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Forschergruppe (FOR) 402: Funktionalität in einem tropischen Bergregenwald Südecuadors: Diversität, dynamische Prozesse und Nutzungspotenziale unter ökosystemaren Gesichtspunkten, Funktionalität in einem tropischen Regenwald; Diversität; dynamische Prozesse und Nutzungspotentiale unter ökosystemaren Gesichtspunkten (FOR 402)

Die Bergwälder der Ostanden gehören zu den artenreichsten terrestrischen Ökosystemen der Erde, zugleich stehen sie unter immensem Nutzungsdruck (Abholzung, Umwandlung in Weideland). In einem multidiszilinären Ansatz aus Bio-, Geo-, Forst- und Agrarwissenschaften - von der Ebene des Organismus ausgehend bis hin zur Landschaftsebene - wollen wir an einem ausgewählten, für Forschungen zugänglichen ostandinen Bergwald in Südecuador ein solches Ökosystem, sowie seine gebietstypischen, durch menschliches Wirtschaften entstandenen Ersatzformationen beispielhaft analysieren. Dabei gilt es im ersten Schritt wichtige geowissenschaftliche und biologische Eigenschaften des Systems (Klima, Boden, Verfügbarkeit von Wasser und Nährelementen, Struktur und Artenzusammensetzung der Vegetation sowie Vorkommen und Vielfalt tierischer und pilzlicher Schlüsselorganismen: Pollinatoren, Samenverbreiter, Herbivore und Destruenten) zu erfassen. Im zweiten Schritt wird die Funktionsweise wichtiger Teilsystem erschlossen (Stoffflüsse zwischen wichtigen Kompartimenten, Dynamik und Regenrationspotentiale der Vegetation in Wechselwirkung mit der Fauna und den abiotischen Randbedingungen). Darauf aufbauend wollen wir drittens Optionen entwickeln bzw. überprüfen für eine nachhaltige Nutzung, Erhaltung und - soweit möglich - Rehabilitation des Waldes. Diese Erkenntnisse werden über das Untersuchungsgebiet hinaus für das ökosystemare Verständnis und Management tropischer Bergwälder von genereller Bedeutung.

Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen der Karbonatlösung und dem Durchlässigkeits- und Setzungsverhalten in mineralischen Deponiedichtungsmaterialien bei Sickerwassereinwirkung unter Auflast

Die mineralische Dichtung stellt eine unverzichtbare Komponente einer Kombinationsdichtung gemäß TA Siedlungsabfall oder gemäß der bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik mit Asphaltbeton dar. Ihr Karbonatgehalt ist nach TA Siedlungsabfall auf 15 Prozent beschränkt. Dahinter steht die Befürchtung, dass saure Sickerwässer die Karbonate lösen und sich daraus unzulässige Setzungen und eine Beeinträchtigung der Dichtewirkung ergeben. Vorversuche zeigen, dass bei einer Auflast von 40 kN/m2 auch nach signifikanter Karbonatlösung und Setzungen über 20 Monate hinweg die Durchlässigkeit eines mineralischen Dichtungsmaterials mit ehemals ca. 35 Gewichtsprozent Karbonat im Bereich von 10 10m/s bleibt, was im Widerspruch zu anderen Vorversuchen ohne Auflast steht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, dieses Phänomen unter Variation des Versuchsmaterials, der Auflast und des Perkolates sowohl unter geochemischen als auch unter bodenmechanischen Gesichtspunkten zu untersuchen, um die Berechtigung der Vorschrift in der TA Siedlungsabfall zu überprüfen und gegebenenfalls eine wissenschaftlich abgesicherte Änderung vorzuschlagen.

