Im Laufe ihrer Entwicklung gehen Waldökosysteme zur Deckung ihres Phosphorbedarfs von der Nutzung gesteinsbürtiger Mineralquellen zum Recycling organisch gebundenen Phosphors über. Da anorganischer Phosphor sehr stark durch Sekundärminerale gebunden wird, ist er kaum pflanzenverfügbar, unterliegt aber auch kaum der Auswaschung. Austräge gelösten Phosphors erfolgen überwiegend in organischer Form, egal in welcher Entwicklungsphase sich das System befindet. Allerdings ist nur wenig über die Zusammensetzung und Dynamik gelösten organischen Phosphors (DOP) bekannt. Wahrscheinlich sind insbesondere mikrobielle Produkte, wie Nukleotide und Nukleinsäuren, mobil. Hingegen scheinen pflanzliche Phosphorverbindungen, z.B. Phytate, weniger der Auswaschung zu unterliegen, weil sie vermutlich stärker gebunden werden. Die mobilen mikrobiellen Verbindungen sind potentiell enzymatisch hydrolysierbar; daher ist es möglich, dass der in ihnen enthaltene Phosphor von Pflanzen aufgenommen wird und sich so die Austräge aus Recyling-Systemen verringern. Unser Vorhaben hat zum Ziel, zu klären welche stofflichen Eigenschaften phosphorhaltiger organischer Verbindungen ihre Mobilität kontrollieren, welche Einflüsse ihre Zusammensetzung steuern, und welche Bedeutung sie als Phosphorquelle für Bäume haben. Dazu sammeln wir Auflagensickerwässer und Bodenlösungen an Standorten entlang des für der das SPP1685 vorgeschlagenen Phosphorverfügbarkeitsgradienten. Diese werden mittels spektroskopischer Methoden (v.a. NMR, an ausgewählten Proben auch XPS und XANES) auf Phosphorspezies sowie die enzymatische Umsetzbarkeit (in Kombination mit spektroskopischen Methoden) untersucht. Dadurch können mobile wie labile Substanzen identifiziert werden. Ähnliche Untersuchen werden an Lösungen aus Manipulationsexperimenten (Trockenheit, pH) andere SPP-Antragsteller zur Steuerung der Mobilisierung gelösten Phosphors vorgenommen, so dass Änderungen der Zusammensetzung und damit der chemischen und biologischen Reaktivität betrachtet werden können. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Laborversuche zur potentiellen Mobilität bestimmter organischer Phosphorspezies (Sorptionsexperimente, in Kombination mit spektroskopischen Methoden) sowie Versuche mit 13C-, 14C- und 33P-markierten Substanzen zur potentiellen Aufnahme gelöster organischen Phosphors durch Baumsetzlinge, wobei zwischen Aufnahme nach Hydrolyse und direkter Aufnahme organischer Moleküle unterschieden werden soll.
Submarine Grundwasseraustritte sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs und tragen wesentlich zum Austrag von Nährstoffen, Kohlenstoff und Metallen aus den küstennahen Grundwasserleitern in die Küstenmeere bei, in Folge dessen sie küstennahe marine Ökosysteme beeinflussen. Das derzeitige Bild der hydraulischen Bedingungen im subterranen Ästuar ist, dass eine von Gezeiten und Wellenbewegung induzierte Salzwasserzirkulationszelle einen Süßwasser-'tube' überlagert. Unsere eigenen Forschungsergebnisse legten jedoch kürzlich nahe, dass diese Schichtung unter bestimmten Randbedingungen instabil wird, die Salzwasserzirkulationszelle und der Süßwasser-'tube' nicht mehr existieren und stattdessen Salzwasserfinger in das darunterliegende Süßwasser absinken. Dies würde die subterranen Grundwasseraustrittsmuster stark verändern und sich mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf die geochemischen Prozesse im Untergrund auswirken. Das Projekt kombiniert physikalische Laborversuche und numerische Modellierung, um zu untersuchen (i) ob und wo ein Absinken von Salzwasserfingern in das darunterliegende Süßwasser in der Natur denkbar ist, (ii) welchen Einfluss Sedimenteigenschaften (z.B. Heterogenität) und Randbedingungen (z.B. saisonal variabler Süßwasserzustrom) auf die Ausbildung von Salzwasserfingern haben, (iii) wie die Strömungsmuster in 3-D aussehen, (iv) welche Möglichkeiten der Vorhersage es für die instabilen Strömungsmuster gibt und wie man diese verbessern kann sowie (v) welchen Einfluss die veränderten Strömungsmuster letztlich auf die biogeochemischen Prozesse und die Formation von stark adsorbierenden Eisen(III)hydroxidoberflächen ('Iron curtain') in sandigen Strandgrundwasserleitern und die davon abhängigen Stoffausträge in das Meer haben.
