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Validierung des phytotoxischen Ozonflusses in Nadeln und Blättern als Voraussetzung einer realitätsnahen, integrierten Risikobewertung für die Ökosystemleistungen von Wäldern in Deutschland

Bodennahes Ozon ist ein phytotoxischer Luftschadstoff dessen troposphärische Hintergrundkonzentration sich im Zuge der Industrialisierung vervielfacht hat und in Zukunft wahrscheinlich weiter ansteigen wird. Ozon wird von Pflanzen über die Stomata aufgenommen, wo es oxidative Stress auslöst und letztendlich die Nettoprimärproduktion verringert. Das schwächt die CO2-Senkenstärke von Forstökosystemen und beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit wichtiger europäischer Baumarten wie Buche und Fichte. Über die im Mapping Manual (CLRTAP 2017) zusammengefassten und vom Umweltbundesamt verwendeten Modelle (DO3SE, FO3REST) lassen sich ozonbedingte jährliche Produktivitätseinbußen über artspezifische Dosis Wirkungs-Funktionen berechnen. Voraussetzung dafür ist eine möglichst realistische Abschätzung der Ozonaufnahme als Funktion der stomatären Leitfähigkeit (als PODY, phytotoxische Ozondosis oberhalb eines Schwellenwerts von Y nmol m-2 s -1). Aufgrund bisher fehlender technischer Möglichkeiten wurden die verwendeten Modelle nicht auf Basis von Messungen der stomatären Ozonaufnahme validiert. Außerdem fehlt für Waldbaumarten, im Gegensatz zu wichtigen Kulturpflanzen, eine Wichtungsfunktion, welche die Interaktion zwischen der kumulierten Ozonaufnahme und der Stomataregulierung abbildet. Zusätzlich existiert bisher keine Möglichkeit, das Ozonrisiko für zukünftige, durch steigende Temperaturen und erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen gekennzeichnete Szenarien zu bewerten. Im vorliegenden Projekt wurden daher sowohl eine Ozon- als auch eine CO2-Wichtungsfunktion (fO3, fCO2) entwickelt und für Buche und Fichte parametrisiert. Dazu wurden aus Naturverjüngung entnommene Buchen und Fichten über drei Vegetationsperioden in den Klimakammern der TUMmesa-Phytotronanlage kultiviert und verschiedenen dynamischen, auf einen Waldstandort im Spessart regionalisierten Klimaszenarien ausgesetzt. Die Szenarien beinhalteten einen Ozongradienten unter gegenwärtigen Klimabedingungen, sowie zwei Zukunftsszenarien für das Ende des 21. Jahrhunderts mit unterschiedlich stark erhöhter Jahresmitteltemperatur und CO2-Konzentration. Die fO3-Funktion verdeutlichte im Modellansatz, dass bei Buche unter gegenwärtigen klimatischen Bedingungen bereits im Laufe des Blattaustriebs eine ozondosisbedingte Beeinträchtigung der stomatären Leitfähigkeit auftreten kann. Im Gegensatz dazu wurde die stomatäre Leitfähigkeit von Fichte nicht durch die Ozondosis beeinträchtigt. Durch Implementierung der fCO2-Funktion konnte gezeigt werden, dass unter steigendem CO2 in den Zukunftsszenarien eine Verringerung der stomatären Leitfähigkeit (insbesondere bei Buche) bei gleichzeitig aufrechterhaltener Produktivität zu erwarten ist. Dadurch werden die stomatäre Ozonaufnahme und somit die zu erwartenden Produktivitätseinbußen gegenüber der Gegenwart - abhängig von Unsicherheiten bei der zukünftigen Entwicklung der troposphärischen Ozonkonzentration - signifikant verringert sein. Über die Neuentwicklung eines Sensors (TransP) zur indirekten, kontinuierlichen in-situ Bestimmung der stomatären Ozonaufnahme konnten die Mapping Manual Modelle für Buche und Fichte validiert und deren Parametrisierung aktualisiert werden. Abschließend wurde ein Satz Transferfunktionen entwickelt, welche ein Abschätzen des PODY auf Grundlage von Xylemsaftflussmessungen an Buchen ermöglicht. Quelle: Forschungsbericht

