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Establishment of Teak plantations for high-value timber production in Ghana

Background and Objectives: The project area is located in the Ashanti Region of Ghana / West Africa in the transition zone of the moist semideciduous forest and tropical savannah zone. Main land use in this region is subsistence agriculture with large fallow areas. As an alternative land-use, forest plantations are under development by the Ghanaian wood processing company DuPaul Wood Treatment Ltd. Labourers from the surrounding villages are employed as permanent or casual plantation workers. Within three forest plantation projects of approximately 6,000 ha, DuPaul offers an area of 164 ha (referred to as Papasi Plantation) - which is mainly planted with Teak (Tectona grandis) - for research purposes. In return, the company expects consultations to improve the management for sustainable timber and pole production with exotic and native tree species. Results: In a first research approach, the Papasi Plantation was assessed in terms of vegetation classification, timber resources (in qualitative and quantitative terms) and soil and site conditions. A permanent sampling plot system was established to enable long-term monitoring of stand dynamics including observation of stand response to silvicultural treatments. Site conditions are ideally suited for Teak and some stands show exceptionally good growth performances. However, poor weed management and a lack of fire control and silvicultural management led to high mortality and poor growth performance of some stands, resulting in relative low overall growth averages. In a second step, a social baseline study was carried out in the surrounding villages and identified landowner conflicts between some villagers and DuPaul, which could be one reason for the fire damages. However, the study also revealed a general interest for collaboration in agroforestry on DuPaul land on both sides. Thirdly, a silvicultural management concept was elaborated and an improved integration of the rural population into DuPaul's forest plantation projects is already initiated. If landowner conflicts can be solved, the development of forest plantations can contribute significantly to the economic income of rural households while environmental benefits provide long-term opportunities for sustainable development of the region. Funding: GTZ supported PPP-Measure, Foundation

Forschergruppe (FOR) 1320: Crop Sequence and Nutrient Acquisition from the Subsoil, Water as medium for nutrient distribution: Monitoring water distribution between subsoil and topsoil considering roles of biopores and plants, by MRT and pressure probes (WatMed)

Magnetic resonance tomography (MRT) on microcosm soil cores (200 mm Ø) used for CeMiX, comprising naturally stacked subsoil down to 700 mm plus topsoil from CeFiT, will be implemented at a laterally partially open Split 1.5 T magnet, with intended final in-plane spatial resolution of 200 Micro m. Three-dimensional biopore distributions and dynamics of their formation within the cores will be determined non-invasively and compared to complementing CT analyses of SP 2. One major aim is a non-invasive differentiation of the biopores into earthworm- and root system-originating ones and currently air-, water-, root- and earthwormfilled ones, based on NMR relaxation parameters. Attempts will additionally be made to classify different wall coatings of the biopores with regard to their water affinity. Dynamics of water distribution within the microcosm core and its biopore structures, starting from initial values taken from CeFiT (SP 3), will be documented with an in-plane resolution of 5 mm, in parallel to measurements of root growth dynamics for calculation of biomass and root surface area. Special emphasis will be put on the role of the plant root system for a re-distribution of water/D2O (and solutes) between different soil layers. Finally we will attempt MRT-controlled sample collection from the microcosm cores, to get - together with our research unit partners of SPs 4-8 - repeated access to minimally invasively acquired data on nutrient and microorganism distributions in concert with non-invasively collected water and root distribution data as a basis for dynamic modelling of water and solute circuits in SP 10. Beside the microcosm cores, flat rhizotrons as used in SP 3 will be employed to enable measurements of root and shoot hydrostatic pressure profiles with pressure probes, in addition to MRT measurements. In this way water distributions and corresponding driving forces and growth dynamics will be measured altogether in a minimally invasive manner.

