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Spatial Modelling in Ecology with Special Focus on Biodiversity

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Wechselwirkungen zwischen Heterogenitätsmustern der Phosphor-Ausstattung von Böden aus Silikat- und Carbonatgestein und Durchwurzelungsmustern, P-Ernährungzustand und Wachstum von Buche und Fichte

Im beantragten Vorhaben wird unter Einsatz moderner analytischer Methoden (synchrotronstrahlenbasierte Röntgenspektroskopie und Röntgenmikrospektroskopie) sowie geostatistischer Auswertungsverfahren die räumliche Heterogenität der Phosphor-Ausstattung (Gesamt-P-Konzentration, P-Speziierung) von Böden mit verschiedenartigem P-Versorgungszustand (geringe mittlere, hohe P-Versorgung) auf unterschiedlichen Skalenebenen (Bodenaggregate: (Sub)mikronbis mm-Skala; Ausschnitte von Bodenprofilen (z.B. Wurzelkanäle, Umgebung von Steinen): mm bis dm-Skala, Bodenprofile: dm- bis m-Skala; Bestand: m- bis 10er m-Skala) erfasst. Außerdem wird (2) die Exploitierung räumlicher P-Heterogenitätsmuster durch die Wurzelsysteme wichtiger Hauptbaumarten (Fichte, Buche) in Rhizotronen studiert. Des weiteren wird (3) in einem Topfversuch die Existenz vorteilhafter Effekte einer kleinräumig in unterschiedlicher Skalen heterogenen P-Ausstattung von Waldböden (Variation von Gesamt-P-Konzentration bzw. Variation der P-Spezies bei einheitlicher Gesamt-P-Konzentration) hinsichtlich des P-Ernährungszustands und Wachstums von Fichten und Buchensämlingen auf P-armen Standorten geprüft. Wir erwarten uns von den Ergebnissen neue Erkenntnisse hinsichtlich (i) der räumlichen Heterogenitätsmuster der P-Gehalte und P-Bindungsformen in Waldböden sowie der Bedeutung der Heterogenität der Boden-P-Ausstattung bezüglich (ii) räumlicher Muster der P-Aufnahme aus dem Boden durch die Hauptbaumarten Fichte und Buche sowie (iii) P-Verfügbarkeit bzw. P-Ernährungszustand und (iv) Wachstum von Sämlingen dieser Baumarten.

Erfassung und Bewertung des CO2-Festlegungspotentials von Aufforstungen und Sekundaerwaeldern in zwei verschiedenen Klimazonen Suedamerikas

