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Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt A

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt B

Beitraege zur Mikroanalyse von Elementen, insbesondere Schwermetallen, zur Untersuchung von Chloroplasten und zum Verhalten der Stomata geschaedigter und ungeschaedigter Kiefer- und Fichtennadeln

1. Der Beitrag zur Histologie und Ultrastruktur umfasst die Entwicklung der Praeparationsmethoden fuer eine schonende Elektronenmikroskopie und Roentgenmikroanalyse von Nadeln der Arten Picea abies und Pinus sylvestris, die Messungen und quantitativen Auswertungen. Die Objekte sind Nadelquerschnnitte geschaedigter und bedingt gesunder Fichten und Kiefern verschiedener Altersstufen. Die Proben wurden zu verschiedenen Jahreszeiten entnommen und stammen sowohl aus Freiland - wie aus Begasungsexperimenten. 2. Der Oekophysiologiebeitrag besteht in Transpirations- und Wasserpotentialmessungen an gesunden und geschaedigten Fichten zu verschiedenen Jahres- und Tageszeiten.

Forschergruppe (FOR) 5664: Agroforstwirtschaft für eine nachhaltige multifunktionale Landwirtschaft, Teilprojekt SP2: Wasser und Nährstoffflüsse

FORMULA hat zum Ziel die ökosystemaren Leistungen (Nature’s Contributions to People, NCP) von Agroforstsystemen zu bewerten sowie das mechanistische Verständnis der räumlichen Muster aufzuklären. Teilprojekt SP2 konzentriert sich dabei auf die NCP zur „Regulierung der Wassermenge“, „Regulierung der Wasserqualität“ sowie „Bodenentwicklung und Bodenschutz“. Das erste Ziel von SP2 ist zu prüfen, wie sich die Einführung von Bäumen in Ackerflächen auf die räumliche Dynamik der Bodenfeuchtigkeit, der Wasserflüsse und der Verteilung der Wasserflüsse (Verdunstung gegenüber Transpiration) auswirkt. Das zweite Ziel ist die Bewertung des Nährstoffhaushalts und -nutzungseffizienz sowie der räumlichen Muster der Nährstoffauswaschung (insbesondere Stickstoff) in Agroforstsystemen im Vergleich zu Ackersystemen ohne Baumreihen. Um diese Ziele zu erreichen, testet SP2 zwei teilprojektspezifische Hypothesen. Die erste Hypothese postuliert, dass die Bodenfeuchte mit zunehmender Nähe zu den Baumreihen abnimmt, was auf eine höhere Transpiration durch Bäume und dazwischen wachsenden Grasstreifen zurückzuführen ist. Die zweite Hypothese postuliert, dass Baum- und Graswurzeln ein "Sicherheitsnetz" bilden, das die Nährstoffauswaschung in der Nähe der Baumreihe verringert. Umgekehrt führen höhere Bodenfeuchtigkeit und Nährstoffverfügbarkeit in Richtung der Feldmitte zu erhöhten Auswaschungsverlusten. Der Nettoeffekt ist eine geringere Nährstoffauswaschung und eine höhere Nährstoffnutzungseffizienz in Agroforstsystemen im Vergleich zu Ackersystemen ohne Bäume in Folge einer verbesserten Ertragsstabilität und Nährstoffbindung durch tiefe Baumwurzeln. Das Teilprojekt ist in fünf Arbeitspakete (WP) unterteilt. WP1 untersucht die Dynamik der Bodenfeuchtigkeit. Es nutzt Bodenfeuchte- und -temperaturdaten aus Sensornetzwerken, um raum-zeitliche Muster und präferenzielle Fließwege zu bestimmen. WP2 quantifiziert die Aufteilung der Wasserflüsse zwischen Ackerkulturen und Bäumen durch Nutzung stabiler Wasserisotope. Eine kostengünstige Methode zur Bewertung der Nährstoffmobilität im Boden unter Verwendung von Ionenaustauschern in einem innovativen Aufbau wird im WP3 validiert. Die Methode wird in WP4 angewandt, um Gradienten der Nährstoffmobilität zu messen und Nährstoffverluste zu analysieren. Schließlich wird in WP5 der Stickstoffumsatz im Boden und die Stickstoffaufnahme von Ackerkulturen und Bäumen durch ein in situ 15N-Markierungsexperiment untersucht. SP2 wird das 15N-Experiment in Zusammenarbeit mit dem Koordinationsprojekt leiten. SP2 wird ein grundlegendes Verständnis der Auswirkungen von Bäumen auf die räumliche und zeitliche Dynamik des Wasser- und Nährstoffkreislaufs in Agroforstsystemen liefern. Zusammen mit den Erkenntnissen der anderen Teilprojekten von FORMULA stellt dies die Grundlage für die Optimierung dieser Systeme mit dem Ziel der Maximierung ihrer Vorteile bei gleichzeitiger Minimierung ihrer Nachteile im Vergleich zu Ackersystemen ohne Baumreihen dar.

