Unsere Forschungsprojekte

Das durch die DFG geförderte NicerNPP-Projekt zielt darauf ab, besser zu verstehen, wie die Kohlenstoffaufnahme der Wälder auf den Klimawandel reagiert, indem es die Schätzungen der pflanzlichen (autotrophen) Atmung (_Ra) verbessert – eine wichtige, aber bislang nur unzureichend erfasste Komponente des Kohlenstoffkreislaufs. Zusammen mit der Bruttoprimärproduktion (GPP) bestimmt _Ra die Nettoprimärproduktion (NPP), die den für das Wachstum und die Fortpflanzung der Bäume verfügbaren Kohlenstoff regelt.

Das Projekt wird datengestützte, räumlich explizite Schätzungen von _Ra und NPP für boreale und gemäßigte Wälder der nördlichen Hemisphäre erstellen, indem es satellitengestützte Biomasse-Daten mit Informationen zur Verteilung von Baumarten und zu Stickstoffkonzentrationen im Gewebe kombiniert. Außerdem wird es die Umweltfaktoren identifizieren, die die räumlichen Muster von Gewebestickstoff, _Ra und NPP beeinflussen.

Das daraus resultierende NPP-Produkt wird dazu beitragen, bestehende satelliten- und modellbasierte Schätzungen zu bewerten und zu verbessern. Insgesamt wird NicerNPP die Überwachung und Modellierung der Waldkohlenstoffdynamik unter sich ändernden Klima- und Artenverteilungen verbessern und so den Klimaschutz durch Kohlenstoffbindung und nachhaltige Holzproduktion unterstützen.

Wir sind Teil eines Projektnetzwerks, dessen Ziel es ist, alle forstwirtschaftlichen Versuchsflächen in Deutschland zu bewerten (https://www.nw-fva.de/forschen/projekte/stoffbilanz). Zu diesem Zweck wird das Ökosystemmodell LandscapeDNDC (https://ldndc.imk-ifu.kit.edu/) verwendet, das die wesentlichen Ökosystemprozesse nachbilden und den Einfluss von Klima und Stickstoffdeposition quantifizieren soll. Wichtige Einzelfragen sind beispielsweise die Bedeutung der Stickstoffaufnahme über die Krone oder die Wechselwirkungen zwischen Trockenheit und Stickstoffversorgung. Auf der Grundlage der auf den Versuchsflächen gesammelten Daten wird das Modell verbessert und evaluiert. Je nach Baumart und Standort werden darauf aufbauend zukünftige Stoffbilanzen und Waldentwicklungen simuliert, um Empfehlungen für die Baumartenauswahl und die Waldbewirtschaftung entwickeln zu können.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat ( BMLEH) über die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) im Rahmen des Förderprogramms „Nachwachsende Rohstoffe“gefördert. 

Extreme Dürreperioden in Verbindung mit Hitzewellen treten weltweit immer häufiger und heftiger auf. Die Auswirkungen auf die Funktionsweise von Bäumen und Wäldern sind vielfältig und umfassen das Absterben von Bäumen und eine geringere Gesundheit der Wälder, wie sie in vielen Regionen der Welt zu beobachten ist, mit eindeutigen Folgen für die gut dokumentierte Kohlendioxidsenke der Wälder. Bislang fehlen uns jedoch Mittel, um die langfristigen Auswirkungen auf die Widerstandsfähigkeit und Produktivität der Wälder über einzelne Dürreereignisse hinaus zu quantifizieren. Es besteht nach wie vor eine eklatante Wissenslücke darüber, was die Erholung und das Überleben von Bäumen nach Dürreereignissen bestimmt, einschließlich der Schwellenwerte, die funktionelle Schäden verursachen, und der Rolle von Reparaturmechanismen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, integrieren wir experimentell gewonnene baumphysiologische Erkenntnisse über Erholungsreaktionen und Stressvererbung in prozessbasierte Modellierung. Ein großer Mehrwert für die Modellierung ergibt sich aus der Kombination und Analyse von Beobachtungsdaten, die verschiedene räumliche und zeitliche Skalen abdecken, unter Verwendung von Algorithmen der künstlichen Intelligenz. Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wird die kurz- und langfristige Erholungsdynamik der Photosynthese, der Wasserverhältnisse, des Kohlenstoffstoffwechsels und des Wachstums europäischer Baumarten untersucht, und auch potenzielle Akklimatisierungsmechanismen betrachtet. Die Kombination von Modellierung, experimentellen Studien und Beobachtungsdaten ermöglicht einen bedeutenden Durchbruch in unserem Verständnis der Auswirkungen von Dürre in bewaldeten Ökosystemen und bietet eine wissenschaftliche Grundlage für die Bewertung der Widerstandskraft von europäischen Wäldern gegenüber Extremwetterereignissen.

