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PalMod III - WP2.2: Rückwirkungen der marinen Biogeochemie auf Klima und atmosphärisches CO2 - die Rolle von Zirkulation, Biologie, Sedimentation - Dynamische Veränderungen im deglazialen Kohlenstoffkreislauf

Wird der Große Aralsee meromiktisch? Verfolgung der laufenden Veränderungen im physikalischen und biogeochemischen Regime des weltweit dynamischsten Gewässerökosystems

Der anthropogene Wassernutzung und der Klimawandel können drastische negative Auswirkungen auf die Ökosysteme der Seen haben. Das auffälligste Beispiel für die Fragilität der Binnengewässer ist die 'ökologische Katastrophe des Jahrhunderts' vom Aralsee. Die Folgen der Austrocknung des Aralsees sind bis heute nicht vollständig geschätzt. Eine neue Erkenntnis des Projektteams, die für die geplante Studie von zentraler Bedeutung ist, war die Entdeckung der meromiktischen (permanenten) Schichtung, die sich im größten verbleibenden Meeresbecken, dem Großen Aral, zu entwickeln begann. Unsere Beobachtungen im Zeitraum 2015-2018 weisen darauf hin, dass der See sich in einer Übergangsphase der 'Meromiktisierung' befindet, die durch die Wasserregulierung in den einströmenden Flüssen und durch klimabedingte Änderungen des regionalen Wasserhaushalts beschleunigt wird. Ein solcher Übergang deutet auf akute Änderungen im biogeochemischen Regime hin. Einige von ihnen, beispielsweise ein rascher Anstieg der Methankonzentration im See, wurde vom Projektteam bereits registriert. Um die Mechanismen der Meromiktisierung zu quantifizieren und ihre Auswirkungen auf die regionalen Skalen zu bewerten, schlagen wir vor, eine Reihe von Feldforschungsmethoden, wie Überwachung des Schichtens und des Sauerstoffregimes, direkte Schätzungen der mikrobiellen Aktivität, Methankonzentration und Emissionen sowie turbulenter Stoffübertragung über die Wassersäule, stabile Isotopenuntersuchungen des Wasserhaushaltes anzuwenden, ergänzt durch Modellierung und Daten aus Fernerkundung. Die gegenwärtige Situation im Großen Aral ermöglicht es, beispiellose Veränderungen des Ökosystems des Sees zu verfolgen, die durch die größten Bedrohungen für die Binnengewässer der Welt verursacht wurden: der zunehmende Wasserverbrauch und die klimabedingte Veränderung des Wasserbudgets. Eine zeitnahe und detaillierte Untersuchung der Transformationen im Ökosystem vom Großen Aral würde somit zu einem 'Worst-Case' -Szenario für andere große abflusslosen Seen in Trockengebieten darstellen, die von denselben anthropogenen Treibern bedroht sind. Als Ergebnis dieses Projekts wird eine Quantifizierung des derzeitigen Mischungsregimes im Großen Aral sowie eine Einschätzung der zukünftigen Tendenz beim saisonalen bis mehrjährigen Mischungsverhältnissen und deren Auswirkungen auf Biogeochemie, insbesondere Methanproduktion und Biodiversität, erwartet.

Aerosole und Nebel im südlichen Afrika: Prozesse und Auswirkungen auf die Biogeochemie (AEROFOG)

