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Einfluss der langfristigen Bodenerwärmung auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz in einem subarktischen Waldökosystem

Der Klimawandel bewirkt auch eine Erwärmung des Bodens, wodurch es zu einem verstärkten Abbau der organischen Substanz kommt. Dies könnte zu einem der stärksten Feedback-Mechanismen des Klimawandels werden, da durch diesen Prozess große Mengen CO2 emittiert würden. Ob tatsächlich Böden in sämtlichen Ökosysteme bei anhaltender Erwärmung zu Netto-CO2 Quellen werden, ist allerdings umstritten und sehr unsicher. Die am Umsatz der organischen Substanz beteiligten biogeochemischen Prozesse, und deren Änderung durch Erwärmung sind nicht im Detail verstanden. Dies liegt vor allem an den Schwierigkeiten der experimentellen Umsetzung von Bodenerwärmung. Besonders über lange Zeiträume, sowie in Unterböden, gibt es global kaum Beobachtungen zur Wirkung von Bodenerwärmung. Gerade ersteres erschwert die Abschätzung von neuen Gleichgewichtszuständen. Auch sogenannte Kipppunkte sind mit einer einzigen Erwärmungsstufe nicht zu ermitteln. Im Projekt AWESOME soll ein natürlicher (geothermaler) Erwärmungsgradient im kanadischen Yukon Territory genutzt werden, um wesentliche Erkenntnisse über die komplexen Wirkungen von Erwärmung auf die Interkation zwischen autotrophen und heterotrophen Organismen und der Mineralphase zu gewinnen. Erste Ergebnisse aus Voruntersuchungen zeigten, dass sich in dem geothermal erwärmten Boden unter subarktischem Laubwald Kohlenstoff um bis zu 22% reduziert war, während der Gesamtstickstoff im Boden unverändert blieb. Dabei kam es allerdings zu einer Stabilisierung des Stickstoffs in organischer Substanz an der Mineralphase. Vier Erwärmungsstufen mit einer Temperaturspanne von 8°C sind bereits etabliert und ein in-situ Mikrokosmenexperiment mit isotopisch markierter Streu wurde bereits im Sommer 2019 gestartet. Ein grundlegend verbessertes Verständnis dieser Beobachtungen und der Wirkung von jahrhundertelanger Erwärmung im Boden auf Umsetzungsprozesse der organischen Bodensubstanz soll durch dieses Projekt gewonnen werden. Sowohl Veränderungen der Vegetation und des Kohlenstoffeintrags, als auch der mikrobiellen Physologie, Gemeinschaft, deren Anpassung sowie der Qualität der organischen Bodensubstanz stehen im Fokus. Änderungen der Hydrologie (Bodenfeuchte) sowie der Mineralogie (Verwitterung) sollen als erklärende Variablen ebenfalls über den gesamten Erwärmungsgradienten abgebildet werden. Mit Hilfe mehrerer Kooperationspartner, modernsten Methoden der bodenkundlichen und mikrobiellen Forschung sowie einem idealen Versuchsstandort soll das Projekt AWESOME wichtige Fortschritte in einem zentralen Zukunftsthema liefern. Die Ergebnisse werden schließlich in Bezug zu einem weiteren geothermalen Erwärmungsexperiment auf Island gesetzt, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten herauszuarbeiten.

Forschergruppe (FOR) 2358: Mountain Exile Hypothesis - How humans benefited from and re-shaped African high altitude ecosystems during Quarternary climatic changes, Teilprojekt: Paläoklimatologie - Stabile Sauerstoff-(18O/16O) und Wasserstoff-(2H/1H) Isotopensignaturen von Pflanzen, Böden und Niederschlag entlang von Höhentransekten, und von Paläoklimaarchiven auf den Bale Mountains

