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Landnutzung - wie ökobasierten Lösungen zur Minderung des Klimawandels beitragen
No full textWie wirkt sich der Klimawandel auf Landökosysteme aus? Und anders herum: welche Rolle spielen Landökosysteme überhaupt im Klimasystem? Prof. Almut Arneth vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung und dort Leiterin der Arbeitsgruppe Ökosysteme - Atmosphäre Interaktionen widmet sich diesen Fragen. Sie betrachtet regionale bis globale Skala und verliert dabei auch den Einfluss des Menschen nicht aus dem Blick. Sie ist der heutige Gast von Joshua Bayless
„Klimawandel und Artensterben: eine doppelte Herausforderung für die Menschheit“ - Die Ökosystemforscherin Almut Arneth erhält den Leibniz-Preis - Campus-Report am 28.12.2021
No full textDie katastrophale Erwärmung der Klimas wird begleitet von einer zweiten, weniger beachteten Katastrophe. Deren Auswirkungen auf das Leben auf unserem Planeten aber nicht weniger dramatisch sind. Wir erleben einen Verlust der Artenvielfalt wie es ihn zuletzt vor 65 Millionen Jahren mit dem Aussterben der Dinosaurier gegeben hat. Jeden Tag sterben hunderte von Tier- und Pflanzenarten aus. Und die Geschwindigkeit dieses Artensterbens nimmt weiter zu. Damit gerät die Versorgung der Menschheit mit Lebens- und Arzneimittel in Gefahr und die Erwärmung des Planeten wird zusätzlich verstärkt. Für ihre Forschungen zu diesem engen Zusammenhang von Klimawandel und Verlust an Biodiversität wurde die Ökosystemforscherin des Karlsruher Instituts für Technologie, Almut Arneth, jetzt mit dem Leibniz-Preis ausgezeichnet. Mit 2,5 Millionen Euro dotiert ist es der wichtigste Forschungsförderungspreis Deutschlands
Seasonal and spatial variability in soil CO2 efflux rates for a central SiberianPinus sylvestris forest
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„Zwei Seiten ein- und derselben Medaille“ – Klima- und Biodiversitätsforschende plädieren für eine ganzheitliche Sicht von Klimakrise und Artensterben - Campus-Report am 27.06.2023
No full textDass wir auf eine katastrophale Erwärmung des Weltklimas zusteuern, ist inzwischen als die wohl weitreichendste Krise des 21. Jahrhunderts anerkannt. Dass wir zugleich auch auf dramatische Weise immer mehr natürliche Ökosysteme verlieren, ist in der öffentlichen Debatte sehr viel weniger präsent. Nur noch ein knappes Drittel der Landoberfläche ist von menschlicher Nutzung unberührt. Und auch weite Teile der Weltmeere sind durch Verschmutzung und Überfischung bedroht. Dabei sind Klimakatastrophe und Artensterben nur zwei Seiten ein und derselben Medaille: Die Klimaerwämung beschleunigt den Kollaps ganzer Ökosystemen wie beispielsweise des Regenwaldes. Das Absterben der tropischen Wälder wiederum wird gewaltige Mengen an CO2 freisetzen und damit die Erwärmung weiter beschleunigen. Forschende der Klimatologie und der Biodiversitätsforschung fordern deshalb in einer gemeinsam erarbeiteten Studie, Klimaschutz und Schutz der Ökosysteme als ganzheitliche Aufgabe zu verstehen
Ecosystem Feedback from Animal-Vegetation Interactions: A Modeling Approach
Full text linkDie biologische Artenvielfalt, welche für das Funktionieren und die Stabilität von Ökosystemen von entscheidender Bedeutung ist, wird durch den Menschen erheblich bedroht. Die prinzipiell wichtige Rolle, welche Tiere für die dynamischen Prozesse von Ökosystemen spielen, ist unbestritten. Wie genau jedoch die An- oder Abwesenheit vollständiger trophischer Ketten beispielsweise das Wachstum, die Zusammensetzung und den biogeochemischen Kreislauf der Vegetation beeinflusst, ist nicht quantifiziert. Ein verbessertes Verständnis von Ökosystemfunktion und deren Artenzusammensetzung benötigt u. a. auch ein besseres Verständnis der dynamischen Interaktionen zwischen Tieren und Pflanzen. Zu diesen Interaktionen gehört der Blattfraß durch Herbivoren, mit tiefgreifenden und vielfältigen Auswirkungen auf die Vegetation. Bislang fehlen umfassende, groß angelegte, quantitative Abschätzungen dieser Effekte. Prozessbasierte Modelle haben sich als mächtiges Werkzeug zur Bewertung ökologischer Prozesse erwiesen. Diese Dissertation stellt eine neuartige Kopplung zweier prozessbasierter Modelle vor: das Dynamische Globale Vegetations Modell (DGVM) LPJ-GUESS und das Madingley-Modell, ein Modell zur Simulation multi-trophischer funktioneller Diversität von Tieren. In drei Experimenten werden verschiedene Versionen des gekoppelten Modellsystems präsentiert, bewertet und verglichen.