Problemstellung: Aenderungen in der Art der Landnutzung weltweit haben entscheidende Wirkungen auf natuerliche Ressourcen. Moegliche negative Folgen sind Verschlechterung der Land- und Wasserqualitaet, Verlust von Biodiversitaet und globaler Klimawandel. Zwei Haupteffekte unkontrollierter Landnutzung sind Desertifikation und Deforestation. Obwohl diese Prozesse in sehr verschiedenen klimatischen Zonen ablaufen, haben sie doch vergleichbare Ursachen und Effekte. 75 Prozent der Flaeche Argentiniens liegen in ariden und semi-ariden Zonen. Diese Flaeche liefert 50 Prozent der landwirtschaftlichen Produktion Argentiniens. Negativer Einfluss durch die Art der Landnutzung und grossflaechige Abholzung von Naturwaeldern fuehrten zu Bodendegradation, Erosion und Versalzung. Ca. 40 Prozent der Flaeche Argentiniens zeigen Symptome schwerer Degradation. In Patagonien sind bereits 70-80 Prozent der Flaeche schwer oder irreparabel geschaedigt. Ecuador ist ein Land mit grosser agrooekologischer Diversitaet. In der Vergangenheit war die landwirtschaftliche Nutzung auf die dichter besiedelte Andenregion konzentriert. Seit ca. 1900 erfolgte die Besiedelung des tropischen Tieflandes, speziell in der Kuestenregion, gefolgt von einem Anstieg der agrarischen Nutzung der Amazonasregion ab ungefaehr 1970. Den groessten Anteil daran hat eine extensive Viehbeweidung, insbesondere auf ehemaligen Naturwaldflaechen. Durch die Viehweide werden dem Boden Naehrstoffe entzogen, die Produktion sinkt nach relativ kurzer Zeit dramatisch ab. Als Folge dieser nicht nachhaltigen Landnutzung werden viele Flaechen bereits nach wenigen Jahren verlassen. In den letzten Jahren ist das Interesse an forstlichen Plantagen und Sekundaerwaeldern im Zusammenhang mit der Entwicklung von nachhaltigen Landnutzungssystemen gewachsen. Gefoerdert wurde diese Entwicklung durch die Rolle, die diese Landnutzungsformen bei der Festlegung von Kohlenstoff spielen. Die im Rahmen des Kyoto-Protokolls vereinbarten Instrumente lassen eine Einbeziehung der CO2-Senkenfunktion forstlicher Projekte zu. Dies eroeffnet die Moeglichkeit, finanzielle Anreize fuer Aufforstungen und Sekundaerbewaldung zu schaffen und damit der Degradation und Desertifikation entgegenzuwirken. Eine Voraussetzung fuer die internationale Anerkennung der CO2-Senkenfunktion sind die systematische Erfassung, Auswahl, Bewertung und Kontrolle von geeigneten Projekten/Flaechen. Bisher beschraenkten sich die Untersuchungen fast ausschliesslich auf die mengenmaessige Erfassung ueberirdisch gespeicherten Kohlenstoffs. Fuer eine umfassende Beurteilung ist auch die Kohlenstoffspeicherung im Boden zu erfassen und das Gesamtpotential im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse zu bewerten. Vorgehensweise: Kosten-Nutzen-Analyse: Eine Kosten-Nutzen-Analyse fuer Sekundaerwaldbewirtschaftung und Baumplantagenwirtschaft in einer bestimmten Region ist durchgefuehrt, und die Ergebnisse sind verglichen.

Steuerung benthischer Algenbiomasse durch Weidegänger: Die Rolle der Nahrungsqualität auf unterschiedlichen räumlichen Skalen

In Nahrungsnetzen kontrollieren sowohl bottom-up (Ressourcen) als auch top-down Faktoren (Fraß durch höhere trophische Ebenen) die Biomasse intermediärer Stufen wie z. B. benthischer Algen (Periphyton). Die Wichtigkeit beider Mechanismen konnte gezeigt werden; allerdings scheint die Stärke der top-down Kontrolle in verschiedenen natürlichen Systemen stark zu variieren und die Faktoren, welche die Stärke der top-down Kontrolle bestimmen, sind bisher nur unzureichend verstanden. Die zentrale Hypothese dieses Projekts ist, dass die Stärke der top-down Kontrolle durch die Nahrungsqualität der Algen bestimmt wird, die ihrerseits durch die Allokation essentieller Ressourcen (wie Licht und Nährstoffe) beeinflusst wird. Insbesondere in räumlich gegliederten Gemeinschaften wie Periphyton zeigt die Nahrungsqualität eine große räumliche Heterogenität. Zusammen mit davon abhängigen dynamischen Verhaltensanpassungen der Herbivoren ist dies vermutlich besonders wichtig für die Kontrolle der Biomasseentwicklung des Periphytons, wenngleich diese Faktoren bisher nicht ausreichend untersucht wurden. In diesem Projekt untersuchen wir diese Hypothese auf verschiedenen Skalen und Komplexitätsstufen, sowohl in hochkontrollierten Laborexperimenten, als auch in freilandnahen Mesokosmosexperimenten. Dies umfasst die lokale, homogene Patchgröße, die komplexere Multi-Patch-Ebene mit räumlicher Heterogenität und der Möglichkeit zur Futterwahl für die Herbivoren bis hin zu hochkomplexen Szenarien unter Berücksichtigung von Wachstum und Migrationsverhalten der Herbivoren in Mesokosmosexperimenten. Auf diesen Komplexitätsstufen wird die Ressourcenverfügbarkeit (des limitierenden Nährstoffs P und Lichtenergie) experimentell manipuliert und die Kontrolle der Periphytonbiomasse durch Herbivorie auf zwei Wegen quantifiziert: a) als Biomasseflux zwischen Algen und Herbivoren und b) als Reduktion der Periphytonbiomasse durch Weidegänger im Vergleich zu konsumentenfreien Kontrollansätzen. Insgesamt wird dieses Projekt zeigen, welche Mechanismen die Stärke der top-down Kontrolle auf das Periphyton regulieren und wird dazu beitragen, die Kontrolle der Eutrophierung natürlicher Oberflächengewässer besser zu verstehen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1704: Flexibilität entscheidet: Zusammenspiel von funktioneller Diversität und ökologischen Dynamiken in aquatischen Lebensgemeinschaften; Flexibility Matters: Interplay Between Trait Diversity and Ecological Dynamics Using Aquatic Communities as Model Systems (DynaTrait), Teilprojekt: Einfluss von chaotischen Dynamiken auf die Koexistenz von 'traits': Experimentelle Untersuchungen an aquatischen Einzellern

