Die Arten der Familie der Dipterocarpaceaen (Flügelfruchtgewächse) sind in der Region Malesien die Hauptbaumarten in Bezug auf Holzgewinnung. Die geografische Verbreitung der Pflanzenfamilie erstreckt sich bis Südamerika und Afrika. Die Familie umfasst etwa 500 Arten in 17 verschiedenen Gattungen und ist unterteilt in drei Unterfamilien: Dipterocarpoideae, Monotoideae und Pakaraimoideae (Ashton, 1982). Dipterocarpoideae ist mit 470 Arten in 13 Gattungen die artenreichste Unterfamilie (Ashton, 1982). Sie ist noch einmal unterteilt in zwei Triben: Dipterocarpeae und Shoreae. Dipterocarpeae umfasst die Gattungen Anisoptera, Cotylelobium, Dipterocarpus, Stemonoporus, Upuna, Vateria und Vateriopsis, Shoreae die Gattungen Dryobalanops, Hopea, Neobalanocarpus, Parashorea und Shorea. Shorea und Hopea sind mit 169, bzw. 100 Arten die artenreichsten Gattungen. Studien zur molekularen Phylogenie der Unterfamilie Dipterocarpoideae werden bereits seit 1998 durchgeführt, besonders an der Gattung Shorea und ihren Schwestergattungen im Tribus Shoreae, da diese Gattung die höchste Artenzahl aufweist und von allen Dipterocarpaceaen das wertvollste Holz liefert. Viele dieser Arten sind vom Aussterben bedroht. Ziel von Untersuchungen zur molekularen Phylogenie ist die Vervollständigung von Phylogenien, die auf morphologischen Merkmalen beruhen, da die Einordnung von einigen Gattungen im Tribus Dipterocarpoideae noch immer zur Diskussion steht. Die Klassifizierung von Shorea in dieser Untersuchung bezieht sich auf Ashton (1982) und Symington (1943). Symington (1943) unterteilt Shorea basierend auf der Farbe des Holzes (White Meranti, Yellow Meranti, Balau und Red Meranti). Ashton (1982) hat die Klassifizierung von Symington (1943) grundsätzlich beibehalten, aber einige der Gruppen wurden in niedrigere taxonomische Ränge neu klassifiziert. Die Nachfrage nach Identifikationsmöglichkeiten für Dipterocapaceaen zur Vermeidung von Betrug bei der Zertifizierung von Holz hat zu einer Verbesserung moderner Identifikationssysteme geführt, die auch molekulare Daten nutzen. Traditionell werden Dipterocarpaceaen anhand von morphologischen Merkmalen identifiziert. Allerdings ist diese Art der Bestimmung ist oft nur eingeschränkt nutzbar, vor allem wenn keine Blüte vorhanden ist, da dies das eindeutigste taxonomische Bestimmungsmerkmal bei Dipterocarpaceaen ist. Die große Menge molekularer Daten und die fortschrittlichen Technologien im Bereich der DNA-Sequenzierung ermöglichten es dem DNA-Barcoding zu einer weitverbreiteten Technik für verschiedene taxonomische Studien zu werden. Dabei will es die traditionelle Taxonomie nicht ersetzen, sondern ergänzen und den Identifikationsvorgang beschleunigen. Zusätzlich ermöglicht die große Anzahl an verfügbaren Sequenzen in öffentlichen Datenbanken, wie z.B. die NCBI-Datenbank, die Entwicklung eines molekularen taxonomischen Schlüssels, einem neuen Konzept der Artidentifikation. Allerdings sind die Methoden des DNA-Barcoding noch immer in ihren Anfängen, so wird z.B. die Datenbank für das Projekt DNA Barcoding zurzeit noch eingerichtet. Diese Studie hat zum Ziel, mithilfe von vier Chloroplastenregionen (trnL intron, psbC-trnS IGS, matK und rbcL) die phylogenetischen Beziehungen in der Unterfamilie Dipterocarpoideae zu erschließen, sowie die Einordnung der verschiedenen Gattungen. Zusätzlich prüft diese Untersuchung auch die Eignung der beiden Barcoding-Regionen matK und rbcL, die vom Konsortium Barcode of Life (CBOL) im Jahr 2009 vorgeschlagen wurden. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines taxonomischen Identifizierungsschlüssels für die Identifizierung von Arten basierend auf der phylogenetischen Analyse. Alle Sequenzen von Dipterocarpaceaen, die in der NCBI-Datenbank hinterlegt sind, wurden für vier Chloroplastenregionen (trnL intron, psbC-trnS IGS, matK und rbcL) abgerufen. Zusätzlich zu den Sequenzen aus der NCBI-Datenbank wurden für die Untersuchung auch Proben sequenziert, die in der Abteilung Forstgenetik und Forstpflanzenzüchtung der Universität Göttingen zur Verfügung standen, um eine höchstmögliche Zahl von unterschiedlichen Arten untersuchen zu können. Für die phylogenetischen Analysen wurde die Software MEGA 5 verwendet und die statistischen Methoden maximum parsimony (MP), maximum likelihood (ML) und neighbor joining (NJ). Für die DNA-basierte Identifizierung wurde die Eignung von zwei Barcoding-Regionen mithilfe von nBLAST getestet. Die phylogenetische Analyse wurde unter Verwendung der neighbor joining-Methode durchgeführt. Es war für eine große Anzahl von Arten möglich, Sequenzen von den oben genannten  Chloroplastenregionen zu erhalten: 145 Arten für trnL intron, 117 Arten für psbC-trnS IGS, 116 Arten für matK und 69 Arten für rbcL. Die Länge der Sequenzen für die verschiedenen Regionen variierte, 537 bp, 1136 bp, 653 bp und 647 bp für die Regionen trnL intron, psbC-trnS IGS, matK bzw. rbcL. Die verschiedenen Methoden