswirkungen durch Vorwärtssimulation mit einem prozessbasierten Vegetationsmodell zu bewerten. Die zentrale Hypothese ist, dass sich die Reaktionen der Vegetation auf topografische Bedingungen im TTE aufgrund starker globaler Erwärmung verändert haben. Kürzlich wurden drohnenbasiert 3D-Punktwolken gesammelt, die verarbeitet werden, um Waldbiomasse zu ermitteln. Diese hochauflösenden Referenzdaten erfassen den bioklimatischen Gradienten des TTE, wobei die nördliche Baumgrenze in Niederungen mit Permafrost und im gebirgigen Terrain verläuft. Die drohnenbasierten AGB-Daten werden verwendet, um ein AGB-Modell für das großflächige Ableiten (engl. ‚upscaling‘) mit Landsat- und Sentinel-2-Multispektralsensoren zu entwickeln. Das Ziel ist dreistufig: Erstens sollen die Beziehungen zwischen AGB und Topografie mithilfe von verallgemeinerten additiven Modellen aufgeklärt werden; zweitens soll die Stabilität dieser Abhängigkeiten durch Rekonstruktion langfristiger AGB-Daten aus den vergangenen Jahrzehnten untersucht werden. Dies wird für die Verbesserung und Implementierung des Individuen-basierten und räumlich expliziten borealen Waldvegetationsmodells LAVESI genutzt, zur Ableitung von AGB-Trajektorien im TTE in den kommenden Jahrzehnten.
Klimatische Bedingungen, Nährstoffeinträge über die Luft und Baumartenwahl steuern - neben anderen Faktoren - die Ausprägung der Humusauflagen (HA) und damit die ökologischen Funktionen unserer Wälder. Mittels verfügbarer Wald- und Bodeninventurdaten lassen sich die Beziehungen zwischen den Basiseigenschaften der HA (z. B. Mächtigkeit, Masse, Morphologie) und den ökologischen Standortbedingungen ermitteln. Obwohl es generell akzeptiert wird, dass solche Beziehungen existieren, steht eine Analyse dieser Zusammenhänge entlang von Umweltgradienten noch aus. Die Prüfung der Beziehungen zwischen HA-Eigenschaften, Niederschlag (MAP) und Lufttemperatur (MAT) ist herausfordernd, da einerseits die Beschaffenheit der HA die Beziehung zwischen MAT/MAP und Temperatur/Feuchte innerhalb der HA steuert. Andererseits ändert sich die Beschaffenheit der HA unter den Bedingungen des Klimawandels und damit auch die Beziehung zwischen den meteorologischen Größen und dem Wasser- und Wärmehaushalt der Humusauflage.Nur wenig ist über den Zusammenhang zwischen den Basiseigenschaften der HA und den physikalischen Eigenschaften der HA (Porengrößenverteilung, Wasserrückhaltevermögen, hydraulische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit) bekannt. Darüber hinaus wissen wir nicht, wie sich diese Eigenschaften unter den Bedingungen des Klimawandels, der N-Eutrophierung und der Veränderung der Baumartenzusammensetzung verändern. Änderungen im Wasserrückhaltevermögen von HA wirken sich nicht nur auf den Wasserkreislauf in Wäldern aus, sondern auch auf deren Wärmehaushalt. Während dies für die borealen Wälder bereits gezeigt wurde, fehlen ähnliche Untersuchungen für die Wälder der gemäßigten Zone. Das Fehlen solcher Studien erschwert unser Verständnis darüber, wie sich das kombinierte Feuchte- und Temperaturregime der HA als Reaktion auf Veränderungen der abiotischen und biotischen Faktoren modifizieren könnte.Verfügbare Wald- und Bodeninventurdaten in Kombination mit einer modellbasierten Bewertung der Auswirkungen von Veränderungen der thermischen und hydraulischen Eigenschaften von HA auf den Wasser- und Wärmehaushalt von HA bergen ein großes Potenzial, die aufgezeigten Wissenslücken zu schließen. Solch eine systematische Vorgehensweise zur Identifizierung der Steuergrößen der Beschaffenheit der HA und der daraus resultierenden Eigenschaften der HA wurde bisher noch nicht umgesetzt. Das Ziel unseres Projekts ist daher ein zweifaches: (1) Beantwortung der Frage, wie sich Strukturveränderungen der HA infolge veränderter Nährstoffverfügbarkeit und Lufttemperatur auf den Wärme- und Wasserhaushalt von Wäldern auswirken können, und (2) auf der Grundlage eines verbesserten Verständnisses der Beziehungen zwischen Basiseigenschaften der HA und Standortbedingungen an den Untersuchungsstandorten der Forschergruppe und anderen Monitoringstandorten werden diese neuen Erkenntnisse genutzt, um die Basiseigenschaften der HA von der Plotebene auf die nationale Ebene zu übertragen.
