P ist für alle Lebewesen ein lebensnotwendiges Nährelement. In terrestrischen Ökosystemen ist P häufig ein limitierender Nährstoff. Der P-Gehalt im Oberboden beeinflusst die Pflanzenartenvielfalt im Dauergrünland. P ist für die Eutrophierung von Oberflächengewässern hauptverantwortlich. Außerdem gehört P zu den knappen Rohstoffen. Die Preise für mineralische P-Dünger werden deshalb in Zukunft vermutlich weiter steigen. Ein effizienter Einsatz mineralischer P-Dünger ist daher sowohl aus Gründen des Natur- und Umweltschutzes als auch aus Kostengründen notwendig. Von einer ressourcenschonenden und umweltverträglichen Grünlandbewirtschaftung wird erwartet, dass die Düngung den P-Bedarf der Pflanzen deckt, gleichzeitig aber die P-Verluste durch Erosion, Abschwemmung und Auswaschung so gering wie möglich gehalten werden. Daher ist es notwendig, die Düngung an den zeitlichen und mengenmäßigen Nährstoffbedarf der Vegetation anzupassen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss einerseits der saisonabhängige P-Bedarf der Pflanzen bekannt sein und andererseits die P-Dynamik im Boden berücksichtigt werden. Die P-Dynamik im Boden ist von vielen Bodeneigenschaften abhängig. Entscheidend sind vor allem pH-Wert, Bodenwasserhaushalt (Redoxpotential), Bodentemperatur und mikrobielle Aktivität (Phosphataseaktivität) im Boden. Für die Optimierung von P-Düngemaßnahmen sind daher Kenntnisse über die P-Dynamik im Boden und die verschiedenen P-Pools im Boden notwendig. Davon hängt die Ausnutzbarkeit und Ertragswirksamkeit der P-Dünger und somit die bedarfsgerechte Menge und der optimale Zeitpunkt der P-Düngung ab. Über die P-Dynamik im Boden in Abhängigkeit vom Bodenwasserhaushalt und die verschiedenen P-Pools in österreichischen Grünlandböden ist bisher noch wenig bekannt. Die Thematik ist aber von großer praktischer Relevanz, weil P ein knapper Rohstoff mit großer Umweltwirkung ist. Sowohl aus landwirtschaftlicher als auch aus wasserwirtschaftlicher Sicht stellen sich folgende Fragen: - Werden die verschiedenen P-Pools im Boden durch langjährige Düngung unterschiedlich angereichert? - Welchen Einfluss hat die Höhe der jährlich ausgebrachten P-Düngermenge? - Bestehen Unterschiede zwischen mineralischer und organischer Düngung? - Welche P-Pools im Boden werden bei fehlender Düngung bevorzugt abgereichert? - Bestehen hinsichtlich P-Pools Unterschiede zwischen verschiedenen Tiefenstufen im Boden? - Welchen Einfluss haben Grundwasserspiegelschwankungen und Veränderungen des Bodenwassergehaltes auf die P-Dynamik und P-Mobilität im Boden? - Haben feuchte und nasse Grünlandstandorte einen geringeren P-Düngerbedarf als wechselfeuchte oder frische Standorte? Für die Beantwortung dieser Fragen bieten sich Langzeitfeldversuche an. Langzeitfeldversuche wurden in Gumpenstein 1960 und in Admont 1946 angelegt. Die Düngungs- und Nutzungsgeschichte auf den einzelnen Versuchsparzellen ist bestens dokumentiert. (Text gekürzt)
Zielsetzung: Viele Oberflächengewässer im urbanen Raum werden durch Stoffeinträge aus der Trenn- und Mischkanalisation kontaminiert. Besonders betroffen sind Stillgewässer oder sehr langsam durchflossene Gewässer. Ein Beispiel ist die Grunewaldseenkette in Berlin. Die zehn miteinander verbundenen kleinen Seen dienen der Naherholung und der Einleitung von Niederschlagswasser aus umliegenden Siedlungsgebieten und Verkehrsflächen. Die stofflichen Belastungen beeinträchtigen die Wasserqualität der Seen in hohem Maße. In verfügbaren Daten fallen insbesondere hohe Phosphorkonzentrationen, Algenblüten und ein häufig geringer Sauerstoffgehalt auf, der in der Vergangenheit bereits zu Massenfischsterben geführt hat. Die Grunewaldseenkette ist ein komplexes System in dem die natürlichen