MP, ML und NJ für die phylogenetischen Analysen erzeugten sehr ähnliche Baumtopologien. Daher basiert die Diskussion vor allem auf den Ergebnisse der MP-Methode. Grundsätzlich war es nicht möglich, die evolutionären Beziehungen der Unterfamilie der Dipterocarpoideae anhand der vier Chloroplastenregionen eindeutig zu entschlüsseln. Die Regionen ermöglichten nur eine Aufklärung der Triben Dipterocarpeae und Shoreae, waren aber innerhalb der Triben deutlich weniger erfolgreich, vor allem in Bezug auf Shoreae. Für die Gattung Dipterocarpus stehen bisher nur Sequenzdaten der Regionen trnL intron und matK zur Verfügung. In dieser Studie wurden für beide Regionen eindeutig abgrenzbare Gruppen von Arten entdeckt. Es wird vermutet, dass Dipterocarpus die basale Gruppe der Dipterocarpoideae repräsentiert (Meijer, 1979). Diese Gattung hat der Familie auch ihren Namen gegeben, möglicherweise weil sie als eine sehr ursprüngliche Gruppe innerhalb der Dipterocarpaceaen gilt (Maury – Lechon, 1979). Auch ist diese Gattung innerhalb der Familie der Dipterocarpaceaen eindeutig definiert, basierend auf morphologischen Merkmalen und molekularen Analysen. Die Analysen der Region psbC-trnS IGS bestätigten die Ergebnisse von Symington (1943) basierend auf der Farbe des Holzes dahingehend, dass die Gattung Shorea eine monophyletische Gruppe bildet. Durch die Analyse der Region matK war es am ehesten möglich, die Beziehungen innerhalb des Tribus Dipterocarpeae zu beschreiben und die Sektion Doona innerhalb der Gattung Shorea als monophyletische Gruppe abzugrenzen. Allerdings war diese Region nicht geeignet für die weitere Klassifizierung innerhalb des Tribus Shoreae. Obwohl die Region rbcL die erste Chloroplastenregion ist, die sequenziert wurde, sind in der NCBI-Datenbank nur wenige Sequenzen verfügbar. Die Ergebnisse basierend auf den eigenen Labordaten führten zu dem Schluss, dass diese Region nicht geeignet ist, um die evolutionären Beziehungen der Dipterocarpoideae unterhalb der Gattungsebene aufzuzeigen. Die Region matK zeigte in dieser Untersuchung eine nahe Verwandtschaft zwischen den Gattungen Dryobalanops und Dipterocarpus, während die Region trnL intron eher darauf hindeutete, dass Dryobalanops eine Verwandtschaft zur Sektion Balau aus der Shorea-Gruppe aufweist. Diese gegensätzlichen Ergebnisse unterstützen die Annahme von Indrioko (2005), dass diese Gattung eine basale Gruppe des Tribus Shoreae ist. Die Artidentifizierung basierend auf DNA-Daten wurde anhand von zwei Vorgehensweisen untersucht, DNA-Barcoding und ein molekularer taxonomischer Identifizierungsschlüssel. Die zwei Barcode-Regionen matK und rbcL, übernommen vom Consortium for the Barcode of Life für Landpflanzen (Hollingsworth et al., 2009), wurden auf ihre Eignung als Barcoding-Regionen für die Unterscheidung der Dipterocarpaceae geprüft. Die meisten benötigten Informationen für die Region matK waren in der NCBI-Datenbank vorhanden, aber es wurden auch einige zusätzliche Proben in dieser Studie verwendet. Insgesamt wurden 119 bzw. 67 Proben für die Untersuchung der Region matK bzw. rbcL, verwendet. Für die Beurteilung der Effektivität der Barcoding-Analyse in dieser Untersuchung wurden zunächst mithilfe von neighbor joining-Bäumen monophyletische Gruppen einmal für die Eingabesequenzen und einmal für die Referenzsequenzen, die in der NCBI-Datenbank hinterlegt sind, identifiziert. Unter Verwendung von nBLAST wurde dann nach Ähnlichkeiten zwischen den Eingabesequenzen aus dem Labor und den Sequenzen aus der NCBI-Datenbank gesucht. Obwohl der neighbor joining-Baum einige der Sequenzen in die korrekte Gattung eingeordnet hat, konnte diese Region keine drei klar abgetrennten Gruppen für die Gattungen Shorea, Hopea und Parashorea erstellen. Die nBLAST-Analyse ergab für die meisten Eingabesequenzen auf der Artebene eine falsche Identifizierung. Aufgrund der fehlenden Unterscheidung zwischen Arten durch die Region matK, was nicht nur durch die Ergebnisse des nBLAST, sondern auch durch die phylogenetische Analyse deutlich wurde, und der Probleme bei der Amplifizierung ist diese Region ungeeignet als Barcoding-Region für die Familie der Dipterocarpaceaen. Über die Region rbcL kann keine weitere Aussage gemacht werden, da nur wenige Sequenzen für diese Region in der Datenbank verfügbar waren. Allerdings konnte die neighbor joining-Analyse zeigen, dass diese Region erfolgreich auf der Gattungsebene unterscheidet, aber nicht auf der Artebene.  Das DNA-basierte Identifizierungsverfahren unter der Verwendung eines taxonomischen Identifizierungsschlüssels kann noch nicht ausreichend zwischen Arten unterscheiden. Viele verschiedene Arten mit dem gleichen Haplotypen wurden bei der Erstellung des Schlüssels gefunden. Ein möglicher Grund ist die Verwendung der Region trnL intron für die Erstellung des Schlüssels. Taberlet (2007) berichtet, dass diese Region nicht effektiv ist bei der Unterscheidung zwischen nah verwandten Arten.