Das südliche Afrika ist einer der Hotspots des Klimawandels. In Namibia treten einige der extremsten Klimaregime der Welt auf, vom kalten Benguela-Strom zur hyperariden Küstenwüste Namib. Nebel und niedrige Wolken sind typische Erscheinungen der Region. Sie beeinflussen die Küstenregion und liefern weiter landeinwärts einen höheren Beitrag zum Wasservolumen als Niederschlag. Nebel und niedrige Wolken spielen damit eine zentrale Rolle in der Bereitstellung kritischer limitierender natürlicher Ressourcen in empfindliche Ökosysteme: Wasser, Nährstoffe und Licht. Das wissenschaftliche Verständnis der mikrophysikalischen und chemischen Mechanismen der Bildung, Zusammensetzung und letztlich der Aufnahme und Verteilung von Aerosol-Nährstoffen ist jedoch noch unvollständig. Um die bestehenden Verständnislücken zu schließen wird hier mit dem AEROFOG-Projekt ein interdisziplinärer Ansatz vorgeschlagen, der Atmosphärenwissenschaften, Fernerkundung und Ökologie umfasst. Eine solch umfassende Betrachtung der Materie ist unverzichtbar. AEROFOG zielt auf ein verbessertes Verständnis des Einflusses von Aerosolen auf Nebelentwicklung, dessen chemische Zusammensetzung und seinen Einfluss auf die lokale Biogeochemie. Dabei werden detaillierte Messungen von Aerosol, Deposition und Nebelchemie sowie mikrophysikalischer Größen bei zwei intensiven Feldmesskampagnen im Süd-Winter und Süd-Sommer an Küsten- und Wüstenstationen durchgeführt, um eine große Anzahl von verschiedenartigen Nebelereignissen erfassen zu können. Zusätzlich werden Studien zur Wirkung von Nebel auf die lokale Biogeochemie und insbesondere endemische Pflanzenarten durchgeführt. Diese Messungen stellen die Grundlage für Multiphasen-Prozess-Modellierung der Aerosol-Nebel-Interaktionen dar, womit ein neues Verständnis von Nebel-Mikrophysik und -Chemie erzielt wird. Aus zeitlich hochaufgelösten Satellitendaten werden räumliche und zeitliche Muster der Nebelverteilung ermittelt und mit den Modell- sowie experimentellen Erkenntnissen verschnitten. Zusammengenommen wird mit diesem interdisziplinären und kooperativen Projekt eine Reihe von Erkenntnislücken geschlossen und werden erstmalig Einsichten in die Verteilung und Eintragung nebelgetragener Nährstoffe in ariden Ökosystemen wie der Namib gewonnen und damit eine wichtige Grundlage für Klimaprojektionen und Ökosystemgesundheit gelegt.

Biologische Bodenzustandserhebung deutscher Wälder, Teilvorhaben 1: Beprobung von Flächen des forstlichen Umweltmonitorings und integrierende Auswertung von Biodiversität und Standortsfaktoren

Die Vielfalt und Aktivität der Bodengemeinschaften aus Pilzen, Bakterien, Archaeen und anderen Einzellern ist wichtig für Funktionen wie die C Speicherung, die Resilienz von Bäumen gegenüber dem Klimawandel und den Umsatz von organischen Bestandteilen. Es gibt zwar mit der Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) ein bundesweites Monitoring, welches Auskunft über die Vitalität der Bäume und den physikochemischen Bodenzustand gibt. Die Bodenbiologie wird dabei allerdings nicht berücksichtigt. Ein erweitertes systematisches Monitoring kann helfen, Zusammenhänge zwischen standörtlichen Gegebenheiten und Bodenorganismen und deren Funktionen besser zu verstehen. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, die umfangreichen Daten der BZE mit neu erhobenen Daten zu Biodiversität und biologische Aktivität im Boden zu verknüpfen. Im Zuge der dritten BZE soll eine deutschlandweite Probennahme an BZE-Punkten und auf Flächen des Level-II-Intensivmonitorings stattfinden. Die Proben sollen hinsichtlich der Biodiversität mithilfe molekularer und komplementärer Verfahren zur Messung von Biomasse und Aktivität analysiert werden. Ziel ist ein besseres prozessbasiertes Verständnis des Beitrags von Wäldern und Waldböden zu ausgeglichenen und nachhaltigen biogeochemischen Kreisläufen. Daraus lassen sich waldbauliche Handlungsempfehlungen zur Vorbeugung und Anpassung an den globalen Wandel entwickeln. Gleichzeitig kann eine Wissenslücke zum Zustand der Biodiversität in Deutschlands Waldböden geschlossen werden.

Stickstofffixierung in der monsunbeeinflussten Flussfahne des Mekong

Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesischen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden. Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des Schmidts Oceanographic Institute aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum Institute of Oceanography in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.