Systemanalytische Erfassung und Rekonstruktion des jungquartären Landschafts- und Klimawandels in zentralasiatischen Trockengebieten am Beispiel des Ordos-Plateaus (VR China)

Mit Hilfe der beantragten Sachmittelbeihilfe sollen Untersuchungen zur systemanalytischen Erfassung und Rekonstruktion des raum-zeitlichen Landschafts- und Klimawandels in einem ausgewählten Randbereich des zentralasiatischen Trockengürtels durchgeführt werden. Dabei liegt der zeitliche Schwerpunkt auf der Betrachtung der letzten 100.000 Jahre, um einerseits die vom Menschen unbeeinflusste Entwicklung im Jungpleistozän bzw. Früh-Holozän und andererseits den vom Menschen im Laufe des Holozäns zunehmend (mit-) beeinflußten Wandel in diesem klimatisch-ökologisch sensiblen Raum zu erfassen. Während der initialen Geländekampagne sollen Ablauf und Wirkungsweise morphologischer Prozesse und die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Prozessen, Formen und Faktoren unter Betrachtung der räumlichen Varianz analysiert sowie mittels eines historisch-genetischen Ansatzes Aussagen zur Landschaftsentwicklung vorgenommen werden. Ferner sind Untersuchungen zur Vegetationsabdeckung und der aktuellen Landnutzung geplant. Bei der Erfassung rezenter Landschaftsveränderungen und der -degradation ist der temporäre Vergleich zeitversetzter, deckungsgleicher Landsat-Aufnahmen vorgesehen, wobei z.T. auf frühere Ergebnisse zurückgegriffen werden kann. Durch den Einsatz von GIS und eines Programmiersystems zur Analyse und Diskretisierung von Oberflächen ist das landschaftsökologische Inventar im Sinne einer Differenzierung morphologischer, hydrologischer und anthropo-biogener Elemente zu erfassen. Die so gewonnen Befunde zur raum-zeitlichen Landschafts- und Klimaveränderung sollen letztlich mit den bisherigen Modellvorstellungen über großräumig landschaftlich-klimatische Umstellungen verknüpft werden und letztlich auch planungsrelevante Analogien zur Abschätzung potentiell zukünftiger landschaftsökologischer Veränderungen in dieser Region liefern.

Wechselwirkungen zwischen Bodenorganismen und Maßnahmen ackerbaulicher Bodennutzung

Im Rahmen des SFB 192 der Universität Kiel zur 'Optimierung pflanzenbaulicher Produktionssysteme im Hinblick auf Leistung und Ökologische Effekte' im Teilprojekt B1 wurden 9 Jahre hindurch die Wechselwirkungen zwischen Bodenorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten, Regenwurmabundanzen und -biomassen und Fraßaktivitäten der Bodenfauna) und ackerbaulichen Maßnahmen (Pflugdrillsaat gegenüber Fräßsohlensaat, variierte mineralische und organische Düngung, variierter Fungizideinsatz) in Ackerböden einer Jungmoränenlandschaft untersucht. Seitens Elnser, Bode und Seese/Frahm wurden die Bodenorganismen, seitens Frey die Luft- und Nährstoffdynamik und seitens VICTORINO die Gefügedynamik und die Eigenschaften der Humuskörper seitens Beyer und Köbbemann studiert. Ziel des Vorhabens ist es, durch eine integrierende, rechnergestützte Auswertung aller Untersuchungsergebnisse die längerfristige Wirkung unterschiedlicher Bodenbearbeitung, mineralischer und organischer Düngung sowie unterschiedlichen Fungizideinsatzes auf die Bodenorganismen statistisch abgesichert aufzuarbeiten und zu klären. Gleichzeitig soll die Bedeutung der Mikroorganismen und Bodentiere für die Eigenschaften des Bodenhumus, für die Gefügebildung und für die Nährstoffmobilisierung aus organischer Bindung herausgestellt werden und zwar unter Berücksichtigung einer starken Bodenvariabilität.

