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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.
Die Auswirkungen von Klimavariabilität und Landbedeckungsänderungen auf die Vernetzung im Boden-Pflanzen-Atmosphären-Kontinuum (SPAC) und auf die ökohydrologische Wasserspeicherung und -verteilung sind nur unzureichend bekannt. Dieses begrenzte Verständnis ist das Ergebnis komplizierter Messungen und ungeeigneter Modellierungstechniken. Dies gilt insbesondere für die komplexen klimatischen und landschaftlichen Gegebenheiten Costa Ricas und ähnlicher tropischer Entwicklungsregionen, die unter dem akuten Druck des globalen Wandels stehen. Wir wollen diese Wissenslücke beheben, indem wir einen gekoppelten, tracergestützten atmosphärisch-ökohydrologischen Modellierungsrahmen entwickeln, um zu bewerten, wie sich veränderte klimatische Bedingungen, Feuchtigkeitsquellen und Landbedeckungsänderungen auf die hydrologische Reaktion in Form von Verdunstungs-, Transpirations- und Abflussflüssen sowie auf die Grundwasserneubildung in einem großen, strategisch wichtigen Einzugsgebiet in Costa Rica auswirken (was Untersuchungen auf mehreren Ebenen ermöglicht). Dieses Projekt zielt darauf ab, zu verstehen, wie klimatische Variabilität und Veränderungen der Landbedeckung die ökohydrologische Wasserverteilung im SPAC beeinflussen und wie sich Prozesse auf lokaler Ebene auf größere Skalen in tropischen Regionen auswirken können. Das vorgestellte neuartige gekoppelte Modellsystem wird die Quantifizierung großräumiger, historischer Landbedeckungsveränderungen und ihre Auswirkungen auf die Wasserverteilung in einem tropischen Testeinzugsgebiet ermöglichen, das über eine Vielzahl bereits vorhandener hydrometeorologischer und Isotopendaten verfügt. Konkret werden wir uns mit den folgenden zwei Forschungsfragen befassen, die sich direkt auf zwei Arbeitsabschnitte beziehen: i) Können wir die ökohydrologische Aufteilung und die Rückkopplungen in einem großen (>1000km2) feuchten tropischen Einzugsgebiet mit Hilfe von Isotopenmessungen innerhalb eines gekoppelten, prozessbasierten ökohydrologischen und regionalen Klimamodellierungsrahmens besser charakterisieren und quantifizieren? ii) Wie werden sich Veränderungen der Landbedeckung (z.B. von Tieflandwäldern zu Ananas-Monokulturen) auf die ökohydrologische Aufteilung auswirken, und wie wird dies die Niederschlagsmuster, die Temperatur, den rückgeführten Feuchtigkeitstransport und die Wasserverfügbarkeit in den feuchten Tropen beeinflussen? Dieses Projekt, das gemeinsam von einem international renommierten Team geleitet wird, hat das Potenzial, unser Wissen darüber zu erweitern, wie das SPAC auf hydrologische Extremsituationen in den feuchten Tropen Zentralamerikas reagiert, um die Resilienz und Regenerationsfähigkeit von Wasserressourcensystemen auf Stressfaktoren wie Dürren zu bewerten.
