This project aims at the improvement and testing of a modeling tool which will allow the simulation of impacts of on-going and projected changes in land use/ management on the dynamic exchange of C and N components between diversifying rice cropping systems and the atmosphere and hydrosphere. Model development is based on the modeling framework MOBILE-DNDC. Improvements of the soil biogeochemical submodule will be based on ICON data as well as on results from published studies. To improve simulation of rice growth the model ORYZA will be integrated and tested with own measurements of crop biomass development and transpiration. Model development will be continuously accompanied by uncertainty assessment of parameters. Due to the importance of soil hydrology and lateral transport of water and nutrients for exchange processes we will couple MOBILE-DNDC with the regional hydrological model CMF (SP7). The new framework will be used at field scale to demonstrate proof of concept and to study the importance of lateral transport for expectable small-scale spatial variability of crop production, soil C/N stocks and GHG fluxes. Further application of the coupled model, including scenarios of land use/ land management and climate at a wider regional scale, are scheduled for Phase II of ICON.
Vor dem Hintergrund des globalen Wandels stehen die Ökosysteme weltweit vor großen Herausforderungen. In Europa haben die jüngsten Dürren zu einem verheerenden Waldsterben geführt, das auf direkte und indirekte Auswirkungen der Trockenheit zurückzuführen ist. Hydraulische Umverteilung (HR) - der passive Transport von Wasser zwischen verschiedenen Bodentiefen über das Wurzelsystem der Pflanzen - ist ein Prozess, der potentiell Auswirkungen auf die Fähigkeit der Ökosysteme, Dürren abzuschwächen, haben kann. „Hydraulic Lift“ (HL) ist die häufigste Form von HR, bei der sich das Wasser aufgrund des Wasserpotenzialgefälles zwischen dem feuchteren Boden in der Tiefe und dem trockenen Boden an der Oberfläche während der Nacht passiv in die trockene Bodenregion bewegt und so möglicherweise eine wichtige Wasserquelle für die Pflanzen darstellt. Mehr als zwei Jahrzehnte Forschung über HR haben gezeigt, dass es sich dabei um einen Prozess mit globaler Bedeutung für Ökosysteme handelt. Trotz dieser Bedeutung sind konsistente Datensätze zu HR auf räumlichen Skalen größer als der Baumskala, und evidenzbasierte Modellierungsansätze äußerst selten. Infolgedessen sind wir derzeit nicht in der Lage, genau vorherzusagen, ob und unter welchen Bedingungen HR eine wichtige Komponente für die Resilienz von Wäldern und anderen Ökosystemen unter den prognostizierten klimatischen Veränderungen sein wird. In diesem Projekt werden wir zum ersten Mal einen räumlich und zeitlich hochaufgelösten Datensatz über HR sammeln. Mit diesem Datensatz wollen wir die Relevanz von HR auf der Feldskala untersuchen, die Heterogenität von HR bewerten und ermitteln, welche Pflanzengruppen von HR profitieren. Wir etablieren hierfür ein Monitoringsystem, das speziell für die Identifikation, Monitoring und Quantifizierung von HR entwickelt wurde. Dieses System kombiniert Methoden basierend auf der in situ-Messung stabiler Wasserisotope, ökohydrologischen Ansätzen und isotopischen Markierexperimenten in einem Laubmischwald in Niedersachsen. Der Datensatz wird anschließend zur Parametrisierung und Kalibrierung des isotopengestützten Boden-Vegetations-Atmosphären-Transfermodells (SVAT) MuSICA verwendet. Das kalibrierte Modell wird anschließend genutzt, um die Bedeutung von HR für die Resilienz des untersuchten Laubmischwald-Ökosystems unter verschiedenen Szenarien vorherzusagen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden dazu beitragen, die Rolle von HR für Waldökosysteme jetzt und unter den prognostizierten zukünftigen Klimabedingungen zu verstehen. Es wird dazu beitragen, die potenzielle Pufferwirkung von HR bei Dürren und extremen Bedingungen zu bewerten, was für die Waldbewirtschaftung im Hinblick auf die Entwicklung widerstandsfähiger Waldökosysteme der Zukunft essentiell sein kann. Darüber hinaus könnte der vorgeschlagene methodische Rahmen möglicherweise zu einem Standardverfahren für die Bewertung von HR auf größeren räumlichen Skalen werden.
An der TU Braunschweig wurde der Sonderforschungsbereich 179 'Wasser- und Stoffdymanik in Agrar-Oekosystemen' eingerichtet. Das zentrale Ziel dieses von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefoerderten, langfristigen Forschungsvorhabens ist die Untersuchung und Prognose der Auswirkungen der landwirtschaftlichen Nutzung sowie der naturraeumlichen Ausstattung auf Energie-, Wasser- und Stofffluesse, Mikroklima und Mikroorganismen. Untersucht wird die zeitliche und raeumliche Differenzierung der Wasser- und Stoffbewegung. Im Vordergrund steht die Problematik der Belastung, der Belastbarkeit sowie der Langfriststabilitaet von Agrar-Oekosystemen. Bearbeitet werden alle wesentlichen Kompartimente, so die bodennahe Atmosphaere, die Vegetation, die Bodenoberflaeche mit den Oberflaechengewaessern, der Boden und das Grundwasser. Im Mittelpunkt steht der Boden als wichtigster Umsatzort fuer Wasser, Naehr- und Schadstoffe. Die landwirtschaftlichen Nutzungssysteme werden hinsichtlich ihrer oekologischen Effekte differenziert und bewertet. Beruecksichtigt werden die Wirkungen von Fruchtfolge, Zwischenfruchtanbau, Strohverwertung, Bodenbearbeitung, Duengung, Agrochemikalien, Beregnung, Gruenlandumbruch, Melioration - um nur einige Beispiele zu nennen. Aus den genannten Zielen und den Arbeitsrichtungen der beteiligten Wissenschaftler leiten sich u.a. die folgenden Fragestellungen ab, die saemtlich hochaktuelle Probleme der Nutzungsmoeglichkeiten und der Gefaehrdung von Agrar-Oekosystemen betreffen: Welche Veraenderungen der bodenphysikalischen Eigenschaften werden von Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Stroheinbringung, organische Duengung, Splash, Oberflaechenabfluss...