Drivers and mechanisms of 13C discrimination in Cleistogenes squarrosa (C4) - reducing uncertainties on bundle sheath leakiness

The energetic efficiency of C4 photosynthesis is strongly affected by bundle sheath leakiness, which is commonly assessed with the 'linear version' of the Farquhar model of 13C discrimination, and leaf gas exchange and 13C composition data. But, the linear Farquhar model is a simplification of the full mechanistic theory of ? in C4 plants, potentially generating errors in the estimation of leakiness. In particular, post-photosynthetic C isotope fractionation could cause large errors, but has not been studied in any detail. The present project aims to improve the understanding of the ecological and developmental/physiological factors controlling discrimination and leakiness of the perennial grass Cleistogenes squarrosa. C. squarrosa is the most important member of the C4 community which has spread significantly in the Mongolia grasslands in the last decades. It has an unusually high and variable discrimination, which suggests very high (and potentially highly variable) leakiness. Specifically, we will conduct the first systematic study of respiratory 13C fractionation in light and dark at leaf- and stand-scale in this C4 species, and assess its effect on discrimination and estimates of leakiness. These experiments are conducted in specialized 13CO2/12CO2 gas exchange mesocosms using ecologically relevant scenarios, testing specific hypotheses on effects of environmental drivers and plant and leaf developmental stage on discrimination and leakiness.

Emmy Noether-Nachwuchsgruppen, Mechanisms regulating the boron nutritional status in rapeseed and Arabidopsis and their implications for the development of boron-efficient genotypes

Boron (B) is an essential microelement for plants. Despite the use of modern fertilization methods, B deficiency still causes losses in agricultural plant production. Even though many positive effects of B on plant growth and physiology have been reported, a large majority of B functions and the regulatory mechanisms controlling the B nutritional status remain unknown. The main objective of this project is to elucidate how the greatly B deficiency-sensitive Brassica crop plants process and regulate their B status during vegetative and reproductive growth. In this context, the project aims at identifying the mode of action of B in mechanisms regulating the B status itself and uncovering those mechanisms contributing to B efficiency in different genotypes. Plant species subjected to investigation will be the agronomically important oilseed and vegetable plant Brassica napus (rapeseed) and its close relative the genetic and molecular model plant Arabidopsis thaliana. Questions addressed within the scope of this project should lead to a detailed understanding of mechanisms controlling B uptake and allocation from the level of the whole plant down to the cellular level. B transport routes and rates will be determined in sink- and source tissues and in developmental periods with a particularly high B demand. A special focus will be on the identification of B transport bottlenecks and the analysis of B deficiency-sensitive transport processes to and within the highly B-demanding reproductive organs. Recent studies in Arabidopsis suggest that Nodulin26-like Intrinsic Proteins (NIPs), which belong to the aquaporin channel protein family, are essential for plant B uptake and distribution. The systematic focus on the molecular and physiological characterization of B. napus NIPs will clarify their role in B transport and will identify novel NIP-associated mechanisms playing key roles in the B response network.To further resolve the mostly unknown impact of the B nutritional status on gene regulation and metabolism, a transcript and metabolite profile of B-sufficient and B-deficient rapeseed plants will be generated. Additionally, an Arabidopsis transcription factor knockout collection (greater 300 lines) will be screened for abnormalities in responses to the B nutritional status. This will identify yet unknown B-responsive genes (transcription factors and their targets) and gene products (enzymes or metabolite variations) playing key roles in signalling pathways and mechanisms regulating the B homeostasis. Boron (in form of boric acid) and arsenite (As) share in all likelihood the same NIP-mediated transport pathways. To assess the consequences of this dual transport pathway the so far unstudied impact of the plants B nutritional status on the accumulation and distribution of As will be investigated in B. napus. Moreover, the current dimension of the As contamination of Brassica-based food products, to which consumers are exposed to, will be analyzed. usw.

