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Ökohydrologische Rückkopplung des tropischen Boden-Pflanzen-Atmosphäre Kontinuums

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.

Steuerung und Bilanzierung von Kohlenstoffakquisition, Wasserumsatz und Wachstum im Mistel-Wirt-System in Abhängigkeit von Klima, Wasserversorgung und Nährstoffangebot

Im ersten Schritt des Vorhabens sollen die Reaktionsmuster des CO2- und H2O Blattgaswechsels von Mistel-Wirt-Paaren bezüglich Mikroklima und Lebensform des Wirts (immer- oder wechselgrün) im Jahreslauf möglichst kontinuierlich untersucht werden, um diese bis heute offen gebliebenen Informationslücke zu schliessen. Dabei soll die Hypothese überprüft werden, derzufolge Misteln vielfach mehr als ihre Wirte transpirieren, um über den Transpirationsstrom Nährstoffe des Wirtes, insbesondere Stickstoff, an sich zu binden. Es sollen hierzu auch Düngungsversuche an getopften Mistel-Wirt-Paaren durchgeführt und dabei besonderes Augenmerk auf die Nettophotosynthese und Wasserumsatz gelegt werden. Weiterhin wird die unterschiedliche Reaktion der beiden pflanzlichen Komponenten auf Wasserstress untersucht. Im fortgeschrittenen Stadium der Untersuchungen ist es das Ziel, über Kronenphotosynthese und deren Bilanzierung die C-Allokationsmuster des Parasiten zu bestimmen. Aufgrund des hohen Mistelbefalls von Forstbeständen und Obstbäumen, insbesondere im Raum Baden-Württemberg, ist diese Grundlagenforschung unmittelbar vor einem angewandten Hintergrund zu sehen.

Mykorrhiza-induzierte Trockentoleranz von Pflanzen und deren Abhängigkeit von der Bodentextur

Wasserverfügbarkeit als Basis allen Lebens ändert sich in Raum und Zeit, besonders in der heutigen und zukünftigen anthropogen beeinflussten Umwelt. Gegenwärtig verhindern spezifische Wissenslücken ein vollständiges mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen von Pflanzenwurzeln, Bodenmikroben und bodenhydraulischen Eigenschaften. Um diese Wissenslücken zu schließen, vereint dieses Vorhaben komplementäre Expertisen dreier Teams, die die Interaktion zwischen Bodentextur, Pflanzenwurzeln und Arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMP) und deren Konsequenz für die Stressantwort von Pflanzen (Tomaten) unter Bodentrockenheit untersuchen. Das Projekt setzt sich aus drei eng verknüpften Arbeitspaketen (AP) zusammen. AP1 untersucht, wie AMP (i) die Photosynthese, (ii) die bodenhydraulischen Eigenschaften auf makroskopischer und der Porenskala beeinflussen und (iii) wie AMP Bodenwasser und Bodenphosphor für Pflanzen mobilisieren. Hierfür werden Synchrotron Röntgencomputertomografie und stabile (Deuterium), sowie radioaktive (Tritium, 32P, 33P) Isotopentechniken entlang eines Bodentextur- und Bodenfeuchtegradienten eingesetzt. In AP2 wird ein vollautomatisiertes Druckkammersystem eingesetzt, um die Beziehung zwischen Transpiration und Xylemwasserpotential in intakten Pflanzen entlang eines Bodenfeuchtegradienten in verschiedenen Texturen zu untersuchen. Zusätzlich werden Isotopenmarkierungen von Kohlenstoff (13C) und mobilem Stickstoff (15NO3-) kombiniert, um zu verstehen wie Ressourcenflüsse zwischen Pflanzen und Böden unter Trockenheit durch AMP beeinflusst werden. Um räumliche Abhängigkeiten des Ressourcenaustauschs in der Symbiose zu untersuchen, werden Neutronenradiografie mit 13C Markierungen kombiniert und in Pflanzversuchen eingesetzt, um zu zeigen in welcher Weise Pflanzen ihren Kohlenstoff zur Wasserakquise unterirdisch verteilen. Dies erfolgt in Pflanzsystemen, die eine heterogene Texturverteilung im Boden bereitstellen. AP3 nutzt die Daten der vorherigen APs um ein AMP-Infektionsmodul für funktional-strukturelle Pflanzenmodelle zu entwickeln, das die Einflüsse vom AMP auf Wachstum und Wurzelarchitektur quantifizieren kann. Weiterhin werden Pflanzenwasser- und Nährstoffaufnahme modelliert. Die Wasser- und Nährstoffflüsse im System werden als dynamische Größen quantifiziert unter der Berücksichtigung von Feedbacks zwischen Wurzeln, AMP und bodenhydraulischen Eigenschaften. Basierend auf diesen Modellen wird die Kohlenstoffinvestition von Pflanzen zur Ressourcenakquise durch Wurzeln und AMP bilanziert. Dieses Projekt wird unser mechanistisches Verständnis stärken, in welcher Weise die kosmopolitisch auftretenden AMP zur Pflanzentrockentoleranz in verschiedenen Bodentexturen beitragen können.