Regulierende Mechanismen zur Erhaltung der Biodiversität haben die Biologen seit Jahrzehnten beschäftigt, da die Biodiversität größer ist, als durch begrenzende Ressourcen angenommen werden kann. Dieses Paradoxon ist noch nicht gelöst. Theoretisch können nichtlineare Wechselwirkungen zu einer oszillierenden und chaotischen Dynamik führen. Hierdurch kann die Anzahl an coexistierenden Arten/Traits deutlich höher sein als es die verfügbaren Ressourcen in der Theorie zulassen sollten. Wir möchten unsere ursprünglichen Modellergebnisse mit einem gut definierten Chemostatsystem mit bis zu sechs verschiedenen Traits, die eine Langzeitkoexistenz ermöglichen, testen. Dabei sollen sowohl Bakterien als auch Protisten untersucht werden. Wir möchten die potenziell grundsätzliche Bedeutung von Nichtlinearität und Oszillationen für die Aufrechterhaltung der Vielfalt von Traits testen. Das Hauptziel dieser Studie ist es, experimentell zu beurteilen, wie extrinsische (Umwelteinflüsse) und intrinsische (gemeinschaftliche) Faktoren die Koexistenz von Traits beeinflussen. Theoretisch erlauben Oszillationen die Koexistenz vieler Traits, auch wenn sie sich nur geringfügig hinsichtlich ihrer ökologischen Ansprüche unterscheiden. Dies kann mikro-evolutionäre Prozesse stark unterstützen.

Entwicklung der Fehlerschätzungsmethode für Datenassimilation für allgemeine Ozean-Zirkulationsmodelle

Die 4D-Var Datenassimilation (4D-var DA) ist eine spezielle Methode, die zur Initialisierung von Klima- und Wettervorsagen durch die Schätzung von Klimamodellparametern benutzt wird, in dem Modelle an beobachtende Daten angepasst werden. Aus verschiedenen Gründen führen DA unvermeidliche methodische Fehler ein, die sich auf die Genauigkeit der Modellvorhersagen auswirken. Aktuelle Methoden zur Fehlerkorrektur brauchen erhebliche Computerressourcen. Dies ist ein Grund, warum die Verwendung dieser Methoden in der Klimamodellierung begrenzt ist und sie nur in vereinfachten Versionen angewandt werden. Die Entwicklung einer konzeptuell neuartigen, robusten und effizienten, nichtlinear-variationellen Fehlerschätzungsmethode (NOVFEM) ist Ziel dieses Projekts. Diese Methode wird Fehler von DA Methoden schätzen und die notwendigen Korrekturen bestimmen. Im Besonderen ist es geplant, VOVFEM im Rahmen einer Anwendung in Klimavorhersagesystemen zu entwickeln. Der Vorteil der vorgeschlagenen Methode ist, dass der Algorithmus auf einer abstrakten mathematischen Formulierung basiert und deshalb in vielen geophysikalischen Bereichen angewandt werden kann. Eine weitere Innovation dieses Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur schnellen und einfachen Berechnung von inversen Kovarianzmatrizen, die z. B. Anwendung in DA finden. Die vorgeschlagenen Methode ist im Vergleich mit existieren Methoden effizienter. Es wird erwartet, dass die theoretischen Ergebnisse dieses Projekt national und international veröffentlicht werden und ein freier Zugang zur NOVFEM Software wird bereitgestellt werden.

