Biodiversität impliziert nicht nur Artenvielfalt als solche, sondern auch die Vielfalt der jeweiligen Lebensräume. Das Wirkungsgefüge zwischen Arten beziehungsweise der Lebensgemeinschaft und ihrem Lebensraum, ist höchst komplex. Böden müssen bestimmte Eigenschaften im Hinblick auf Nährstoffe, Wasserhaushalt, Gefüge oder Puffervermögen aufweisen und das Klima muss bestimmte Voraussetzungen bezüglich Temperatur, Strahlung oder Niederschlag erfüllen. Zudem treten die Arten in gegenseitige Wechselwirkungen, die für das Gleichgewicht in dem jeweiligen Ökosystem unabdingbar sind. Anthropogene Einflüsse, wie Nutzungsänderungen in der Forst- oder Landwirtschaft, sowie der Klimawandel, der längere Trockenperioden mit sich bringt, wirken sich zunehmend negativ auf Biotope und ihre Artengemeinschaften aus. In den im Projekt betrachteten Wasserschutzgebieten (WSG) werden auch grundlegende Ökosystemleistungen (ÖSL) für die Wasserversorgung beeinflusst - Grundwassererneuerung und Grundwasserqualität. Daher werden die WSG als Teil der Produktionskette der wasserwirtschaftlichen Unternehmen betrachtet, die diese in ihrer Funktionsweise zu sichern haben. Wasserwirtschaftliche Unternehmen verfügen grundsätzlich auch über die finanzielle Ausstattung, um Biotope, Artenvielfalt und ÖSL ihrer WSG zu monitoren und zu bewahren. Allerdings fehlt ihnen bisher die Infrastruktur und das Wissen hierzu. Der interdisziplinäre Ansatz des Biotop- und Artenschutzes erfordert die gleichzeitige Betrachtung von botanischen, faunistischen, pedologischen, klimatologischen, geologischen und hydrologischen aber auch von anthropogenen Aspekten. Forschungsansätze in diesem Rahmen müssen sich daher großen Datenmengen stellen, die zudem sehr heterogen bezüglich Einheiten, Skalen, zeitlicher Auflösung oder Formate sind. Dabei liegen die Daten meist nur sektoral vor, zum Beispiel in Form einer Wasserbilanz oder einer Artenkartierung. Für einige Arten liegen aut-, syn- oder demökologische Untersuchungsergebnisse vor, welche helfen grundlegende Funktionsweisen von Ökosystemen zu verstehen. Jedoch bleibt die Übertragung dieser Ansätze in die Fläche und die jeweiligen spezifischen Vor-Ort-Situationen bisher schwierig bis unmöglich. Hier setzt das vorliegende Projekt an: Mit Hilfe von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) sollen die klassischen sektoralen Grenzen in der Biodiversitätsforschung überwunden und Frühwarnsysteme für den Verlust von Biodiversität und ÖSL in den WSG entwickelt werden. Dies ermöglicht wasserwirtschaftliche Unternehmen die Förderung von Biodiversität und ÖSL in die Managementpläne ihrer WSG zu implementieren. Ziel des BioWaWiKI-Projektes ist es, ein umfassendes Verständnis für den Zusammenhang von Wasserhaushalt und Biodiversität in den WSG der Gemeinde Bühl (Balzhofen, Landmatt, Kappler Wald) zur Entwicklung2 von Schutzmaßnahmen für Biotope, Arten und ÖSL zu entwickeln. Abbildung 1 zeigt die Lage der WSG der Gemeinde Bühl, das Biotopuntersuchungsgebiet sowie das Modellgebiet der hydrogeologischen Modellierung des Projektes “Biodiversität und Wasserwirtschaft” (BioWaWi), auf das BioWaWiKI aufbaut. Durch eine Kombination aus umfassender Datenerhebung, Datenanalyse und KI-Methoden werden die Auswirkungen von Umweltveränderungen (u.a. Trockenperioden, (extreme) Wetterereignisse) auf die Biodiversität und den Wasserhaushalt analysiert.

