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Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Einfluß von Biokrustenstruktur und -funktion bei der Verwitterung, der Bodenbildung und bei Erosionsprozessen (CRUSTWEATHERING)

Global betrachtet bilden biologische Bodenkrusten (Biokrusten) die produktivste Biomasse der -Kritischen Zone- arider Regionen der Erde. Sie bestehen aus heterotrophen Bakterien, Pilzen, Flechten, Moosen, Cyanobakterien und Algen sowie deren Ausscheidungsprodukten. Mittels extrazellulärer organischer Substanzen verkleben sie mineralische Bodenpartikel und bilden eine Art stabile -Haut- an der Bodenoberfläche. Diese aggregierte, gegenüber Wassererosion stabile Schicht trägt multifunktional zur Primärproduktion, Mineralisierung, biogenen Verwitterung, Festlegung trockener und nasser Deposition sowie zur Stabilisierung von Böden, Hängen und ganzen Landschaften bei. Als sogenannte Ökosystem-Ingenieure beeinflussen sie die Nährstoff- und hydrologischen Kreisläufe klein- und großräumig. Intensive Literaturstudien ergaben zweifelsfrei, dass die Biokrusten in ganz Südamerika nahezu unerforscht sind, obwohl sie in den Gebieten des SPP EarthShape sehr häufig vorkommen. Daher sind die Hauptziele unseres interdisziplinären Forschungsprogramms, 1) die weitgehend unbekannte Strukturierung und Zusammensetzung chilenischer Biokrusten mittels Feld- und Labormethoden zu untersuchen, um deren Verbreitung und organismische Zusammensetzung zu erfassen; 2) herauszufinden, wer von den abundanten Organismen mit welchen biochemischen Prozessen zur biogenen Verwitterung beiträgt, und die Verwitterungsraten in Abhängigkeit von Struktur und Zusammensetzung der Biokrusten und Umweltbedingungen (z.B. Mikroklima) aufzuklären; 3) die Funktion von Biokrusten in den gekoppelten biogeochemischen Kreisläufen von P- (Schwerpunkt!), C- und N-Verbindungen über räumliche Skalen, von atomar/molekular über Einzelminerale, Biokrustenmuster und Bodenprofile bis zu Hängen bzw. Einzugsgebieten zu erfassen, letzteres mittels fernerkundlich erfasster Spektraldaten und gemeinsam entwickelter Transferfunktionen sowie 4) zu verstehen, wie mikroklimatische Bedingungen und Wasserverfügbarkeit die Biokrustenzusammensetzung, Aktivität, Bedeckungsgrad und Funktion in ariden Ökosystemen steuern. Die Forschungsarbeiten beginnen mit einer gemeinsamen Feldkampagne zur Beschreibung pedologischer, geobotanischer und physisch-geographischer Gegebenheiten der Untersuchungsgebiete. Dabei werden die Forschungsflächen instrumentiert sowie Biokrusten- und Bodenproben gesammelt. Der methodisch moderne Ansatz nutzt neueste molekularbiologische, elektronenmikroskopische, pflanzenphysiologische, chemisch-analytische (massen- und synchrotronbasierte Spektroskopie) und Fernerkundungstechniken, kombiniert mit multivariater Datenanalyse. Wir erwarten, dass die Ergebnisse bisher unbekannte Biokrustenorganismen und physiologische/ökologische Funktionen erschließen sowie deren Beitrag zur biogenen Verwitterung und anderen fundamentalen Prozessen der Oberflächenformung der Erde erfassen, und damit grundlegende Erkenntnisse mit entsprechenden Daten für Geosystemmodelle auf regionaler und globaler Ebene generieren.

