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| Projektbereiche |
| Integration der Ergebnisse, Modellierung und Datenmanagement |
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Die Gliederung der Teilprojekte nach Projektbereichen (Abb. 4) und die dargestellten, unmittelbaren Interaktionen zwischen den Projekten (Abb. 5), s. "Vernetzung der Arbeitsgruppen") stellen nur einen Aspekt der Vernetzung dar. Die Definitionen der Projektbereiche A und B unterstreichen, dass die jeweils zugehörigen Teilprojekte, abgestimmt nach Methodik und zu untersuchender biologischer Organisationsebene, Fragestellungen verfolgen, die - unabhängig von den Faktorenregimen - gleichermaßen für forst- und landwirtschaftliche Nutzpflanzen, krautige Pflanzen wie Holzpflanzen sowie Pflanzen unterschiedlicher Altersstadien gelten und Relevanz besitzen.
Die Intensität der Vernetzung ist auch deswegen hoch, da die Teilprojekte nach dem Typus der zu untersuchenden biotischen Interaktion, nach Pflanzenarten, den Schauplätzen der Untersuchung, den einwirkenden abiotischen Faktoren sowie den eingesetzten Pathogenen/Phytophagen gruppiert werden können; einzelne Teilprojekte gehören somit mehreren Vergleichsebenen an.
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Zentrales Instrument der Datenintegration ist in Phase II die Modellierung,
auf der Basis der in Phase I vorbereiteten Modelle zur Analyse der Prozesse in der Pflanze und im Boden (PRIESACK, C2) und zur Skalierung pflanzlicher Prozesse auf die Bestandsebene mit den dort herrschenden, kompetitiven Interaktionen (PRETZSCH, C3; s. Ausführungen in "Projektbereich C"). Diese Integration dient gleichermaßen der Hypothesenprüfung wie Konzept-Weiterentwicklung im SFB 607
(als Aufgabe des Projektbereiches C).
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Die evaluierte Darstellung der Systemzusammenhänge durch die Modellierung wird es in Phase III ermöglichen, die Pflanzenentwicklung bei verschiedenen Umweltszenarien einschließlich der Auswirkungen von Managementeinflüssen zu beurteilen. Der Aufbau der Modelle aus allgemeingültigen Prinzipien besitzt neben der Bedeutung für die SFB-Konzeptentwicklung Relevanz für Lehre und Praxis.
Das breite Untersuchungs-Spektrum im SFB 607 und die damit verbundene große Spannweite der zeitlichen und räumlichen Auflösung von Prozessen erfordern zwei Modellansätze (TP C2, PRIESACK und TP C3, PRETZSCH). Das erste Modellsystem (C2) ist für die Abbildung der hohen Detaildichte von Labor- und Gewächshausexperimenten und für die Simulation von weitgehend homogenen, kurzfristig bewirtschafteten Systemen entwickelt worden (Bottom-Up-Ansatz). Das zweite Modellsystem (C3) geht von forstwissenschaftlichen Zielstellungen aus und ist daher für eine geringere Datenverfügbarkeit und lange Simulationszeiträume ausgelegt. Dementsprechend muß es im Unterschied zum C2-Modell in längeren Zeitschritten und größeren räumlichen Einheiten arbeiten. Es legt Mechanismen zugrunde, die sich mit den SFB-Untersuchungen (insbesondere den Freilandmessungen) in Beziehung setzen und so evaluieren lassen (Top-Down-Vorgehensweise). Eine vollständige Beschreibung aller Prozesse von der Zell-Ebene bis zum Bestand mit einem einzigen Modell ist nicht möglich, da zum einen die notwendigerweise sehr detaillierten Initialbedingungen auf der Bestandesebene nicht verfügbar sind, und zum anderen unkalkulierbare Fehlerakkumulationen bei längeren Simulationsläufen unvermeidlich wären. Dennoch kann der übertrag von Erkenntnissen aus dem Modellsystem C2 in das System C3 gewährleistet werden, da die weitgehende übereinstimmung in der Wahl der Mechanismen die Parametrisierung von weniger detailliert beschriebenen Prozessen (C3) durch detaillierter behandelte (C2) ermöglicht.