In Kooperation mit Partnern aus Russland und Finnland haben wir in einem naturnahen Mischbestand in der mittleren Taiga in NW-Russland (forstliche Versuchsstation Lyaly, Republik Komi) eine ökologische Freilandmessstation installiert. Dort werden die Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten (Picea obovata), Kiefern (Pinus sylvestris), Aspen (Populus tremulus) und Birken (Betula spec.) mit Punkt-Dendrometern zeitlich hochaufgelöst registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume wird zusätzlich die elektrische Leitfähigkeit der Baumstämme kontinuierlich gemessen. An der Messstation ist auch ein Magnetometer installiert, der Änderungen im Erdmagnetfeld aufzeichnet. Mit dieser speziellen Messeinrichtung ist es möglich, Auswirkungen von Schwankungen des Erdmagnetfeldes auf die Hydrologie und das Baumwachstum zu erkennen und zu analysieren. Das Wachstumsmonitoring liefert Informationen über die Bedeutung verschiedener Standorts- und Umweltfaktoren auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten der Bäum im borealen Wald. Damit werden wichtige Grundlagen für die Abschätzung der Potenziale und Risiken vorhergesagter Umweltveränderungen geschaffen.
Die ökosystemaren Dienstleistungen borealer Wälder sind von zentraler Bedeutung für das Wohlergehen der Menschheit und unterscheiden sich stark zwischen immergrünen und summergrünen Nadelwäldern. In dem vorgeschlagenen Projekt soll die höchst-relevante Frage beantwortet werden 'Warum Nordasien im Holozän von Lärchenwäldern dominiert wird wohingegen es in früheren Interglazialen trotz scheinbar gleicher klimatischer Bedingungen von immergrünen Nadelwäldern bedeckt war?. Wir vermuten, dass sommergrüne und immergrüne Nadelwälder alternative stabile Zustände von borealen Wäldern darstellen die unter gleichen Klimabedingungen vorkommen, jedoch durch unterschiedliche Umweltbedigungen während des vorangegangenen Glazials geprägt werden u.a. durch die unterschiedliche Zusammensetzung der glazialen Refugien.Diese Hypothese wollen wir mit Hilfe einer Multi-Proxy-Analyse von Sedimenten des El'gygytgyn-Sees (Chukotka, NO Asien) untersuchen, die im Rahmen des ICDP Programms gewonnen wurden.Die Untersuchungen im Work Package 1 (AG M. Melles) zielen auf die Rekonstruktion der regionalen Vegetationsveränderungen innerhalb der letzten 2 Millionen Jahre anhand der Analyse von ca. 500 Pollenspektren und deren Integration in den vorhanden Pollendatensatz.Die Untersuchung der sedimentären fossilen DNA im Rahmen von Work Package 2 (AG U. Herzschuh) soll die Interpretierbarkeit von der Pollendaten ermöglichen. Insbesondere soll die regionale Natur der Pollensignals verifiziert werden. Außerdem soll anhand von artspezifischen DNA-Markern überprüft werden, ob es sich bei denen im Pollensignal ermittelten holzigen Gattungen um baum- oder buschförmige Arten handelt.Die Rekonstruktion der regionalen Klimaänderungen anhand von Untersuchungen des stabilen Sauerstoffsignals von Diatomeenschalen ausgewählter Glazial-Interglazial-Zyklen steht im Zentrum von Work Package 3 (AG H. Meyer). Die erzielten Ergebnisse sollen genutzt werden um zu überprüfen, welche der global verfügbare hoch-auflösende Paläoklimasequenzen das regionale Klima in Nord-Asien auf Glazial-Interglazial-Zeitskala verlässlich abbilden.Alle erzielten Ergebnisse sollen dann in Work Package 4 durch alle Projekt-Beteiligte zusammengeführt und re-analysiert werden um die postulierte Hypothese zu untersuchen.
