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Muster der Stoffflüsse in bewirtschafteten Kalkbuchenwäldern unterschiedlicher Lokalklimate: Entwicklung, Anwendung und Erprobung neuer Ansätze zur Erstellung von Stoffbilanzen auf der Ebene heterogener Waldbestände

Es wird ein neues Verfahren zur Bestimmung von Stoffflussmustern auf der Skalenebene heterogener Waldbestände entwickelt. Es bildet die Grundlage für die Regionalisierung von Stoffflüssen in Buchenwäldern. Das Verfahren basiert auf einem neuen statistischen Design der Beprobung im Wald und auf der Bestimmung von Kat- und Anionen, des pH und DOC mit Mikromethoden (z.B. Kapillarelektrophorese). Viele für die Berechnung von Stoffbilanzen erforderliche Schlüsselvariable (z.B. NO3-Gehalt in der Bodenlösung, CO2-Fluß im Boden) bilden prinzipiell bekannte Zyklen, die von Globalvariablen wie Temperatur und Niederschlagsmenge kontrolliert werden. Konventionelle stationäre Messfelder ergeben räumlich unzureichende aber zeitlich redundante Informationen. Wir wollen daher auf randomisiert verteilten, 14-tägig wandernden Meßplots, alle das Stoffflussgeschehen im Boden antreibende Variable messen (Bestandesniederschlag, Bodentemperatur, Wasserpotentialgradient, Lösungskonzentrationen), um der räumlichen Heterogenität strukturreicher Wälder gerecht zu werden. In zwei Jahren werden pro Fläche 75 Punkte erfaßt, für die kontinuierliche Stoffflüsse berechnet werden können, da die Abhängigkeiten der Zyklen von den Globalvariablen bekannt sind.

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Land-Atmosphäre Feedback Analyse (LAFA)

Das Land-Atmosphäre Feedback Experiment (LAFE) kombiniert eine Vielzahl von passiven und abtastenden, aktiven Fernerkundungssystemen am Southern Great Plains (SGP)-Messstandort des US Atmospheric Radiation Measurement (ARM)-Programms. Diese Geräte erweitern die ARM-Messungen in eine Weise, dass Rückkopplungsprozesse zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre erforscht werden können. Die neuartige Synergie von Fernerkundungssystemen erfasst gleichzeitig Austauschprozesse an der Landoberfläche sowie horizontale und vertikale, turbulente Transportprozesse in der konvektiven atmosphärischen Grenzschicht (CBL). Der Einfluss der Heterogenität des Bodens und der Landbedeckung auf die Rückkopplungsprozesse wird mittels vertikaler Abtastungen untersucht. Das Experiment wird im August 2017 durchgeführt, da in diesem Zeitraum große Unterschiede zwischen den Flüssen über Feldern und unbewachsenem Boden beobachtet werden können. Insbesondere können aufgrund der hohen vertikalen und zeitlichen Auflösung dieser Gerätesynergie simultan mittlere Profile der Temperatur, der Feuchte und des Horizontalwinds, deren Gradienten, die Profile turbulenter Momente bis zur vierten Ordnung sowie fühlbare und latente Wärmeflussprofile nahe vom Boden bis zur Inversionsschicht gemessen werden. Im Rahmen dieses Land Atmosphären Feedback Analyse (LAFA)-Projekts soll der LAFE-Datensatz ausgewertet und für bestimmte Zeitperioden mit dem WRF-NOAHMP-Modellsystem um Ensemble-Simulationen in Bezug auf die Turbulenzparametrisierung bis zur Grobstruktur oder Large Eddy Simulation (LES)-Skala ergänzt werden. Basierend auf dieser Kombination von Beobachtungen und Modellsimulationen hat LAFA zwei Ziele: 1) Die Bestimmung von Profilen der turbulenten Momente der Feuchte, der Temperatur und des Vertikalwinds sowie von latenten Wärmeflussprofilen zur Erforschung neuer Ähnlichkeitsbeziehungen für Entrainmentflüsse und -varianzen. Dazu werden Zusammenhänge zwischen Flüssen, Varianzen und Gradienten untersucht. 2) Verifikation von LES und die Verbesserung von Turbulenzparametrisierungen in mesoskaligen Modellen. Dazu werden die LES direkt mit den LAFE-Daten in bisher unerreichter Detailliertheit verglichen. Die Resultate werden zeigen, unter welchen Bedingungen LES zur Analyse turbulenter Prozesse und für die Ableitung von Turbulenzparametrisierungen genutzt werden kann. Aus den Modellsimulationen auf der konvektiven Skala werden die Parameter und Variablen für die Turbulenzparametrisierung herausgezogen. Verschiedene lokale und nicht-lokale Parametrisierungen aus dem WRF-Physik-Paket werden verifiziert, spezifiziert und Verbesserungen vorgeschlagen bzw. entwickelt. Damit liefert LAFA neue Beiträge zum Prozessverständnis und zur genaueren Darstellung von Austauschprozessen und der Turbulenz in der nächsten Generation von Wettervorhersage-, Klima- und Erdsystemmodellen.