Die Buche (Fagus sylvatica L.) ist sowohl in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht in Mitteleuropa eine sehr wichtige Baumart. Häufig sind Buchenwälder auf Böden anzutreffen, auf denen Stickstoff das limitierende Nährelement ist. Auf solchen Böden konkurrieren deshalb Buchen, Ektomykorrhizapilze und Bodenbakterien um den verfügbaren Stickstoff. Der prognostizierte Klimawandel mit steigenden Temperaturen, Trockenperioden und Starkregenereignissen wird den Stickstoffkreislauf und die Konkurrenzverhältnisse beeinflussen, da sich zwei der wichtigsten Bodenparameter, Bodenfeuchte und Bodentemperatur, verändern werden. In diesen Parameter unterscheiden sich auch die beiden Versuchsflächen in Baden-Württemberg in der Nähe von Tuttlingen, die für die Versuche dieser Arbeit ausgewählt wurden. Die Flächen befinden sich gegenüberliegend in einem Tal und sind auf der einen Seite NO bez. NW exponiert und auf der anderen Seite SW exponiert. Der SW-Hang weist im Vergleich zu den nördlich exponierten Hängen eine erhöhte Bodentemperatur und eine verminderte Bodenfeuchte auf und kann damit als Modellstandort für das prognostizierte zukünftige Klima gelten. Wie die Buche mit den erwarteten klimatischen Änderungen umgehen wird, wird unter anderem auch von der Reaktion der Ektomykorrhizapilze abhängen. Diese spielen bei der Stickstoffaufnahme der Buchen eine entscheidende Rolle, da die Wurzelspitzen der Buche in natürlichen Ökosystemen praktisch vollständig mit Ektomykorrhizapilzen kolonisiert sind. Um die komplex zusammengesetzten Mykorrhizagesellschaften an Buchen charakterisieren und in Bezug auf ihre Funktion analysieren zu können, sind Informationen über die Morphologie und Anatomie der einzelnen Pilzarten notwendig. Selbst in Mitteleuropa fehlen aber für einen Großteil der Ektomykorrhizen exakte wissenschaftliche Beschreibungen. Daher wurde exemplarisch ein mykorrhizaler Morphotyp, der auf den Tuttlinger Versuchsflächen häufig vorkommt, morphologisch und anatomisch beschrieben und gezeichnet. Wegen seiner dicht mit langen Cystiden besetzten Manteloberfläche wird er dem „Short distance“-Explorationstyp zugeordnet. Besonders auffällig sind die drei bis sechsfachen Verzweigungspunkten der Cystiden, die charakteristisch verdickt sind und denen die Mykorrhiza ihren provisorischen Namen „Fagirhiza inflata“ verdankt. Die aufgrund der anatomischen Merkmale und der dextrinoiden Reaktion von Mantel und Cystiden mit Melzers Reagenz angenommene Zugehörigkeit zur Gattung Sebacina wurde durch die ITS-Sequenzierung bestätigt. Bisher war unklar, ob die Stickstoffversorgung von Buchen unter gegebenen Bedingungen von den Bodenmikroben, den Mykorrhizapilzen oder der Herkunft der Bäume abhängt. In einem Experiment sollte untersucht werden, ob und wie sich die unterschiedliche Artenzusammensetzung von Mykorrhizagesellschaften auf die Stickstoffakkumulation in den mykorrhizierten Wurzelspitzen und den Stickstofftransfer zu den Pflanzen auswirkt. Es wurden junge, genetisch ähnliche Buchen mit ihren assoziierten Mykorrhiza¬gesellschaften aus Tuttlingen von einem NO-Hang und einem SW-Hang in einen homogenen Boden transferiert und unter gleichen klimatischen Bedingungen mit 13C und 15N markiert. Die geringe mikrobielle Biomasse im Substrat führte dazu, dass die Konkurrenz um den Stickstoff mit Bakterien stark vermindert wurde. Die nicht mykorrhizierten Wurzelspitzen der NO- und SW-Buchen akkumulierten unter diesen Bedingungen das 15N gleich stark. Im Gegenteil dazu akkumulierten die mykorrhizierten Wurzelspitzen der NW-Buchen das 15N stark verzögert im Vergleich zu den mykorrhizierten Wurzelspitzen der SW-Buchen. Korrespondierend dazu dauerte bei den NO-Buchen der Transfer des 15N zu den Feinwurzeln und Blättern länger und erfolgte in niedrigeren Raten als bei den SW-Buchen. Daraus folgt, dass die Mykorrhizagesellschaften den N-Transport zur Pflanze kontrollierten. Außerdem zeigen diese Ergebnisse, dass die Mykorrhizapilze, die sich an trockene und warme Bedingungen angepasst haben, die Leistungsfähigkeit von den an moderate Bedingungen angepassten Mykorrhizapilzen in Bezug auf die Akkumulation von Stickstoff sogar übertreffen, wenn die umweltbedingten Einschränkungen wegfallen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Zusammensetzung der Mykorrhizagesellschaften entscheidend für die Zukunftsfähigkeit der Buchenwälder ist. Um die Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels (erhöhte Temperatur und niedrigere Bodenfeuchte) auf die Stickstoffversorgung von Buchen abschätzen zu können, wurde Buchennaturverjüngung mit umgebendem Boden (Mesokosmen) in Tuttlingen von dem NW-Hang auf den gegenüberliegenden SW-Hang ("Klimawandel" Behandlung) oder von dem NW auf den NW Hang (Kontrolle) transferiert. Die Buchen wurden für ein Jahr unter diesen Bedingungen kultiviert. In der nachfolgenden Vegetationsperiode wurde nach Injizieren von 15N markierten Stickstoffformen (Glutamin, Ammonium, Nitrat) in den Boden an mehreren Zeitpunkten geerntet. Anhand der 15N-Aufnahmeraten stellte sich Nitrat als die dominierende Stickstoffquelle für die Buchen heraus. Die klimatischen Bedingungen auf der SW-Seite führten zu einem Einbruch bei der Nitratbereitstellung durch die Bodenbakterien und damit zu Nitratmangel und nachfolgend zu einer Reduktion der Biomasse der Buchennaturverjüngung. In den mykorrhizierten Wurzelspitzen hingegen zeigte sich durchgängig, dass 15N aus Ammonium am stärksten akkumuliert wurde, gefolgt von Nitrat und Glutamin. In den meisten Fällen wurde auf der SW-Seite signifikant oder tendenziell weniger 15N akkumuliert als auf der NW-Seite. Intaktes Glutamin wurde weder in den mykorrhizierten Wurzelspitzen noch in den Buchen festgestellt, was auf eine sehr geringe Bedeutung von organischen Stickstoffformen für die Stickstoffversorgung der Buchen schließen lässt. Die Ergebnisse lassen befürchten, dass es in Zukunft große Probleme bei der Stickstoffversorgung der Buche geben wird. Vermutlich sind diese Restriktionen in der Stickstoffversorgung eine der Ursache für die prognostizierte erhebliche Reduktion der Kalkbuchenwälder bis zum Ende des 21. Jahrhunderts.

