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Die vertikale Dimension des Naturschutzes: Ein kostengünstiger Plan zur Einbeziehung unterirdischer Ökosysteme in die Biodiversitäts- und Klimaschutzagenden nach 2020

Subterrane Ökosysteme beherbergen eine breite Vielfalt spezialisierter und endemischer Organismen, die einen einzigartigen Bruchteil der globalen Vielfalt ausmachen. Darüber hinaus leisten sie entscheidende Beiträge der Natur für die Menschen – insbesondere die Bereitstellung von Trinkwasser für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Diese unsichtbaren Ökosysteme werden jedoch bei den Biodiversitäts- und Klimaschutzzielen für die Zeit nach 2020 übersehen. Nur 6,9 % der bekannten subterranen Ökosysteme überschneiden sich mit dem ´Netzwerk von Schutzgebieten. Zwei Haupthindernisse sind für diesen Mangel an Schutz verantwortlich. Erstens bleiben subterrane Biodiversitätsmuster weitgehend unkartiert. Zweitens fehlt uns ein mechanistisches Verständnis der Reaktion subterraner Arten auf vom Menschen verursachte Störungen. Das DarCo-Projekt zielt darauf ab, subterrane Biodiversität in ganz Europa zu kartieren und einen expliziten Plan zur Einbeziehung subterraner Ökosysteme in die Biodiversitätsstrategie der Europäischen Union (EU) für 2030 zu entwickeln. Zu diesem Zweck haben wir ein multidisziplinäres Team führender Wissenschaftler in subterraner Biologie und Makroökologie zusammengestellt und Naturschutz aus einem breiten Spektrum europäischer Länder. Das Projekt gliedert sich in drei Arbeitspakete, die der direkten Forschung gewidmet sind (WP2-4), plus ein viertes (WP5), das darauf abzielt, die Verbreitung der Ergebnisse und das Engagement der Interessengruppen für die praktische Umsetzung des Naturschutzes zu maximieren. Zunächst werden wir durch die Zusammenstellung bestehender Datenbanken und die Nutzung eines kapillaren Netzwerks internationaler Mitarbeiter Verbreitungsdaten, Merkmale und Phylogenien für alle wichtigen subterranen Tiergruppen sammeln, einschließlich Krebstiere, Mollusken, Insekten und Wirbeltiere (WP2). Diese Daten werden dazu dienen, die Reaktionen von Arten auf menschliche Bedrohungen mithilfe der hierarchischen Modellierung von Artengemeinschaften (WP3) vorherzusagen. Die Vorhersagen der Modelle zur Veränderung der biologischen Vielfalt werden die Grundlage für eine erste dynamische Kartierung des subterranen Lebens in Europa bilden. Durch die Verschneidung von Karten von Diversitätsmustern, Bedrohungen und Schutzgebieten werden wir einen Plan zum Schutz der subterranen Biodiversität entwerfen, der das aktuelle EU-Netzwerk von Schutzgebieten (Natura 2000) ergänzt und gleichzeitig klimabedingte Veränderungen in subterranen Ökoregionen berücksichtigt (WP4). Schließlich versuchen wir durch gezielte Aktivitäten in WP5, das gesellschaftliche Bewusstsein für subterrane Ökosysteme zu schärfen und Interessengruppen einzuladen, die subterrane Biodiversität in multilaterale Vereinbarungen einzubeziehen. In Übereinstimmung mit dem europäischen Plan S werden wir alle Daten offen und wiederverwendbar machen, indem wir eine zentralisierte und offene Datenbank zum subterranen Leben entwickeln – die Subterranean Biodiversity Platform.

Ueberwachung der niedersaechsischen Kuestengewaesser

1994 wurden die verschiedenen an der NLOE-Forschungsstelle Kueste durchgefuehrten physikalisch-chemischen und biologischen Ueberwachungsuntersuchungen zu einem gemeinsamen Monitoring-Konzept zusammengefasst. Diese von Norderney und Hildesheim aus organisierte Ueberwachungstaetigkeit in den marinen Gewaessern des Landes Niedersachsen umfasst die Kompartimente Wasser, Boden und Organismen. Zentrale Messgroessen sind die Naehrstoffgehalte, die Belastung mit schaedlichen Spurenstoffen und die Zusammensetzung wichtiger Lebensgemeinschaften.