Äthiopien erhält den Großteil seiner Niederschläge durch Winde aus dem Süden die der Ostafrikanische Sommermonsun in den Nordhemisphärischen Sommermonaten bringt. Die Stärke der Ostafrikanischen Monsunniederschläge variierte jedoch zum Teil erheblich im Verlaufe des Quartärs und auch der Anteil von Niederschlägen durch die Westerlies könnte in der Vergangenheit sehr variabel gewesen sein. Während der vergangenen Jahre entwickelten sich einige neue Biomarker- und Stabilisotopenmethoden zu hochinnovativen und viel versprechenden (semi-)quantitativen Paläoklima-Proxies. Durch die Entwicklung und Anwendung solcher Biomarker- und Stabilisotopenmethoden zielt das beantragte Projekt darauf ab, einen Beitrag zur (semi-)quantitativen Paläoklimarekonstruktion der Bale Mountains in Äthiopien zu leisten. Im Speziellen sollen Temperatur, relative Luftfeuchte, Niederschlagsmenge und Änderungen im Quellgebiet der Niederschläge rekonstruiert werden.Im Rahmen eines der Arbeitspakete wird der rezente Niederschlag räumlich und zeitlich aufgelöst auf seine Isotopensignatur (2H/1H and 18O/16O) untersucht. Diese Daten sollen u.a. helfen die für die Bale Mountains relevanten atmosphärischen Zirkulationssysteme und deren spezifische Isotopensignaturen besser zu verstehen. In einem zweiten Arbeitspaket wird untersucht wie akkurat sich die Isotopensignatur des Niederschlags wie auch die relative Luftfeuchte und Temperatur in den Biomarker- und Stabilisotopensignaturen von Pflanzen und Böden widerspiegeln. Hierzu werden Klimagradienten entlang von Höhentransekten auf die Bale Mountains untersucht. Der methodische Schwerpunkt wird auf der Untersuchung von komponenten-spezifischen 2H-Analysen von Pflanzenwachs-bürtigen n-Alkan- und Fettsäurebiomarkern, auf komponenten-spezifischen 18O-Analysen von Hemizellulose-bürtigen Zuckerbiomarkern und auf Bodenbakterien-bürtigen Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether (GDGT) Lipidbiomarkern liegen. Das dritte Arbeitspaket trägt zur Gewinnung von Sedimentbohrkernen und Aufstellung von dazugehörigen Chronostratigraphien bei. Diese Sedimentbohrkerne werden gemeinsam mit den Teilprojekten P2-Antrosole und P4-Paläoökologie als Archive genutzt um die menschliche Besiedelungsgeschichte wie auch die Spätquartäre Klima- und Landschaftsgeschichte der Bale Mountains zu rekonstruieren. Das Teilprojekt P5-Paläoklimatologie wird hierzu die oben spezifizierten Biomarker- und Stabilisotopenmethoden anwenden.

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Entwicklung einer biologisch abbaubaren Mulchabdeckung für den Pflanzenschutz

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Compoundproduktes aus einem Vlies und einer biologisch abbaubaren Beschichtung. Dieses biologisch abbaubare Compoundprodukt, VliesFilm genannt, soll konventionellen Mulchfolien aus Polyethylen im Pflanzenbau ersetzen können, bei gleichen positiven Wachstumseinflüssen auf die Pflanzen. Hauptkomponenten und Entwicklungsschritte des zu optimierenden integrierten Systems (Integrated Plant Management - IPM) sollen folgende sein: a: Entwicklung eines neuartigen biologisch abbaubaren Compoundproduktes aus einem Viskosevlies und einer Beschichtung zum Mulchen (VliesFilm). Beide Bestandteile des VliesFilms sind biobasiert und bestehen zu 100% (Vlies), bzw. 50% (Beschichtung) aus nachwachsenden Rohstoffen und sind biologisch abbaubar. Alle Inhaltstoffe der Beschichtung haben eine Lebensmittelzulassung (E-Nummer), stehen aber nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion wie z.B. stärkebasierte Materialien. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung und Optimierung des VliesFilms aus NaWaRos hinsichtlich der phytosanitären Eigenschaften im Vergleich zu konventionellem Mulchmaterial (PE, 20-25my). Als wichtigste pflanzenbaulichen Faktoren sind hier Wasserverfügbarkeit, Bodentemperatur, und die Unterdrückung von Unkräutern zu nennen. b: Der VliesFilm soll einen Mehrwert gegenüber konventionellen PE-Folien erhalten. Zu diesem Zweck werden die Beschichtungen eingefärbt, um repellente Effekte auf anfliegende Insekten (Modell Blattläuse) zu erreichen. Da diese Maßnahme einen Anflug zwar verringert, aber meist nicht komplett verhindern kann, wird ein regelmäßiges Monitoring vorgenommen, um etwaige interventiven Maßnahmen zu ergreifen. Hieraus folgt dann ein System zum integrierten Pflanzenschutz, um den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln zu minimieren.