Ozon und Trockenstress - Wirkungen auf den Gaswechsel von Fichte

Das Projekt "Ozon und Trockenstress - Wirkungen auf den Gaswechsel von Fichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Allianz Umweltstiftung durchgeführt. In der Waldschadensforschung ist derzeit nichts so umstritten wie die Ursachen der neuartigen Waldschaeden. Waehrend man die klassischen Rauchgasschaeden in Osteuropa groesstenteils auf hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid zurueckfuehren kann, gewinnen im westlichen Europa bei wirksam sinkenden SO2 -Konzentrationen andere Schadgase an Bedeutung. Hier sind in erster Linie Photooxidantien und deren Vorlaeufersubstanzen wie Stickstoffoxide und organische Verbindungen, vornehmlich Kohlenwasserstoffe zu nennen. Die hauptsaechliche Immission von Photooxidantien ruehrt von Ozon, das unter der Vielzahl anderer, wesentlich kurzlebigerer Verbindungen als relativ stabiles Endprodukt anzusehen ist. O3 dient daher als Leitsubstanz fuer Photooxidantien. In zahlreichen Arbeiten wurde die Wirkung von Ozon auf Baeume untersucht, oft mit widerspruechlichen Ergebnissen. Zwar konnten durch die Behandlung Schaeden oder zumindest Veraenderungen an den Pflanzen festgestellt werden, aber die Rolle von Ozon bei der Entstehung neuartiger Waldschaeden ist nach wie vor umstritten. Eine moegliche Ursache hierfuer ist die Tatsache, dass der Grossteil der Untersuchungen zu diesem Thema im Labor oder unter laboraehnlichen Bedingungen an sehr jungen Pflanzen, in der Regel wenige Wochen bis Jahre alten Topfpflanzen erfolgte. Der grosse Wert solcher Laboruntersuchungen ist unumstritten, sie dienen dazu, grundsaetzliche Fragen und Einzelheiten reproduzierbar zu klaeren. Die Uebertragbarkeit auf das Geschehen unter Freilandbedingungen ist jedoch nur bedingt moeglich. Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich daher um Messungen im Freiland. Ziel dieser Arbeit ist es, den von MAIER-MAERCKER und KOCH (1991 und 1992) beschriebenen Effekt erhoehten Wasserverbrauchs an Fichte im Freiland unter Reinluft und erhoehter Ozonbelastung bei guter und schlechter Wasserversorgung im Jahrgang zu untersuchen. Ferner moegliche Schaeden unter definierten Bedingungen zu erzeugen und zu quantifizieren. Der Schwerpunkt lag dabei auf der kontinuierlichen Erfassung des CO2- und H2O-Gaswechsels, da hier Vorgaenge der primaeren Stoffproduktion erfasst werden. Das heisst, dass Veraenderungen im Kohlenstoff- und Wasserhaushalt schon bemerkt werden koennen, bevor ein Schaden sichtbar wird. Ferner wurde die Arbeit begleitet durch histologische Untersuchungen, um den kausalen Zusammenhang zwischen moeglichen Schaden und dessen Ursache und Wirkung herzustellen. Auch makroskopische Veraenderungen am Blatt wurden erfasst, sowie mikroskopische Betrachtungen der Nadeloberflaeche durchgefuehrt. Ergebnisse aus Nadelelementanalysen, Regenwasseranalysen vor und nach Beregnung der Messzweige sowie pH-Messungen rundeten das Bild ab.

Das Zusammenwirken von Ozon und Trockenheit bei der Entstehung von Waldschaeden (F40)

Das Projekt "Das Zusammenwirken von Ozon und Trockenheit bei der Entstehung von Waldschaeden (F40)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Forstwissenschaftliche Fakultät, Lehrstuhl für Forstbotanik durchgeführt. Die Arbeiten richten sich auf die Untersuchung der Quantifizierung der Wirkung von Ozon unter definierter Duerrebelastung. Hierzu wird ein dynamisches Funktionsmodell des Spaltoeffnungsverhaltens erstellt.