<p> Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N₂O), das auch Lachgas genannt wird, sind landwirtschaftliche Böden. Im Hinblick auf die ansteigende Weltbevölkerung ist mit einer Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion zu rechnen - mit weitreichenden Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf. Allerdings sind noch immer nicht alle Stickstoffflüsse und Umbauprozesse in Böden bis ins Detail verstanden, im Speziellen die Denitrifikation als einer der Schlüsselprozesse. Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO₃^-) über Nitrit (NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N₂O und schließlich zu Di-Stickstoff (N₂) umgesetzt, wobei N₂O parallel entstehen und verbraucht werden kann. Die Politik befasst sich angesichts des Klimawandels und dessen Folgen mit Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgase gerade im Agrarbereich. Um die Emissionen von Klimagasen vorhersagen zu können, werden prozessbasierte Modelle verwendet, die mit Hilfe von Feldstudien eingeschätzt und verbessert werden sollen. Weiterhin können beispielsweise Isotopomermessungen dazu beitragen, die N₂O- Prozesse im Boden besser zu verstehen. </p> <p> Diese Arbeit beinhaltet verschiedene Untersuchungsergebnisse zum Thema „N₂O- Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und liefert hilfreiche Informationen, die dazu beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N₂O- Prozesse und deren Einflussfaktoren zu füllen. </p> <p> In einer ersten Teilstudie wird der Langzeiteffekt unterschiedlicher Bodenbearbeitung (pflugbasiert vs. pfluglos) einerseits auf die Vorräte und die Verteilung organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs und andererseits auf die Jahresemission von N₂O und die jährliche Methanaufnahme beschrieben und diskutiert. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, wie sich die Bearbeitung auch auf die Variation der Gasflüsse und auf die Faktoren, die die zeitliche und räumliche Variabilität bedingen, auswirkt. </p> <p> Zusätzlich wurden mit dem „Denitrification- Decomposition“-Modell (DNDC) die bei den Feldversuchen erfassten N₂O-Emissionen und Ernteerträge der zwei Bearbeitungsvarianten modelliert. Damit sollte die Eignung des Modells im Hinblick auf die Beschreibung und Vorhersagbarkeit der Emissionen und Erträge der unterschiedlich bewirtschafteten Böden getestet werden. </p> <p> Des Weiteren werden zwei Laborexperimente zur Identifizierung von Produktions- und Reduktionsprozessen des N₂O während der Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte durch die zeitgleiche Erfassung der N₂O- Produktion und -Reduktion darauf ab herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des emittierten N₂O unter der nicht-homogenen NO₃^-- und Denitrifikationsverteilung im Boden geeignet sind, die involvierten Prozesse besser zu beschreiben. </p> <p> Der zweite Versuch sollte neben dem Einfluss der initialen Bodenfeuchte auf die N₂- und N₂O- Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit die Isotopensignaturen des emittierten N₂O und des NO₃^- im Boden die N₂-Flüsse und das Verhältnis von N₂O/N₂ widerspiegeln und ob die Isotopensignaturen des N₂O als Werkzeug zur Untersuchung der Denitrifikation im Boden geeignet sind. </p> <p> Für die Untersuchung des Einflusses der Bodenbearbeitung wurden die Versuchsstandorte Garte Süd und Hohes Feld bei Göttingen ausgewählt. Die lössbasierten Parabraunerden unterliegen seit über 40 Jahren der konventionellen (pflugbasierten) und der reduzierten (pfluglosen) Bodenbearbeitung, mit den jeweiligen Bearbeitungstiefen von 25 bis 28 und 5 bis 8 Zentimetern. Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurden die N₂O- und Methan- Flussraten mittels Haubenmethode sowie einige Bodenparameter (Wassergehalt und mineralischer Stickstoffgehalt) wöchentlich gemessen und Wetterdaten (Temperatur und Niederschlag) täglich erfasst. Zusätzlich wurde zu Beginn der Untersuchung eine Bodeninventur durchgeführt. Ernteerträge wurden getrennt für die Flächen, Jahre und Bodenbearbeitungsvarianten bestimmt. </p> <p> Für die Modellierung wurde ein Testmodel, basierend auf der Parametrisierung einer Variante der ersten Teilstudie (Garte Süd, pflugbasiert) generiert, welches die erfassten Daten (N₂O-Emissionen, Erträge, Bodenwasserdynamik) am besten beschrieben hat. Diese Parametrisierung wurde dann an den anderen Varianten als zurückblickende Simulation angewendet. </p> <p> Die beiden Laborversuche fanden in England am Institute of Grassland and Environmental Research, North Wyke, statt. Mit Hilfe eines speziellen Denitrifikations-Inkubationssystems unter Ausschluss des N₂ wurden zwölf mit Ackerboden gefüllte Zylinder eingebaut und nach Über- und Durchströmen mit einem Helium/Sauerstoff Gemisch wurde Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) bei einem wassergefüllten Porenvolumen von 85% über ein mittig angebrachtes zweites Gefäß von oben zugegeben. Nach 7,5 Tagen wurde statt des Helium/Sauerstoff Gemisches reines Helium verwendet, um eine vollständige Denitrifikation zu gewährleisten. Die Gasflüsse (N₂O, N₂ und Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen (&delta;¹⁸O-N₂O, &delta;¹⁵N^bulk-N₂O, &delta;¹⁵N^&alpha;, &delta;¹⁵N^&beta; und die ¹⁵N Positionspräferenz) des emittierten N₂O wurden über einen Zeitraum von 13 Tagen erfasst. </p> <p> Bei dem zweiten Laborversuch wurde ein Teil der Bodenproben bei trockenen (20% wassergefülltes Porenvolumen), der andere Teil bei deutlich feuchteren Bedingungen (75% wassergefüllter Porenvolumen) über einen Zeitraum von vier Wochen vorinkubiert. Anschließend wurden alle Proben auf denselben hohen Wassergehalt (85% wassergefülltes Porenvolumen) eingestellt, in die Versuchsanlage eingebaut, unter Helium/Sauerstoff Atmosphäre gesetzt. Nach Zugabe von Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) (90% wassergefülltes Porenvolumen) wurden die Gasflüsse und Isotopensignaturen analog zum ersten Versuch zehn Tage lang untersucht. In diesem Versuch wurde nach sechs Tagen die Sauerstoffzufuhr gestoppt. </p> <p> Die Ergebnisse der ersten Studie ergeben, dass die jährlichen N₂O-Flüsse und Methan-Aufnahmen der untersuchten Ackerböden mehr von den Bodeneigen-schaften, dem Klima und der Bewirtschaftung abhingen als vom Bearbeitungs- system. Winteremissionen machten bis zu 50 Prozent der jährlichen N₂O-Emissionen aus und die Jahresemissionen spiegeln die Unterschiede der Jahresniederschläge wieder. Außerdem hat sich das jahrzehntelange Pflügen auf die Verteilung des organischen Kohlenstoffs im Bodenprofil ausgewirkt, jedoch nicht auf den Gesamtkohlenstoffvorrat der gepflügten und minimal bearbeiteten Flächen. Unterschiede der Gesamtkohlenstoffvorräte zwischen den Flächen lassen sich auf den unterschiedlichen Tongehalt zurückführen. </p> <p> Die standortspezifische Kalibration hat sich als essenzielle Voraussetzung für die Modellierung der N₂O-Flüsse und Ernteerträge herausgestellt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Kalibration mit experimentellen Daten und verfügbaren Literaturangaben zu annähernder Übereinstimmung zwischen modellierten und gemessenen Erträgen und den jährlichen N₂O- Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große Abweichungen bezüglich der modellierten und gemessenen N₂O-Emissionen im Jahresverlauf festgestellt. Die Pedotransferfunktionen das Denitrifikationsteilmodell des verwendeten DNDC Modells bedürfen daher weiterer Verbesserungen. </p> <p> Die dritte Studie legt dar, dass die N₂O- Isotopologen den zeitlichen Verlauf der beobachteten N₂O- und N₂-Flüsse widerspiegelten und hilfreiche Prozess-informationen lieferten. Die eindeutige Identifizierung der Quellprozesse wurde durch das Auftreten mehrerer Faktoren behindert und konnte abschließend nicht aufgeklärt werden. Dennoch wies der zeitgleiche Anstieg der 15N-Positions-präferenz und der &delta;¹⁸O-N₂O-Signaturen auf die N₂O-Reduktion zum N₂ hin. </p> <p> Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung eines Bodens auf die N₂O-Emissionen belegt die vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass das zeitgleiche Erfassen von N₂- und N₂O-Flüssen und der Isotopensignaturen von NO₃^- und N₂O zusammen mit der Modellierung der Isotopenfraktionierung Einblicke in die räumliche Verteilung von N Spezies und der mikrobiellen Aktivität im Boden erlaubt. </p> <p> Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich kein genereller Einfluss der betrachteten Bodenbearbeitungssysteme auf den Nettoaustausch des N₂O gezeigt hat und dass die Modellierung der N₂O-Gesamtemissionen der zwei Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler Isotope hat das Verständnis der N₂O-Produktions- und -Verbrauchsprozesse verbessert und die initialen Feuchtebedingungen haben die Emissionen und die Isotopensignaturen während der Denitrifikation in einem Ackerboden beeinflusst. </p>

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Die Unterzeichnung und Ratifizierung des Übereinkommens über die biologische Vielfalt (Convention on Biological Diversity, CBD), auch als Biodiversitätskonvention bekannt, betreffen auch den Indonesischen Forstwirtschaftsektor. Das Forstwirtschaftsministerium hat allmählich den Fokus seiner Politik von der reinen Holzproduktion auf den international geforderten, sogenannten ökosystemaren Ansatz verlagert, der eine Strategie für das integrierte Management von Land, Wasser und biotischen Ressourcen umschreibt, die Schutz und nachhaltige Nutzung gleichermaßen vorantreibt (siehe www.cbd.int/ecosystem/). Das aktuelle Forst- bzw. Waldgesetz Nr. 41/1999 betont dementsprechend die Bedeutung der verschiedenen Waldfunktionen im Rahmen der forstlichen Bewirtschaftung und hat die betreffenden Manageprinzipien anerkannt. In diesem Zusammenhang sollten landschaftlicher Kontext und Landschaftsökologie als Schlüsselbegriffe genannt werden. Der Forstwirtschaftssektor bzw. die staatliche Forstverwaltung in Indonesien soll nicht länger einzelne Waldgebiete isoliert betrachten, sondern die gesamte Landschaft mit Blick auf die Bedeutung der Wälder und ihre möglichen Funktionen im Auge behalten. Gleichermaßen fordert der ökosystemare Ansatz (ecosystem approach) eine Verlagerung vom traditionellen und segregativen Schutz(gebiets)gedanken, welcher ungeschützte Bereiche ignoriert, zu einer ganzheitlichen Bewahrung natürlicher Ressourcen im landschaftlichen Kontext, was die Berücksichtigung aller Landnutzungstypen und eine intersektorale Zusammenarbeit erfordert. Dementsprechend erfordert das Forstmanagement forstliche Kompetenz mit Blick auf alle Arten von Ökosystemen. Die forstliche Verantwortung erstreckt sich von Naturlandschaften über ländliche bis hin zu urbanen Gebieten. Integrierter Natur- und Umweltschutz auf der Grundlage der Waldfunktionen erfordert auch die Koordination mit anderen Sektoren der räumlichen