Zunächst vergleiche ich Ergebnisse der „offline“ gekoppelten Version des Modellsystems mit der „default“ Version von Madingley für vier ausgewählte Biome. Es zeigen sich signifikante Verschiebungen in den simulierten Tierpopulationen, mit Trends zu geringerer Körpermasse und höherer Abundanz. Die Verschiebungen in Körpermasse und dem resultierendem Größenspektrum lassen sich auf ökologische Prozesse zurückführen und ermöglichen eine detaillierte Analyse der vielschichtigen Reaktionen der Tierpopulation auf die Veränderungen der Blattbiomasse. Aus den Ergebnissen beider Modellversionen wurden Potenzgesetze zwischen Herbivorenmasse und Nettoprimärproduktion (NPP) sowie zwischen der von Herbivoren konsumierten Biomasse und NPP abgeleitet. Diese Potenzgesetze zeigen, dass nur das „offline“ gekoppelte Modellsystem Tierpopulationen simuliert, die ähnlich zu Potenzgesetzen in empirischen Datensätzen sind. Die Ergebnisse dieses Experiments bekräftigen den Nutzen weiterer Entwicklung prozessbasierter Modellsysteme als gangbare Methode zur Bewertung multi-trophischer Wechselwirkungen zwischen Tierpopulationen und der Vegetation von Ökosystemen.
Im zweiten Experiment stelle ich die „online“ Version des Modellsystems vor, die bidirektionale Rückkopplungen zwischen grüner Pflanzenbiomasse, ihrem Konsum durch Herbivoren und der gesamten trophischen Pyramide ermöglicht. Verglichen mit der “offline” Version, ist in der „online“ Version eine Reduktion der NPP um -5\%, des LAI um -9\% und der Vegetationskohlenstoffmasse um -10\% zu beobachten. Boreale Ökosysteme zeigen die stärksten Auswirkungen, mit Reduktionen der Kohlenstoffmasse um bis zu -42 \% in manchen Regionen. Die Ergebnisse der LPJ-GUESS Simulationen werden mit Fernerkundungsdaten und Flux-Tower-Messungen verglichen. Es zeigt sich, dass das “online” gekoppelte Modellsystem die Fähigkeit von LPJ-GUESS bewahrt und realistische Biomenverteilungen und Kohlenstoffpools simuliert. Außerdem vergleiche ich Potenzgesetze für alle drei Versionen des Madingley-Modells und komme zu dem Schluss, dass die „online“ Version beide anderen Versionen übertrifft, wenn es darum geht, Tierpopulationen zu simulieren, deren Populationsdynamik ähnlich zu Potenzgesetzen empirischer Daten ist.