Der globale Kohlenstoffkreislauf und seine Stoerungen durch Mensch und Klima II. Teil B: Die terrestrische Biosphaere (ESCOBA-Biosphere II)

Das Projekt "Der globale Kohlenstoffkreislauf und seine Stoerungen durch Mensch und Klima II. Teil B: Die terrestrische Biosphaere (ESCOBA-Biosphere II)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Fachbereich 08 Biologie, Chemie und Geowissenschaften, Institut für Pflanzenökologie (Botanik II) durchgeführt. Die Staerke des CO2-Duengeeffekts wird wesentlich durch die Verfuegbarkeit von Mineralstoffen beeinflusst, da die Allokation der Assimilate z.B. bei unzureichender Versorgung mit Stickstoff nicht erfolgen kann. Zur Vorhersage der Kohlenstoffbilanz der Biosphaere muessen daher die Prozesse des Mineralstoffhaushalts verstanden werden. Die Aufgabe der Gruppe an der Justus-Liebig-Universitaet besteht in der Entwicklung von Modulen und Modellstrukturen zur Untersuchung des CO2-Duengeeffekts und dessen Abhaengigkeit von der Mineralstoff-Verfuegbarkeit: 1. Entwicklung einer Modellstruktur zur programmtechnischen Integration von Modulen biogeochemischer Kreislaeufe. 2. Entwicklung eines Moduls zur Vorhersage der Stomataleitfaehigkeit in Abhaengigkeit von der atmosphaerischen CO2-Konzentration, der Einstrahlung, des Bodenwassers und der Lufttemperatur. 3. Entwicklung eines Moduls zur Vorhersage der Verfuegbarkeit von Stickstoff im Boden fuer die Allokation von Assimilaten. Mit dem Modul sollen moegliche Limitierungen des CO2-Duengeeffekts aufgrund des Stickstoffangebots bestimmt werden koennen. Eingriffe in den Kohlenstoff- und Stickstoff-Haushalt aufgrund landwirtschaftlicher Nutzung werden beruecksichtigt. Um die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Module eingehend zu ueberpruefen, werden deren Vorhersagen mit lokal und global aggregierten Daten verglichen. Dazu werden die Module in die neu entwickelte Modellstruktur integriert.

Vergleich der Regulationsfaehigkeit der Spaltoeffnungen von Fichten aus dem Alpenraum mit durch Ozon belasteten Fichten im Labor

Das Projekt "Vergleich der Regulationsfaehigkeit der Spaltoeffnungen von Fichten aus dem Alpenraum mit durch Ozon belasteten Fichten im Labor" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Forstwissenschaftliche Fakultät, Lehrstuhl für Forstbotanik durchgeführt. Inhalt des Vorhabens ist die Fortfuehrung bisheriger Untersuchungen zur Wasseraufnahme und Wasserabgabe von Baeumen verschiedener Standorte und unter verschieden starken Einfluessen von Schadgasen. Dazu werden Zweigproben vom Forschungsschwerpunkt Wank mit Proben von Baeumchen aus Begasungsversuchen verglichen. Weiterhin wird das Stomata-Verhalten von Nadeln untersucht im Hinblick darauf, ab welcher Belastung deren Faehigkeit, die Wasserabgabe zu regulieren, beeintraechtigt ist. Hierzu werden aus den physiolog. Kenngroessen Wasserpotential und osmotischer Druck 'Belastungsdiagramme' entwickelt. Insgesamt sollen damit Aspekte des Wasserhaushalts von Baeumen zur Aufklaerung von Waldschaeden erforscht werden, die die Hypothese zur Grundlage haben, dass immissionsbelastete Baeume in erhoehtem Masse unter Trockenheit von Luft und Boden leiden. Im weiteren Verlauf (9/92-8/94) soll die bisher aufgezeigte Wirkung von Ozon auf das Kontrollsystem der Spaltoeffnungen an einem gesunden Baum des forstl. Versuchsgartens Grafrath in einer klimatis. Gaswechselmesskammer (SYSTEM KOCH) experimentell erzeugt werden, mit definierten Ozondosen, wie sie am Wank gemessen werden. Das Spaltoeffnungsverh. der so behandelten Zweige soll fortlaufend im Vergl. zu dem von Zweigen in Reinluft verfolgt werden. Bei nachfolgendem Trockenstress soll an den ozon-belasteten Zweigen festgestellt werden, ob die Belastungsgrenze verschoben ist. Der Einfluss von Entwicklungs- u. Wasserzustand der Nadeln auf die Schadwirkung des Ozons soll geprueft werden. Es soll eine eindeutige Antwort gegeben werden auf die Frage, ob die am Wank vorkommende Ozonbelastung die Baeume dort zu schaedigen vermag