Generationenübergreifende Anpassungstrategien an Ozeanversauerung und -erwärmung in Fischen

Anthropogene CO2 Emissionen werden zum Teil von den Ozeanen absorbiert und führen zu erniedrigten marinen pH und Karbonatwerten, dieser Prozess wird Ozeanversauerung genannt. Ozeanversauerung geht mit Ozeanerwärmung einher, zusammen bedrohen beide Umweltveränderungen das Leben im Meer. Fische wurden bisher als recht unempfindlich gegenüber diesen Veränderungen im Meerwasser eingeschätzt, da sie über hoch entwickelte Säure-Base- und Ionenregulation verfügen. Daher haben nur wenige physiologische Studien den Einfluss von Hyperkapnie auf die Physiologie und das Verhalten von Fischen untersucht, und häufig wurden dabei auch CO2 Partialdrücke eingesetzt, die weit jenseits der vom IPCC prognostizierten Werte für die nahe Zukunft liegen. Weiterhin wurden bisher nur wenige Lebensstadien untersucht, obwohl es immer mehr Anhaltspunkte dafür gibt, dass besonders die frühen Lebensstadien, die noch nicht über voll ausgeprägte homeostatische Kapazitäten und Verhaltenrepertoire verfügen, besonders empfindliche gegenüber OAW reagieren. Weiterhin lassen viele aktuelle Studien eine integrative Analyse von physiologischen Antworten auf zellulärer, Gewebe- und Ganztierebene vermissen, außerdem fehlt uns ein generelles Verständnis des evolutionären (generationenübergreifenden) Anpassungspotentials von Fischen an den Klimawandel. FITNESS versucht kritische Wissenslücken zu schließen, indem die synergistischen Auswirkungen von OAW auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene an verschiedenen Lebensstadien (Embryonen, Larven, Jungfische und Adulte) an warm-temperaten Wolfsbarschen (Dicentrarchus labrax) untersucht werden. Dabei untersucht FITNESS die physiologischen Reaktionen zwischen F0 und F1 Generationen von Fischen, von denen bereits die Elterntiere verschiedenen OAW-Szenarien ausgesetzt waren; weiterhin werden auch Wildpopulationen untersucht. Damit bereitet FITNESS den Weg für eine ganzheitlichere Analyse der Populationsakklimatisation und -adaptation, indem phänotypische Veränderungen mit Darwin'schen Fitnessfaktoren verknüpft und die Vererbbarkeit physiologischer Schlüsselparameter untersucht werden. Um weiterhin unser Ursache-Wirkungs-Verständnis von OAW voran zu treiben, werden konzeptionelle Modelle eingesetzt, die die Antworten auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene parametrisieren und in physiologisch-bioenergetische Modelle einfließen lassen, um mögliche Anpassungskapazitäten und Abstriche in Wachstum, Reproduktion und Mortalitätsrisiko abzuschätzen. FITNESS profitiert dabei von den großzügigen Aquakulturkapazitäten in Frankreich, in denen eine große Anzahl von Fischen (größer als 1000) über zwei Generationen hinweg sowohl unter Labor- als auch unter Feldbedingungen verfolgt werden kann. Weiterhin kommen FITNESS die enge Zusammenarbeit mit aktuellen Ozeanversauerungsprojekten in Deutschland (BIOACID) und Portugal zugute, die sich mit Kalt- bzw. Warmwasserfischen beschäftigen und somit Vergleiche über einen weiten Bereich von Temperaturfenstern erlauben.