Modell ist nicht möglich, da zum einen die notwendigerweise sehr detaillierten Initialbedingungen auf der Bestandesebene nicht verfügbar sind, und zum anderen unkalkulierbare Fehlerakkumulationen bei längeren Simulationsläufen unvermeidlich wären. Dennoch kann der übertrag von Erkenntnissen aus dem Modellsystem C2 in das System C3 gewährleistet werden, da die weitgehende übereinstimmung in der Wahl der Mechanismen die Parametrisierung von weniger detailliert beschriebenen Prozessen (C3) durch detaillierter behandelte (C2) ermöglicht.
TP C2 modelliert das System 'Pflanze-Boden' auf der Ebene physiologischer Prozesse, ist also auf die Interaktionen ober- und unterirdischer Konkurrenz, der Wirt/Parasit-Beziehungen, zwischen Einzelpflanze und Mykorrhizosphäre sowie die Wurzel/Sproß-Allokation fokussiert. In dem in Phase I entwickelten Modellsystem PLATHO werden dynamische physiologische Eigenschaften (z.B. Blattdifferenzierung) in Abhängigkeit externer Einflüsse und integrierender Erkenntnisse aus der Betrachtungsebene der biochemischen Prozesse bis zur Ebene der Einzelpflanze skaliert. Die betrachtete Zeitskala reicht dabei von Minuten bis zu maximal wenigen Jahren, da Randbedingungen als homogen betrachtet werden. Durch den hochmodularen Aufbau des Simulationsprogramms wurde eine Plattform geschaffen, die es erlaubt, durch den Austausch einzelner Module zu Teilprozessen Arbeitshypothesen zu überprüfen oder neu zu entwickeln.
In diesem Modell werden die pflanzeninterne Regulation der Ressourcen-Allokation zwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel, in den Bodenbereich gerichtete Stoffflüsse sowie die entsprechenden energetischen Kosten auf der Basis der biochemisch/physiologischen Mechanismen abgebildet. Das Modell basiert auf den Umsetzungen zwischen den von POORTER & VILLAR (1997) als wesentlich definierten Metabolit-Klassen des pflanzlichen Stoffwechsels (s. Konzept). Integriert sind die Auswirkungen auf Wuchsverhalten und allometrische Differenzierung, die hieran gekoppelten Stoffbilanzen sowie rückgekoppelte Wirkungen auf Photosyntheseleistung sowie Wasser- und Nährstoffbedarf. Da die Prozesse der Mykorrhizosphäre einen wesentlichen Bestandteil bilden, werden unter den herrschenden abiotischen Szenarien die ober- und unterirdischen Interaktionen - auch mit Pathogenen/Herbivoren und Nachbarpflanzen - in den Auswirkungen auf Stoffwechsel und strukturelle Entwicklung der Pflanze abgedeckt. Erste Modell-Validierungen wurden durchgeführt. Mit wachsender Datenbasis werden in der Phase II die Bewertung implementierter Algorithmen fortgeführt, die Präzision des Modells erhöht und auf dieser Grundlage Defizite im Verständnis des
Systems 'Pflanze-Boden' lokalisiert. Das auf Einzelpflanzen bezogene Modell konzentriert sich auf krautige Pflanzen und junge Bäume mit Befunden vorwiegend aus Phytotron-, Glashaus- und Lysimeterexperimenten. Seinem Konzept nach ist das Modell in seinen grundlegenden Eigenschaften zunächst unabhängig vom Pflanzentypus, ist aber auf den verschiedenen Prozeßebenen zwischen Pflanzenarten und Entwicklungsstadium 'schaltbar' und wird dadurch der Quantifizierung charakteristischer Unterschiede und Gesetzmäßigkeiten dienen. Zusammen mit der Modellierergruppe C3 werden die Schnittstellen zu älteren Bäumen und Bestandsbedingungen definiert. Gegen Ende der Phase II wird das Modell zum 'Planungsinstrument' der weiteren Konzeptentwicklung im SFB 607 eingesetzt.
In TP C3 wurde während Phase I ein Modell mit der Bezeichnung BALANCE entwickelt, das sich aus dem in der forstlichen Praxis als Planungsinstrument bereits bewährten Simulator SILVA ableitet. Mit BALANCE wird die Umweltsensitivität erweitert und stärker mechanistisch aufgelöst. Damit wird auch die zeitliche Variation von Einflüssen berücksichtigt (z.B. Unterscheidung von Frühjahrs- oder Sommertrockenheit, Auswirkung von Ozonspitzenwerten) und es können Kombinationen von Umweltveränderungen bewertet werden, für die es noch keine Fallbeispiele gibt (z.B. CO2, Ozon, Temperatur). Gleichzeitig bleibt die Anknüpfung an die Praxis erhalten, da die Initialdatenbasis auf verfügbare Inventurdaten beschränkt bleibt und zusätzlich zu den (monatlich berechneten) Stoffhaushaltsgrößen alle forstlich relevanten Dimensionsgrößen über Jahre und Jahrzehnte hinweg berechnet werden.