Entwicklung und die Zusammenarbeit mit den Landbesitzern. Dieses sind die neuen Herausforderungen für den Forstwirtschaftssektor und für die Förster. Diese Studie zeigt nicht nur, wie der ökosystemare Ansatz seitens der Indonesischen Forstpolitik und Forstverwaltung interpretiert und implementiert wird. Sie befasst sich auch damit, wie die in diesem Rahmen proklamierten Prinzipien als Leitfaden für die Forstentwicklung und die forstliche Zusammenarbeit in einem weiter gefassten ökologischen Kontext dienen können. Die Ziele der Studie sind folgende: 1) Fallbeispiele der indonesischen forstlichen Planungspraxis im Hinblick auf ökologische Waldfunktionen in ihrem landschaftlichen Kontext zu analysieren, 2) die Grundsätze des ökosystemaren Ansatzes als ein Konzept zu Schutz und Förderung der Biodiversität im landschaftlichen Kontext auszuloten, 3) die inhaltliche Bedeutung und Konsistenz der gegenwärtigen Waldfunktionenzuweisung in den dafür relevanten Indonesischen Gesetzen sowie deren Umsetzung in neueren Entwicklungsvorhaben zu prüfen, 4) die Hindernisse und Chancen in Indonesien zu identifizieren, 5) die Herausforderungen und Erfordernisse sowie Empfehlungen für die künftige Verbesserung des forstlichen Managements zu benennen. Der Forschungsansatz beruht auf dem Studium schriftlicher Quellen und auf örtliche Fallstudien zur Rolle der Forstverwaltung und ihrer Sektor-übergreifenden Kooperationen im Rahmen forstlicher und anderer Entwicklungsvorhaben im Einzugsgebiet des Solo Flusses auf Java. Das Quellenstudium umfasste zunächst die jeweiligen Projektberichte und -dokumentationen sowie inhaltlich erklärende oder ergänzende wissenschaftliche Veröffentlichungen; danach wurden die relevanten Rechtsgrundlagen und die dazu entwickelten Regelwerke (Ausführungsvorschriften, Richtlinien und Anweisungen) für die Umsetzung eines entsprechenden Managementansatzes entlang der Verwaltungshierarchie bzw. der räumlichen Zuständigkeiten erforscht und schließlich wurden die Beziehungen und Konsistenten zwischen diesen Rechtsgrundlagen und Instrumenten eruiert. Die Ergebnisse wurden involvierten Experten und Schlüsselpersonen vorgelegt, die mit Hilfe eines offenen, grob vorstrukturierten Gesprächleitfadens zu den Hintergründen, zum Projektverlauf und zu Projektergebnissen befragt wurden. Bedingt durch diese Rekonstruktion des Projektverlaufes wurde jedes Projektgebiet mehrfach besucht, und der Besuch dazu genutzt, sich ein eigenes Bild von der jeweiligen Lage zu verschaffen und gegebenenfalls nach weiteren Informationen zu suchen. Die Analyse betrachtet den Umgang mit den Prinzipien des ökosystemaren Ansatzes, gegliedert nach drei wichtigen Themenbereichen, nämlich: 1) den Einsatz eines adaptiven Managements, 2) die Berücksichtigung der gebietsspezifischen Verhältnisse und des Zustandes der jeweiligen Ökosysteme im Hinblick auf deren Aufbau, Funktionen und Integrität, und 3) die Einbeziehung von Stakeholdern und Wirtschaftsaspekten. Der erste Teil konzentriert sich auf das adaptive Management, besonders im Zusammenhang mit Organisations- und Verwaltungsaspekten. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der Forstwirtschaftssektor in Indonesien strukturell seine Repräsentanz bis auf die lokale Ebene ausgeweitet hat. Allerdings mangelt es immer noch an angemessenen und zielführenden Verwaltungsrichtlinien zur Sicherung und Stärkung der biologischen Vielfalt und zum Schutz der Umwelt. Die derzeitigen Bestimmungen in der Forstwirtschaft sind ungeeignet, um mit den rapiden Entwaldungs- und Urbanisierungsprozessen im Untersuchungsraum umzugehen, denn sie sind ausschließlich auf die noch bestehenden Restwaldflächen ausgerichtet. Der zweite Teil befasst sich mit raumbezogenen Fragen zu Strukturen, Funktionen und Integrität der Waldökosysteme. Alle untersuchten Fälle zeigen, dass essentielle Grundsätze für einen zeitgemäßen Naturschutz sowie die technische Unterstützung und Durchführung fehlen. Aspekte wie die ausreichende Größe von repräsentativen Gebieten, der räumlich-funktionale Verbund von Habitaten, der Uferschutz oder die Berücksichtigung von Gebieten ohne Schutzstatus in einem umfassenden Schutzkonzept für den landwirtschaftlichen und urbanen Bereich bisher auf keiner Ebene forstlicher Zuständigkeiten berücksichtigt oder gar unterstützt worden sind Der dritte Teil der Analyse beschreibt die Berücksichtigung von Stakeholdern und Wirtschaftsaspekten. Die Ergebnisse machen deutlich, dass: 1) sich die Teilnahme und Berücksichtigung von Stakeholdern auf die Forstwirtschaftprogramme ‘social forestry‘ und ‘community forestry‘ und dabei auf die Funktionen der Güterproduktion und einzelne Fragen des Waldschutzes beschränkt. Allerdings umfasst sie auch die Zusammenarbeit zwischen Regierungsorganen, Geschäftssektoren und den Bauern 2) sich die ökonomischen Steuerungsmechanismen seitens der indonesischen Forstwirtschaft auf Anreizmechanismen beschränken, nicht jedoch Umweltkosten und Nutzen internalisiert werden oder gar finanzielle Abschreckungsmechanismen entwickelt worden sind, obwohl diese als Bestandteile des Umweltschutz- und Wirtschaftsrechtsgesetzgebung vorgesehen sind. Damit lässt das Forstmanagement in Indonesien noch immer entscheidende Lücken in der Umsetzung der EsA Managementprinzipien erkennen, wenngleich es v.a. wesentliche regulative und strukturelle Verbesserungen als Voraussetzung für die Umsetzung des ökosystemaren Ansatzes erfahren hat.