Waldbau

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.

Definition funktionaler Klimabedingungen für den erfolgreichen Einsatz entomopathogener Nematoden, Teilprojekt A

WD 8 - 126/19 Einzelfragen zur Photosynthese von C3- und C4-Pflanzen

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)

Biogeochemical modelling of biosphere-atmosphere-hydrosphere interactions

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.

Hochauflösende Untersuchung des Baumwachstums in Abhängigkeit von der Kronenentwicklung in einem Auenwald-Mischbestand

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.

Bewertung der Hg-Akkumulation in Blättern und Flüssen zwischen Vegetation und Boden in tropischen trockenen und feuchten Laubwäldern: Untersuchung der Rolle von Vegetation und Saisonalität im Quecksilberzyklus des tropischen Waldes

Aktuelle Erkenntnisse legen nahe, dass tropische Ökosysteme, insbesondere tropische Wälder, eine wichtige Rolle im globalen Hg-Zyklus spielen. Aufgrund der hohen Produktivität und Litterproduktion in tropischen Wäldern findet 70% der globalen atmosphärischen (trockenen) Hg-Deposition auf Waldböden in diesen Umgebungen statt. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Bedeutung der Bestimmung der Beziehung zwischen Hg-Akkumulation in Blättern und Blatt-/Kronenmerkmalen wie spezifischer Blattfläche (SLA) und Blattflächenindex (LAI), um globale Hg-Modelle zu Aktualisierung. Jedoch wurden diese Parameter sowie die Hg-Akkumulation in der Vegetation tropischer Wälder noch nie untersucht. Ein weiterer entscheidender Faktor, der noch nie bewertet wurde, ist der Zusammenhang zwischen der Hg-Akkumulation in den Blättern und der Wassernutzungseffizienz (WUE), die die Menge an Kohlenstoff ist, die als Biomasse pro Einheit Wasser von der Pflanze produziert wird. Stomatale Regulation spielt eine entscheidende Rolle in der WUE, da die Stomataöffnung den Wasserverlust durch Transpiration und die Menge an CO2 beeinflusst, die gewonnen wird. Da die Hg-Aufnahme auch von der stomatalen Regulation abhängt, kann die Etablierung dieser Beziehung wertvolle Einblicke in die Rolle liefern, die Dürre und eine bessere Anpassung an Dürre durch Pflanzen mit höherer WUE zukünftig bei der Hg-Assimilation in der Vegetation spielen werden.Ziel dieser Studie ist es, den Hg-Kreislauf der Vegetation in tropischen Wäldern genauer zu charakterisieren, einschließlich zwei verschiedener Waldtypen, dem tropischen trockenen Laubwald (TDBF) und dem tropischen feuchten Laubwald (TMBF). Dadurch wollen wir dazu beitragen, eine bessere Bewertung der Bedeutung tropischer Wälder im Vergleich zu nichttropischen Wäldern als Hg-Senken zu erreichen. Die vorgeschlagene Studie zielt darauf ab, zu bestimmen, wie verschiedene tropische Waldtypen und damit verbundene klimatische Bedingungen die Hg-Akkumulation in der Vegetation antreiben und wie der Transport von der Atmosphäre in den Boden stattfindet. Schließlich wird diese Studie die Hg-Akkumulation im organischen Oberboden quantifizieren und ihre Beziehung zur C-Akkumulation und Hg-Flüssen im Laubfall bestimmen, was wertvolle zusätzliche Daten für zukünftige globale Hg-Modelle liefern wird. Die Studie wird die Hg-Akkumulation in der Vegetation charakterisieren und die saisonale und räumliche Variabilität in der Hg-Ablagerung durch Laubfall bewerten. Durch den Vergleich die zwei (nahezu) extreme tropische Systeme darstellen, können wir eine einzigartige Perspektive auf die Funktionsweise tropischer Wälder gewinnen und inwieweit sie sich in Bezug auf die Hg-Akkumulation unterscheiden.

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