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt C

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt D

Thermohydraulische Prozesse während der Wasserinfiltration in gefrorenen Boden mit Auswirkungen auf Geogefahren unter dem Einfluss des Klimawandels

Der Klimawandel betrifft die Hydrologie in alpinen Regionen in besonderem Maße durch Temperaturanstieg, mehr und intensiveren Regenereignissen, auch während der Wintermonate. Diese Veränderungen führen zu vermehrten Naturgefahren wie übermäßigem Oberflächenabfluss und Murenabgänge. Einer der Gründe für solche Ereignisse ist eine reduzierte Infiltrationskapazität des (teil-)gefrorenen Bodens. Wenn Regen- oder Schmelzwasser nicht ausreichend infiltrieren kann, induziert der Oberflächenabfluss eine Bodenerosion, was zu Murenabgängen führen kann. Wenn Wasser entlang präferentieller Fließwege in tiefere Schichten infiltriert und zwischen gefrorenen Schichten der Porendruck steigt, so kann dies zu mechanischem Versagen des Hanges führen. Durch signifikanten Oberflächenabfluss findet kaum Grundwasserneubildung statt und die puffernde Wirkung des Grundwasserkörpers entfällt. Dies ist besonders für Regionen, in denen Schnee- und Gebirgswasser wesentlich zum Grundwasserhaushalt beitragen von großer Bedeutung. In diesem Projekt wird die thermo-hydraulische Wechselwirkung zwischen infiltrierendem Wasser und Boden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt untersucht. Dazu werden hochentwickelte Modellansätze, numerische Simulationswerkzeuge, sowie Versuche im Labor wie im Gelände eingesetzt. Präferentielle Fließwege, z.B. Makroporen durch Wurzelwachstum oder Wurmlöcher, im Boden sind dabei wesentlich, denn sie ermöglichen eine schnellere Infiltration des Wassers in den Boden und weisen zudem eine anderes Einfrier- und Auftauverhalten auf als kleine Poren der Bodenmatrix. Das Verständnis des Einflusses von Makroporen auf das Gefrieren und Schmelzen von Wasser während der Infiltration ist daher wesentlich für jede weitere Analyse. Wasserinfiltration wird durch die Temperatur der beteiligten Phasen bestimmt. Das infiltrierende Wasser ist wärmer als der Gefrierpunkt, während der Boden gefroren ist. Die Temperaturentwicklung der einzelnen Phasen hängt vom Wärmeübertrag zwischen den Phasen ab. Da Wärmeübertrag und hydraulischer Fluss stark gekoppelt und zudem rund um den Gefrierpunkt sehr dynamisch sind, bedarf es besonderer Sorgfalt bei der theoretischen Beschreibung des thermohydraulischen Verhaltens. Mit einem tiefgreifenden Verständnis vom Einfluss präferenzieller Fließwege und dem Wärmeübertrag zwischen den beteiligten Phasen können spezifische geologische und meteorologische Gegebenheiten identifiziert werden, welche entweder extremen Oberflächenabfluss oder Hangversagen verursachen. Dieses Wissen kann in der Vorsorge als auch im Grundwassermanagement alpiner Gebiete Anwendung finden.