Klassifizierung ausgewählter Mesofauna-Taxozönosen (Collembola, Gamasina) von Feldrainen

Ziel der Forschungsarbeit ist die Klassifizierung von Boden-Biozönosen in ausgewählten Feldrainen. In drei Naturräumen (Lössböden der Jülicher Börde, Muschelkalkböden in Mainfranken und pleistozäne Sande bei Leipzig) werden typische Lebensgemeinschaften von Collembola und Gamasina (Taxozönosen) beschrieben. Der wesentliche Unterschied zu anderen Klassifikations-Ansätzen liegt in der induktiven Vorgehensweise: Biozönosen werden allein aufgrund der Artenzusammensetzung an den Standorten typisiert. Vegetationskundliche Kriterien dienen als entscheidendes Hilfsmittel zur Vorauswahl von Flächen mit ähnlichen Standortbedingungen. Hierbei wird gleichzeitig die aufgenommene Vegetation als ein weiteres Taxon der zu beschreibenden Biozönose angesehen. Die typische Artenzusammensetzung ist das integrierte Ergebnis aller denkbaren ökologischen Vorgänge. Ein Ziel der Arbeit ist somit die prospektive Formulierung von Erwartungswerten für Collembolen und Raubmilben auf der Basis vegetationskundlicher Daten. Es sollte daher möglich sein, dieses Mehrarten-System mit hoher Sensibilität zur Bioindikation von Standortveränderungen einzusetzen. Die Kenntnis der Artenstruktur wiederkehrender Lebensgemeinschaften kann der funktionellen Ökosystemforschung hilfreiche Hinweise bieten.

Die Strukturen der Tagionosphären von Mars und Venus: Vergleich und Interpretation eines schnellen und flexiblen Modells mit laufenden Beobachtungen

Die Beobachtungen der Radio Science Experimente Mars Express Radio Science, Mars Global Surveyor Radio Science und Venus Express Radio Science liefern eine sehr große Datenbasis für die Elektronendichteverteilung der Tagionosphäre von Mars und Venus. In der Laufzeit des Original-Antrags erfolgte die Ableitung von Profileigenschaften/Umgebungsparametern und die Entwicklung eines schnellen, flexiblen zeitunabhängigen photochemischen Modells der ionosphärischen Elektronendichte (IonA-1) für Mars (Neutralatmosphäre: Mars Climate Database) und Venus (Neutralatmosphäre: VenusGRAM). Der Vergleich der beobachteten und modellierten MaRS und VeRa Parameter des ionosphärischen Hauptmaximums (M2/V2) ergaben für Mars global eine exzellente Übereinstimmung, aber nicht für Venus (unrealistische VenusGRAM Neutralatmosphäre, Peter et al., 2014). Für die Modellierung kleinskaliger Ionosphärenmerkmale wird jedoch die individuelle Übereinstimmung der jeweiligen M2/V2 Höhen und Breiten benötigt, da dies auf Ähnlichkeiten zwischen realer und Modellatmosphäre zur Zeit der Beobachtung hinweist. Für die Modellierung von Meteorschichten unterhalb der Sekundärschicht M1/V1 wurden Fallstudien mit entsprechenden MaRS Profilen in Kombination mit einem Modell für Meteorschichten (IonA/MSDM) durchgeführt. MSDM berücksichtigt die Deponierung von Mg und Fe in eine Atmosphäre und simuliert die Bildung von Metallionen durch Photoionisation/Ladungsaustausch. Ein zusätzlich entwickeltes hydrostatisches 1D Modell der Neutralatmosphäre für ionosphärischen Höhen (NIA) bildet als flexiblere Neutralatmosphäre mit kleinskaligem Höhengitter die Basis für die Anwendung von IonA auf einen größeren Beobachtungsdatensatz. Die Weiterentwicklung von IonA-1 zu einem zeitabhängigen photochemischen Modell mit komplexem Reaktionsschema (Iona-2) ermöglicht die Modellierung von ionosphärischen Ionen. Der Fortsetzungsantrag soll NIA und IonA-2 koppeln, um ein detaillierteres Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Ionosphären und Neutralatmosphären in ionosphärischen Höhen zu erreichen. Die Radio Science Beobachtungen der unteren Neutralatmosphäre erfolgen fast zeitgleich mit den Ionosphärenbeobachtungen und bietet so eine erste Abschätzung der Neutraldichte für NIA. Das gekoppelte Modell der Neutralatmosphäre/Ionosphäre mit konsistenter Berechnung der Neutral, Ionen- und Elektronentemperaturen (a) deckt den transportdominierten Bereich der Ionosphäre oberhalb von M2/V2 ab, (b) liefert eine realistischere Modellierung der Anomalien unterhalb von M1/V1, (c) schätzt den Beitrag der sekundären Ionisation in M1/V1/M2/V2 ab, (d) liefert Erklärungen für den sog. Bulge, eine anomale Anhäufung von Elektronen in der Topside und (e) stellt mögliche Zustände der Neutralatmosphäre in ionosphärischen Höhen während der Beobachtungen zur Verfügung. Der letzte Punkt dient der Weiterentwicklung von globalen Zirkulationsmodellen, besonders für Venus, da die Datenlage im entsprechenden Höhenbereich sehr schlecht ist.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Artbildung und Anpassung antarktischer Asselspinnen: Bewertung des Einflusses genetischer Drift und natürlicher Selektion durch vergleichende populationsgenomische und morphologische Analysen