Seit 1990 waren mehrere der großen Flussgebiete Mitteleuropas wiederholt von extremen Hochwassern betroffen. Da sowohl die Landoberfläche als auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuropas in der Vergangenheit weitreichenden Eingriffen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suche nach den Ursachen für diese Häufung von Extremereignissen auch die Frage nach der Verantwortung des Menschen hierfür diskutiert. Gewässerausbau, Flächenversiegelung, intensive landwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbereinigung und Waldschäden sind nur einige Beispiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe in die Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der beteiligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibt es allerdings bislang nur Schätzungen darüber, wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurch verändert hat. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines hydrologischen Modells systematisch darzustellen, in welcher Weise, in welcher Größenordnung und unter welchen Umständen die Art der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung Einfluss nimmt. Dies wird anhand exemplarischer Modellanwendungen in der hydrologischen Mesoskala untersucht. Zu diesem Zweck wurde das deterministische und flächendifferenzierte hydrologische Modell wasim-eth ausgewählt, das sich durch eine ausgewogene Mischung aus physikalisch begründeten und konzeptionellen Ansätzen auszeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die für die Charakterisierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig sind: (1) Bevorzugtes Fließen in Makroporen wird durch eine Zweiteilung des Bodens in Makroporen und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle Infiltration und Perkolation jenseits der hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenmatrix ermöglicht. (2) Verschlämmung äußert sich im Modell abhängig von Niederschlagsintensität und Vegetationsbedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen an der Bodenoberfläche. (3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauter Flächen mit einer Mischung aus versiegelten Bereichen und Freiflächen wird berücksichtigt, indem jede Teilfläche je nach Versiegelungsgrad in einen unversiegelten Bereich und einen versiegelten Bereich mit Anschluss an die Kanalisation aufgeteilt wird. (4) Dezentraler Rückhalt von Niederschlagswasser kann sowohl für natürliche Mulden als auch für gezielt angelegte Versickerungsmulden mit definierten Infiltrationsbedingungen simuliert werden. Das erweiterte Modell wird exemplarisch auf drei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheins angewandt. Diese drei Gebiete mit einer Fläche von zwischen 100 und 500 km² wurden im Hinblick darauf ausgewählt, dass jeweils eine der drei Hauptlandnutzungskategorien Bebauung, landwirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert. Für die drei Untersuchungsgebiete sind räumlich explizite Landnutzungs- und Landbedeckungsszenarien entworfen worden, deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe des erweiterten hydrologischen Modells simuliert wird. Im Einzelnen werden die Auswirkungen von Verstädterung, Maßnahmen zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stilllegung agrarisch genutzter Flächen, veränderter landwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Aufforstung sowie von Sturmschäden in Wäldern untersucht. Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeption von Niederschlag, dessen Infiltration, die oberflächennahen unterirdischen Fließprozesse sowie, zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch die Abflusskonzentration. Die hydrologischen Simulationen demonstrieren, dass die Versiegelung einer Fläche den massivsten Eingriff in die natürlichen Verhältnisse darstellt und deshalb die stärksten (negativen) Veränderungen der Hochwassersituation hervorbringt. Außerdem wird deutlich, dass eine bloße Änderung des Interzeptionsvermögens zu keinen wesentlichen Veränderungen führt, da die Speicherkapazität der Pflanzenoberflächen im Verhältnis zum Volumen hochwasserauslösender Niederschläge eher klein ist. Stärkere Veränderungen ergeben sich hingegen aus einer Änderung der Infiltrationsbedingungen. Die Grenzen der entwickelten Methodik zeigen sich am deutlichsten bei der Simulation veränderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden, deren mathematische Beschreibung und zahlenmäßige Charakterisierung aufgrund der Komplexität der beteiligten Prozesse mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Die Modellierungsergebnisse belegen darüber hinaus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung aufgrund der entscheidenden Bedeutung der klimatischen und physiographischen Randbedingungen unzulässig sind. Zu den klimatischen Randbedingungen zählen sowohl Niederschlagsintensität und -dauer als auch die Feuchtebedingungen vor einem hochwasserauslösenden Niederschlag. Die physiographischen Randbedingungen sind von der geomorphologischen und geologischen Ausstattung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss der räumliche und zeitliche Maßstab, über den Aussagen getroffen werden, klar definiert sein, da sich mit steigender Einzugsgebietsgröße die relative Bedeutung sowohl der verschiedenen Niederschlagstypen als auch der physiographischen Eigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderen Untersuchungen konsequent berücksichtigt. In Abhängigkeit von Randbedingungen und räumlichen Maßstab sind aufgrund der gewonnen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Einfluss von Landnutzungsänderungen auf die Hochwasserentstehung möglich: (1) Für intensive konvektive Niederschlagsereignisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist der Einfluss der Landnutzung größer als für langanhaltende advektive Niederschläge geringer Intensität, da im ersten Fall veränderte Infiltrationsbedingungen stärker zum Tragen kommen als bei kleinen Niederschlagsintensitäten. (2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinräumige Konvektivzellen zu Hochwassern führen können, ist der Einfluss der Landnutzung dementsprechend größer als in großen Flussgebieten wie dem Rheingebiet, wo vor allem langanhaltende advektive Ereignisse (unter Umständen verbunden mit Schneeschmelze) relevant sind. (3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaften wie mächtigen, gut durchlässigen Böden und gut durchlässigem Gesteinsuntergrund ist der Einfluss der Landnutzung größer als in Gebieten mit geringmächtigen Böden und geringdurchlässigem Festgestein. Dies ist darin