Trockenheitsrisiken im Wald unter Klimawandel, Teilvorhaben 1: Modellierung Echtzeitbewertung

Die Sommertrockenheit in den Jahren 2003, 2013, 2015, 2018 und 2019 verdeutlichen, dass die Häufung und Intensität katastrophaler Trockenheitsereignisse durch den Klimawandel wahrscheinlich deutlich ansteigen werden. Zur deutschlandweiten Echtzeitbewertung der Wasserverfügbarkeit und von Dürrerisiken in Waldflächen soll im Rahmen des Projektes TroWaK ein hochaufgelöstes Wasserhaushaltsmodell entwickelt werden. Die Ergebnisse des Wasserhaushaltsmodells bilden die Grundlage für neue Methoden zur Abschätzung des Risikos für abiotische und biotische Folgeschäden in trockenheitsbeeinflussten Wäldern. Der DWD arbeitet gemeinsam mit der NW-FVA und dem Thünen-Institut für Waldökosysteme an der Weiterentwicklung und Parametrisierung des Modells LWF-Brook90 (Wasserhaushaltsmodell) für verschiedene Baumarten. Die Ergebnisse des bereits laufenden WKF-Projektes 'WBI_Praxis' zur Waldverdunstung und zur Streufeuchte sollen bei der Weiterentwicklung mit einbezogen werden. Das bestehende Bestandesklimamodell BEKLIMA wird für Waldbestände angepasst und soll zusätzliche Parameter berechnen, die für die Modelle der Projektpartner (verbessertes LWF-Brook90, Schädlinge, Krankheiten) benötigt werden. Die Daten der Level II-Stationen dienen zur Parametrisierung und zur späteren Validierung der Modelle. Als Ergebnis sollen zukünftig routinemäßig Karten zur aktuellen Bodenfeuchtesituation und zum aktuellem Schadensrisiko von Waldbeständen online bereitgestellt werden. Deutschlandweit kann so eine einheitliche Bewertung der Risiken für Waldbestände in Abhängigkeit von Klima, Baumartenzusammensetzung und Boden erfolgen.

Wurzelarchitektur- und Wurzelplastizitätsmerkmale für stickstoffeffiziente und trockenstressresiliente Gerstensorten, Teilprojekt A

Stickstoff- (N) und Wassernutzungseffizienz spielen eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der Erträge unter den Herausforderungen des Klimawandels und einer restriktiveren Düngepolitik. Obwohl N- und Wasseraufnahme stark von Wurzelsystemen abhängig sind, werden Wurzelarchitektur- und -plastizitätsmerkmale (Fähigkeit von Wurzeln, ihre dreidimensionale Struktur dynamisch zu ändern) in aktuellen Zuchtprogrammen kaum berücksichtigt. Daher hat sich das FuE-Vorhaben 'SMARTROOT' zum Ziel gesetzt, die Züchtung zur Verbesserung der N- und Wassereffizienz durch die Bestimmung geeigneter Wurzelmerkmale zu beschleunigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird SMARTROOT eine neuartige, nicht-invasive Phänotypisierungsmethode entwickeln und einsetzen, um mehrere Wurzelmerkmale bei variabler N- und Wasserverfügbarkeit in einer Kartierungspopulation von Gerstenakzessionen abzubilden und zu analysieren. Die gesammelten Daten werden verwendet, um morphologische und anatomische Wurzelmerkmale und die zugrunde liegenden genetischen Faktoren zu identifizieren, die mit einer verbesserten N- und Wasseraufnahme assoziiert sind. Auf Grundlage günstiger Variationen in Wurzelmerkmalen werden die identifizierten Genloci verwendet, um Doppelhaploiden (DH)-Populationen und neue genetische Marker zu generieren, die es erlauben, vorteilhafte Wurzelmerkmale zielsicher in Elitelinien zu übertragen.

Wurzelarchitektur- und Wurzelplastizitätsmerkmale für stickstoffeffiziente und trockenstressresiliente Gerstensorten, Teilprojekt B