Im dritten Experiment modifiziere ich die „online“ Version des Modellsystems um die Auswirkungen der Entnahme großer Tiere auf die simulierte Vegetation zu untersuchen. In zwei separaten Szenarien entfernte ich entweder große Herbivoren oder große Karnivoren aus der Simulation. Diese Entnahme findet statt, nachdem das Modellsystem einen Gleichgewichtszustand erreicht hat. Bei der Entnahme großer Herbivoren steigt die Blattkohlenstoffmasse in borealen Biomen (+10\%), tropischen Regenwäldern (+5\%) und feuchten Savannen (+6\%). Im Gegensatz dazu führt die Entnahme großer Karnivoren zu einer Verringerung der Blattkohlenstoffmasse in borealen Biomen (-11\%), tropischen Regenwäldern (-19\%) und feuchten Savannen (-19\%). Die Auswirkungen der Entnahme großer Tiere wird in borealen Ökosystemen von allgemeinen Ökosystemverschiebungen durch den Klimawandel überschattet. In Afrika ist die Auswirkung der Entfernung großer Karnivoren ähnlich groß, wie die Effekte der \ch{CO2} -Düngung. Allerdings werden weitere, verheerende Effekte des Klimawandels nicht im Modell berücksichtig, weshalb die Entnahme von großen Karnivoren nicht als Kompensation für die Auswirkungen des Klimawandels verstanden werden kann. Simulationen zur Erholung der Tierpopulationen zeigen, dass Ökosysteme Jahrhunderte benötigen, um sich von der vollständigen Entnahme großer Tiere zu erholen, während diese Erholung deutlich schneller erfolgt, wenn ähnliche Tierspezies in nicht betroffenen Gebieten erhalten bleiben. Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle des Schutzes der Artenvielfalt im Kontext des Klimawandels.
Abschließend zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation die wichtige Rolle, die prozessbasierte Modelle zum besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Tieren und Vegetation beitragen können. Sie demonstrieren, wie die Kopplung dynamischer Vegetations- und Tierpopulationsmodelle unser Verständnis von komplexen Dynamiken in Ökosystemen verbessern kann und betont die Bedeutung des Schutzes der Biodiversität für die Resilienz von Ökosystemen
Modellierung Globaler Landökosysteme
No full textIn diesem Video haben wir einem allgemeinen Publikum die Arbeit in unserer Arbeitsgruppe am KIT IMK-IFU präsentiert. Wir zeigen Simulationen zu zwei verschiedenen Klimaszenarien und die Entwicklung der globalen NPP unter diesen Szenarien.
Dieses Video ist nicht für die kommerzielle Nutzung gedacht.
Video Material: www.videezy.com
Music: "Corporate 8 No Drums" von Royalty Free Music - Pixaba
Assessing the effects of agricultural management practices on crop ecosystems with the LPJ-GUESS model
Full text linkIn den letzten Jahrzehnten ist es weltweit zu erheblichen Verlusten an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden gekommen, die auf die Intensivierung der Landwirtschaft und die Umwandlung natürlicher Böden in landwirtschaftliche Nutzflächen zur Ernährung der wachsenden Bevölkerung zurückzuführen sind. Die Erhöhung der SOC-Bestände in Ackerflächen durch verbesserte Bewirtschaftungspraktiken - wie die Verringerung der Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Ernterückständen und der Anbau von Zwischenfrüchten - wurde als vielversprechende Option für die Eindämmung des Klimawandels identifiziert, mit gleichzeitigen Vorteilen für die Bodenfruchtbarkeit und die Ernteerträge. Die großflächige Quantifizierung dieser Bewirtschaftungspraktiken auf landwirtschaftliche Ökosysteme, einschließlich der Auswirkungen des Anbaus von Leguminosen, ist jedoch nach wie vor unsicher. Um die globale landwirtschaftliche Produktion besser abzubilden, integriere ich in dieser Arbeit zunächst zwei Körnerleguminosen (Sojabohne und Ackerbohne) und eine krautige Leguminose (Weißklee) mit biologischer Stickstofffixierung (BNF) in das dynamische Vegetationsmodell LPJ-GUESS. Die räumlichen und zeitlichen Muster der BNF-Raten in Sojabohnen und Ackerbohnen werden über den historischen Zeitraum 1981-2016 quantifiziert. Anschließend wird der Großflächige Einfluss alternativer Bewirtschaftungsstrategien auf die Ernteerträge und die Kohlenstoff- (C) und Stickstoff- (N) Bilanzen der Anbauflächen unter gegenwärtigen und zukünftigen Klimabedingungen untersucht, indem die Ergebnisse der aktualisierten Modellversion angewendet und analysiert werden.