Fusionsexperiment ASDEX Upgrade

Das Experiment soll Kernfragen der Fusionsforschung unter Fusionsanlage kraftwerksaehnlichen Bedingungen untersuchen. Dazu sind wesentliche Plasmaeigenschaften, vor allem die Plasmadichte, der Plasmadruck und die Belastung der Waende, den Verhaeltnissen in einem spaeteren Fusionskraftwerk angepasst. Eines der wesentlichen Probleme ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen dem heissen Brennstoff und den umgebenden Waenden. Dabei wird einerseits die Wand der Plasmakammer beschaedigt und andererseits das Plasma unerwuenscht verunreinigt. Um dem entgegenzuwirken, untersucht ASDEX Upgrade eine spezielle Magnetfeldanordnung, einen Divertor. Der Divertor lenkt die aeussere Randschicht des Plasmas auf Prallplatten ab. Die Plasmateilchen treffen dort abgekuehlt und vom heissen Zentrum entfernt auf und werden abgepumpt. Auf diese Weise werden auch stoerende Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt, zugleich wird die Wand des Plasmagefaesses geschont und eine gute Waermeisolation des Brennstoffes erreicht. Die durch den Divertor moegliche Modellierung des Plasmarandes erlaubt es damit, die zentralen plasmaphysikalischen Problemfelder -Plasmareinheit, Plasmaeinschluss und Plasma-Wand-Wechselwirkung - guenstig zu beeinflussen. Seit April 1997 ist ein verbesserter Divertor in Betrieb, der auf der Basis der bisherigen Experimente und numerischer Modellierungen entworfen wurde. Der neue Divertor II besitzt vertikale Prallplatten, die die auftreffende Leistung besser verteilen und die Plasmateilchen auch staerker in das Plasma zurueck reflektieren. Damit erarbeitet ASDEX Upgrade wesentliche Kenntnisse fuer den naechsten Schritt auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk - den Testreaktor ITER, der erstmals ein gezuendetes Plasma realisieren soll. Die an ASDEX Upgrade beobachtete starke Kopplung des Plasmainneren mit den Bedingungen am Plasmarand macht es auch moeglich, das Plasmazentrum vom Rand her zu optimieren und den Einschluss zu verbessern. Zusaetzlich wird untersucht, inwieweit Betriebsweisen, bei denen das Profil des Plasmastroms beeinflusst wird ('advanced tokamak'), mit dem Divertor vertraeglich sind. Hierzu wird mit Hochfrequenzwellen oder Teilcheneinschuss ein zusaetzlicher Plasmastrom erzeugt. Je nach Stromprofil kann eine Transportbarriere entstehen die die Plasmaverluste nach aussen stark verringert und die Werte im Plasmazentrum verbessert. ASDEX Upgrade wird versuchen, solche Bedingungen im Divertorbetrieb erstmals quasi stationaer (d.h. fuer einige Sekunden) zu erzeugen.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Dynamik von Temperaturtoleranzen in marinen Muscheln: zur Rolle temperaturbedingter Stressfaktoren bei rezenten Arten und in der Erdgeschichte (Biv-TRS)

Im Rahmen der Forschergruppe TERSANE (Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions) wird dieses Projekt vorgeschlagen, um in zwei Taxa von marinen Muscheln die physiologischen Wirkungen der sogenannten Temperature-related stresses (TRS: Erwärmung, Versauerung und Sauerstoffmangel) zu untersuchen. Biv-TRS folgt der Hypothese, dass den Auswirkungen des Klimawandels auf marine Fauna in Phasen der Erdgeschichte und in der Neuzeit dieselben physiologischen Prinzipien zugrunde liegen. Daher sollen im Rahmen von Biv-TRS (1) an rezenten Pectinoiden und Ostreoiden aus europäischen Meeren die physiologischen Auswirkungen von Temperaturänderungen allein und im Zusammenwirken mit den anderen Klimafaktoren untersucht werden. Beide Muschelgruppen haben einen reichen Fossilienbestand und waren von mehreren Aussterbeereignissen betroffen. Unter den Pectinoiden sind die Pectiniden (Kammmuscheln) durch ihre einzigartige Schwimmfähigkeit gekennzeichnet. Dagegen haften viele sessile Ostreoiden (Austern) dem Meeresboden fest an, bilden dichte Austernbetten und sind damit Ökosystem-Ingenieure. Im Unterschied zu den Kammmuscheln leben Austern auch in der Gezeitenzone und sind toleranter gegenüber veränderlichen Umgebungsbedingungen. Biv-TRS wird auch (2) untersuchen, wie sich die Prinzipien der Sauerstoff- und Kapazitäts-limitierten Temperaturtoleranz (OCLTT) in den beiden Gruppen auswirken und wie und in welchem Umfang Verschiebungen der frühesten (sublethalen) Temperaturgrenzen durch Ozeanversauerung und Hypoxie oder die kombinierten Wirkungen der TRS verursacht werden können. Weitere Untersuchungen sollen auf organismischer, Gewebe- und zellulärer Ebene die Mechanismen aufklären, die die Temperaturgrenzen festlegen und ihr Verschieben im Zusammenwirken der Faktoren begründen. Die Konzentration auf zwei ökologisch sehr unterschiedliche Muscheltaxa mit reichem Fossilienbestand wird (3) den Vergleich der physiologischen mit paläobiologischen Daten erleichtern. Vorarbeiten legen nahe, dass Austern auf langen Zeitskalen weniger empfindlich auf TRS reagieren als Kammmuscheln und dass die größere physiologische Plastizität der Austern sich auch auf evolutionären Zeitskalen wiederfindet. Die physiologischen Befunde von Biv-TRS werden daher mit Zeitreihen zum Schicksal der beiden Gruppen während Massensterben verglichen, die in anderen Projekten dieser Forschergruppe wie TRS-data und J-Evo erhoben werden.