Die Charakterisierung der Land-Atmosphäre (L-A)-Rückkopplung erfordert detaillierte Untersuchungen des Bodens, der Landbedeckung und der Atmosphäre bis hin zur unteren freien Troposphäre. Fast alle aktuellen Observatorien und Beobachtungsnetzwerke konzentrieren sich nur auf Teilkomponenten des L-A-Systems. Ziel des Projekts P1 der Forschungsgruppe Land-Atmosphäre Feedback Initiative (LAFI) ist es, am Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO) der Universität Hohenheim ein umfassendes Feldprogramm auf heterogenem Agrarland zu realisieren, das diese Beobachtungslücken schließt. Dieses wird durch die Messungen von Profilen der Schlüsselvariablen in allen drei Kompartimenten und die Charakterisierung ihrer horizontalen Strukturen in einer heterogenen Landschaft ermöglicht. Darüber hinaus werden wir einen 20-Jahres-Datensatz analysieren, der am MOL-RAO des DWD gesammelt wurde und die wichtigsten L-A-Systemvariablen für die Ableitung statistischer Metriken, Oberflächenflüsse und die Schließung des Energiehaushalts mit besonderem Schwerpunkt auf Hitzewellen und Dürren abdeckt. Am LAFO werden wir über mindestens eine Vegetationsperiode (Frühling-Herbst 2025) eine General Operations Period (GOP) in Kombination mit fünf Intensiven Observations Periods (IOPS) durchführen, um L-A-Feedbackprozesse zu charakterisieren. Neben etablierten Messtechniken wie Flusskammern und Eddy-Kovarianz-Systemen sowie Doppler-Lidar-Systemen werden wir neue Techniken einsetzen. Dazu gehören Isotopensensoren zur Unterscheidung zwischen Verdunstung und Transpiration, faseroptische Sensoren im Boden, in der Vegetation und in der Prandtl-Schicht für Temperatur- und Windmessungen, die Messung von Profilen der Strahlung, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Vegetation sowie unbemannte Luftfahrzeuge zur Kartierung von Landoberflächeneigenschaften und hochauflösende scannende Raman- und Differentialabsorptions-Lidarsysteme zusammen mit Doppler-Lidar-Systemen zur Ableitung dreidimensionaler turbulenter Eigenschaften der Oberflächenschicht und der atmosphärischen Grenzschicht mit besonderem Schwerpunkt auf Entrainment. P1 ist für alle anderen Projekte von unmittelbarer Bedeutung und dient als Schwerpunkt von LAFI. P2-P6 und P11 werden zur Sensorsynergie beitragen und die Daten unter verschiedenen wissenschaftlichen Aspekten analysieren. P7-P9 modellieren die gesamte GOP und verwenden die P1-Daten für Vergleiche von Feedback-Metriken und Prozessdarstellungen sowie für die Modellevaluation. P10 wird die P1-Daten mithilfe von Deep-Learning-Methoden analysieren. Die in P1 durchgeführten Messungen liefern die wesentliche Grundlage, um alle sechs Forschungsziele zu erreichen und alle Hypothesen von LAFI zu überprüfen. Ebenso stützen sich alle bereichsübergreifenden Arbeitsgruppen auf die Beobachtungen von P1. Durch das Design und die Durchführung der LAFI GOP und IOPs erwarten wir neue Erkenntnisse über L-A-Rückkopplungen und -Prozesse in Agrarlandschaften.
Hydrologische Extremereignisse wie von Klimawandelprognosen vorhergesagte Dürreperioden beeinflussen ökologische Prozesse, Struktur und Resistenz terrestrischer Pflanzengemeinschaften. Davon sind insbesondere flachwurzelnde Gemeinschaften wie Grünland betroffen. Die Interaktionen zwischen strukturellen Änderungen dieser Pflanzengemeinschaften und zugrundeliegenden mechanistischen ökohydrologischen Reaktionen hinsichtlich Wassernutzung oder Kohlenstoffaufnahme auf solche Dürreereignisse sind jedoch lückenhaft und schwer quantifizierbar. Eine Vielzahl von stark dynamischen Prozessen spielt hierbei eine Rolle, welche sich auf den verschiedenen Ebenen, von der Einzelpflanze bis zu ganzen Pflanzengemeinschaften, auswirken. Die Pflanzentranspiration, beispielsweise, wird durch Bodenwasserverfügbarkeit und der stomatären Regulation des Transpirationsverlustes kontrolliert; dabei sind beide Prozesse, die Nutzung