Significance of xylem translocated sulfate in early responses of stomata to drought in poplar plants

Das Projekt "Significance of xylem translocated sulfate in early responses of stomata to drought in poplar plants" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie durchgeführt. Water deficiency, sensed by the root, is supposed to be signaled via xylem transport from the root to the shoot by chemical as well as hydraulic signals. In response to these signals stomatal conductance is reduced to prevent excessive water loss. The chemical signal mostly responsible for stomatal closure in response to drought is thought to be the photohormone abscisic acid (ABA). However, the origin of the ABA involved in this process is still a matter of debate, since it can be synthesized in roots and the shoot. Recent experiments indicated that increasing sulfate con-centrations in the xylem constitute an early response to drought; therefore, it has been hypothesized that xylem-borne sulfate accelerates the ABA signal for stomatal closure and that enhanced ABA in the leaves in response to drought does not necessarily originate from synthesis in roots; acceleration of stomatal closure by sulfate is thought to be achieved by activating malate efflux channels of guard cells. To test this hypothesis, (i) mass transport of ABA and sulfate in the xylem, (ii) its sources and the sinks during drought, (iii) drought mediated regulation of expression of sulfate transporters / anion channels, and (iv) the effects of sulfate and ABA on malate efflux from isolated guard cells will be studied. Experiments will be performed with wild type and transgenic poplar lines with altered expression of sulfate transporters, enhanced sulfate use for reduction, and in ABA insensitive mutants.

Einfluss von Ozon auf Erdbeeren heimischer Sorten

Das Projekt "Einfluss von Ozon auf Erdbeeren heimischer Sorten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Obstbau und Gemüsebau durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist es, die Wirkung von Ozon auf Erdbeeren zu untersuchen, Anpassungsmechanismen herauszuarbeiten und ozon-tolerante Sorten fuer die Zukunft zu selektieren. Dazu wurden Erdbeeren der Sorten Elsanta und Korona im vegetativen Stadium in Pflanzenkammern ueber mehrere Tage mit einer Ozonkonzentration von 75 ppb ausgesetzt. Als Kontrolle dienten Pflanzen, die entweder unbehandelte oder ozonfreie Luft erhielten. Gemessen werden Naehrstoffaufnahme, Wasserverbrauch, Transpiration, Wasserausnutzung, Photosynthese, Chlorophyll, Chlorophyll-Fluoreszenz und Zuckerverteilung in der Pflanze. Die Ergebnisse an heimischen Erdbeersorten sollen mit denen an amerikanischen Sorten aus Kalifornien verglichen werden. Vorhaben wird fortgesetzt und auf Pepino ausgedehnt.