In vielen Ländern war die Ackernutzung bis vor kurzem stark im Rückgang begriffen. Landwirtschaftlich genutzte Böden wurden ungenutzt oder sie wurden sich selbst überlassen (Selbst-Restaurierung). Diese Entwicklung kann bei bekanntem und unterschiedlichem Alter sich selbst-restaurierender Böden in Chronosequenzen untersucht werden, was für dieses Forschungsvorhaben vorgeschlagen wird. Da der Anteil sich selbst-restaurierender Böden gerade in Russland besonders groß ist, sollen in diesem Vorhaben die chronosequenziellen Veränderungen von Eigenschaften sich selbst-restaurierender Albeluvisole der Taiga und Calcisole und Solonetze der trockenen Steppe untersucht werden. Es werden Veränderungen der Vegetation und der Bodeneigenschaften in Richtung der natürlichen Ausprägungen erwartet sowie Veränderungen in der Quellen-Senkenfunktion für Kohlenstoff. Während wie bei Selbstrestaurierungen typisch eine Kohlenstoffsenke für die Albeluvisole angenommen werden kann, ist bei den Calcisolen und Solonetzen eher eine Kohlenstoffquelle zu erwarten. In diesem Vorhaben sollen die bei Selbst-Restaurierung erwarteten Veränderungen insbesondere in der Vegetation, Morphologie, im Gefüge, im Nährstoffhaushalt und in der organischen Substanz bezüglich Quantität, Qualität sowie verschiedener Pools bzw. Fraktionen und Assoziationen untersucht werden. Letzteres steht aufgrund der Relevanz hinsichtlich des globalen Kohlenstoffkreislaufs im besonderen Focus dieses Projekts. Um die Dauer der Selbstrestaurierungen bis zum endgültigen Erreichen des natürlichen Bodenzustands und die Verläufe der Selbst-Restaurierungen bei unterschiedlichen Faktorenkonstellationen zu erfassen sollen unterstützend Modellierungen vorgenommen werden.
Die Vorhersage und Anpassung der Gesellschaft an die Folgen des gegenwärtigen Klimawandels benötigt ein tiefes Verständnis der natürlichen, internen Wechselwirkungen an der Erdoberfläche, unabhängig vom Einfluss der Menschen. Die arktische Tundra und die borealen Wälder reagieren besonders sensitiv auf Klimaveränderungen und beeinflussen globale biogeochemische und biophysikalische Mechanismen maßgeblich, z.B. über ihr Feuerregime. Allerdings sind die langfristigen Wechselwirkungen zwischen Feuerregime, Vegetation und Klima weitestgehend unklar, obwohl gerade die langfristige natürliche Variabilität stark die kurzfristige Variabilität beeinflusst. Besonders unbekannt ist, ob und wie die derzeitig stark ansteigenden Temperaturen über der Arktis zu Verschiebungen der Biome und zu Veränderungen der Feuerregime führen. Daher wird dieses Projekt nordostsibirische Feuerregimeveränderungen während mehrerer plio- und pleistozäner Interglaziale untersuchen und dabei das einzige kontinuierliche Sedimentarchiv der letzten 3,6 Millionen Jahre nutzen: den ICDP-See El'gygytgyn. Mit einer Fokussierung auf Interglaziale verschiedener klimatischer Ausprägung (z.B. der Temperaturen) und Vegetationstypen (Tundra, sommergrüner, immergrüner Nadelwald) bearbeite ich die höchst-relevanten Fragen, was die Langfriständerungen der Feuerregime in den hohen nördlichen Breiten steuert ist - Klima oder Vegetation, und welche internen Feuer-Permafrost Interaktionen die Vegetation stabilisieren oder destabilisieren. Regionale Feuerregime werden untersucht über die Analyse von mikroskopischer Holzkohle als Proxy für Hochintensitätsfeuer, die für den immergrünen Nadelwald charakteristisch sind, und, von den gleichen Proben, die neuen sedimentären Proxies für Geringtemperaturfeuer - die Anhydrozucker Levoglucosan und seine Isomere. Diese Biomarker entstehen bei Biomasseverbrennung kleiner als 350 Grad Celsius, z.B. in den für die sommergrünen borealen Lärchenwälder charakteristischen Bodenfeuern. Um die Steuergrößen für Feuerregimeveränderungen zu identifizieren werden die Feuerrekonstruktion statistisch mit Vegetationsrekonstruktionen von Pollen und unabhängigen Klimarekonstruktionen aus dem gleichen Archiv bzw. aus der Kompilation regionaler und globaler Archive verglichen. Um zu quantifizieren, inwieweit häufige Feuer die Permafrostdegradierung und -erosion und damit die internen Vegetations-Permafrost-Interaktionen beeinflussen, werden die Feuerzeitreihen mit regionalen und lokalen Erosionsproxyreihen aus der neuen Auswertung von Korngrößendaten mittels Endmember-Modellierung verglichen. Dabei ermöglichen die Probennahme und die Analysestrategie robuste und quantitative Aussagen, unabhängig von der absoluten Altersunsicherheit der Proben. Dadurch wird das Projekt zu einem neuen und essentiellen Verständnis zeitskalenabhängiger Wechselwirkungen zwischen Klima, Feuer, Vegetation und Permafrost beitragen um die derzeitigen Umweltveränderung langfristig besser einordnen zu können.
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