Vor dem Hintergrund des globalen Wandels stehen die Ökosysteme weltweit vor großen Herausforderungen. In Europa haben die jüngsten Dürren zu einem verheerenden Waldsterben geführt, das auf direkte und indirekte Auswirkungen der Trockenheit zurückzuführen ist. Hydraulische Umverteilung (HR) - der passive Transport von Wasser zwischen verschiedenen Bodentiefen über das Wurzelsystem der Pflanzen - ist ein Prozess, der potentiell Auswirkungen auf die Fähigkeit der Ökosysteme, Dürren abzuschwächen, haben kann. „Hydraulic Lift“ (HL) ist die häufigste Form von HR, bei der sich das Wasser aufgrund des Wasserpotenzialgefälles zwischen dem feuchteren Boden in der Tiefe und dem trockenen Boden an der Oberfläche während der Nacht passiv in die trockene Bodenregion bewegt und so möglicherweise eine wichtige Wasserquelle für die Pflanzen darstellt. Mehr als zwei Jahrzehnte Forschung über HR haben gezeigt, dass es sich dabei um einen Prozess mit globaler Bedeutung für Ökosysteme handelt. Trotz dieser Bedeutung sind konsistente Datensätze zu HR auf räumlichen Skalen größer als der Baumskala, und evidenzbasierte Modellierungsansätze äußerst selten. Infolgedessen sind wir derzeit nicht in der Lage, genau vorherzusagen, ob und unter welchen Bedingungen HR eine wichtige Komponente für die Resilienz von Wäldern und anderen Ökosystemen unter den prognostizierten klimatischen Veränderungen sein wird. In diesem Projekt werden wir zum ersten Mal einen räumlich und zeitlich hochaufgelösten Datensatz über HR sammeln. Mit diesem Datensatz wollen wir die Relevanz von HR auf der Feldskala untersuchen, die Heterogenität von HR bewerten und ermitteln, welche Pflanzengruppen von HR profitieren. Wir etablieren hierfür ein Monitoringsystem, das speziell für die Identifikation, Monitoring und Quantifizierung von HR entwickelt wurde. Dieses System kombiniert Methoden basierend auf der in situ-Messung stabiler Wasserisotope, ökohydrologischen Ansätzen und isotopischen Markierexperimenten in einem Laubmischwald in Niedersachsen. Der Datensatz wird anschließend zur Parametrisierung und Kalibrierung des isotopengestützten Boden-Vegetations-Atmosphären-Transfermodells (SVAT) MuSICA verwendet. Das kalibrierte Modell wird anschließend genutzt, um die Bedeutung von HR für die Resilienz des untersuchten Laubmischwald-Ökosystems unter verschiedenen Szenarien vorherzusagen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden dazu beitragen, die Rolle von HR für Waldökosysteme jetzt und unter den prognostizierten zukünftigen Klimabedingungen zu verstehen. Es wird dazu beitragen, die potenzielle Pufferwirkung von HR bei Dürren und extremen Bedingungen zu bewerten, was für die Waldbewirtschaftung im Hinblick auf die Entwicklung widerstandsfähiger Waldökosysteme der Zukunft essentiell sein kann. Darüber hinaus könnte der vorgeschlagene methodische Rahmen möglicherweise zu einem Standardverfahren für die Bewertung von HR auf größeren räumlichen Skalen werden.