Die Erforschung von Artbildungs- und Anpassungsprozessen ist zentral, um zu verstehen, wie Biodiversität entsteht und auf wechselnde Umweltbedingungen reagiert.. Ein idealer Ort für solche Studien ist das Südpolarmeer: Es beherbergt eine reiche und hochgradig endemische Fauna. Neuere Studien zeigen, dass viele benthische Arten aus Gruppen von genetisch distinkten Kladen bestehen, die als früher übersehene Arten pleistozänen Ursprungs interpretiert werden. Diese kryptischen Arten können durch molekulare Methoden (z. B. DNA-Barcoding) und z.T. auch durch morphologische Analysen unterschieden werden. Es wird angenommen, dass die Artbildung per Zufall erfolgte, als ehemals große Populationen während glazialer Maxima in kleinen allopatrischen Refugien isoliert wurden, wo sie starker genetischer Drift ausgesetzt waren. Alternative Artbildungsmodelle wurden bislang wegen fehlender molekularer Methoden kaum erforscht. Studien aus anderen Ökosystemen zeigen, dass ökologische Artbildung, d.h. Aufspaltungsereignisse durch unterschiedliche Selektion, ein naheliegendes alternatives Artbildungsmodell ist. In dem hier vorgestellten Projekt sollen erstmals hochauflösende genomische Methoden zusammen mit morphologischen Analysen benutzt werden, um konkurrierende Artbildungsmodelle für das Südpolarmeer zu testen. Als Fallstudie sollen hierfür Muster genetischer Drift und Selektion in einer besonders erfolgreichen Gruppe benthischer Arten des Südpolarmeeres untersucht werden, den Asselspinnen (Pycnogonida). Aufbauend auf vorangehenden Studien sollen genomische Muster neutraler und nicht neutraler Marker bei zwei Artkomplexen untersucht werden: Colossendeis megalonyx und Pallenopsis patagonica. Diese beiden Artkomplexe von Asselspinnen sind aufgrund mehrerer Merkmale hervorragende Modelle für die Themen dieses Antrages: 1) Es existieren zahlreiche genetisch divergente kryptische Arten, 2) erste morphologische Unterschiede wurden gefunden, 3) die weite Verbreitung der Vertreter sowohl auf dem antarktischen Kontinentalschelf als auch in weniger von den Vereisungen betroffenen subantarktischen Regionen, 4) ihre geringe Mobilität. Sollte eine durch genetische Drift bedingte allopatrische Artbildung in glazialen Refugialpopulationen der Hauptantrieb der Evolution sein, ist zu erwarten, dass Zufallsfixierung neutraler Allele und Signaturen von Populations-Bottlenecks in stark vereisten Gebieten am höchsten sind. Wenn andererseits natürliche Selektion der Hauptantrieb der Artbildung war, so sind starke Signaturen von Selektion auf Geno- und Phänotyp zu erwarten. Diese sollte am stärksten bei sympatrischen Arten sein (Kontrastverstärkung). Die Variation entlang von Genomen soll untersucht werden, um das Ausmaß zufälliger bzw. nicht zufälliger Variation einzuschätzen. Das vorgeschlagene Projekt wird ein wichtiger erster Schritt einer systematischen Erforschung der relativen Bedeutung von genetischer Drift und Selektion für die Evolution im Südpolarmeer sein.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Ausbreitung und genetischer Austausch zwischen Flechtenpopulationen in Patagonien und der Antarktischen Halbinsel (unter Berücksichtigung anthropogener Einflüsse)