Extreme droughts combined with heatwaves are intensifying in frequency and severity world-wide. The impacts on tree and forest functioning are manifold, including tree dieback, and reduced forest health as observed in many regions world-wide with clear consequences for the well-documented contemporary carbon dioxide sink of forests. Yet to date, we lack means to quantify long-term impacts on forest resilience and productivity beyond specific individual drought events. A striking knowledge-gap persists on what determines tree recovery and survival following drought release, including the thresholds causing functional damage and the role of repair mechanisms. To tackle this challenge, we integrate experimentally-derived tree physiological understanding of recovery responses and stress legacy into process-based modelling. Large added-value to the modelling will be provided by combining and analysing observation-based data that cover different spatial and temporal scales using artificial intelligence algorithms. In the experimental work, short- and long-term recovery dynamics of photosynthesis, water relations, carbon metabolism and growth of European tree species will be studied including potential acclimation mechanisms. The combination of modelling, experimental studies and observational data allow for a major breakthrough in our understanding of drought legacy in forested ecosystems, and provide a scientific-base to assess and guide the resilience of European forests to climatic extremes.

Mit dem LandscapeDNDC-Modell (https://ldndc.imk-ifu.kit.edu/about/model.php) leisten wir einen Beitrag zum Sonderforschungsbereich „ECOSENSE“, der von der Universität Freiburg (https://ecosense.uni-freiburg.de/) geleitet wird. Hier werden Energie-, Kohlenstoff- und Wasserflüsse in einem gemischten Altbestand mit Douglasie (Pseudotsuga menziesii), Weißtanne (Abies alba) und Rotbuche (Fagus sylvatica) im Schwarzwald untersucht. Einerseits werden die physiologischen Prozesse im Modell anhand zahlreicher Messungen evaluiert und weiterentwickelt, andererseits dienen die Simulationen der Optimierung des Sensoreneinsatzes sowie der Eingrenzung von Verfahren der künstlichen Intelligenz. Das Teilprojekt wird gemeinsam mit der IFU-Arbeitsgruppe „Ökosystemare Stoffflüsse“ von Ralf Kiese (https://bgc.imk-ifu.kit.edu/ecosystem-matter-fluxes) durchgeführt.

Damit Bäume in der Stadt auch in Zeiten von zunehmender Hitze und Trockenheit ihre wohltuenden Wirkungen entfalten können, sollten geeignete Arten ausgewählt und ggf. rechtzeitig Maßnahmen zu ihrem Schutz einleitet werden. Daher versuchen wir im Projekt ZUkunftsorientiertes KlimAwandel-MAanagement für Städtische Grünflächen (ZUKAMAS), an dem verschiedene Forschergruppen des KIT und der Universität Freiburg beteiligt sind, mehr über die Empfindlichkeiten von Bäumen herauszufinden. Wie stark leiden Bäume unter städtischer Hitze? Können sie sich selbst abkühlen? Was passiert, wenn zusätzlich auch das Wasser fehlt? Zur Beantwortung dieser Fragen werden klimatische und physiologische Messungen durchgeführt und mit Hilfe von Baummodellen ausgewertet. Dieses Projekt wird vom Wissenschaftsministerium Baden-Württemberg aus dem Programm „Innovationscampus Nachhaltigkeit“ gefördert.

Als Folge des Klimawandels nimmt die Häufigkeit sommerlicher Dürreereignisse weltweit zu. Die Kombination aus Bodentrockenheit und hohen Temperaturen kann tödliche Schäden an Bäumen verursachen. Die trockenen Sommer 2018 und 2019 haben die Wälder in weiten Teilen Mitteleuropas stark in Mitleidenschaft gezogen, und viele Millionen Bäume starben ab, was u.a. zu großen finanziellen Verlusten für die Waldbesitzer führte. Um die Auswirkungen solcher Extremereignisse auf die Wälder in Deutschland und Mitteleuropa besser zu verstehen, wollen wir hyper-spektrale Satelliteninformationen mit hochauflösenden Bilddaten und Waldmonitoringdaten kombinieren. Dieser kombinierte Datensatz wird dann verwendet, um die Umweltfaktoren zu identifizieren, die das räumliche Muster der stressbedingten Waldschäden beeinflussen. Ein verfeinertes räumliches Verständnis des Auftretens von Schäden in Abhängigkeit von Umweltfaktoren ist eine Voraussetzung für die Entwicklung von Modellen und die prädiktive Analyse der Waldgesundheit. Dieses Projekt wird vom Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) finanziert.