Algenaufwuchs und Gewaesserguete in Fliessgewaessern

Der Algenaufwuchs in Fliessgewaessern wird mit qualitativen und semiquantitativen Methoden untersucht. Grundlage dafuer stellt eine genaue Aufsammlung im Feld verschiedener Substrate in schnellfliessenden Gewaessern aber insbesondere von steinigen Substraten dar. Grundlage fuer alle weiteren oekologischen Untersuchungen stellt dabei die genaue Bestimmung dar, die fuer die meisten Algengruppen (Blaualgen, Gruenalgen, Chrysophyceen) moeglichst in lebendem Zustand erfolgt. Kieselalgen werden aus gereinigten Dauerpraeparaten bearbeitet. Hinsichtlich Gewaesserguetebeurteilung von Bild der Aufwuchsalgen wird eine gesamtbiozoenotische Betrachtungsweise (und insbesondere der Veraenderungen der Biozoenosen) der bisher meist ueblichen Indikator-Arten-Methode vorgezogen. Gleichzeitig werden physikalische und chemische Parameter duch die Abteilung fuer Limnologie am Institut fuer Zoologie der Universitaet Innsbruck erfasst.

Posteozäner Wandel der Molluskenfaunen des Brackwassers in Europa nach dem Verschluß der Tethys

Gegenstand des beabsichtigten Forschungsprojektes ist die Untersuchung der Molluskenfaunengemeinschaften des Brackwassers ausgewählter Sedimentationsräume des Oligozäns und Miozäns. In dieser Zeit nach dem Verschluss des Tethys-Ozeans entstanden infolge von Klimaveränderungen und des Rückganges des ursprünglichen zusammenhängenden Mangrovewaldes in Europa völlig neue Lebensbedingungen für die Molluskenfaunen randmariner Biotope. Die weite Verbreitung und der Austausch der Mollusken über planktonische Larven wurde eingeschränkt. Die Faunengemeinschaften der einzelnen Ablagerungsräume sollen in ihrer qualitativen und quantitativen Zusammensetzung erfasst werden. Eine sichere systematische Einstufung erfolgt besonders über die Analyse der Protoconche (Embryonal- und Larvalschalen), da ausgewachsene Schalen häufige Gehäusekonvergenzen aufweisen. Ziel der Untersuchungen ist es, die faunistischen Sukzessionen herauszuarbeiten, Gemeinsamkeiten in der Zusammensetzung der Biozönosen aber auch endemische (an einen Ort gebundene) Formen zu charakterisieren. Ein Vergleich mit bekannten Daten älterer Fossilien und von Vertretern moderner Faunenprovinzen soll einen umfassenden Einblick in die Evolution der Brackwassergastropoden im Känozoikum geben.

Vermessung des Brom- und Iodgehalts in der unteren und mittleren Stratosphäre

In unserem Vorhaben soll der Gehalt von Brom (Bry) und Iod (Iy) in der unteren und mittleren Stratosphäre bestimmt werden. Brom-Verbindungen sind für ca. 30% des Ozonverlusts in der Stratosphäre verantwortlich und damit ist eine regelmäßige Vermessung des stratosphärischen Bry angezeigt. Direkte Messungen in der mittlerenStratosphäre wurden aber seit 2011 nicht mehr durchgeführt. Zudem finden wir bei unseren jüngeren, flugzeuggetragenen Messungen von Bry (an Bord der NASA Global Hawk und des HALO Forschungsflugzeugs) in der tropsichen Tropopausenregion (TTL) und unteren Stratosphäre (UT/LS) etwa 2-3 ppt mehr Bry als aus lang- (Halone), mittel- (CH3Br) und kurzlebigen Bromverbindungen (VSLS) sowie deren Abbauprodukten zu erwarten ist. Die Gründe hierfür sind derzeit unklar. Unser Ziel ist es, die Messzeitreihe von Bry in der unteren und mittleren Stratosphäre wiederaufzunehmen und die entsprechenden Trends zu evaluieren. Insbesondere wollen wir untersuchen, ob die erhöhten Konzentrationen von Bry in der TTL mit Bry in der Stratosphäre kompatibel sind und was die Gründe für mögliche Differenzen sind. In Bezug of Iy weisen unsere früherenBeobachtungen auf Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze hin, aber auch diese Untersuchungen liegen mehr als eine Dekade zurück. Neuere Arbeiten schlagen vor, dass die Bildung von höheren Iodoxiden zu einer Revision der bisher angenommenen Photochemie von Iod in der Stratosphäre führt, so dass ein erneuertes Interesse anstratosphärischem Iod besteht. Mit begrenztem zusätzlichem Aufwand wollen wir hier auch den Iy Gehalt (oder die entsprechenden Höchstgrenzen) in der Stratosphäre vermessen. Die Messungen sollen von einem Höhenforschungsballon (Steighöhe 30-38 km) aus mittels etablierter spektroskopischer Methoden in Sonnen-Okkultationsgeometrie durchgeführt werden. Es sind zwei Messflüge für Sommer 2021 von Kiruna, Schweden, und für Sommer 2022 von Timmins, Canada, aus geplant. Die Flüge und Kampagnen selbst werden durch die EU Infrastruktur HEMERA gefördert.