Die Modellsimulationen zeigen, dass die globale N-Fixierung in Sojabohnen und allen Hülsenfrüchten (die im Modell die Ackerbohne repräsentieren) im Zeitraum 1981-2016 bei 11,6±2,2 Tg N yr-1 bzw. 5,6±1,0 Tg N yr-1 beträgt. Räumlich gesehen sind die höchsten BNF-Raten in tropischen und gemäßigten Regionen mit warmem und feuchtem Klima zu finden. Die Bodenwasserverfügbarkeit und die Temperatur sind neben der N-Düngung die wichtigsten Einflussfaktoren für die N-Fixierung. Insgesamt macht die modellierte Gesamt-N-Fixierung durch Körnerleguminosen 12 % des jährlich in globalen terrestrischen Ökosystemen fixierten N aus (ca. 140 Tg N yr-1), was auf die Bedeutung des BNF-Eintrags in Ackerflächen für den globalen terrestrischen N-Kreislauf schließen lässt, obwohl ein großer Teil des fixierten N jedes Jahr durch die Ernte aus den Ökosystemen entfernt wird.
Der Anbau von Leguminosen als Deckfrucht in der Zwischenseason unterscheidet sich deutlich vom reinen Anbau von Körnerleguminosen, da der in Deckfrüchten fixierte Stickstoff in der Regel in den Boden zurückgeführt wird. Unter der Annahme, dass weltweit alle Anbauflächen konservierende Landwirtschaftstechniken verwenden, ergibt sich basierend auf den Modelldaten, dass die Kombination von N-fixierenden Deckfrüchten und minimaler Bodenbearbeitung den Kohlenstoffgehalt des Bodens um 7 % (+0,32 Pg C yr-1 in den globalen Anbauflächen) erhöhen und gleichzeitig die N-Auswaschungsverluste um 41 % (-7,3 Tg N yr-1) nach 36 Jahren der Umsetzung reduzieren kann (die maximale Dauer, die in Feldversuchen mit Deckfrüchten in dieser Dissertation ermittelt wurde). Diese integrierte Praxis geht mit einem Anstieg der gesamten pflanzlichen Produktion um 2 % (+37 Millionen Tonnen pro Jahr, einschließlich Weizen, Mais, Reis und Soja) im letzten Jahrzehnt der Simulation einher. Im Vergleich zu Nicht-Leguminosen-Deckungskulturen trägt der Einsatz von N-fixierendem Deckungsanbau in den Modellexperimenten stärker zur Ertragssteigerung in den feuchten Tropen bei, während die Produktionsverluste in den nördlichen gemäßigten Klimazonen gemildert werden. Diese räumliche Variation hängt mit den Hauptkulturen und dem Stickstoffdüngereinsatz zusammen, wobei bei Sojabohnensystemen und stark gedüngten landwirtschaftlichen Böden nur geringe Ertragsveränderungen simuliert werden.
Am Beispiel von Ostafrika werden Leguminosen zusammen mit sechs alternativen Bewirtschaftungsstrategien untersucht, um ihre Auswirkungen auf die Ökosysteme von Nutzpflanzen zu quantifizieren. Die regionalen Simulationen zeigen, dass die verbesserten Bewirtschaftungsmethoden, die in den tropischen Ökosystemen umgesetzt werden, den Klimawandel abmildern und gleichzeitig die Ernteerträge steigern können, insbesondere bei einer integrierten konservierenden Landwirtschaft, die alle bodenschonenden Techniken kombiniert. In den untersuchten Regionen führt diese kombinierte Strategie, die keine Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Rückständen und Dung sowie den Anbau von Deckfrüchten umfasst, langfristig zu einer Erhöhung der simulierten SOC-Vorräte um 11 %, begleitet von einer Steigerung der gesamten Pflanzenproduktion um 25 %. Der Anbau von N-fixierenden Deckfrüchten ist ebenfalls vielversprechend, um den C-Gehalt im Ackerboden (+4 %) und die landwirtschaftliche Produktion (+16 %) zu erhöhen, wobei die Umweltkosten in Bezug auf die gesamten N-Verluste (+28 %; einschließlich gasförmiger Emissionen und N-Auswaschung) zu berücksichtigen sind. Diese Bewirtschaftungseinflüsse würden bei drei Klimaszenarien möglicherweise auch in Zukunft bestehen bleiben.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, wie wichtig die Berücksichtigung von N-Fixierern bei der Bewertung großräumiger C-N-Zyklen in Systemen der konservierenden Landwirtschaft ist. Sie zeigen auch die Möglichkeit einer verbesserten landwirtschaftlichen Bewirtschaftung auf, um ökologische Nachhaltigkeit zu erreichen und die Ernährungssicherheit in globalen Anbauflächen zu gewährleisten
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