(1) Terrestrische Biota der Antarktis sind durch geografische Isolation und inselhafte Verteilung geprägt. Die isolierte Lage der Antarktis und die Beschränkung auf weit voneinander entfernte kleine Habitatflecken haben zu einem hohen Endemiten-Anteil und einer starken Regionalisierung der Fauna und Flora geführt. Genetische Differenzierung, lokale Anpassung und die Evolution kryptischer Arten sind die Folge. Die Biodiversitäts-Konvention (CBD) betrachtet genetische Diversität als einen Eckpfeiler biologischer Vielfalt und stellt sie damit in eine Reihe mit der Diversität von Arten und Ökosystemen. Durch Einschleppung ortsfremder Arten und Homogenisierung bislang getrennter Genpools bedroht der Mensch jedoch zunehmend diese Isolation und genetische Differenzierung vieler antarktischer Biota. (2) Obwohl Flechten als wichtigste Primärproduzenten antarktische terrestrische Lebensräume dominieren, fehlen zurzeit Daten zu ihrer genetischen Struktur und Diversität. Der Umfang inter- und intrakontinentalen Genflusses ist bisher völlig unbekannt. Es ist deswegen derzeit unmöglich, den aktuellen und zukünftigen menschlichen Einfluss auf antarktische Flechtenpopulationen auch nur annähernd abzuschätzen.(3) Wir schlagen vor, mittels molekulargenetischer Daten die populationsgenetische Struktur von sechs weit verbreiteten Flechtenarten mit unterschiedlichen Ausbreitungsstrategien zu untersuchen. Dabei soll die Nullhypothese überprüft werden, dass Flechtenpopulationen genetisch nicht differenziert sind. Zusätzlich wollen wir abschätzen, ob menschliche Aktivitäten zur Einschleppung ortsfremder Arten oder Genotypen und zur Homogenisierung von Genpools beitragen. Hierfür sollen Lokalitäten mit hohem und niedrigem menschlichen Einfluss verglichen werden. Das Projekt schafft damit unverzichtbare Grunddaten für die Entwicklung von Schutzstrategien in der Antarktis.

Development of a modelling system for prediction and regulation of livestock waste pollution in the humid tropics

Introduction: In Malaysia, excessive nutrients from livestock waste management systems are currently released to the environment. Particularly, large amounts of manure from intensive pig production areas are being excreted daily and are not being fully utilised. Alternatively, the excess manure can be applied as an organic fertiliser source in neighbouring cropping systems on the small landholdings of the pig farms to improve soil fertility so that its nutrients will be available for crop uptake instead of being discharged into water streams. Thus, there is a need for better tools to analyse the present situation, to evaluate and monitor alternative livestock production systems and manure management scenarios, and to support farmers in the proper management of manure and fertiliser application. Such tools are essential to quantify, and assess nutrient fluxes, manure quality and content, manure storage and application rate to the land as well as its environmental effects. Several computer models of animal waste management systems to assist producers and authorities are now available. However, it is felt that more development is needed to adopt such models to the humid tropics and conditions of Malaysia and other developing countries in the region. Objectives: The aim is to develop a novel model to evaluate nutrient emission scenarios and the impact of livestock waste at the landscape or regional level in humid tropics. The study will link and improve existing models to evaluate emission of N to the atmosphere, and leaching of nutrients to groundwater and surface water. The simulation outputs of the models will be integrated with a GIS spatial analysis to model the distribution of nutrient emission, leaching and appropriate manure application on neighbouring crop lands and as an information and decision support tool for the relevant users.

