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.
Ziel von WRON ist, den Einfluss unterschiedlicher Landnutzungsformen auf die Biodiversität der Otjimbingwe-Region im westlichen Zentralnamibia am Beispiel von Großwild zu erfassen.
Die größten Populationen von Wildtieren leben in Namibia im Ökosystem Farmland. Wir untersuchen die Habitatnutzung ausgewählter Carnivorenarten auf Farmen mit unterschiedlichen Nutzungsformen (Rinderfarmen und Wildtierfarmen mit unterschiedlichen Bestandsdichten; Gäste- und Jagdfarmen) in Bezug auf Ressourcenverfügbarkeit und -verteilung, Habitatfragmentierung und Mensch-Tierkonflikten.
Zielarten sind Braune Hyäne (Parahyaena brunnea) und Leopard (Panthera pardus). Neben den beiden Topprädatoren sind auch kleinere Beutegreifer-Arten wie Karakal (Caracal caracal), Gepard (Acinonyx jubatus) und Schabrackenschakal (Canis mesomelas) sowie potentielle Beutetierarten wie Warzenschweine, Antilopen und größere Vogelarten (Strauß, Perlhühner) in die Untersuchungen eingeschlossen.
Projekt Braune Hyäne: Im Mittelpunkt steht die Frage, wieso sich die Braune Hyäne in den letzten Jahren auf kommerziell genutztem Farmland in Namibia so stark vermehren konnte.
Dabei interessieren uns die Fragen: Wo halten sich Braune Hyänen auf? Wie lange bleiben sie in ein und derselben Region? Wie viele gibt es überhaupt und sind sie gleichmäßig über alle Farmen verteilt? Was ist ihre Nahrungsgrundlage? Spielen Köderplätze und offene Müllkippen eine besondere Rolle in der Ernährung? Steht die Braune Hyäne in Konkurrenz zu Leoparden?
Alle Projekte werden in Zusammenarbeit mit Biologiestudenten und den lokalen Farmern durchgeführt. Das Ziel ist, mit den erhaltenen biologischen Erkenntnissen praktische Lösungsansätze zu bieten, die unterstützend bei der Bewirtschaftung der Farmen (Viehbetrieb oder Wildtiere) mitwirken sollen. Diese Lösungsansätze sollten in Managementpläne einfließen, die ebenfalls von anderen Farmern (landesweit) genutzt werden, um Verluste und Konflikte zu minimieren und zusätzlich die Toleranz gegenüber Beutegreifern zu erhöhen.
Untersuchung des Verkehrsflusses durch KI-Anwendungen
Verschiedene Fragestellungen der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung im Zusammenhang mit Auslastung und Nutzung der Binnenwasserstraßen sind nur mithilfe eines Verkehrssimulationsmodells effizient bewertbar. Beispiele sind Fragen nach Kapazitäten, Engstellen und Transportmengen.
Aufgabenstellung und Ziel
Die performante Untersuchung von Verkehrsströmen ist eine wichtige Komponente für verkehrliche und wirtschaftliche Untersuchungen an Binnenwasserstraßen. Verkehrssimulationsmodelle ermöglichen es, auch unbeobachtete Verkehrsflüsse zu analysieren und zukünftige Entwicklungen zu prognostizieren. Als Beispiele sind Engstellenanalysen sowie Untersuchungen zu Verkehrskapazitäten und Transportmengen in Abhängigkeit von Flottenstrukturen zu nennen. Eine Veränderung der Flottenstruktur kann durch unterschiedliche Faktoren begründet sein. Diese sind zum einen langzeitige Entwicklungen, wie Tendenzen zu größeren Schiffen, Änderungen wirtschaftlicher Konjunkturphasen oder mögliche Anpassungen an klimatische Änderungen und zum anderen kurzzeitige Einflüsse, wie extreme Wetterlagen und Wasserstände oder verkehrliche Engstellen. Engstellen können z. B. durch Havarien, Baumaßnahmen, aber auch Fehltiefen verursacht werden. Alle genannten Faktoren wirken sich auf die verkehrliche Leistungsfähigkeit der Wasserstraße und die Gütertransportmengen aus.
In Kooperation mit der „Professur für Ökonometrie und Statistik, insbesondere im Verkehrswesen“ der TU Dresden wird das Mikrosimulationsmodell für Binnenwasserstraßen PERSIST (Performant Simulation of Inland Ship Traffic) entwickelt (Stachel und Hart 2021), welches vorrangig am Niederrhein, darüber hinaus aber auch an anderen Wasserstraßen, angewendet werden soll.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Mithilfe des Verkehrssimulationsmodells lassen sich an hochfrequentierten Abschnitten Engstellen identifizieren, die eventuell die Kapazität der Wasserstraßen vermindern. Zudem können Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs unter Berücksichtigung veränderter hydrologischer Bedingungen, z. B. infolge des Klimawandels, untersucht werden. Damit erhält die WSV frühzeitig Informationen über potentielle verkehrliche Engstellen, welche die Wirtschaftlichkeit der Binnenschifffahrt einschränken. Die Verkehrssimulation ist darüber hinaus ein Werkzeug, mit dem sich, z. B. im Rahmen einer Verkehrsprognose und Reiseunterstützung, voraussichtliche Ankunftszeiten (ETA = Estimated Time of Arrival) von Schiffen an Schleusen und Zielhäfen ermitteln lassen.