Chatseis: Seismic data Schaeftlarn

Within the framework of DOVE, the project Chatseis combines two seismic methods to increase resolution and reliability of the seismic data; i.e. reflection imaging and full-waveform inversion. To acquire the optimal data for the tasks in the project Chatseis, the German Federal Institute for Geosciences and Resources conducted two seismic surveys together with the Leibniz Institute for Applied Geophysics and the Bayerisches Landesamt für Umwelt. At the DOVE-site 5068_3 (Schäftlarn), the project team registered seismic P-wave data with explosive and vibration sources and different geophones as well as S-wave data with a small-scale vibratory source and a landstreamer system on three profiles (in total ca 3.8 km, 100 GB for P-wave and ca 2.6 km, 16 GB for S-wave).

The forecast data for sea surface temperature [K] from GPC_Offenbach (DWD).

This resource contains the monthly mean sea surface temperature [K] for 6 months. The format of resource is GRIB2. It is provided through the web site of WMO Lead Centre for LRF MME (Long Range Forecast Multi-Model Ensemble) on about the 15th of each month. The web site requests a user account. The Grade A(GPCs) and Grade B(NMHSs, RCCs) users can download the data USAGE: Menu: Data and Plot > Data Exchange > Search/Download. This forecast data is made by GPC_Offenbach (DWD) using an operational seasonal prediction system. For more detailed information about the seasonal forecasts of GPC_Offenbach (DWD) visit the web site http://www.dwd.de/EN/ourservices/seasonals_forecasts/start.html.

The forecast data for mean-sea level pressure [Pa] from GPC_Offenbach (DWD).

This resource contains the monthly mean mean-sea level pressure [Pa] for 6 months. The format of resource is GRIB2. It is provided through the web site of WMO Lead Centre for LRF MME (Long Range Forecast Multi-Model Ensemble) on about the 15th of each month. The web site requests a user account. The Grade A(GPCs) and Grade B(NMHSs, RCCs) users can download the data USAGE: Menu: Data and Plot > Data Exchange > Search/Download. This forecast data is made by GPC_Offenbach (DWD) using an operational seasonal prediction system. For more detailed information about the seasonal forecasts of GPC_Offenbach (DWD) visit the web site http://www.dwd.de/EN/ourservices/seasonals_forecasts/start.html.

The hindcast data for sea surface temperature [K] from GPC_Offenbach (DWD).

This resource contains the monthly mean sea surface temperature [K] for 6 months. The period of hindcast data is January, 1993 - December, 2019. The format of resource is GRIB2. It is provided through the web site of WMO Lead Centre for LRF MME (Long Range Forecast Multi-Model Ensemble). The web site requests a user account. The Grade A(GPCs) and Grade B(NMHSs, RCCs) users can download the data USAGE: Menu: Data and Plot > Data Exchange > Search/Download. This hindcast data is made by GPC_Offenbach (DWD) using an operational seasonal prediction system. For more detailed information about the seasonal forecasts of GPC_Offenbach (DWD) visit the web site http://www.dwd.de/EN/ourservices/seasonals_forecasts/start.html.

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