Stickstoff- (N) und Wassernutzungseffizienz spielen eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der Erträge unter den Herausforderungen des Klimawandels und einer restriktiveren Düngepolitik. Obwohl N- und Wasseraufnahme stark von Wurzelsystemen abhängig sind, werden Wurzelarchitekturmerkmalen und Wurzelplastizität (Fähigkeit von Wurzeln, ihre dreidimensionale Struktur dynamisch zu modulieren) in aktuellen Zuchtprogrammen selten berücksichtigt. Daher hat sich das FuE-Vorhaben 'SMARTROOT' das Ziel gesetzt, die Züchtung der N- und Wassereffizienz durch Verbesserung der Wurzelmerkmale zu beschleunigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird SMARTROOT einen neuartigen, nicht-invasiven Phänotypisierungsmethode entwickeln und einsetzen, um mehrere Wurzelmerkmale bei variabler N- und Wasserverfügbarkeit in einer Kartierungspopulation von Gerstenakzessionen abzubilden und zu analysieren. Die gesammelten Daten werden verwendet, um morphologische und anatomische Wurzelmerkmale (plastisch oder nicht) und die zugrunde liegenden genetischen Faktoren zu identifizieren, die mit einer verbesserten N- und Wasseraufnahme assoziiert sind. Die aufgedeckte phänotypische Wurzelvariationen und die identifizierten 'quantitative trait loci' werden verwendet, um Doppelhaploiden (DH)-Populationen und neue genetische Marker zu generieren, und um vorteilhafte Wurzelmerkmale schnell in Elitelinien zu übertragen.

Harmonisierte Bilanzierung des Nährstoffhaushaltes auf Intensivmessflächen des Forstlichen Umweltmonitorings, Teilvorhaben 4: Interne Stoffflüsse und Zwischenspeicher

Messsystem mit plasmonischem Sensor für die Vor-Ort-Analyse der E. coli-Belastung für die Wasserwiederverwendung, Teilvorhaben: Entwicklung einer Sensor/Detektor- und Auswerteelektronik zur vor-Ort-Erfassung von E.coli-Konzentrationen und Zellviabilität

Identifizierung von genetischen und phänotypischen Merkmalen in dem Wurzelsystem trockentoleranter Sommergerste (Hordeum vulgare)

Ziel des Projektes ist es, die Gene für die Wurzelentwicklung von Gerste zu identifizieren und deren Effekte zu quantifizieren. Zusätzlich wird die genetische Reaktion der Wurzel auf ein reduziertes Wasserangebot im Substrat untersucht und für die Modelbildung parametrisiert. Es wird ein Assoziationsansatz zur QTL bzw. QTL x Behandlungsinteraktion Detektion verwendet. Hierzu steht eine Kartierungspopulation mit ca. 192 Linien zur Verfügung, die mit den genbasierten SNP - Markern (GKI Select Chip) genotypisiert werden. Darüber hinaus wurde die Population schon mit DArT und SSR-Marker genotypisiert. Für diese Population mit hoher Markerdichte (geschätzt 5000 kartierbare Marker) wird eine Assoziationskartierung von Wurzelmerkmalen zur Schätzung der Merkmals-Marker- Assoziation im Mixed-Model-Verfahren durchgeführt. Die QTL dienen als Parameter für die QTL basierte Modellierung. Die Wurzelentwicklung wird für die Population unter Kontrolle und Stressbedingungen an zahlreichen Terminen festgestellt. Hierbei werden Wurzelparameter wie Wurzellänge, Wurzellängenentwicklung, Wurzelverteilung und mit Abschluss der Test Wurzeltrockenmasse und Sprosstrockenmasse erhoben. Parallel zu den Untersuchungen werden an einem reduzierten Genotypenset (bestehend aus Klassen Trockenstressanfällige und -tolerante) die natürliche allelische Variabilität bei Kandidatengenen-Loci der Wurzelentstehung, -entwicklung und -differenzierung aus Arabidopsis bzw. Mais geprüft. Darüber hinaus wird mit einem Metabolomics Ansatz geprüft, ob diagnostische Signaturen für Trockenstress existieren. Hierzu werden vergleichende Analysen der Metaboliten zwischen den Mitgliedern des reduzieren Genotypensets durchgeführt, um spezifische Metaboliten für Trockenstress resistente Genotypen zu identifizieren

