DECIPHER: Treibende Kräfte der Makronährstoffdynamik und der Treibhausgasemissionen entlang der Fließwege von Binnengewässern
Plattformprojekt – PP2.5
Ökosystemfunktionen sind das Bindeglied zwischen Gesundheit und Leistungen des Ökosystems. Wir stellen die Hypothese auf, dass nur wenige Kerntreiber die Mechanismen hinter diesen Funktionen beschreiben können. Durch die Analyse dieser Triebkräfte und ihrer Auswirkungen auf die Ökosystemprozesse auf verschiedenen Ebenen, vom Oberlauf bis zur Nordsee, wollen wir Prozesswissen als Grundlage für eine verbesserte Umweltüberwachung und vorausschauende Modellierung ökologischer Reaktionen ableiten.
Hintergrund und wissenschaftliche Herausforderung
Zahlreiche ökologische und biogeochemische Prozesse wirken sich auf die aquatischen Ökosysteme entlang des Fließwegs vom Boden zum Meer aus. Die klassischen Überwachungs- und Bewertungsstrategien werden dieser Komplexität der interagierenden Prozesse nicht ausreichend gerecht. Dies liegt sowohl daran, dass es uns an Prozesswissen als auch an praktischen Indikatoren auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen fehlt.
Ziel
Wir gehen davon aus, dass wir mit Hilfe einiger weniger innovativer Faktoren die zentralen Mechanismen entschlüsseln können, die hinter den Treibhausgasemissionen, der Eutrophierung, der Kohlenstoffverarbeitung und der Nährstoffverarbeitung im Wasser stehen. Wir werden diese Faktoren entlang der Fließwege vom Quellgebiet über die Flüsse bis zum Meer analysieren. Mit diesem Ansatz werden wir in der Lage sein, Treiber-Reaktions-Muster auf Lebensraum- und Ökosystemebene zu verknüpfen und diese Muster mit den Landnutzungsmustern auf Einzugsgebietsebene in Verbindung zu bringen. Unser Ziel ist es, eine Reihe von Treibern bereitzustellen, die die Umweltüberwachung vereinfachen und die Grundlage für vereinfachte Modellierungsansätze auf verschiedenen Ebenen bilden.
Inhalt und angestrebtes Ergebnis
Das Projekt gliedert sich in vier Kernstudien:
DOC/Nährstoffe: Verständnis der Stöchiometrie der Verarbeitung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor und der sekundären Ökosystemeffekte in Süßwasserökosystemen
Es wird immer deutlicher, dass die biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P) in aquatischen Ökosystemen nicht getrennt voneinander betrachtet werden können, sondern eng miteinander verbunden sind. In diesem Projekt wollen wir C, N und P mit Hilfe des ökologischen Stöchiometrie-Ansatzes miteinander verknüpfen, um die Auswirkungen veränderter C:N:P-Verhältnisse auf den C-, N- und P-Kreislauf und die sekundären Auswirkungen auf den Stoffwechsel, die Eutrophierung und die Treibhausgasemissionen zu verstehen. Dies soll durch folgende Untersuchungen erreicht werden:
- Bewertung der Reaktionen von Ökosystemen (Eutrophierung, Stoffwechsel) auf eine Veränderung des C:N:P-Verhältnisses in bewaldeten und landwirtschaftlich genutzten Bächen sowie in Flachwasserseen
- Habitatspezifische Reaktionen auf veränderte C:N:P-Verhältnisse in Fließgewässern
- Zusammenhänge zwischen C:N:P-Verhältnissen und dem langfristigen Schicksal von Nitrat und Phosphat
Indikatoren für die Zusammensetzung gelöster organischer Stoffe (DOM): Verknüpfung von DOM-Qualität und Ökosystemprozessen
Jüngste Fortschritte in der Analysetechnik zeigen mehr und mehr, dass und wie nicht nur die Quantität, sondern auch die Qualität der gelösten organischen Substanz (DOM) aquatische Ökosysteme beeinflusst. Durch die Analyse der DOM-Qualität in Verbindung mit Ökosystemprozessen und Umweltbedingungen wollen wir:
- die molekulare Vielfalt des DOM mit der mikrobiellen Vielfalt zu verknüpfen.
- die Umwandlung des DOM in verschiedenen Größenordnungen und unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen untersuchen.
- Anwendung gemeinsamer Feld- und experimenteller Ansätze nutzen, um die mechanistische Basis der DOM-Prozessindikatoren zu stärken.
Kohlendioxid/Methan-Verhältnis: Skalierung aquatischer Treibhausgasemissionen
Bäche und Flüsse werden zunehmend als wichtige Quellen für Treibhausgase anerkannt, obwohl sie nur einen kleinen Teil der terrestrischen Oberfläche ausmachen. Dennoch gibt es sehr große Unsicherheiten bei den Schätzungen der Treibhausgasemissionen von Flüssen. Dies ist nicht nur auf die Datenknappheit zurückzuführen, sondern auch auf ein begrenztes Verständnis der prozessbasierten Skalierung von lokalen zu größeren Maßstäben. In diesem Projekt wollen wir unser Verständnis darüber erweitern, wie sowohl lokale als auch Routing-Kontrollen (eine allmählich in den Fluss integrierte Konfiguration) gleichzeitig die räumlichen Muster auf verschiedenen Skalen manipulieren, indem wir:
- die relative Bedeutung von kleinräumigen (spezifische Standorte) und großräumigen (Flusskontinuum) Schwankungen der Treibhausgaskonzentration in Flusssystemen bewerten
- Hochfrequenzüberwachung von Treibhausgasen auf verschiedenen Skalen durchführen, um die Regulierungsmechanismen besser zu verstehen
- Skalierungsregeln entwickeln, die zur Modellierung des räumlichen Musters von Treibhausgasen in Bächen und Flüssen verwendet werden können
P:R-Verhältnis: Verknüpfung des aquatischen Stoffwechsels mit dem Zustand des aquatischen Ökosystems
Das Verhältnis von O2-Produktion zu O2-Veratmung (P:R) kann ein zentraler Indikator für den Zustand aquatischer Ökosysteme sein, der entscheidend zur Gesundheit und Wiederherstellung von Ökosystemen beiträgt. Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung von Sonden und der Erkennung des Stoffwechsels mittels Bayes'scher Modellierung ermöglichen eine schnelle und genaue Bewertung des langfristigen P:R-Verhältnisses. Dennoch müssen wir noch viel über diese Zusammenhänge lernen, da die derzeitige Literatur immer noch weitgehend auf älteren kurzfristigen Stoffwechselbewertungen beruht. Dies muss mit kurzfristigen faktoriellen Experimenten verknüpft werden, um die treibenden Mechanismen hinter den Veränderungen der P:R-Verhältnisse im gesamten Ökosystem besser zu verstehen. Wir planen:
- die Saisonalität von P:R in Abhängigkeit von der Ordnung des Flusses, den Merkmalen der Pufferzone und der Landnutzung im Einzugsgebiet zu bewerten
- den Stoffwechsels mit der Gesundheit des Ökosystems dem Klimawandel zur Vorhersage künftiger Veränderungen von P:R zu verknüpfen
- den Wertes von P:R als Indikator für den Zustand des Ökosystems und den Erfolg der Ökosystemwiederherstellung zu beurteilen
Zwei Bäche mit unterschiedlicher Landnutzung, für die wir mehr als ein Jahr lang Messungen des gelösten Sauerstoffs mit einer Auflösung von 10 Minuten durchgeführt haben (Foto: UFZ).