Stoffumsatzprozesse deutlich anthropogen beeinflusst werden. Neben den Stoffeinträgen zählt dazu auch die Steuerung des Wasserstands der Seen, die entgegen ihrer natürlichen Fließrichtung von der Havel aus durchströmt werden. Für die Bewirtschaftung der Grunewaldseenkette und die Ableitung von wirksamen Maßnahmen wird im uWMS Projekt ein integriertes Simulationsmodellsystem (urbanes Wassermanagementsystem für Seen) aufgebaut. Mit dem uWMS werden Maßnahmenwirkungen untersucht und in einem Stakeholderdialog Lösungsstrategien erarbeitet, die die ökologische Funktion der Seen langfristig verbessern und stabilisieren. Die Modellentwicklung wird durch ein Monitoringprogramm begleitet, um vertiefte Einblicke in die Ursachen und Wirkungsketten der verschiedenen Belastungen zu erlangen. Das uWMS Modellsystem wird auch für andere urbane Seen oder Seensysteme anwendbar sein und stellt somit ein neuartiges Werkzeug für das urbane Wassermanagement bereit.
In aquatischen Ökosystemen ist der Nährstoffkreislauf eine entscheidende Ökosystemfunktion. Sowohl Stickstoff (N) als auch Phosphor (P) sind essentielle Nährstoffe für aquatische Lebensformen, doch im Übermaß verursachen Stickstoff und Phosphor Eutrophierung. Eutrophierung ist eine globale Beeinträchtigung des Ökosystems, bei der ein Überschuss an Nährstoffen die Struktur und Funktion von Süßwasserökosystemen verändert. Die wichtigsten Auswirkungen der Eutrophierung sind eine übermäßige Zunahme der Algenbiomasse und -produktivität, eine Beeinträchtigung der physikalisch-chemischen Wasserqualität (d. h. Zunahme von Farbe, Geruch und Trübung), anoxische Gewässer, Fischsterben und Einschränkungen der Wassernutzung für Erholungszwecke. Die Eutrophierung ist seit den späten 1980er Jahren in ganz Europa als erhebliches Umweltproblem erkannt worden und stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Um ein gesundes Ökosystem zu erhalten, sollte der Phosphorgehalt im Wasser kontrolliert werden. Phosphor wird nicht vollständig aus dem aquatischen Ökosystem entfernt, sondern von einem Kompartiment (d. h. Wasser) in ein anderes (d. h. Flussbettsubstrate und/oder Biota) immobilisiert. Bei dieser P-Immobilisierung spielen mikrobielle Biofilme eine Schlüsselrolle, indem sie gelösten Phosphor aus dem Wasser einschließen. Dieser Einschluss kann in zwei verschiedenen Pools erfolgen (d. h. intrazellulär oder extrazellulär). Das Wissen über die biologischen Mechanismen des Biofilm-P-Einschlusses in aquatischen Ökosystemen ist jedoch nach wie vor begrenzt. Außerdem kann die Fähigkeit von Biofilmen, P einzuschließen, von ihren Stoffwechselprofilen abhängen. Genauer gesagt bestimmt der C-bezogene Stoffwechsel die Fähigkeit von Biofilmen, organische Verbindungen zu mineralisieren und für ihr Wachstum zu nutzen, und der P-bezogene Stoffwechsel ist mit ihrer Fähigkeit verbunden, verschiedene P-Quellen aufzunehmen. Aus diesem Grund erwarte ich, dass die Fähigkeit aquatischer Ökosysteme, P aus aquatischen Ökosystemen aufzunehmen, von der Struktur und Aktivität der Biofilme abhängt. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, zu verstehen, wie Energiequellen in Flussökosystemen die Wege der P-Einlagerung innerhalb von Biofilmen beeinflussen. Insbesondere soll (i) geklärt werden, wie die Kombination von autotrophen und heterotrophen Energiequellen (d. h., (ii) die Auswirkung autotropher und heterotropher Energiequellen auf den C- und P-Stoffwechsel in Biofilmen und ihre Verbindung zu den P-Einlagerungspools zu testen und (iii) die Muster der intrazellulären P- und extrazellulären P-Einlagerungswege in Biofilmen und die Stoffwechselprofile mit den Längsgradienten des Lichts und der Qualität des gelösten Sauerstoffs in Flussökosystemen zu verknüpfen.
Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.
Die Humusauflage (FF) ist die Schnittstelle zwischen den ober- und unterirdischen Teilen von Waldökosystemen. Sie bietet Lebensraum für eine Vielzahl von Organismen, dient als Saatbett und Wurzelraum für die Vegetation und fungiert als Drehscheibe des Ökosystems, an dem organische Substanz, Nährstoffe, Wasser und Klimagase gespeichert, absorbiert und umgewandelt werden. Die Eigenschaften von FF spiegeln daher komplexe Wechselwirkungen zwischen biotischen und abiotischen Ökosystemkomponenten wider, insbesondere solche, die mit dem Mikroklima und der Nährstoffversorgung zusammenhängen. Eine Auswirkung der Klimaerwärmung auf die FF und die damit verbundenen Ökosystemleistungen ist vor allem in den gemäßigten Regionen wahrscheinlich, wo kleine Änderungen der Kontrollvariablen eine Verschiebung von Wäldern, in denen die organische Schicht dominiert, zu Wäldern, in denen der Mineralboden dominiert, bewirken können. Unsere Forschungsgruppe (FOR) konzentriert sich auf die Analyse der kausalen Zusammenhänge zwischen Kontrollvariablen, Eigenschaften und Ökosystemleistungen von FFs. Diese Zusammenhänge ermöglichen (i) die Erfüllung bestimmter Funktionen durch den FF im Vergleich zum mineralischen Oberboden, (ii) eine Bewertung der Anfälligkeit von FF unter der Klimaerwärmung und (iii) die Verwendung von FF-Eigenschaften als Indikatoren für die Bereitstellung von Ökosystemleistungen unter gegebenen klimatischen Bedingungen und Eigenschaften des Mineralbodens. Diese Ziele orientieren sich an der Gesamthypothese der FOR: Die Waldbodeneigenschaften europäischer Buchenwälder werden durch Anpassungen der Organismen an den Nährstoffstatus der Böden geprägt. Der Einfluss der Klimaerwärmung auf die FF-basierten Ökosystemleistungen hängt von den Wechselwirkungen mit diesen Anpassungen ab. Dieser konzeptionelle Rahmen wird durch spezifische Hypothesen von 11 Einzelprojekten in enger Zusammenarbeit umgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf kombinierten Phosphor- (P) und Temperatureinflüssen in europäischen Buchenwäldern (Fagus sylvatica) in Mischung mit Fichte (Picea abies) und Bergahorn (Acer pseudoplatanus) liegt. Zwölf Untersuchungsstandorte ermöglichen die Untersuchung der interaktiven Wirkungen von Lufttemperatur und P-Gehalt der Böden. An diesen Standorten werden wir 13C-, 15N- und 2H-Experimente zur Markierung von Streu durchführen, um Prozesse zu verfolgen und zu quantifizieren, und wir werden diese in den Kontext der Nährstoff-, Kohlenstoff- und Wasserdynamik stellen. Ergänzt werden unsere Forschungsarbeiten durch Baumsaatexperimente und Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften, Nahrungsnetze der Bodenfauna sowie wurzel- und mykorrhizabedingten Prozessen. Zeitreihenanalysen vorhandener Daten und ökologische Modellierung werden das Prozessverständnis, das up-scaling und die Abschätzung von Szenarien unterstützen.
Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.