BALANCE schätzt für jeden Baum individuell die Licht-, Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit sowie die physiologischen Reaktionen (Photosynthese, Atmung, Nährstoffaufnahme, C- und N-Allokation, ontogenetische Verläufe) und Dimensionsveränderungen, die sich aus dem Biomassezuwachs und den richtungsabhängigen Umwelteinflüssen ergeben. Die Dimensionsveränderungen modifizieren rückgekoppelt automatisch und auf Jahresbasis die Versorgung mit Licht, Wasser und Nährstoffen. Dies bildet die Grundlage für Simulationen über mehrere Jahre hinweg. In Phase II werden das Modell anhand von Messungen an Bäumen im Kranzberger Forst evaluiert und resultierende Aussagen auf Allgemeingültigkeit (inkl. der forstlichen Wuchsreihen) geprüft (auf der Grundlage von Ergebnissen aus den TPs B1, B2, B4 und B10). Neue Prozeßmodule (Mykorrhiza, Parasiteinwirkung, Befunde aus Inventuren von TP A9) werden implementiert und evaluiert. Die allometrischen Beziehungen und ihre Stoffbilanzen der Einzelbäume werden also auf die Raumbesetzungsmuster der Bestandsebene skaliert, und die Interaktion zwischen pflanzeninterner und -externer Ressourcen-Verteilung modellhaft dargestellt, so dass auf einer mechanistischen Basis ein Planungs- und Managementinstrument entsteht.
Die Modelle können über die in beiden Ansätzen enthaltenen Mechanismen miteinander verglichen werden. Dies geschieht in Phase II auf der Ebene der 'Einzelpflanze' via ausgewählter Schlüsselprozesse, wie z.B. die Photosynthese und die Ozonwirkung. Mit Hilfe der detaillierter gestalteten und zeitlich höher aufgelösten Prozeßbeschreibungen aus TP C2 werden die entsprechenden stärker aggregierten Prozeßbeschreibungen in TP C3 parametrisiert. Weiterhin wird in Phase II mit Hilfe der beiden Modelle die "ontogenetische Skalierung" von Prozessen zwischen jungen und alten Holzpflanzen realisiert.
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In Phase II werden mit der erarbeiteten Datenbasis und den nun ermöglichten Modellierungen Arbeitshypothesen geprüft (Gesetzmäßigkeiten der Ressourcenallokation) und die Versuchsplanung für Phase III unterstützt.
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Datenmanagement
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Dokumentation, Bereitstellung, Speicherung und Transfer der im SFB 607 erhobenen Daten erfolgte in Phase I durch ein verteiltes Datenmanagement. Eine wesentliche Basis war die Erstellung einer Meta-Datenbank unter Leitung der TPs C1, C2, C3: Erfassung von Typus und Auflösung der erarbeiteten Meßgrößen und Datensätze. Dies bereitete die Organisation der anfallenden Daten in einer zentralen Datenbank vor, deren Entwicklung und Aufbau in der SFB-Phase II erfolgt. Diese Aufgabe erfüllt neu aufgenommene TP C7 (LASSER: Institut für Biomathematik und Biometrie; GSF). Neben der Entwicklung der zentralen Datenbank gehört deren Verwaltung und Wartung zu den wesentlichen Aufgaben in TP C7, auch die vorhandene Expertise zur Biostatistik wird die Befunde der verschiedenen TPs sichern helfen. Die wissenschaftliche Zielsetzung ist in C7 durch die Entwicklung einer visuellen Oberfläche zur Analyse von Zeitreihen und drei-dimensionaler Zusammenhänge (als Grundlage von Prozeß-Skalierungen) gegeben. Beide Aspekte sind von wesentlicher Bedeutung im SFB 607 für Wertungen zur Weiterentwicklung der Modellierungen. TP C7 unterstützt in Kooperation mit TPs C1, C2, C3 Querschnittsanalysen über die verschiedenen Untersuchungsszenarien hinweg unterstützen (s.o.) und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Datenintegration im SFB 607. Die professionell entwickelte Datenbank gewährleistet den dauerhaften Fortbestand der im SFB 607 erarbeiteten Datenbasis.
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