begründet, dass in Gebieten mit guten Speichereigenschaften bei einer Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen mehr Speicherraum für Niederschlag verloren geht als in anderen Gebieten. / Since 1990, several of the large European river basins were affected repeatedly by extreme floods. As both the landscape and the river systems in large parts of Central Europe have undergone major changes in the past, during the search for the causes of this accumulation of extreme events also the impact of human activities on flooding has been discussed. River training, surface sealing, intensive agricultural land-use, consolidation of farmland, and damages to forests are only some examples and consequences of the anthropogenic interferences with the landscape. But due to the diversity of the processes and factors involved, by now it can only be estimated how far the flood situation has changed by these interferences. Therefore, the main target of this thesis is to describe systematically in which way, to what extent and under which circumstances the land-use exerts an influence on storm-runoff generation and subsequently the discharge of rivers. This is investigated by means of exemplary model applications at the hydrological meso-scale. For this task, the deterministic and distributed hydrological model wasim-eth was chosen due to its well-balanced mixture of physically-based and conceptual approaches. In the framework of this thesis, the model has been extended in order to cope with several phenomena which are important when aiming at a characterization of the influence of land-use on flood generation: (1) Preferential flow in macropores is treated by a division of the soil into macropores and a soil matrix. This so-called double-porosity approach allows for fast infiltration and percolation beyond the hydraulic conductivity of the soil matrix. (2) Siltation expresses itself within the model as a deterioration of infiltration conditions at the soil surface, depending on precipitation intensity and the degree of vegetation covering. (3) The heterogeneous appearance of built-up areas, consisting of both sealed areas and pervious areas, is taken into account by dividing each partial area into an unsealed part and a sealed part which is connected to the sewer system. (4) Decentralized storage can be simulated for natural depressions as well as for specific infiltration measures with defined infiltration conditions. The extended model is exemplarily applied to three meso-scale tributaries of the Rhine river. These three catchments with an area of between 100 and 500 km² were chosen with regard to their prevailing land-use, one of them being heavily urbanized, one dominated by agricultural use, and one being mainly forested. For these three catchments, spatially explicit land-use and land-cover scenarios were developed. The impact of these scenarios on storm-runoff generation is being simulated using the extended hydrological model. In this context, namely urbanization, infiltration measures in settlement areas, conversion of farmland to set-aside areas, altered agricultural management practices, affor estation and storm damages in forests are taken into account. These changes influence the interception of rainfall, its infiltration into the soil, the subsurface flow processes next to the soil surface as well as, for example in the case of sewer systems, also runoff concentration. The hydrological simulations demonstrate that sealing of the soil surface is the most intensive intervention in the natural conditions among the ones which are mentioned above. Therefore it results in the strongest (negative) changes of the flooding situation in a catchment. In addition to that, the simulations show that a simple alteration in the interception capacity does not yield significant changes in catchment response, because the storage capacity of vegetation surfaces is rather low compared to the volume of storm events which normally lead to significant floods. More pronounced changes arise from modifications in the infiltration conditions. The limits of the methodology which was chosen for this thesis become obvious when simulating altered agricultural management practices. Due the complexity of the processes involved, mathematical description and parameterization is difficult and therefore afflicted with high uncertainty. In addition to that, the modelling results prove that global statements on the influence of land-use on flood generation are illegitimate because of the paramount importance of the climatic and physiographic boundary conditions. Climatic boundary conditions are precipitation intensity and duration as well as the moisture conditions before a storm event. The physiographic boundary counditions are given by the geomorphological and geological catchment properties. Furthermore, with increasing scale there is a shift in the relative importance of the different types of rainfall as well as the different geophysical catchment properties. Therefore, the spatial and temporal scale for which the results are valid have to be clearly defined. This is taken into account consequently within this thesis – in contrast to many other studies on this topic. Depending on boundary conditions and spatial scale, the findings allow the following statements regarding the influence of land-use changes on storm-runoff generation: (1) For intensive convective storm events with generally low antecedent soil moisture, the influence of land-use is greater than for long-lasting advective storm events with low rainfall intensities, because in the first case changes in the infiltration conditions are more important than during times of low precipitation intensities. (2) In small catchments, where small-scale convective cells can lead to a flood, the influence of land-use is accordingly greater than in large river basins like the Rhine basin, where long-lasting advective rainfalls (possibly in combination with snowmelt) are relevant. (3) In areas with good storage conditions like thick, permeable soils and pervious rock underneath, the influence of land-use is greater than in areas with thin soils and only slightly permeable bedrock. This is due to the fact that in case of deteriorating infiltration conditions, more storage space for precipitation is lost in areas with good storage conditions than in other areas.

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Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2006

Universiẗat, Diss., 2007--Kassel.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2008