Phosphor wird auf verschiedensten Skalen rezykliert: Diese reichen von der Ökosystemebene über Kreisläufe innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft bis hin zu Kreisläufen innerhalb von Einzelorganismen. Ziel des Projektes ist es, mikrobielle P-Umsatzmodelle auf der Organismenebene und auf der Ebene mikrobieller Gemeinschaften zu unterscheiden. Es wird davon ausgegangen, dass P-Kreisläufe auf der Organismenebene überwiegend zur Aufrechterhaltung (Maintenance) der eigenen Zellfunktionen erfolgen. Dagegen umfassen P-Kreisläufe auf der Ebene mikrobieller Gemeinschaften i) die P-Freisetzung durch Absterben und Zelllyse mit anschließendem ii) mikrobiellem Wachstum und P-Aufnahme. Unserem Vorhaben liegen folgende Hypothesen zugrunde: 1) Erfogen P-Umsätze überwiegend aufgrund von Zelltod und Wachstum, so sind diese wesentlich schneller als Kreisläufe zur Aufrechterhaltung der Zellfunktion. 2) In P-reichen Böden (akquirierenden Ökosystemen) erfolgt mikrobieller P-Umsatz schneller und vor allem durch Zelltod und Wachstum, während in P-armen Böden (rezyklierenden Ökosystemen) P-Umsatz überwiegend zur Aufrechterhaltung und langsamer erfolgt, da die eingeschränkte P-Verfügbarkeit eine effizientere Ressourcennutzung fordert. 3) Eine hohe C- und N-Verfügbarkeit stimuliert P-Umsatz vor allem in Folge von Zelltod und Wachstum, 4) was in bakteriellen Gemeinschaften schneller als in pilzlichen erfolgt.Fünf unabhängige Ansätze ermöglichen die Untersuchung und Unterscheidung von P-Umsätzen auf Organismen- und Gemeinschaftsebene: 1) Unterschiedlicher Einbau von 33P, 14C und 13C in Phospholipide , 2) Unterschiedlicher Einbau von 33P und 14C in DNA, 3) ATP-Gehalt und Adenylat-Energie-Ladung, 4) Modifikation der CO2-Freisetzung durch P-Applikation und 5) Wärmeabgabe (Kalorimetrie) des Bodens. Zudem wird ein neuer präperativer Ansatz entwickelt, um den 33P-, 14C- und 13C-Einbau in Phospholipide individueller Mikrobengruppen zu analysieren. Die Hypothesen werden an Böden getestet, die sich hinsichtlich ihres P-Gehaltes (Luess vs. Bad Brückenau) und ihrer P-Speziierung (Mittelfels vs. Achenpass) unterscheiden. Hierfür werden Mikrokosmen- und Feldexperimente durchgeführt. Aus der Dynamik von Einbau und Freisetzung von 33P und 14C in spezifische Mikrobengruppen lassen sich P-Umsätze infolge von Zelllyse und Wachstum von solchen zur Aufrechterhaltung in akquirierenden und rezyklierenden Ökosystemen unterscheiden und abschätzen. In Kooperation werden Mikrokosmen- und Feldexperimente durchgeführt um den Einfluss der C-Freisetzung in die Rhizosphäre bei variabler P-Verteilung auf die P-Rezyklierung zu untersuchen. Der Effekt von P- und N-Addition auf mikrobielle P-Kreisläufe wird in einem faktoriellen NxP-Düngungsversuch unter Freilandbedingungen analysiert.Diese Untersuchungen werden neue Wege zur Unterscheidung der P- und Nährstoffkreisläufe zwischen Gemeinschafts- und Organismusebene weisen und den Beitrag von Tod/Wachstum vs. Aufrechterhaltung in Ökosystemen bestimmen.