Erprobungs- und Entwicklungsvorhaben (E+E): Renaturierungs- und Nutzungskonzepte fuer Stromtalwiesen am noerdlichen Oberrhein

Ziel des im Aufbau befindlichen Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen fuer eine nachhaltige Sicherung und Entwicklung der Restbestaende hochgradig gefaehrdeter Pflanzen und Pflanzengemeinschaften der Stromtalwiesen (Verband Cnidion) am hessischen Oberrhein. Hierbei sollen praxisnahe Verfahren zur Renaturierung und zukuenftigen Nutzung von artenreichem Stromtalgruenland entwickelt werden. Die Basis hierfuer bilden folgende Untersuchungsschwerpunkte: - Analyse der bisherigen Renaturierungs- und Pflegepraxis hinsichtlich ihrer Effizienz fuer den Arten- und Phytocoenosenschutz, - Erhebung von Daten zur Autoekologie und Populationsbiologie wertbestimmender Pflanzenarten der Stromtalwiesen (u.a. Untersuchungen zur Standortbindung, zum Diasporenvorrat im Boden sowie zum Keimungs- und Etablierungsverhalten), - Erprobung von Renaturierungsverfahren zur gezielten Wiederansiedlung und Ausbreitung von seltenen Stromtalarten durch die Aufbringung von diasporenhaltigem Maehgut aus artenreichen Altbestaenden, - Entwicklung praxisnaher Konzepte fuer die zukuenftige Nutzung artenreicher Stromtalwiesen. Die durchgefuehrten Untersuchungen sollen neben bislang fehlenden Grundlageninformationen zur Syn-, Aut- und Populationsoekologie hochgradig gefaehrdeter Pflanzen und Pflanzengemeinschaften der Stromtalwiesen vor allem praktische Anleitungen fuer das zukuenftige Renaturierungs-, Pflege- und Entwicklungsmanagement in grossen Stromauen liefern.

Klassifizierung ausgewählter Mesofauna-Taxozönosen (Collembola, Gamasina) von Feldrainen

Ziel der Forschungsarbeit ist die Klassifizierung von Boden-Biozönosen in ausgewählten Feldrainen. In drei Naturräumen (Lössböden der Jülicher Börde, Muschelkalkböden in Mainfranken und pleistozäne Sande bei Leipzig) werden typische Lebensgemeinschaften von Collembola und Gamasina (Taxozönosen) beschrieben. Der wesentliche Unterschied zu anderen Klassifikations-Ansätzen liegt in der induktiven Vorgehensweise: Biozönosen werden allein aufgrund der Artenzusammensetzung an den Standorten typisiert. Vegetationskundliche Kriterien dienen als entscheidendes Hilfsmittel zur Vorauswahl von Flächen mit ähnlichen Standortbedingungen. Hierbei wird gleichzeitig die aufgenommene Vegetation als ein weiteres Taxon der zu beschreibenden Biozönose angesehen. Die typische Artenzusammensetzung ist das integrierte Ergebnis aller denkbaren ökologischen Vorgänge. Ein Ziel der Arbeit ist somit die prospektive Formulierung von Erwartungswerten für Collembolen und Raubmilben auf der Basis vegetationskundlicher Daten. Es sollte daher möglich sein, dieses Mehrarten-System mit hoher Sensibilität zur Bioindikation von Standortveränderungen einzusetzen. Die Kenntnis der Artenstruktur wiederkehrender Lebensgemeinschaften kann der funktionellen Ökosystemforschung hilfreiche Hinweise bieten.

