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Auswirkungen des globalen Wandels auf Mikrobiota-Pflanzen-Boden-Prozesse relevant für den Wasser- und Stoffkreislauf in landwirtschaftlichen Ökosystemen


Klimawandel, Landnutzungsänderungen und 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. Um die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen zu verstehen und vorherzusagen, ist eine systemische Sichtweise auf das Zusammenspiel von ober- und unterirdischen Kompartimenten erforderlich. Prozessbasierte Simulationsmodelle, die als 'digital twin' des natürlichen Systems fungieren, sind ein vielversprechender Weg in die Zukunft. Diese Doktorandenkohorte wird daher daran arbeiten Wissenslücken an der Schnittstelle zwischen Pflanzen, Bodenorganismen und Bodenstruktur zu schließen, um letztlich eine systemische Modellierung zu ermöglichen.

Die biologische Vielfalt (sowohl ober- als auch unterirdisch) und ihre Dynamik bestimmen maßgeblich die Bodenstruktur und -eigenschaften und damit die Fähigkeit des Bodens, wesentliche Ökosystemfunktionen im Zusammenhang mit dem Kreislauf und der Speicherung von Nährstoffen und Wasser zu erfüllen. Es hat sich gezeigt, dass das Klima diese Verbindung zwischen Biodiversität und Ökosystem-Multifunktionalität vermittelt. Verschiedene Faktoren des globalen Wandels haben jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von und den Wettbewerb um Ressourcen wie Wasser, Licht und Nährstoffe. Dies führt zu Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Faktoren des globalen Wandels und der biologischen Vielfalt und den funktionellen Merkmalen der ober- und unterirdischen Lebensgemeinschaften. Darüber hinaus wurde die Rolle der physikalischen Bodeneigenschaften, die diese Wechselwirkungen strukturieren, bisher weitgehend vernachlässigt. Bodenporen gelten als Hotspots des Wurzel- und Mikrobenwachstums, und es hat sich gezeigt, dass Bodenporosität und Partikelgröße auch die Zersetzung von Streu beeinflussen. Das dynamische Zusammenspiel von strukturellen Bodeneigenschaften und biologischer Vielfalt bestimmt also die Fähigkeit der Böden, wesentliche Ökosystemfunktionen zu erfüllen. Die Intensivierung der Flächennutzung gilt nicht nur als wichtigste Bedrohung für die biologische Vielfalt, sondern ist auch eine wichtige Determinante der Bodenstruktur mit potenziellen Rückkopplungseffekten auf ober- und unterirdische Lebensgemeinschaften. Auch die komplexen Wechselwirkungen zwischen Klimawandel und Landnutzung auf die Bodenprozesse sind noch kaum erforscht.

Die Doktorandenkohorte wird daher aus vier komplementären und integrierten Projekten bestehen, die sich mit den Reaktionen der Ökosysteme auf das Klima und die Landnutzung sowie mit den Rückkopplungen zwischen ihnen befassen (siehe Abbildung unten). Projekt P1 wird untersuchen, wie sich die Faktoren des globalen Wandels auf die Pflanzenvielfalt und die pflanzenbezogenen Ökosystemfunktionen auswirken, Projekt P2 wird die Wechselwirkungen zwischen den funktionellen Merkmalen der Bodenmikrobiota und den damit verbundenen Prozessen, die die Funktionen und die Widerstandsfähigkeit der Ökosysteme gewährleisten, bewerten, Projekt P3 konzentriert sich auf die Verbindung zwischen Wurzelsystemen und Bodenstruktur mit Auswirkungen auf Wasser- und Nährstoffflüsse, und Projekt P4 wird die verschiedenen Auswirkungen des globalen Wandels systematisch analysieren, indem die Ergebnisse der anderen Projekte in einem prozessbasierten Modell zusammengefasst werden.

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Wir haben die Projekte so konzipiert, dass sie sich in mehrfacher Hinsicht gegenseitig ergänzen und und alle zu einer Gesamtsynthese beitragen, die basierend auf den verschiedenen Modellierungskomponenten. Auf diese Weise wollen wir die die Möglichkeiten für interdisziplinäre Forschung und Lernen maximieren. Die übergeordnete Hypothese dieses Projekts lautet: Der Klimawandel und die zunehmende Landnutzungsintensität beeinflussen Wasser- und Stoffkreisläufe durch negative Auswirkungen auf die biologische Vielfalt und Bodenprozesse, die durch physikalischen Eigenschaften an der Boden-Wurzel-Grenze beeinflusst sind. Wir werden die Global Change Experimental Facility (GCEF) als einzigartige experimentelle Plattform für die parallele Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf landwirtschaftliche Ökosysteme (Ackerland, Grünland), die einer unterschiedlichen Landnutzungsintensität ausgesetzt sind. Wir werden die interaktiven Auswirkungen dieser Faktoren auf die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe und die sich daraus ergebenden Veränderungen der Vielfalt und Funktionsweise der Ökosysteme untersuchen. In Teilflächen der Grünlandnutzungsarten wird eine zusätzliche N-Behandlung durchgeführt, um die Auswirkungen der N-Düngung zu analysieren und den Einfluss dieses weiteren Treibers des globalen Wandels zu bewerten. Das systemische Bodenmodel BODIUM ddie im Rahmen des BonaRes-Projekts entwickelt wurden wird als Grundlage für die Umsetzung der untersuchten Prozessinteraktionen und die Analyse der langfristigen Auswirkungen des globalen Wandels genutzt. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, werden alle Felduntersuchungen in Bezug auf Zeit und Tiefe der Probenahme synchronisiert. Diese Daten werden für die Modellparametrisierung und -überprüfung verwendet.

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