Anhand von zeitlichen Trends der Phosphor-Blatt- und Nadelspiegelwerte von Bäumen auf Dauerbeobachtungsflächen wurde für die vergangenen 2-3 Jahrzehnte eine Verschlechterung der P-Ernährung in vielen europäischen Regionen festgestellt. Als mögliche Ursachen dafür werden Bodenversauerung, Eutrophierung der Waldökosysteme mit N und dadurch ein verbessertes Wachstum, sowie Bodenschutzkalkungen und Auswirkungen des Klimawandels diskutiert. Hier soll untersucht werden, ob anhand der P-Gehalte in den Jahrringen von Picea abies und Fagus sylvatica, bestimmt mittels LA-ICP-MS (Laser Ablation - Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie), langfristige Trends und historische Variabilität in der P-Verfügbarkeit festgestellt werden können. Bisher gibt es nur ganz wenige Studien zu P-Gehalten in Jahrringen und es ist nicht klar, ob deren inter-annuelle Variation zu Veränderungen der P Verfügbarkeit in Beziehung steht. Daher soll hier in einem ersten Schritt die Beziehung zwischen P in Jahrringen und P-Verfügbarkeit für zwei Arten von Bohrkerneproben analysiert werden: a) von P Düngungsversuchen mit bekannten Zeitpunkten und Applikationsraten, und b) von den Dauerbeobachtungsflächen des DFG-Schwerpunktprogramms mit verfügbaren Zeitreihen der P-Konzentrationen in Blättern/Nadeln und Streu. Zweitens wird analysiert, ob die P-Gehalte in Jahrringen aus Wäldern in denen die P-Versorgung hauptsächlich durch Rezyklierung geleistet wird ('recycling systems') eine höhere zeitliche Variation aufweisen als in Wäldern, die einen größeren Teil des P aus der mineralischen Festphase aufnehmen ('acquiring systems'); siehe grundlegende Hypothese des Schwerpunktprogramms, die postuliert, dass 'recycling systems' sensibler auf menschliche Einflüsse und Umweltveränderungen reagieren. Drittens wird quantifiziert, ob die Effizienz der Rezyklierung von P im Stammholz, gemessen als prozentuale Rückverlagerung vom äußeren Kernholz bis zum jüngsten Splintholz, in 'recycling systems' höher ist als in 'acquiring systems'. Viertens wird untersucht ob sich im Kernholz der 'P-rezyklierenden' und der 'P-akquirierenden' Waldökosysteme unterschiedliche, langfristige Trends in der P-Versorgung darstellen und ob diese durch Gehalte anderer Elemente (N, S, K, Ca, Mg, Al, ermittelt durch ICP-OES), Elementverhältnisse (N/P, P/Ca, P/Al, etc.) oder Wachstumstrends erklärt werden können. Mittels Regressionen zwischen diesen Variablen lassen sich einige der zentralen Fragen des Schwerpunktprogramms adressieren. Sollte die P-Verfügbarkeit infolge von Bodenversauerung abgenommen haben, so sollten abnehmende P Gehalte in Jahrringen mit einer Abnahme der Ca- und Mg-, sowie einer Zunahme der Al-Gehalte einhergehen. Dieses Projekt wird nicht nur Information zu langfristigen Trends der P-Ernährung der Hauptbaumarten der Standorte des Schwerpunktprogramms liefern, sondern auch wichtige Daten zur Speicherung und Aufnahme von P im Holz, um damit Nährstoffbilanzen und biogeochemische Modelle zu unterstützen.
Die Humusauflage (FF) ist die Schnittstelle zwischen den ober- und unterirdischen Teilen von Waldökosystemen. Sie bietet Lebensraum für eine Vielzahl von Organismen, dient als Saatbett und Wurzelraum für die Vegetation und fungiert als Drehscheibe des Ökosystems, an dem organische Substanz, Nährstoffe, Wasser und Klimagase gespeichert, absorbiert und umgewandelt werden. Die Eigenschaften von FF spiegeln daher komplexe Wechselwirkungen zwischen biotischen und abiotischen Ökosystemkomponenten wider, insbesondere solche, die mit dem Mikroklima und der Nährstoffversorgung zusammenhängen. Eine Auswirkung der Klimaerwärmung auf die FF und die damit verbundenen Ökosystemleistungen ist vor allem in den gemäßigten Regionen wahrscheinlich, wo kleine Änderungen der Kontrollvariablen eine Verschiebung von Wäldern, in denen die organische Schicht dominiert, zu Wäldern, in denen der Mineralboden dominiert, bewirken können. Unsere Forschungsgruppe (FOR) konzentriert sich auf die Analyse der kausalen Zusammenhänge zwischen Kontrollvariablen, Eigenschaften und Ökosystemleistungen von FFs. Diese Zusammenhänge ermöglichen (i) die Erfüllung bestimmter Funktionen durch den FF im Vergleich zum mineralischen Oberboden, (ii) eine Bewertung der Anfälligkeit