Biogeochemie der wichtigsten Elemente im Atlantischen und Pazifischen Ozeane

Die vorgeschlagene Arbeit zielt darauf ab, das Ozeanographen-Toolkit zur Quantifizierung der Skelettniederschlagsraten in Meeresumgebungen zu verbessern und Veränderungen in der Ökosystemstruktur und -funktion über sehr große räumliche Skalen zu bewerten. Dies basiert auf der Analyse von Veränderungen in der Meerwasserchemie, die durch die Aufnahme von wichtigen Elementen durch verschiedene Meeresorganismen während des Biomineralisierungsprozesses hervorgerufen werden, und der Freisetzung dieser Elemente bei der Auflösung von Skeletten. Der Ansatz nutzt die unterschiedlichen Tendenzen verschiedener Skelettbildungsorganismen, um kleinere Bestandteile in ihre Skelette aufzunehmen. Die Analyse der Konzentrationen der Hauptelemente Kalzium, Strontium, Lithium und Fluor erfolgt entlang von vier langen Ozeantransekten im Atlantik und im Pazifischen Ozean, die auf die Konzentrationen und Isotopenverhältnisse einer großen Anzahl von Spurenelementen, Nährstoffen, Karbonatsystemparametern und Hydrographie analysiert wurden oder werden. Das Vorhandensein der Spurenelementdaten neben den Hauptelementdaten ermöglicht die Quantifizierung der wichtigsten Elementeinräge und den Austrag durch Grenzquellen und Senken (wie Flüsse, hydrothermale, Staub und Sedimente), wodurch Korrekturen der Major-Elementdaten zur Berücksichtigung von Flüssen aus dem Ökosystem ermöglicht werden. Dieses Wissen wird zur Beurteilung des Zustands der marinen Ökosysteme genutzt und kann als Grundlage für Veränderungen dienen, die bei zukünftigen Bewertungen beobachtet werden. Die Anwendung dieses Instruments auf wiederholte räumliche oder zeitliche Untersuchungen wird eine groß angelegte Bewertung des Fortschritts der Auswirkungen der Versauerung der Ozeane auf die Häufigkeit von Kalkbildungsorganismen ermöglichen.

Biologische Bodenzustandserhebung deutscher Wälder, Teilvorhaben 2: Analyse der Artenvielfalt und der ökologischen Funktionen von Bodenpilzen und Bodenbakterien

Netzwerke von Bodenorganismen und Pflanzen sind die treibende Kraft der biogeochemischen Kreisläufe terrestrischer Ökosysteme. Bodenlebensgemeinschaften aus Pilzen, Bakterien, Archaeen und anderen Einzellern sind wichtig für Funktionen wie die C Speicherung, die Resilienz von Bäumen gegenüber dem Klimawandel und den Stoffumsatz in Waldböden. Es gibt zwar mit der Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) ein bundesweites Monitoring der Vitalität der Bäume und des physikochemischen Bodenzustands. Die Bodenbiologie wird dabei allerdings bisher nicht berücksichtigt. Dabei kann ein erweitertes systematisches Monitoring helfen, Zusammenhänge zwischen standörtlichen Gegebenheiten, Bodenorganismen und deren Funktionen zu verstehen. Dieses Projektes hat daher das Ziel, die umfangreichen Daten der BZE mit neu erhobenen Daten über strukturelle und funktionelle Biodiversität von Bodenmikroorganismen zu verknüpfen

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Einfluß von Biokrustenstruktur und -funktion bei der Verwitterung, der Bodenbildung und bei Erosionsprozessen (CRUSTWEATHERING)