Bedeutung des Bodenwasserhaushalts und der Sauerstoffverfügbarkeit bei der Ausbildung von Humusformen in Wäldern

Die Humusform ist das Resultat der am Standort wirkenden Faktoren einschließlich der dort tätigen Bodenorganismen. Die Humusformenansprache kann daher als integrierende Methode zur Bewertung von Standorten herangezogen werden. Bisher ist nur für die terrestrischen Humusformen die Wechselbeziehung zwischen Morphologie und Standortfaktoren genauer charakterisiert. Systematische Untersuchungen zu Feucht- und Nasshumusformen fehlen. Die an Feucht- und Nassstandorten in der Regel erfolgende Akkumulation organischer Substanz ist nicht primär auf den (zeitweise) herrschenden Wasserüberschuss, sondern auf den damit einhergehenden Sauerstoffmangel zurückzuführen. Eine getrennte Betrachtung der beiden Parameter ist daher notwendig. An acht verschiedenen feuchten und nassen Waldstandorten in Nordrhein-Westfalen soll die Humusform makro- und mikromorphologisch beschrieben und mit wesentlichen Standortmerkmalen in Beziehung gesetzt werden. Des weiteren soll die Regenwurmzönose, als wichtiger Vertreter der Zersetzergemeinschaft, aufgenommen und ihre Wechselwirkungen mit den Standorteigenschaften und der Humusform untersucht werden. Um den Einfluss des Sauerstoffs unabhängig vom Wassergehalt auf die Profilmorphologie nachzuweisen, sollen Langzeitversuche durchgeführt werden. Über Diffusionsversuche im Labor soll außerdem die Bedeutung der Profilmorphologie für die Sauerstoffverfügbarkeit ermittelt werden.

Reaktive Halogene in einer simulierten Vulkanfahne

Vulkanische Gasemissionen sind bedeutsam für die lokale sowie globale Atmosphärenchemie. Die Entdeckung der Halogenchemie in Vulkanfahnen brachte neue Erkenntnisse über die Dynamik von Vulkanen und gibt möglicherweise Aufschluss über deren Eruptionspotential. Mehrere Feldmessungen führten zu großen Erfolgen in der Erforschung von reaktiven Halogenspezies (z. B. BrO, OClO, ClO). Jedoch ergaben sich auch viele Unklarheiten über die zugrundeliegenden Mechanismen und Umweltparameter wie Spurengas- und Aerosolzusammensetzung der Vulkanfahne, relative Feuchte oder der Bedeutung von potentieller NOX Emission. Der Einfluss sowie die Bedeutung dieser Parameter bezüglich der Halogenaktivierung (Umwandlung von Halogeniden in reaktive Halogenspezies (RHS)) ist essentiell für die Interpretation der Messdaten, um, z.B. (1) Rückschlüsse über die magmatischen Prozesse zu ziehen und Vorhersagen über Eruptionen mithilfe des Verhältnisses BrO zu SO2 zu machen, oder (2) den Einfluss auf die Zerstörung von Ozon, die Oxidation von Quecksilber oder die Verringerung der Lebensdauer von Methan in der Atmosphäre zu quantifizieren. Dieses Projekt soll dazu dienen, anhand eines vereinfachten Modells einer Vulkanfahne (SiO2 und Schwefelaerosole, H2O, CO2, SO2, HCl, HBr) unter kontrollierten Bedingungen die vulkanische Halogenchemie besser zu verstehen. Dazu soll in einer aus Teflon bestehenden Atmosphärensimulationskammer an der Universität Bayreuth Messungen durchgeführt werden. Die zur Messung der kritischen Parameter benötigten Instrumente können leicht in das Kammersystem integriert werden. RHS (BrO, ClO, OClO) werden mittels eines White Systems (Multi-Reflektionszelle) und Cavity Enhanced-DOAS nachgewiesen. Zum Nachweis anderer Halogenspezies (Br2, Cl2, HOBr und BrCl) wird FAPA-MS (Flowing Atmospheric-Pressure Afterglow Mass Spectrometry) verwendet. SO2, CO2, NOX und O3 werden mittels standardisierter Gasanalysatoren gemessen. Die Analyse der Zusammensetzung von Aerosolen insbesondere deren aufgenommene Menge an Halogenen wird durch Filterproben sowie Ionenchromatographie und SEM-EDX (Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Detector) gewährleistet. Die Kombination der verschiedenen Messtechniken ermöglicht die Erforschung von bisher schlecht Verstandenen heterogenen Reaktionen, welche höchstwahrscheinlich die Halogenaktivierung beeinflussen. Insbesondere die Einflüsse von (1) NOX und O3, (2) Ausgangsverhältnis HCl zu HBr, (3) relative Feuchte sowie (4) die Zusammensetzung der Vulkanaschepartikel (in Hinblick auf komplexere, reale Vulkanasche) auf die RHS Chemie, insbesondere des Mechanismus der sog. 'Brom-Explosion', werden innerhalb des vorgeschlagenen Projektes untersucht. Die Messergebnisse werden, gestützt durch das Chemie Box Modell CAABA/MECCA, in einem größeren Kontext interpretiert und werden helfen die natürlichen Vulkanprozesse besser zu verstehen.