Wovon wir reden, wenn wir von Unsicherheit reden - Eine Bewertung der Bayes'schen Statistik als Mittel zur hydrogeologischen Unsicherheitsanalyse

Die Relevanz von Unsicherheitsanalysen in der Hydrogeology ist vergleichsweise groß aufgrund der Tatsache, dass Aquifereigenschaften oft sehr heterogen sind und meist nur wenige in-situ Daten zu deren Charakterisierung zu Verfügung stehen. Die Bayes'sche Statistik ist hervorragend geeignet, um solche Analysen durch zu führen. Verglichen mit klassicher, frequentistischer Statistik lassen sich Unsicherheiten deutlich einfacher modellieren, können Wahrscheinlichkeitsaussagen auch für Einzelfälle getroffen werden und Hintergrundwissen von ex-situ Messungen konsistent mittels der A-priori-Verteilung repräsentiert werden. In der Praxis werden allerdings sowohl Unsicherheitsanalyse wie auch Aquifercharakterisierung nur selten mit Bayes'schen Methoden durchgeführt. Der wahrscheinlich wichtigste Hinderungsgrund ist dabei die Schwierigkeit die A-priori-Verteilung zu bestimmen, welche die (Un)sicherheit bzgl. der Aquifereigenschaften ausdrückt bevor in-situ Daten berücksichtigt wurden. In diesem Projekt werde ich dieses Problem angehen, in dem ich (i) einen Arbeitsablauf zur Bestimmung der A-priori-Verteilung ausarbeite und (ii) den Einfluss solch einer Verteilung untersuche. Im ersten Teil werde ich Gebrauch machen von dem hierarchischem Bayes'schen Modell zur Bestimmung von A-priori-Verteilungen, welches in einer Zusammenarbeit zwischen der Arbeitsgruppe von Prof. Yoram Rubin und mir entwickelt wurde. Um dieses Modell mit einem umfangreichen und repräsentativen Datensatz zu versorgen, werde ich es mit einer etablierten Datenbank hydrogeologischer Messungen koppeln. Dadurch wird es möglich informative A-priori-Verteilungen zu bestimmen, welche das Hintergrundwissen von ex-situ Messungen repräsentieren. Im zweiten Teil werde ich den Einfluss dieser informativen A-priori-Verteilungen auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des resultierenden Datenwertes untersuchen. Dazu werde ich eine Reihe von klassischen Meß- und Interpretationsverfahren mit einem Bayes'schen Aquivalent vergleichen. Dabei wird vor allem die Frage des relativen Datenwertes im Mittelpunkt stehen. Relativ bezieht sich hierbei auf den Einfluss von in-situ Daten verglichen mit den ex-situ Daten, welche in der A-priori-Verteilung enthalten sind. Die Ergebnisse dieses Projektes werden demnach helfen einen konsistenten und reproduzierbaren Arbeitsablauf zur Ableitung hydrogeologischer A-priori-Verteilungen zu etablieren sowie deren Einfluss auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des relativen Datenwertes von in-situ Messungen zu bestimmen. Des Weiteren werden die Ergebnisse dazu dienen die Vorteile sowie mögliche Nachteile Bayes'scher Methoden für die hydrogeologische Unsicherheitsanalyse zu verstehen. Dadurch werden die Herausforderungen klar, die zu überwinden sind, um Bayes'sche Statistik zu einem allgemein genutztem Standard für hydrogeologische Unsicherheitsanalysen werden zu lassen.

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