Verhalten von Chorkohlenwasserstoffen im Boden unter Witterungseinfluessen

Temperaturveraenderungen in Bodennaehe bei ploetzlichen Temperaturstuerzen oder Warmlufteinbruechen wirken sich verzoegert auf die Bodentemperatur aus. Es kommt zu Kondensations- bzw. Verdampfungsvorgaengen und damit Reduzierung oder Steigerung der LCKW-Konzentration in der Bodenluft. Entsprechende Zusammenhaenge unter Einbeziehung der Bodenfeuchte werden theoretisch und praktisch untersucht.

In-situ soil moisture and -temperature time series, point measurements and cosmic-ray neutron rover surveys during SwabianMOSES campaign 2023

As part of the hydro-meteorological measurement campaign SwabianMOSES 2023 time-domain transmission (TDT) soil moisture sensors and temperature sensors with custom-made logger systems were used to measure time series of these soil state variables. In addition, a stationary cosmic-ray neutron sensor was deployed at the KITcube site near Villingen-Schwenningen to provide continuous soil moisture data for an area of between 10 and 20 hectares. For mapping the spatial distribution of soil moisture, several mobile CRNS campaigns have been conducted with a car across the Lindach catchment and beyond before and after prospective rain events. During these mobile CRNS measurements, in-situ soil moisture measurements were conducted, using a handheld time-domain reflectometry soil moisture sensor. The aim of these investigations was to provide data on physical soil properties used in a cross-disciplinary approach for a better understanding of hydro-meteorological extremes (such as high precipitation events and droughts). Regarding the TDT-sensors, each measurement site consisted of sensors at three depths with two sensors each. Logger systems were installed at six different observation sites which were distributed across the whole campaign target area in the vicinity of the Swabian Jura in Germany. Decisions on the specific installation depths were made during the installation at the respective sites based on the constitution of the local soil profiles. Installation protocols with a brief soil profile description and photos are part of this dataset. The dataset contains the values of location and time (UTC), soil temperature (in °C), relative permittivity and soil moisture (in % vol) derived from permittivity. Determination of soil moisture was done using the formula of Topp et al. (1980). As sensors, the SMT100 soil moisture sensor with integrated temperature measurement were used. All sensors were installed within the upper 50cm below ground. The exact depths for each sensor are listed in the comments.

Soil temperature, volumetric water content, electrical conductivity, air temperature and atmospheric pressure measured every 10 minutes in a grass- and a herb-dominated area at a summer dike, Butjadingen, Germany (Nov 2022–Nov 2023)

To understand the role of plant species and functional diversity on the physical soil parameters of a sea dike, especially under prolonged drought conditions, continuous measurements of soil temperature, volumetric water content (soil moisture), soil electrical conductivity (EC), air temperature and atmospheric pressure were carried out from 22 November, 2022, to 22 November, 2023. The measurements were taken using six soil sensors from METER Group's TEROS 12 series, which were installed at three distinct soil depths (4 cm, 14 cm, 24 cm) and on two differently vegetated dike areas: one area with a grass-dominated plant community (referred to as 'Mix-Grass') and one area with a herb-dominated plant community (referred to as 'Mix-Herb'). The sensors were mounted on the southern (inland) side of a summer dike, which is located at the south-eastern North Sea coast of Germany (Butjadingen, Wesermarsch; 'Mix-Grass': 53.61211876 ° N, 8.330925695° E, 'Mix-Herb': 53. 61210826° N, 8.330989015° E), about 1 m below the dike crest. The dike height is approximately 3.6 m above mean high water (MHW). The measurement data was logged at 10-minute intervals using a ZL6 logger from the METER Group.

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