Erweiterte experimentelle Untersuchungen der reaktiven Halogenchemie in Polarregionen (HALOPOLE III)

Halogenradikale spielen eine Schlüsselrolle in der Chemie der polaren Grenzschicht. Alljährlich im Frühjahr beobachtet man riesige Flächen von mehreren Millionen Quadratkilometern mit stark erhöhten Konzentrationen von reaktivem Brom, welches von salzhaltigen Oberflächen in der Arktis und Antarktis emittiert werden. Dieses Phänomen ist auch als Bromexplosion bekannt. Des Weiteren detektieren sowohl boden- als auch satellitengestützte Messungen signifikante Mengen von Jodoxid über der Antarktis, jedoch nicht in der Arktis. Die Gründe für diese Asymmetrie sind nach wie vor unbekannt, aber das Vorhandensein von nur wenigen ppt reaktiven Jods in der antarktischen Grenzschicht sollte einen signifikanten Einfluss auf das chemische Gleichgewicht der Atmosphäre haben und zu einer Verstärkung des durch Brom katalysierten Ozonabbaus im polaren Frühjahr haben. Der Schwerpunkt der Aktivitäten im Rahmen von HALOPOLE III wird auf der Untersuchung von wichtigen Fragestellungen liegen, die im Rahmen der Vorgängerprojekte HALOPOLE I und II im Bezug auf die Quellen, Senken und Transformationsprozesse von reaktiven Halogenverbindungen in Polarregionen aufgetreten sind. Basierend sowohl auf der synergistischen Untersuchung der bislang gewonnen Daten aus Langzeit - und Feldmessungen sowie auf neuartigen Messungen in der Antarktis sind die wesentlichen Schwerpunkte: (1) Die Untersuchung einer im Rahmen von HALOPOLE II aufgetretenen eklatanten Diskrepanz zwischen aktiven und passiven Messungen DOAS Messungen von IO. (2) Eine eingehende Analyse der DOAS Langzeitmessungen von der Neumayer Station und Arrival Heights (Antarktis) sowie Alert (Kanada) bezüglich Meteorologie, Ursprung der Luftmassen, Vertikalverteilung, sowie des Einflusses von Schnee, Meereis und Eisblumen auf die Freisetzung von reaktiven Halogenverbindungen. (3) Die Untersuchung der kleinskaligen räumlicher und zeitlichen Variation von BrO auf der Basis einer detaillierten Analyse der flugzeuggebundenen MAX-DOAS Messungen während der BROMEX 2012 Kampagne in Barrow/Alaska. (4) Die Analyse der kürzlich in der marginalen Eiszone der Antarktis auf dem Forschungsschiff Polarstern durchgeführten Messungen im Hinblick auf die horizontale und vertikale Verteilung von BrO und IO, sowie den Einfluss der Halogenchemie auf den Ozon- und Quecksilberhaushalt. (5) Weitere detaillierte Untersuchungen des Einflusses von Halogenradikalen, insbesondere Chlor und Jod, auf das chemische Gleichgewicht der polaren Grenzschicht auf der Basis einer Messkampagne in Halley Bay, Antarktis. (6) Detailliertere Langzeit-Messungen von Halogenradikalen und weiteren Substanzen auf der Neumayer Station mittels eines neuen Langpfad-DOAS Instruments welches im Rahmen dieses Projektes entwickelt wird. Zusätzlich zu den bereits existierenden MAX-DOAS Messungen werden diese eine ganzjährige Messungen des vollen Tagesganges sowie die Untersuchung nicht nur der Brom- und Jodchemie, sondern auch der Chlorchemie ermöglichen.

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