Bezüglich der ausgewählten Projektregion bedeutet dies, dass in diesem Projekt ein besonderes Augenmerk auf die Vernetzung von Arten und Biotopen/Habitaten gelegt wird (NAWI, AGW). In den Bühler WSG kommen mehrere seltene und bedrohte Biotoptypen vor, die nach der Roten Liste der Biotoptypen Baden-Württembergs als gefährdet oder stark gefährdet eingestuft und zudem von Flächenverlust und Rückgang der Biotopqualität betroffen sind. Darunter fallen naturnahe Bachabschnitte, feuchtegebundene Waldtypen (z.B. Schwarzerlen-Eschen-Wälder, Waldziest-Hainbuchen-Stieleichen-Wälder und Bergkiefern-Moorwälder), Nasswiesen und Pfeifengras-Streuwiesen. An die Lebensraumtypen sind oftmals stark gefährdete und geschützte Tierarten gebunden. So sind der Dunkle und der Helle Wiesenknopf-Ameisenbläuling wichtige FFH-Arten im Untersuchungsgebiet. Diese Arten sind auf Feuchtwiesen mit Vorkommen des Großen Wiesenknopfs sowie spezifischer Ameisenarten als Nahrungsgrundlage für die Raupen angewiesen. Eine weitere hochgradig gefährdete Art, die im Untersuchungsgebiet vorkommt, ist Duftschmids Glanzflachläufer, der ebenfalls eine höhere Bodenfeuchte benötigt. Darüber hinaus wurden mehrere bedrohte Wildbienen-Arten im Untersuchungsgebiet identifiziert, darunter elf Arten, die laut der Roten Liste Baden-Württemberg als gefährdet oder stark gefährdet gelten. Mehrere dieser Arten sind auf spezifische Pflanzenarten feuchter Standorte angewiesen, z.B. auf den Gewöhnlichen Teufelsabbiss (Skabiosen-Sandbiene) oder den Heilziest (Späte Ziest-Schlürfbiene). Abbildung 1 Projektgebiet der Biodiversitätsforschung in Wasserschutzgebieten der Stadt Bühl bei Baden-Baden, Baden-Württemberg.3 Weiterhin kommen im Untersuchungsgebiet die Helm-Azurjungfer und zwei Quelljungfern-Arten vor, die auf das Vorhandensein von geeigneten Bachläufen angewiesen sind. Obwohl weniger gefährdet, sind die im Untersuchungsgebiet vorkommenden Feuersalamander, Bergmolche, Wechselkröten und Grasfrösche ebenfalls wichtige Zeigerarten für die Stabilität der Feuchtbiotope, die unter den Bedingungen des Klimawandels mit seinen längeren Dürreperioden verstärkt unter Druck geraten. Satellitengestützte Spektralaufnahmen (IPF) werden als Informationen herangezogen, um den Zustand der Biotope und der Bodenfeuchte flächenhaft zu ermitteln und in die zu entwickelnden KI-Methoden für die Szenarienentwicklung einzubeziehen. Hierbei werden das satellitengestützt gemessene saisonale NDVI-Muster (AGW) durch bodengestützte automatisch fotografierende Kamerasysteme ergänzt (UP). Als Teil der Anwendungsbearbeitung ist vorgesehen, die bestehenden numerischen Modelle (vor allem das gekoppelte regionale Grundwasser- und Bodenhaushaltswassermodel) in die KI-Bearbeitung einzubinden. Im Ergebnis sollen die relevanten Einflussfaktoren der Wasserhaushaltsmodelle auf die Bewertung und Verbesserung der Biodiversität übertragen werden. Dieser Bearbeitungsschritt wird maßgeblich durch JIG in enger Zusammenarbeit mit OK durchgeführt. Das entwickelte KI-Methodenwerkzeug ermöglicht die Bewertung von Biotopstabilitäten und Artenvorkommen mit Fokus auf den Folgen des Klimawandels mit veränderten Wasser- und Feuchteregimes. Neben den Auswirkungen des Klimawandels (Dürre, Hochwasser, Temperatur, …) gehen hier auch wasserhaushaltsrelevantes und landschaftsbezogenes Nutzungsverhalten mit ein. Beispielsweise kann die Auswirkung von natürlicher und künstlicher Bewässerung in Abhängigkeit von klimatischen Szenarien auf die Biodiversität abgeschätzt werden. Es werden Szenarienberechnungen ermöglicht sowie die Früherkennung von Änderungen der Artvorkommen, Biotope und ÖSL. Durch die Einbindung regionaler und bundesweiter Datensätze ist eine Übertragung auch auf WSG und Landschaften anderer Regionen möglich. Relevante Akteursgruppen und die lokale Bevölkerung werden in das Projekt einbezogen, zum einen, um wertvolle Hinweise auf die lokalen bzw. regionalen Gegebenheiten sowie ganz konkret um Daten zu gewinnen, zum anderen, um das Verständnis für die Projektziele und -inhalte sowie die Verwertbarkeit der Projektergebnisse zu erhöhen und die praktische Relevanz der Forschung für den Naturschutz und die Bevölkerung herzustellen. Dies soll dazu beitragen, dass praktische Maßnahmen zur Förderung der Biodiversität und der ÖSL im Einzugsgebiet der Stadtwerke Bühl und darüber hinaus auch über die Projektlaufzeit hinaus entwickelt und vorangetrieben werden.