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Kohlenstoffflüsse in Humusauflagen

Die Humusauflage (FF = Forest Floor) ist das aktivste Kompartiment von Böden mit den schnellsten Umsatzraten der organischen Bodensubstanz. Pflanzlicher Detritus wird zu CO2 mineralisiert, als DOC ausgewaschen, durch Mikroorganismen in stabilere organische Substanz umgewandelt oder durch Bodentiere in den Mineralboden verlagert und dort stabilisiert. Die Bedeutung dieser C-Flüsse ist nicht genau bekannt und hängt von den Umweltbedingungen ab. Das Projekt P2 zielt darauf ab, die Pfade des Kohlenstoffkreislaufs im FF zu quantifizieren und deren kontrollierenden Faktoren zu ermitteln. Der experimentelle Ansatz von P2 ist es, (1) die C-Flüsse sowie die natürliche Isotopenabundanz entlang der Umweltgradienten der RU zu messen, und (2) in einem RU-übergreifenden Versuch mit isotopisch markierter Buchenstreu, das streubürtige Signal in den C-, N- und H-Flüssen des FF und des oberen Mineralbodens zu verfolgen. Das Projekt P2 wird den CO2 Fluss aus dem Boden und die DOC Auswaschung sowie deren stabile Isotopensignaturen (13C, 15N, 2H) und 14C Gehalte auf 8 Standorte messen, die die Hauptgradienten der RU (Temperatur, Ausgangsgestein, Phosphorvorrat) beinhalten. Zusätzlich analysiert P2 die natürliche Abundanz von 14C, 13C, 15N, 2H in Fraktionen der organischen Auflage und des oberen Mineralbodens, welche von P3 separiert werden. (2) In dem Versuch mit isotopisch markierter Streu wird P2 die markierte Streu für die gesamte RU produzieren. Anschliessend wird P2 den Verbleib der 13C, 2H and 15N markierten Buchen-Blattstreu in den C-Flüssen (zusammen mit P1) und in den Dichtefraktionen des FF und oberen Mineralbodens verfolgen (mit P3). Die Flussdaten werden mit dem Transport markierter Streu durch Bodenfauna (P6) und der 15N-Aufnahme durch Mikroorganismen sowie durch Mycorrhiza und Feinwurzeln (P8) und von Bäumen (P9) verknüpft. Gesamthaft ermöglicht dies eine holistische Erfassung des C-, H-, N-Kreislaufes im FF und oberen Mineralboden. Die zu erwartenden Ergebnisse von P2 sind es, die Pfade und Bildungsrates von FF-Komponenten und der organischen Bodensubstanz des mineralischen Oberbodens zu quantifizieren. Die Verknüpfung mit den klimatischen Verhältnissen und den Bodeneigenschaften der Standorte erlauben es, die kontrollierenden Faktoren der Flüsse organischer Substanz zu identifizieren. In der zweiten Phase der RU plant P2, den Versuch mit markierter Streu fortzuführen, neue Baumarten hinzuzunehmen, das Isotopensignal in spezifischen Komponenten zu analysieren, und die Reaktion der Kohlenstoffflüsse auf Trockenheit zu untersuchen.

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Soil temperature, volumetric water content, and electrical conductivity 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) and soil electrical conductivity (EC) 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.

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.

Beobachtungen an Straßenwetterstationen (Glättemeldeanlagen)

Beobachtungen an deutschlandweit verteilten Straßenwetterstationen. Meteorologische Parameter wie Temperatur, Niederschlag usw. werden alle 15 Minuten gemessen.

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