Das interdisziplinäre BioWaWi-Projekt zielt darauf ab, Strategien für die kommunale Wasserwirtschaft zu entwickeln, die die biologische Vielfalt und die Ökosystemleistungen unterstützen. Unsere spezifische Forschung im Rahmen des Projekts befasst sich mit der Wassernutzung und der Grundwasserversorgung in repräsentativen Ökosystemen sowie mit der Anfälligkeit dieser Ökosysteme für Veränderungen des Klimas und der Wasserwirtschaft. Das LandscapeDNDC-Modell wird für verschiedene Ökosysteme innerhalb ausgewählter Einzugsgebiete initialisiert, und es werden standortspezifische Wasserflüsse für das aktuelle und das prognostizierte zukünftige Klima berechnet. Ein spezifisches Ziel besteht darin, zu bewerten, wie sich die Leistung und Anfälligkeit der vorherrschenden Baumarten ändern kann und wie die Wasser- und Waldbewirtschaftung angepasst werden könnte, um den Wasserbedarf der Ökosysteme zu decken.

In diesem gemeinsamen, von der DFG geförderten Projekt (2015–2019) mit Kollegen vom Weizmann-Institut haben wir die Reaktionen von Aleppo-Kiefern auf künftige, zunehmend extreme Bedingungen quantifiziert, wie sie für die Negev-Region vorhergesagt werden, in der der Yatir-Wald, eine große Aleppo-Kiefernplantage, wächst. Wir haben uns darauf konzentriert, wie die Bäume heute und in Zukunft unter erhöhten Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre mit Hitzewellen und Trockenheit zurechtkommen. Wir haben unter kontrollierten Bedingungen den Gasaustausch des gesamten Baumes sowie die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen und Metaboliten gemessen. Wir fanden heraus, dass Hitze und Trockenheit in Kombination Sämlinge durch Überhitzung töten können (Birami et al. 2018) und dass absterbende Sämlinge anhand ihres einzigartigen VOC-Fingerabdrucks identifiziert werden konnten (Birami et al. 2021). Darüber hinaus fanden wir keine eindeutigen Hinweise darauf, dass erhöhte CO₂-Konzentrationen die Reaktionen auf Hitzestress und Dürre bei Aleppo-Kiefern-Sämlingen abschwächen würden (Birami et al. 2020; Gattmann et al. 2020).

Biogene flüchtige organische Verbindungen (BVOCs) werden von Pflanzen abgegeben und können aufgrund ihrer hohen Reaktivität die Chemie der Atmosphäre und die Luftqualität beeinflussen. Im Rahmen dieses Georg-Forster-Stipendiums der Humboldt-Stiftung an Dr. Elizabeth Gaona (2019–2021) wurden die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen von Bäumen unter Hitze- und Trockenstress untersucht. Darüber hinaus wurde in Zusammenarbeit mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich unter Verwendung der Saphir-PLUS-Kammer die atmosphärische Oxidation stressbedingter BVOC-Emissionen quantifiziert.

Der Schwerpunkt der von der DFG geförderten Emmy-Noether-Forschungsgruppe liegt auf der Erforschung detaillierter Prozessabläufe im Kohlenstoff- und Wasserkreislauf von Bäumen und Wäldern, die unterschiedlichen Stressszenarien sowie unterschiedlichen Stressintensitäten und -zeitpunkten ausgesetzt sind. Das Hauptuntersuchungsobjekt, die Waldkiefer – eine der am weitesten verbreiteten Baumarten in Europa –, hat bereits als Reaktion auf extreme Dürreereignisse einen deutlichen Rückgang gezeigt. Unser besonderes Interesse gilt den zugrunde liegenden physiologischen Reaktionen, darunter die Baumhydraulik, der Gasaustausch, die Kohlenstoffverteilung und das Wachstum während Hitze- und Trockenstress sowie die Fähigkeit, sich von Stress zu erholen. Auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse und Ökosystembeobachtungen werden wir einen Modellrahmen (LandscapeDNDC) weiterentwickeln, um die Reaktionen von Kiefernwäldern auf zukünftige Klimaextreme zu bewerten.

Unser Ziel ist es, die Auswirkungen von Stadtbäumen in Karlsruhe auf das Mikroklima und die Verringerung der Luftverschmutzung unter aktuellen und zukünftigen Klimabedingungen zu bewerten. Dabei kommt ein neu entwickeltes, physiologisch basiertes Modell zum Einsatz, das sowohl die Auswirkungen von Trockenheit auf die Kühlwirkung der Vegetation als auch die Schadstoffaufnahme durch die Pflanzen berücksichtigt. Die Arbeit wird potenziell die Auswirkungen von mehr als 100.000 Bäumen in Karlsruhe und Umgebung einbeziehen und trägt zur Entscheidungsfindung darüber bei, wo, wie viele und welche Arten gepflanzt werden sollten. Dies ist ein Teilprojekt des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts „Grüne Lunge“. Ansprechpartner in der Gruppe für Pflanzenökophysiologie sind Nadine Ruehr und Rüdiger Grote.