Vulnerability to Water Scarcity and Glacier Fed Water Availability, Peru

Neue UBA-Daten zur Grundwasserneubildung in Deutschland

<p>Neue UBA-Daten zur Grundwasserneubildung in Deutschland</p><p>Grundwasser ist die wichtigste Quelle für Trinkwasser in Deutschland. Welche Mengen entnommen werden können ohne langfristig diese wichtige Ressource zu gefährden, hängt entscheidend von der Grundwasserneubildung ab. Das Umweltbundesamt (UBA) hat neue Daten zur Grundwasserneubildung und zur Nutzungsintensität in Deutschland veröffentlicht.</p><p>In Deutschland werden rund 70 Prozent des Trinkwassers aus Grundwasserressourcen gewonnen. Damit das Grundwasser auch langfristig in ausreichenden Mengen für die Wasserversorgung verfügbar bleibt und grundwasserabhängige Ökosysteme geschützt werden, sind Kenntnisse über die Menge neu gebildeten Grundwassers (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/g?tag=Grundwasserneubildung#alphabar">Grundwasserneubildung</a>⁠) und die Wassergewinnung (Wasserentnahmen) entscheidend.</p><p>Für die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasserressourcen, insbesondere in Trockenperioden, sind deshalb valide Daten zur Grundwasserneubildung essenziell. Auch die Wassergewinnung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bewirtschaftung der Wasserressourcen. Erst durch die Gegenüberstellung von Wassergewinnung und vorhandener Wasserressource können Problemregionen erkannt werden. Für diese Bilanzierung wird der Grundwassergewinnungsindex (GWGI) berechnet. Der Index beschreibt das Verhältnis der Grundwassergewinnung zur -neubildung. Mit dem Index wird die Nutzungsintensität bewertet.</p><p>In der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠-Studie „Auswirkung des Klimawandels auf die Wasserverfügbarkeit − Anpassung an Trockenheit und ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Drre#alphabar">Dürre</a>⁠ in Deutschland (WADKlim)“, wurden neue Daten zur Grundwasserneubildung und zu Grundwassergewinnungsindizes erarbeitet und veröffentlicht.</p><p>Die mittlere Netto-Grundwasserneubildung wurde mit dem Modell mGROWA für den Zeitraum 1961 bis 2020 berechnet. Die Mittelwerte der Jahressummen in Millimeter können für die 10-Jahres- und 30-Jahres-Perioden abgerufen werden.</p><p>Zusätzlich werden die Grundwassergewinnungsindizes auf Ebene der Landkreise und kreisfreien Städte (NUTS-3-Regionen) innerhalb von Deutschland und für das Jahr 2019 bereitgestellt. Der GWGI beschreibt Zusammenhänge zwischen Grundwasserneubildung und Grundwassergewinnung, basierend auf dem erneuerbaren Grundwasserdargebot. Dabei handelt es sich um Niederschlag und Zusickerung aus Oberflächengewässern.</p><p>Die Autor:innen der Studie kommen zu dem Ergebnis, dass zukünftig in vielen Regionen Deutschlands die Verfügbarkeit von Wasser unter dem Einfluss des Klimawandels sinkt. Insbesondere in Trockenperioden kann es regional zu erheblichen Engpässen in der Wasserverfügbarkeit kommen, was zur Entstehung von Nutzungskonflikten führen oder bestehende Konflikte verschärfen kann. Um eine sichere und gerechte Versorgung für alle Nutzergruppen zu gewährleisten ist daher eine nachhaltige Wassernutzung nötig.</p><p></p><p><p>Beide Datensätze werden durch das UBA als ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/o?tag=Open_Data#alphabar">Open Data</a>⁠ zur freien Nachnutzung öffentlich bereitgestellt.<br>Sehen Sie den WADKlim Abschlussberichthierund das WADKlim Factsheethier.<p>Beide Datensätze werden durch das UBA als ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/o?tag=Open_Data#alphabar">Open Data</a>⁠ zur freien Nachnutzung öffentlich bereitgestellt.<br>Sehen Sie den WADKlim Abschlussberichthierund das WADKlim Factsheethier.

DAS: Co-Adapted Braunschweig: Durch Co-Creation gemeinsam an den Klimawandel anpassen, Durch Co-Creation gemeinsam an den Klimawandel anpassen

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