Forschergruppe (FOR) 5639: Land-Atmosphäre Feedback Initiative, Teilprojekt: Verwendung von in-situ-Messungen stabiler Wasserisotope in Echtzeit zur Auftrennung der Evapotranspiration in Bodenverdunstung und Pflanzentranspiration von zwei verschiedenen Feldfrüchten

Landwirtschaftliche Nutzpflanzen spielen eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf. Der Klimawandel kann jedoch die Physiologie der Pflanzen, die Agrar-Ökosysteme und die Wechselwirkungen innerhalb des Land-Atmosphäre-(L-A) Systems durch veränderte Energie-, Wasser- und Kohlenstoffflüsse verändern. Für die Vorhersage zukünftiger hydroklimatischer Bedingungen und die Bewertung landwirtschaftlicher Landnutzungspraktiken, insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Häufigkeit von Extremereignissen, ist es von entscheidender Bedeutung, Kenntnisse über die Transpirations- (T) und Evaporationsraten (E) von Pflanzen auf lokaler Ebene, deren zeitliche Dynamik und ihre Verbindung zum L-A-System zu gewinnen. Im Rahmen von Projekt 3 (P3) werden wir Messungen der Wasserflüsse und ihrer Isotopie entlang des L-A-Systems verwenden, um wasserbezogene Prozesse mit hoher zeitlicher (< täglich) und räumlicher Auflösung (<1 m2) zu untersuchen, z. B. mit Hilfe von Bestands- und Blattkammern für ET und T sowie Membransonden für die Messung der stabilen Bodenwasserisotopie. Diese gekoppelten Messungen bilden eine neuartige Isotopenmessplattform, die es uns ermöglichen wird, den Beitrag verschiedener Bodentiefen zur Wurzelwasseraufnahme (RWU) und Wurzelwasseraufnahmemustern von zwei Feldfrüchten (Mais und Weizen) innerhalb von LAFO systematisch zu bestimmen. Darüber hinaus werden die Wasserdurchgangszeiten bestimmt sowie die Evapotranspiration-Auftrennung (ET) durchgeführt und bewertet. Die Analysen werden artenspezifisch sein und den Einfluss unterschiedlicher Umweltbedingungen (z. B. der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfdruckdefizits) auf RWU, Wasserdurchgangszeiten, ET und die Auftrennung von ET in Pflanzen-T und Boden-E untersuchen. Die Ergebnisse von P3 werden mit P4, P7, P 9-P11 (Output) ausgetauscht und diskutiert und dazu verwendet, eine bessere Modelldarstellung für T/ET zu entwickeln, um die mit den T/ET-Schätzungen verbundenen Unsicherheiten zu verringern (P4 und P7). Eine verbesserte T/ET-Darstellung wird zu den LAFI-Hauptzielen (O) O1, O2, O3, OS, OE und den LAFI-Haupthypothesen (H) H1, H2, H3, HS, HE beitragen. Es ist eine wichtige Grundlage für die systemübergreifenden Arbeitsgruppen CCWG-SenSyn, CCWG-DL und CCWG-MME. Unsere Ergebnisse werden dazu beitragen, die Anfälligkeit von Kulturpflanzen für zukünftige, klimatisch bedingte Veränderungen in Niederschlag und der Bodenfeuchtigkeit zu bewerten.

Einfluss des Luftdruckes auf Gaswechsel und Wachstum von Pflanzen

Die Wirkungen des Luftdruckes auf die Pflanze sind weitgehend unbekannt. Vor allem interessiert der Druckbereich 600-1013 hPa (entsprechend 4200-0 m ueNN), in dem auf der Erde hoehere Pflanzen auftreten. Mit zunehmender Hoehe bleibt die volumetrische Luftzusammensetzung gleich, aber die Massenkonzentration aller Bestandteile faellt entsprechend dem Luftdruck. Demnach sind Wirkungen ueber Konzentrationen an CO2 (Photosynthese) und O2 (Photorespiration, Dunkelatmung) sowie ueber das Wasserdampfsaettigungsdefizit denkbar. Fuer die diffusiven Schritte des Gaswechsels gilt nach bisheriger Uebersicht, dass eine Aenderung des Luftdruckes wirkungslos bleibt, da der Effekt reduzierter Massenkonzentration durch einen reziproken Anstieg der Diffusionskoeffizienten ausgeglichen wird. Daneben sind Wirkungen auf die Carboxylierung und den konvektiven Gastransfer denkbar. Mit einer neuartigen Versuchsanlage werden Untersuchungen ueber Wachstum, CO2-Gaswechsel, Transpiration und Morphologie mittelgrosser Pflanzen bei Druecken von 0,1/1/1,5 bar ausgefuehrt.

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.

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

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 C

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

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