verschiedener Bodenwasserquellen und die stomatäre Empfindlichkeit gegenüber Dürre, stark Art abhängig. Stabile H2O und CO2 Isotope sind dabei aufschlussreiche Indikatoren für die Prozesse des Boden-Vegetation-Atmosphäre-Kontinuums, insbesondere durch neuartige technische Entwicklungen, welche nahezu kontinuierliche Beobachtungen ermöglichen. Das Ziel dieses Projektes ist die ganzheitliche mechanistische Analyse ökohydrologischer Reaktionen auf ausgedehnte Dürreperioden anhand H2O und CO2 Fluss- und Isotopenmessungen. Dabei wird eine Verknüpfung dieser Prozesse mit Reaktionen der Artengemeinschaften hinsichtlich Struktur und Biomasseproduktion angestrebt. In drei zusammengreifenden Arbeitspaketen (AP) werden diese Aspekte skalenübergreifend von der Einzelpflanzen- bis zur Bestandes-Ebene untersucht. Der Fokus von AP1 liegt dabei auf plastischen Reaktionen der Einzelpflanze hinsichtlich Wurzelwasseraufnahme (WWA) sowie Verschiebungen des Pflanzen-Pflanzen-Interaktionsgleichgewichts unter Laborbedingungen. In AP2 werden die Rückkopplungen struktureller Veränderungen auf Gemeinschaftsebene und WWA Profilen und Nettoökosystemflüssen von H2O und CO2 (aufgeteilt in Transpiration und Bodenverdunstung und Kohlenstoffaufnahme und Atmung) untersucht. Dies erfolgt innerhalb eines 2-jährigen Niederschlagsmanipulations-experimentes im Freiland. AP3 fokussiert sich auf die Integration der in AP1 und 2 gewonnenen Informationen mittels Modellierung. Die in AP1 gewonnenen Informationen werden zur Validierung des dreidimensionalen Boden-Wurzel-Models (R-SWMS) genutzt, welches neue Module für Wurzelwachstum, WWA, und Transpiration für das Boden-Vegetations-Atmosphären-Transfer Model SiSPAT-Isotope generieren wird. Simulationen mit SiSPAT-Isotope basierend auf den in AP2 gewonnenen Daten dienen zur quantitativen Abschätzung der hydrologischen Antwort auf Dürreperioden, welches bei der Entwicklung von Nachhaltigkeitsvorhersagen für die Einflüsse des Klimawandels auf Grünlandgemeinschaften helfen wird.
Kurzinformation des wissenschaftlichen Dienstes des Deutschen Bundestages. 3 Seiten. Auszug der ersten drei Seiten: Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Einzelfragen zur Photosynthese von C3- und C4-Pflanzen 1. C3- und C4-Pflanzen „C3-Pflanzen betreiben unter normalen Temperatur- und Lichtverhältnissen Photosynthese. Bei heißem und trockenem Wetter schließen sich die Spaltöffnungen, wodurch die Photosynthese- leistung sinkt. Bei normalen Temperatur- und Lichtverhältnissen ist der Grundtypus der Photosynthese, der in den sogenannten C3-Pflanzen stattfindet, am effektivsten. Bei heißem und trockenem Wetter schließen sich jedoch die Spaltöffnungen. Dann sind C4- bzw. CAM-Pflanzen im Vorteil. Bei C3-Pflanzen wird CO2 im Calvin-Zyklus bei der RuBisCO-Reaktion an Ribulose-1,5-bisphos- phat fixiert. Dabei entsteht eine instabile Zwischenstufe, die in zwei stabile Moleküle 3-Phospho- glycerat (3-PGA) zerfällt. 3-PGA ist aus drei Kohlenstoffatomen aufgebaut, daher der Name C3- Pflanzen. 3-PGA wird im Calvin-Zyklus weiter umgesetzt. Der überwiegende Teil höherer Pflanzen gehört zu den C3-Pflanzen. Um sich an Standort- bzw. Klimabedingungen optimal anzupassen, haben sich zudem besondere Formen der CO2-Fixierung entwickelt (C4- und CAM-Pflanzen).“ BMBF (2019). C3-Pflanzen. https://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=7812 „C4-Pflanzen binden CO2 besser als C3-Pflanzen. Sie haben sich an wärmere Regionen mit höhe- rer Lichteinstrahlung, also tropisches und subtropisches Klima angepasst. Normalerweise schließen Pflanzen bei hoher Umgebungstemperatur ihre Stomata, um Wasserver- luste durch Transpiration in Grenzen zu halten. Dadurch wird allerdings die Aufnahme von CO 2 für die Photosynthese erschwert. C4-Pflanzen haben daher einen Mechanismus entwickelt, um selbst geringste Mengen CO2 nutzen zu können. Im Gegensatz zu C3-Pflanzen besteht das