Die Hauptaufgaben der Forschung auf dem Gebiet des Waldbaus bestehen in der wissenschaftlichen Begleitung
- des Umbaus von Nadelholzreinbeständen in naturnahe Mischwälder
- der Pflege von Waldbeständen und
- des Prozessschutzes bzw. der Prozessanalyse in Naturwaldzellen.
Für diese Aufgaben wurde in Sachsen ein standorts- und waldstrukturrepräsentative Versuchsflächennetz angelegt. Dieses dient u.a. zur
- ressourcenorientierten komplexen Analyse von Waldentwicklung (Bodenvegetation, Waldstruktur, Baumarten, Mischungen etc.) und Umweltdynamik (Mikroklima , Wasser) sowie der Ableitung von entsprechenden Wirkmechanismen bspw. über die
- Erarbeitung, Weiterentwicklung und Nutzung von Prognosesystemen zur pflanzenprozess- und waldstrukturabhängigen Abschätzung von Wasserhaushalts- u. Wachstumsdynamiken.
- Durchführung verschiedener ökophysiologischer Detailuntersuchungen (bspw. Assimilation, Transpiration, Biomassen, Reservestoffe wichtiger Baumarten/ Pflanzenarten)
- waldstrukturorientierten Monitoring der Umweltdynamiken (Meteorologie, Strahlung, Wasserhaushalt etc.) und Umweltauswirkungen (Waldschadenserhebung).
Die erforderliche Strukturierung, effektive Verfügbarkeit und Auswertung des erhobenen komplexen Datenpools wird über die Pflege und Weiterentwicklung des FIS Waldökologie, Waldverjüngung, Waldpflege erreicht.
Im Rahmen des Waldbaus werden diese Forschungsergebnisse in die forstwirtschaftliche Praxis der Forstämter überführt. Dazu gehören u.a. folgende Teilaufgaben:
- Erarbeitung von standorts- und waldstrukturabhängigen praxisorientierten waldbaulichen Bewirtschaftungsempfehlungen zum Waldumbau und zur Waldpflege
- Untersuchung von waldbaulichen Rationalisierungsmöglichkeiten (Naturverjüngungen, Pflegeextensivierungen, Einbeziehung von Sukzessionsprozessen)
- Zusammenfassung und Überführung der wissenschaftlichen Ergebnisse in Form von Merkblättern, Entwürfen zu Verfügungen und Erlassen für die forstliche Praxis
- Durchführung und Weiterentwicklung des waldbaulichen Qualitätsmanagements der Forstbetriebe
- Erarbeitung des jährlichen Waldzustandsberichts für Sachsen.
Untersuchungen zum Zusammenhang von Belaubungsdichte bzw. Verzweigung und Dickenzuwachs bei Laubbäumen ergaben keine zwangsläufige Abnahme des Zuwachses bei stärker verlichteten Kronen und in vielen Fällen sogar einen vermehrten Radialzuwachs des Stammes in Brusthöhe. Die Allokation des Assimilate bei unterschiedlicher Verzweigungsentwicklung und Kronentransparenz ist weitgehend unbekannt. Zur genauen Beschreibung der Wachstumsvorgänge in einzelnen Kronenteilen von Altbäumen geschlossener Bestände soll die Phänologie von Längen- und Dickenwachstum in Abhängigkeit von meteorologischen Einflüssen erfasst werden. Der Zuwachs ausgewählter Äste wird mit Hilfe einer Krangondel zeitlich und räumlich hochaufgelöst analysiert. Als Erklärungshilfe für unterschiedliche Zuwachsverläufe sollen Spotmessungen der Photosynthese und Transpiration mit Bezug zur Blattfläche dienen. Mittels der Analyse der laufenden und der retrospektiven Zuwächse, wird die Konkurrenz zwischen Ästen sowie zwischen Ästen verschiedener Arten erfasst. Dazu werden auch die photosynthetisch wirksame Strahlung und die Effizienz der Blätter in der Licht- und Schattenkrone berücksichtigt. Durch die Vorhersage der Reaktionen des Ast-, Kronen-, Stamm- und damit Baumwachstums unter Konkurrenz lassen sich so Konsequenzen für die Behandlung artenreicher Mischbestände ableiten, die zum Erhalt der Struktur und der Artenvielfalt (auch unter sich ändernden Standortbedingungen) beitragen können.