Global betrachtet bilden biologische Bodenkrusten (Biokrusten) die produktivste Biomasse der -Kritischen Zone- arider Regionen der Erde. Sie bestehen aus heterotrophen Bakterien, Pilzen, Flechten, Moosen, Cyanobakterien und Algen sowie deren Ausscheidungsprodukten. Mittels extrazellulärer organischer Substanzen verkleben sie mineralische Bodenpartikel und bilden eine Art stabile -Haut- an der Bodenoberfläche. Diese aggregierte, gegenüber Wassererosion stabile Schicht trägt multifunktional zur Primärproduktion, Mineralisierung, biogenen Verwitterung, Festlegung trockener und nasser Deposition sowie zur Stabilisierung von Böden, Hängen und ganzen Landschaften bei. Als sogenannte Ökosystem-Ingenieure beeinflussen sie die Nährstoff- und hydrologischen Kreisläufe klein- und großräumig. Intensive Literaturstudien ergaben zweifelsfrei, dass die Biokrusten in ganz Südamerika nahezu unerforscht sind, obwohl sie in den Gebieten des SPP EarthShape sehr häufig vorkommen. Daher sind die Hauptziele unseres interdisziplinären Forschungsprogramms, 1) die weitgehend unbekannte Strukturierung und Zusammensetzung chilenischer Biokrusten mittels Feld- und Labormethoden zu untersuchen, um deren Verbreitung und organismische Zusammensetzung zu erfassen; 2) herauszufinden, wer von den abundanten Organismen mit welchen biochemischen Prozessen zur biogenen Verwitterung beiträgt, und die Verwitterungsraten in Abhängigkeit von Struktur und Zusammensetzung der Biokrusten und Umweltbedingungen (z.B. Mikroklima) aufzuklären; 3) die Funktion von Biokrusten in den gekoppelten biogeochemischen Kreisläufen von P- (Schwerpunkt!), C- und N-Verbindungen über räumliche Skalen, von atomar/molekular über Einzelminerale, Biokrustenmuster und Bodenprofile bis zu Hängen bzw. Einzugsgebieten zu erfassen, letzteres mittels fernerkundlich erfasster Spektraldaten und gemeinsam entwickelter Transferfunktionen sowie 4) zu verstehen, wie mikroklimatische Bedingungen und Wasserverfügbarkeit die Biokrustenzusammensetzung, Aktivität, Bedeckungsgrad und Funktion in ariden Ökosystemen steuern. Die Forschungsarbeiten beginnen mit einer gemeinsamen Feldkampagne zur Beschreibung pedologischer, geobotanischer und physisch-geographischer Gegebenheiten der Untersuchungsgebiete. Dabei werden die Forschungsflächen instrumentiert sowie Biokrusten- und Bodenproben gesammelt. Der methodisch moderne Ansatz nutzt neueste molekularbiologische, elektronenmikroskopische, pflanzenphysiologische, chemisch-analytische (massen- und synchrotronbasierte Spektroskopie) und Fernerkundungstechniken, kombiniert mit multivariater Datenanalyse. Wir erwarten, dass die Ergebnisse bisher unbekannte Biokrustenorganismen und physiologische/ökologische Funktionen erschließen sowie deren Beitrag zur biogenen Verwitterung und anderen fundamentalen Prozessen der Oberflächenformung der Erde erfassen, und damit grundlegende Erkenntnisse mit entsprechenden Daten für Geosystemmodelle auf regionaler und globaler Ebene generieren.

Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung und Denitrifizierung in einem Erdsystem-Modell mit flexibler Stöchiometrie und deren Einfluss auf das marine Stickstoffinventar in einem sich wandelnden Klima

Der Schlüssel zu Verständnis und Projektion des künftigen Stickstoffinventars des Ozeans und der Veränderung der Biologischen Pumpe im globalen Klimawandel liegt in der Frage, wie und wie stark die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff und die Denitrifizierung im Ozean gekoppelt sind. Während in bisherigen Modellstudien Stickstofffixierung und Denitrifizierung eng gekoppelt sind, zeigt ein neu entwickeltes optimalitätsbasiertes Ökosystemmodell mit flexibler Stöchiometrie (OPEM) im globalen UVic-ESCM eine deutlich schwächere Kopplung. In diesem Projekt sollen die Faktoren und Mechanismen, die die Kopplung steuern, identifiziert und ihre Veränderung in ver- schiedenen Klimaszenarien untersucht werden. Hierzu wird OPEM in einem vorindustriellen Szenario, einem Szenario der Maximalphase der letzen Eiszeit und einem heutigen Szenario angewendet und die Sensitivität der Modellergebnisse in Bezug auf das ozeanische Stickstoffinventar und die biolo- gische Kohlenstoffpumpe bewertet. Das Ziel des Projekts ist es, die Steuerungsprozesse des marinen Stickstoffinventars genauer abzubilden, um bessere Projektionen der biogeochemischen Kreisläufe im Ozean und ihrer Auswirkungen auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu ermöglichen.

Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit gelösten organischen Stoffen und Kolloiden in den Mündungsgebieten des Amazonas und des Rio Pará und der zugehörigen Flussfahnen als Schlüsselprozesse für den Spurenmetallfluss in den Atlantik

Die Flusssysteme Amazonas und Rio Pará tragen das größte Volumen an Süßwasser in den Ozean ein und bilden eine wichtige Schnittstelle für den Eintrag von Spurenmetallen und gelösten organischen Stoffen (DOM) vom Land in den Ozean. Neben der Bedeutung des Amazonas für den globalen Spurenmetallhaushalt des Ozeans hat sein Mikronährstoff-Eintrag auch einen großen Einfluss auf die biologische Produktivität der Küsten- und Schelfregion und darüber hinaus. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, die Rolle der chemischen Speziation und der physiko-chemischen Größenfraktionierung von Spurenmetallen im Mischungskontinuum dieser Flüsse zum Atlantik zu verstehen. Wir werden die Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit DOM und Kolloiden in der Wassersäule und den Oberflächensedimenten der Amazonas- und Pará-Mündung und der damit verbundenen Mischungsfahne sowie des Mangrovengürtels mit Grundwassereintrag südöstlich des Rio Pará untersuchen. Basierend auf Proben, die während der Forschungsfahrt M147 in der Hochwasserperiode 2018 genommen wurden, und vorläufigen Daten, die in unserem Labor erzeugt wurden, werden wir Veränderungen der Spurenmetallverteilungen und -speziationen in der Amazonas-Region entlang der Salzgradienten untersuchen. Um zu beurteilen, was die chemische und physikalische Speziation und den Transport von Spurenmetallen im Ästuar und in der Abflussfahne kontrolliert, werden wir uns auf drei verschiedene Prozesse konzentrieren: • Größenfraktionierung, Sorption und Entfernung von Spurenmetallen: Sorption von Spurenmetallen an Flusspartikeln und Ausfällung durch Koagulation von Kolloiden und Größenfraktionierung; wie verändert sich die Assoziation von Spurenmetallen mit verschiedenen löslichen, kolloidalen und partikulären Fraktionen entlang des Salzgehaltsgradienten?• Lösungskomplexierung: Bildung von löslichen metall-organischen Komplexen; wie verstärkt dieser Prozess den Metalltransport durch Konkurrenz mit Sorption an Kolloiden und Ausfällung? • Akkumulation von Spurenmetallen in Sedimenten: wie wirken die Sedimente als Senke und Quelle von Spurenmetallen, und können Oberflächensediment und Porenwasser zu den Spurenmetallflüssen in der Region beitragen? Zusätzlich zu den voltammetrischen und ICP-MS-Analysen der M147-Proben werden wir eine systematische Untersuchung des Mischungsverhaltens verschiedener Elementgruppen (konservativ, partikel-reaktiv und organisch-komplexiert) durchführen, indem wir Labor-Mischungsexperimente mit Meer- und Flusswasser-Endgliedern durchführen, die während der anstehenden Fahrt M174 im Amazonasgebiet genommen werden. Damit erwarten wir, ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse der Spurenmetall-Biogeochemie und der Elementflüsse in diesem größten Mündungssystem der Welt zu erhalten. Dieses Wissen wird auch wichtig sein, um mögliche Auswirkungen in diesem Gebiet aufgrund der anhaltenden anthropogenen Einflüsse in dieser Region und der sich ändernden klimatischen Bedingungen vorherzusehen.

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