erste Zwischenprodukt der Photosynthese bei C4-Pflan- zen – Oxalacetat - aus vier Kohlenstoff-Atomen. Mithilfe des Enzyms PEP-Carboxylase wird CO2 besonders effektiv gebunden. WD 8 - 3000 - 126/19 (26.09.2019) © 2019 Deutscher Bundestag Die Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestages unterstützen die Mitglieder des Deutschen Bundestages bei ihrer mandatsbezogenen Tätigkeit. Ihre Arbeiten geben nicht die Auffassung des Deutschen Bundestages, eines sei- ner Organe oder der Bundestagsverwaltung wieder. Vielmehr liegen sie in der fachlichen Verantwortung der Verfasse- rinnen und Verfasser sowie der Fachbereichsleitung. Arbeiten der Wissenschaftlichen Dienste geben nur den zum Zeit- punkt der Erstellung des Textes aktuellen Stand wieder und stellen eine individuelle Auftragsarbeit für einen Abge- ordneten des Bundestages dar. Die Arbeiten können der Geheimschutzordnung des Bundestages unterliegende, ge- schützte oder andere nicht zur Veröffentlichung geeignete Informationen enthalten. Eine beabsichtigte Weitergabe oder Veröffentlichung ist vorab dem jeweiligen Fachbereich anzuzeigen und nur mit Angabe der Quelle zulässig. Der Fach- bereich berät über die dabei zu berücksichtigenden Fragen.[.. next page ..]Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Seite 2 Einzelfragen zur Photosynthese von C3- und C4- Pflanzen C4-Pflanzen können bei hoher Lichteinstrahlung und hoher Temperatur in kürzerer Zeit mehr Biomasse aufbauen als C3-Pflanzen. Entsprechend sind C4-Pflanzen vorwiegend an trockenen Standorten zu finden. Vor allem Gräser und Nutzpflanzen, wie Amarant, Hirse, Mais und Zucker- rohr nutzen die C4-Photosynthese.“ BMBF (2019). C4-Pflanzen. https://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=7812 2. Vorkommen der C4-Photosynthese im Pflanzenreich „Nur etwa drei Prozent der heute lebenden Gefäßpflanzen betreiben C4-Photosynthese. Da diese jedoch so effizient ist, machen sie ungefähr 25 Prozent der gesamten, auf dem Land betriebenen Photosyntheseleistung aus. Bekannte C4-Pflanzen sind Mais, Zuckerrohr, Amarant, Hirse und Chinaschilf. Die meisten gehören zu den Gräsern, gefolgt von Seggen. Doch auch bei einer Reihe von Zweikeimblättrigen gibt es diesen Stoffwechselweg, insbesondere bei den Fuchsschwanzge- wächsen und anderen Nelkenartigen, bei Wolfsmilchgewächsen und vereinzelt bei Windenge- wächsen und Korbblütlern. C4-Pflanzen wachsen schneller als C3-Pflanzen, bilden also in kürze- rer Zeit mehr Biomasse, was ihren landwirtschaftlichen Nutzen gegenüber anderen Pflanzen er- höht. Die C4-Photosynthese ist aus evolutionsbiologischer Sicht der jüngere und modernere Pho- tosynthesetyp. Die C3-Photosynthese gibt es schon seit über zwei Milliarden Jahren. Die C4-Pho- tosynthese hat sich erst vor 30 Millionen Jahren entwickelt. (…) Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/oxygenase (RuBisCO) ist dafür verantwortlich, dass alle photosynthetisch aktiven Pflanzen Kohlenstoffdioxid aufnehmen können, weshalb es vermutlich das mengenmäßig häufigste wasserlösliche Protein der Erde ist. C4-Pflanzen können mit viel weniger RuBisCO genau so viel Kohlenstoff aus der Luft fixieren wie C3-Pflanzen. So bleibt ihnen mehr Energie zum Wachsen.“ BMBF (2013). Die Evolution von C4-Pflanzen vorhersagen. Kann man C3-Pflanzen in C4-Pflanzen umzüchten? https://www.pflanzenforschung.de/de/journal/journalbeitrage/die-evolution-von-c4- pflanzen-vorhersagen-kann-man-c3-p-10069 C4-Pflanzen sind bei Wasserknappheit, hohen Temperaturen und Sonneneinstrahlung C3-Pflan- zen in ariden Klimazonen überlegen. So betreiben etwa 70 Prozent aller im Death-Valley-Natio- nalpark lebenden Arten eine C4-Photosynthese. Der Großteil aller C4-Gräser wächst in Regionen mit weniger als 30 Grad geographischer Breite. Seltener sind sie in kalten Regionen zu finden, wie z. B. in der borealen Zone zwischen dem 50. und 65. Breitengrad und in großen Höhenlagen. Es gibt einige kältetolerante C4-Pflanzen, die Frost sowie winterliche Temperaturen (−20 °C) überstehen können, beispielsweise C4-Gräser in den Anden. Vergleiche dazu: Rowan F. Sage, Ferit Kocacinar, David S. Kubien: C4 photosynthesis and tempe- rature. In: Raghavendra, Sage (Hrsg.): C4 photosynthesis and related CO2 concentrating mecha- nisms. 