von FF unter der Klimaerwärmung und (iii) die Verwendung von FF-Eigenschaften als Indikatoren für die Bereitstellung von Ökosystemleistungen unter gegebenen klimatischen Bedingungen und Eigenschaften des Mineralbodens. Diese Ziele orientieren sich an der Gesamthypothese der FOR: Die Waldbodeneigenschaften europäischer Buchenwälder werden durch Anpassungen der Organismen an den Nährstoffstatus der Böden geprägt. Der Einfluss der Klimaerwärmung auf die FF-basierten Ökosystemleistungen hängt von den Wechselwirkungen mit diesen Anpassungen ab. Dieser konzeptionelle Rahmen wird durch spezifische Hypothesen von 11 Einzelprojekten in enger Zusammenarbeit umgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf kombinierten Phosphor- (P) und Temperatureinflüssen in europäischen Buchenwäldern (Fagus sylvatica) in Mischung mit Fichte (Picea abies) und Bergahorn (Acer pseudoplatanus) liegt. Zwölf Untersuchungsstandorte ermöglichen die Untersuchung der interaktiven Wirkungen von Lufttemperatur und P-Gehalt der Böden. An diesen Standorten werden wir 13C-, 15N- und 2H-Experimente zur Markierung von Streu durchführen, um Prozesse zu verfolgen und zu quantifizieren, und wir werden diese in den Kontext der Nährstoff-, Kohlenstoff- und Wasserdynamik stellen. Ergänzt werden unsere Forschungsarbeiten durch Baumsaatexperimente und Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften, Nahrungsnetze der Bodenfauna sowie wurzel- und mykorrhizabedingten Prozessen. Zeitreihenanalysen vorhandener Daten und ökologische Modellierung werden das Prozessverständnis, das up-scaling und die Abschätzung von Szenarien unterstützen.
Neben Stickstoff ist in natürlichen (Wald)ökosystemen vor allem Phosphat (P) limitierend für die Gesamtbiomasseproduktion. Aufgrund der geringen Mobilität von Phosphat sind höhere Pflanzen jedoch selbst auf gut gedüngten Ackerböden in mehr oder weniger starkem Umfang auf spezielle Anpassungen zur P Aneignung, wie die Ausbildung von Feinwurzelstrukturen, Veränderungen der Rhizosphärenchemie zur P-Mobilisierung, die Expression hochaffiner -ufnahmesysteme, auf Mycorrhizierung und effiziente interne P Verwertung angewiesen. Die genetischen Grundlagen derartiger Anpassungen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht. Weitgehend unbekannt ist in diesem Zusammenhang jedoch, inwieweit auch epigenetische Modifikationen dabei eine Rolle spielen, die möglicherweise sehr viel schnellere vererbbare Anpassungen an umweltabhängige Stressfaktoren ermöglichen als mutationsbedingte Veränderungen. Im beantragten Forschungsvorhaben wird untersucht, ob genetisch identisches Ausgangsbaummaterial von unterschiedlichen Standorten genomweite epigenetische Unterschiede zeigt. Insbesondere wird gemessen, ob diese mit der Ernährungsstrategie für Phosphor in Verbindung stehen, bzw. für die Standortanpassung mit verantwortlich sein könnten. Die genetisch sehr gut charakterisiere und über über Stecklinge klonal vermehrte Balsampappel (Populus trichocarpa) wird als Modellsystem genutzt. Stecklinge von unterschiedlichen Standorten werden zunächst auf ihre Nährstoffgehalte geprüft und anschließend in Gefäßversuchen unter identischen Bedingungen mit unterschiedlichem Gehalt an pflanzenverfügbarem P angezogen. P-Gehalte der Pflanzen, sowie potenzielle morphologische und physiologische Anpassungen an die neue Umwelt werden gemessen. Anschließend wird das Methylierungsmuster der DNA mittels Bisulfit-Hochdurchsatzsequenzierungen genomweit kartiert und die epigenetischen Unterschiede werden mit der Genexpression im Phosphatstoffwechsel korreliert.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 182 |
| Land | 10 |
| Wissenschaft | 4 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 3 |
| Förderprogramm | 173 |
| Gesetzestext | 1 |
| Text | 14 |
| unbekannt | 5 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 17 |
| offen | 179 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 179 |
| Englisch | 44 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 2 |
| Bild | 2 |
| Datei | 4 |
| Dokument | 8 |
| Keine | 138 |
| Webseite | 52 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 166 |
| Lebewesen und Lebensräume | 185 |
| Luft | 130 |
| Mensch und Umwelt | 196 |
| Wasser | 157 |
| Weitere | 188 |