Auswirkungen des globalen Wandels auf Mikrobiota-Pflanzen-Boden-Prozesse in Wasser- und Stoffkreisläufen landwirtschaftlicher Ökosysteme

Klimawandel, Landnutzungsintensivierung und anthropogen verursachte Stickstoffeinträge gehören zu den wichtigsten Bedrohungen für die biologische Vielfalt und die damit verbundenen Ökosystemprozesse und -funktionen, die sich aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt ergeben. Jeder dieser Faktoren des globalen Wandels beeinflusst auf unterschiedliche Weise die Verfügbarkeit von und die Konkurrenz um Ressourcen wie Wasser, Licht und Nährstoffe. Daraus folgen interaktive Effekte auf die biologische Vielfalt und die funktionellen Merkmale ober- und unterirdischer Lebensgemeinschaften. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Faktoren sind jedoch in ihrem Effekt auf boden- und pflanzenbezogenen Prozesse nur unzureichend bekannt. Um Vorhersagen auf der Ebene von Ökosystemen zu ermöglichen, ist eine systemische Betrachtung der Interaktionen von ober- und unterirdischen Kompartimenten erforderlich. Prozessbasierte Simulationsmodelle, die als digitales Abbild des natürlichen Systems fungieren, sind dafür ein vielversprechendes Mittel. Das Projektteam wird daher daran arbeiten, Wissenslücken an der Schnittstelle zwischen Pflanzen, Bodenorganismen und Bodenstruktur zu schließen, um letztlich eine systemische Modellierung zu ermöglichen.

Die übergeordnete Hypothese der miteinander verknüpften Projekte lautet: Der Klimawandel und die zunehmende Landnutzungsintensität beeinflussen Wasser- und Stoffkreisläufe durch negative Auswirkungen auf die biologische Vielfalt und Bodenprozesse, die durch physikalische Eigenschaften an der Boden-Wurzel-Grenze beeinflusst werden. Die Global Change Experimental Facility (GCEF) als einzigartige Versuchsplattform wird genutzt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf landwirtschaftliche Ökosysteme (Ackerland, Grünland) mit unterschiedlichen Landnutzungsintensitäten zu untersuchen. In den Grünländern haben wir eine zusätzliche Stickstoffdüngung etabliert. Wir untersuchen die sich gegenseitig beeinflussenden Folgen des Klimawandels, der Landnutzung und des Stickstoffeintrags auf die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe und die sich daraus ergebenden Veränderungen in der Vielfalt und Funktionsweise der Ökosysteme. Das bessere Verständnis der Prozessinteraktionen dient der Weiterentwicklung des systemischen Bodenmodells BODIUM (entwickelt im Rahmen des BonaRes-Projekts) und der Analyse der langfristigen Auswirkungen des globalen Wandels.

Die Doktorandenkohorte besteht aus vier komplementären und integrierten Projekten, die sich mit den Reaktionen der Ökosysteme auf das Klima und die Landnutzung sowie den Rückkopplungen zwischen ihnen befassen (siehe Abbildung unten). Projekt P1 wird untersuchen, wie sich die Faktoren des globalen Wandels auf die Pflanzenvielfalt und die pflanzenbasierten Ökosystemfunktionen auswirken. Projekt P2 befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen den funktionellen Merkmalen der Bodenmikrobiota und den damit verbundenen Prozessen, die die Funktionen und die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen gewährleisten. Projekt P3 konzentriert sich auf die Verbindung zwischen Wurzelsystemen und Bodenstruktur mit Auswirkungen auf Wasser- und Nährstoffflüsse. Projekt P4 wird die verschiedenen Auswirkungen des globalen Wandels systematisch analysieren, indem es die Ergebnisse der anderen Projekte in einem prozessbasierten Modell zusammenführt. Ein assoziiertes Projekt P5 untersucht die zeitlichen Muster der Wurzelwasseraufnahmetiefe und den damit verbundenen Trockenstress aufgrund der Intensivierung der Landnutzung. Die Projekte ergänzen sich gegenseitig und tragen alle zu einer Gesamtsynthese bei, in deren Mittelpunkt die Modellierung steht.