2011, S. 161–195. Fachbereich WD 8 (Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung)[.. next page ..]Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Seite 3 Einzelfragen zur Photosynthese von C3- und C4- Pflanzen Unklar ist, warum es - bis auf ein paar wenige Ausnahmen - keine Bäume mit einer C4-Photosyn- these existieren. Rowan F. Sage schreibt dazu in einem Aufsatz aus dem Jahr 2017: "For reasons that are not fully understood, the C4 pathway is absent in trees, with the exception of a few rare species in Hawaii." Auf Hawaii existieren demnach nur vier Arten, darunter Euphorbia olowaluana (bis 10 m) und E. herbstii (bis 8 m). Euphorbia olowaluana wächst in trockenen Wäldern auf Hawaii, bildet aber kein dichtes Blätterdach. E. herbstii wächst größtenteils als Baum im Unterholz anderer Bäume und verfügt über eine ausgezeichnete Schattentoleranz. Vergleiche dazu: Rowan F. Sage: A portrait of the C4 photosynthetic family on the 50th anniver- sary of its discovery: species number, evolutionary lineages, and Hall of Fame. In: Journal of Ex- perimental Botany. Band 68, Nr. 2, 2017, S. e12–e13, https://academic.oup.com/jxb/ar- ticle/68/2/e11/2932223 ) *** Fachbereich WD 8 (Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung)
Dieses Projekt untersucht den Effekt der Land-Atmosphärenkopplung auf die Verdunstung und die Photosynthese der Pflanzen. Es vereint kontrollierte Labor- und Feldexperimente mit kontinuierlichem Monitoring der mikrometeorologischen Bedingungen im Bestand und des Grades an Trockenstress, mit dem spezifischen Ziel, die Rolle der Land-Atmosphärenkopplung in einem optimalitätsbasierten Modell zu repräsentieren. Das Projekt unterstützt die LAFI Forschergruppen-Ziele O3, OS und OE, durch Verbesserung unseres Verständnisses der stomatären Kontrolle der Verdunstung und Photosynthese (O3), Erweiterung der Beobachtungen der Land-Atmosphären-Wechselwirkungen bis in den Bestand hinein (OS), sowie Untersuchungen der Auswirkungen von extremen Hitze- und/oder Trockenereignissen auf die stomatäre Kontrolle und demzufolge Verdunstung, mit ihren Auswirkungen auf den Austausch von sensibler Wärme mit der Atmosphäre und möglichen dauerhaften Auswirkungen durch Hitzeschäden am Blattwerk. Ein besonderer Fokus wird auf die folgenden, projektspezifischen sub-Hypothesen gelegt: SH1) Vertikale Vermischung der Luftmassen vergrößert die Blatt- und Bestandeswassernutzungseffizienz; SH2) Vertikale Vermischung der Luftmassen reduziert Wärmestress der Pflanzen (insbesondere während Trockenperioden), d.h. dass Blatttemperaturen kleiner sind in Perioden mit stärkerer Vermischung; SH3) Optimalitätsbasierte Vegetationsdynamik und stomatäre Kontrolle verbessert die Modellierung von Verdunstung, CO2-Aufnahem der Vegetation, sowie die Bodenfeuchtedynamik im Vergleich mit konventionellen Parametrisierungen der Vegetation.
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.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 222 |
| Europa | 7 |
| Kommune | 5 |
| Land | 22 |
| Weitere | 4 |
| Wissenschaft | 160 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 219 |
| Taxon | 2 |
| Text | 6 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 8 |
| Offen | 219 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 210 |
| Englisch | 53 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 6 |
| Keine | 180 |
| Webseite | 42 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 204 |
| Lebewesen und Lebensräume | 224 |
| Luft | 180 |
| Mensch und Umwelt | 226 |
| Wasser | 197 |
| Weitere | 227 |