Echival-Feldversuch in einem von Wuestenbildung bedrohten Gebiet

Das Projekt "Echival-Feldversuch in einem von Wuestenbildung bedrohten Gebiet" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie WE03 durchgeführt. Objective: The main goal is to provide for 'Global Change' studies and global system modelling a) the necessary area-average parametrizations of the water and energy transfer between soils, vegetation and the atmosphere, as well as b) data sets, (i) against which models can be tested that describe these processes, and (ii) which are relevant for the documentation of changes in these processes due to climate variability andor the impact of man's activity. General Information: The general setup foresees three sites arranged nearly triangularly at a distance of about 100 km and at each site there will be a couple of stations arranged around one central station to achieve the nested higher resolution of one to two kilometers. During a period of about 10 days it is expected that up to four aircraft will measure atmospheric parameters and remote sensing data above the whole plain. The aircraft equipped with eddy-correlation instruments for flux measurements have to play the integrating role for the experimental area. Supported by frequent radiosonde ascents at different locations near the experimental area it should be possible to derive from these measurements also the advective fluxes, which may play an important role under dry conditions. These may result from large scale circulation including the intrusion of Mediterranean air masses from the south-east and Atlantic air masses from the west into a continental heat low. Satellite data will be used to measure the albedo of the surface as well as the diurnal temperature wave and its changes with the retreat of the vegetation during the drying season. The role of the vegetation in the exchange of water between soils and the atmosphere will be assessed by random sampling surveys on leaf-area index, PAR, spectral reflectance, stomata resistance and biomass production. It is further planned to analyse soil samples with respect to their physical properties and to determine the soil moisture content by different methods. To validate the data obtained from satellites and the methods used in the processing of these data, mobile measurements are foreseen. The experimental results which will finally be obtained have to be imbedded in climatological and meteorological background data for the Iberian peninsula in order to find out to what degree the experimental phase covers average or extraordinary climatological conditions. The experiment will be accompanied by modelling efforts at different scales, ranging from one dimensional SVAT models to three dimensional general circulation models.

Einfluß von UV-B auf die stomatäre Leitfähigkeit und den Gaswechsel von Pflanzen verschiedener Höhenstufen

Das Projekt "Einfluß von UV-B auf die stomatäre Leitfähigkeit und den Gaswechsel von Pflanzen verschiedener Höhenstufen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Botanik und Mikrobiologie, Lehrstuhl für Mikrobiologie durchgeführt.

Mechanistische Untersuchungen zur Beladung des Apoplasten mit Ca2+-Ionen nach Applikation auf Blätter und Früchte: II. Der Einfluß ausgewählter Additive auf die Penetrationsraten isolierter Kurtikeln sowie auf die Aufnahme von Calcium- Permeabilität

Das Projekt "Mechanistische Untersuchungen zur Beladung des Apoplasten mit Ca2+-Ionen nach Applikation auf Blätter und Früchte: II. Der Einfluß ausgewählter Additive auf die Penetrationsraten isolierter Kurtikeln sowie auf die Aufnahme von Calcium- Permeabilität" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Biologische Produktionssysteme, Fachgebiet Obstbau durchgeführt. Die Versorgung der Früchte und z.T. auch der Blätter mit Ca2+ ist oft unzureichend, was zu physiologischen Erkrankungen, erhöhter Atmungsaktivität und zu Anfälligkeit für Krankheiten führen kann. Diese Probleme lassen sich, zumindest bei Obstbäumen, meist nicht durch Maßnahmen im Bereich Wurzel/Boden lösen, so daß in der Vergangenheit alternative Verfahren ausprobiert worden sind, z.B. die Blattdüngung, das Tauchen der Früchte sowie Druck- bzw. Vakuuminfiltration mit CaCl2- bzw. Ca(NO3)2-Lösungen. Davon kommt für wachsende Pflanzen nur die Blattdüngung infrage, die sich jedoch oft als unzuverlässig erwiesen hat. Die Gründe dafür sind unbekannt, weil es bisher keine systematischen Untersuchungen zur Penetration von Kalziumsalzen durch Kutikeln gibt. Dieser Prozeß soll hier systematisch und mechanistisch untersucht werden, um damit die rationalen Grundlagen für die Optimierung der Blattdüngung mit Kalziumsalzen zu schaffen. Bisher wurden unter Verwendung isolierter Kutikeln die Penetrationsraten für verschiedene Kalziumsalze und der Einfluß verschiedener Additive gemessen. Im 3. Förderzeitraum sollen diese Ergebnisse nun an intakten Blättern und Früchten überprüft werden. Dabei geht es insbesondere um die Frage, ob es im Bereich von Stomata und Trichomhydathoden spezielle Transportwege (Poren) für Kalziumionen gibt und welchen Beitrag diese parallelen Transportwege bei der Blattdüngung leisten können.

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