Molekularbiologische Analyse der Rolle der Mykorrhiza für den Schwefelhaushalt der Pappel

Mykorrhizen sind in der Lage, das Wachstum der Bäume durch erhöhte Aufnahme von Nährstoffen zu verbessern. Im Gegensatz zu Phosphat und Nitrat, ist nur wenig über die Bedeutung der Mykorrhiza für die Aufnahme und den Metabolismus von Schwefel bekannt, obwohl schwefelhaltige Stoffe eine wichtige Rolle bei Rhizobiumwurzel Symbiose spielen, die in vielen Aspekten ähnlich zu Mykorrhizierung ist. Ziel des Projekts ist es, Gene des Schwefelhaushalts von Wurzeln zu identifizieren, die bei der Wechselwirkung Wurzelpilz eine Rolle spielen, und deren Expression und Regulation zu analysieren. Als Modellsystem soll dabei die Pappel und der Pilz Amanita muscaria eingesetzt werden. In diesem Modellsystem soll die Hypothese überprüft werden, dass der Pilz die Sulfatversorgung der Pflanze durch eine erhöhte Aufnahme sowie einen intensiven Austausch mit der Wurzel verbessert und, in Analogie zu Rhizobien, dem Pilz von der Pflanze reduzierter Schwefel in Form von Glutathion zur Verfügung gestellt wird. In der ersten Phase wird der Einfluss der Schwefel- und Stickstoffernährung auf die Expression der Gene des Schwefel-Metabolismus in Pappel und im Pilz untersucht. Weiterhin soll der Einfluss der Modulation des Schwefelhaushalts in Pappeln durch genetische Manipulation auf die Wechselwirkung im Schwefelhaushalt zwischen Wurzel und Pilz analysiert werden.

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.

Bedeutung der pflanzlichen Rhizodeposition für die Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unter besonderer Berücksichtigung der wasserlöslichen Wurzelabscheidungen

Während der Vegetation können bis zu 20 Prozent der Netto-CO2-Assimilation durch Pflanzenwurzeln wieder an den Boden freigesetzt werden. Diese Rhizodeposition ist von beträchtlicher bodenökologischer Relevanz. Sie beeinflußt die pflanzliche Nährstoffaneignung ebenso wie die mikrobielle Besiedlung der Wurzeln. Demgegenüber ist der Umsatz dieser freigesetzten Verbindungen im Boden und insbesondere deren Beitrag zur Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz (OBS) weitgehend unklar. Das vorliegende Teilprojekt soll einen Beitrag zur Klärung leisten. In Modellzeitreihenversuchen mit Boden aus ausgewählten Varianten der Hallenser und Bad Lauchstädter Dauerversuche sollen in sog. Doppelkompartimentgefäßen Pflanzensprosse simultan mit 14CO2 und 15NH3 begast und danach der 14C- bzw. 15N-Netto-Einbau in die verschiedenen physikalischen und chemischen OBS-Fraktionen verfolgt werden. Die Untersuchungen sollen Aufschluß über den Mengenanteil und den zeitlichen Verlauf der Umwandlung der Rhizodeposition in die OBS ermöglichen und ordnen sich daher in die Teilaspekte 4 (Umsatz verschiedener C-Pools) sowie 2 (Wechselwirkungen mit der Mineralphase) und 3 (Stabilisierung durch physikalische Trennung) ein.

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