Untersuchungsmethoden
Im bisherigen Projekt wurde bereits die Lateral and Longitudinal Control Policy zur lateralen und longitudinalen Steuerung eines Schiffes hinsichtlich des logischen Koordinatensystems sowie eine Decision Making Policy, welche die Überholentscheidungen des Schiffes kontrolliert, entwickelt. Um die Einsetzbarkeit von PERSIST als Fast-Time Simulator auch für anspruchsvolle Simulationsszenarien (mehr als 100 Schiffe, große Teile des Rheins) aufrecht zu erhalten, wurde PERSIST für die Parallelisierung auf Rechensystemen mit vielen CPU-Kernen vorbereitet.
Anstatt alle Schiffe in einem Prozess auf einem Rechner zu simulieren, kann die Simulation nun auf beliebig viele unabhängige Prozesse verteilt werden, auch auf mehreren miteinander vernetzten Rechnern oder auf einem Großrechner mit vielen Rechenkernen. Auf einem physischen Rechenkern läuft jeweils nur ein Prozess. Bei der Verkehrssimulation bietet es sich an, den gesamten zu simulierenden räumlichen Bereich in mehrere gleich große Abschnitte zu unterteilen, den Schiffsverkehr auf diesen Abschnitten getrennt zu simulieren, d. h. zu prozessieren, und anschließend wieder zusammenzufügen. Die Anzahl der Abschnitte kann somit vor Beginn der Simulation flexibel an die Ressourcenverfügbarkeit des (Groß-)Rechners angepasst werden. (Text gekürzt)
Der Einfluss von Biodiversitätsverlust auf die Dynamiken von Nahrungsnetzen hängt von der Komplexität und Konfiguration der Nahrungsnetze, der trophischen Position der Organismen, sowie derer spezifischen Eigenschaften ab, wie zum Beispiel Konsumentenspezialisierung, Fraß- und Wachstumsraten. Funktionelle Eigenschaften von Organismen und deren gegenläufige Abhängigkeiten (trade-offs) spielen eine Schlüsselrolle für Ökosystemfunktion. Das beantragte Projekt verfolgt das Ziel, die Bedeutung von inter- und intraspezifischer Merkmalsvariabilität (trait variation) für den zeitlichen Verlauf von Biomassen und mittleren Eigenschaften in einem limnischen Modell-System mit Ciliaten als Konsumenten und Mikroalgen als Beute zu untersuchen. Wir werden insbesondere den trade-off zwischen Hungerresistenz und maximaler Fraßrate in Abhängigkeit von unterschiedlicher Ressourcenverfügbarkeit untersuchen. Hierbei konzentrieren wir uns auf zwei Typen von Hungerresistenz, die mit unterschiedlichen Konsumenteneigenschaften einhergehen, nämlich 1) die Fähigkeit den Grundmetabolismus auf Kosten der Reproduktion zu reduzieren, und 2) die Fähigkeit zusätzlich zur Phagotrophie Kohlenstoff photosynthetisch zu fixieren (Mixotrophie). Darüber hinaus wollen wir untersuchen, wie induzierbare Angriffs- und Verteidigungsstrategien (Formen von großen Morphotypen, die dann innerhalb ihrer trophischen Ebene fressen können, bzw. die fraßresistenter sind) mit diesem trade-off interagieren indem trophische Interaktionen verändert werden. Laborexperimente werden durchgeführt, in denen die inter- und intraspezifische Merkmalsvariabilität von Konsumenten in unterschiedlichen Nahrungsnetzen und bei unterschiedlicher Ressourcenverfügbarkeit (Beute und Licht) manipuliert werden. Die kontinuierliche oder gepulste Hinzugabe von Ressourcen, die zeitweise Ressourcen-Limitierung mit sich bringt, wird einen großen Einfluss auf die Biomassen und mittleren Eigenschaften der Populationen und Gemeinschaften haben. Außerdem werden die Konsequenzen dieser inter- und intraspezifischen Merkmalsvariabilität für das gegenseitige Wechselspiel zwischen Merkmals- und Biomassedynamik auf unterschiedlichen hierarchischen Ebenen (Klone, Arten, Gemeinschaften) in einem komplexeren System über einen längeren Zeitraum untersucht. Alle Laborexperimente werden mit mathematischer Modellierung komplementiert, welche dazu verhelfen soll, das experimentelle Design darauffolgender Experimente zu optimieren und die den beobachteten Populationsdynamiken zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren. Dieser gemeinsame Ansatz wird das bestehende experimentelle und theoretische Wissen über das Wechselspiel von Biomasse- und Merkmalsdynamiken in Mehrarten-Nahrungsnetzen erheblich erweitern und wird darüber hinaus unser Verständnis über die Konsequenzen von Konsumenten-Merkmalsvariabilität (i.e. ihr adaptives Potential unter Ressourcenfluktuationen) für Ökosystemprozesse und -funktionen maßgeblich stärken.