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Biogeochemical modelling of biosphere-atmosphere-hydrosphere interactions

This project aims at the improvement and testing of a modeling tool which will allow the simulation of impacts of on-going and projected changes in land use/ management on the dynamic exchange of C and N components between diversifying rice cropping systems and the atmosphere and hydrosphere. Model development is based on the modeling framework MOBILE-DNDC. Improvements of the soil biogeochemical submodule will be based on ICON data as well as on results from published studies. To improve simulation of rice growth the model ORYZA will be integrated and tested with own measurements of crop biomass development and transpiration. Model development will be continuously accompanied by uncertainty assessment of parameters. Due to the importance of soil hydrology and lateral transport of water and nutrients for exchange processes we will couple MOBILE-DNDC with the regional hydrological model CMF (SP7). The new framework will be used at field scale to demonstrate proof of concept and to study the importance of lateral transport for expectable small-scale spatial variability of crop production, soil C/N stocks and GHG fluxes. Further application of the coupled model, including scenarios of land use/ land management and climate at a wider regional scale, are scheduled for Phase II of ICON.

Naehrstoffaustrag aus gedraenten Ackerflaechen

1. Auswaschung von Naehrstoffen (N, P, K, Ca, Mg) aus gedraenten Ackerflaechen, 2. Vergleich der Naehrstoffauswaschung aus 3 Boeden (Loesslehm, Gipskeuper, Urgesteinsverwitterung) mit und ohne Meliorationsduengung an einer Lysimeteranlage, 3. Belastung von Draenwasser bzw. oberflaechennahem Grundwasser durch Naehrstoffe und Schadelemente auf Flaechen, die turnusmaessig mit Klaerschlaemmen, Muellkompost, Guelle und Mist geduengt werden.

Untersuchungen zum Schwermetallgehalt der Sedimente des Hamburger Hafens sowie Untersuchungen ueber deren Verwendbarkeit als Bodenverbesserer bzw. zum Anbau von Nutzpflanzen auf Spuelfeldern

Im Hamburger Hafen fallen jaehrlich ca. 1,5 Mio. Kubikmeter feinkoernige Sedimente an, die zur Aufrechterhaltung eines geregelten Schiffsverkehrs laufend mittels Baggereinsatz entfernt werden muessen. Wegen der hohen Metallbelastung dieser Sedimente koennen diese nicht mehr als Bodenverbesserer naehrstoffaermerer landwirtschaftlicher Kulturflaechen verwendet werden, sondern muessen auf Spuelfelder - ausgelegt als Dauerdeponien - verbracht werden. Da die zur Verfuegung stehenden Flaechen aber nur noch kurzfristig zur Aufnahme des Baggergutes ausreichen, sollte untersucht werden, unter welchen Bedingungen eventuell doch ein Anbau von Nutzpflanzen moeglich waere, oder ob man die Spuelfelder sich selbst ueberlassen kann und muss, da auf ihnen eine natuerliche Sukzession verschiedener Pflanzengesellschaften in Richtung auf ein Weidengebuesch bzw. auf einen Auenwald ablaeuft. Diese Waelder koennten dann eventuell als Erholungsgebiet 'genutzt' werden.

Wasser- und Stoffdynamik in Agrar-Oekosystemen

An der TU Braunschweig wurde der Sonderforschungsbereich 179 'Wasser- und Stoffdymanik in Agrar-Oekosystemen' eingerichtet. Das zentrale Ziel dieses von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefoerderten, langfristigen Forschungsvorhabens ist die Untersuchung und Prognose der Auswirkungen der landwirtschaftlichen Nutzung sowie der naturraeumlichen Ausstattung auf Energie-, Wasser- und Stofffluesse, Mikroklima und Mikroorganismen. Untersucht wird die zeitliche und raeumliche Differenzierung der Wasser- und Stoffbewegung. Im Vordergrund steht die Problematik der Belastung, der Belastbarkeit sowie der Langfriststabilitaet von Agrar-Oekosystemen. Bearbeitet werden alle wesentlichen Kompartimente, so die bodennahe Atmosphaere, die Vegetation, die Bodenoberflaeche mit den Oberflaechengewaessern, der Boden und das Grundwasser. Im Mittelpunkt steht der Boden als wichtigster Umsatzort fuer Wasser, Naehr- und Schadstoffe. Die landwirtschaftlichen Nutzungssysteme werden hinsichtlich ihrer oekologischen Effekte differenziert und bewertet. Beruecksichtigt werden die Wirkungen von Fruchtfolge, Zwischenfruchtanbau, Strohverwertung, Bodenbearbeitung, Duengung, Agrochemikalien, Beregnung, Gruenlandumbruch, Melioration - um nur einige Beispiele zu nennen. Aus den genannten Zielen und den Arbeitsrichtungen der beteiligten Wissenschaftler leiten sich u.a. die folgenden Fragestellungen ab, die saemtlich hochaktuelle Probleme der Nutzungsmoeglichkeiten und der Gefaehrdung von Agrar-Oekosystemen betreffen: Welche Veraenderungen der bodenphysikalischen Eigenschaften werden von Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Stroheinbringung, organische Duengung, Splash, Oberflaechenabfluss...

BBS: Developing methods to simulate biome boundary shifts

Frame: The project is part of the GLP (Global land project) fast track action (http://bbs2008.wikidot.com) Decreasing uncertainty in predicting biome boundary shifts which aims at improving the simulation of biome boundary shifts at large spatial scales, working group Migration . The long-term goal is to improve existing vegetation models or to develop new models that are reliable and robust and can be included in Earth System models for studying biosphere-atmosphere feedbacks. Rationale: Because of the nature of terrestrial plant population and community dynamics and dispersal, and the pace of climate change, predicting the future distribution of plant species is challenging. Many coupled GCM's assume simply that the boundaries between major terrestrial biomes are either static, or adjusted non-mechanistically to follow the change of climate without time lags. In some DGVM's, a non-mechanistic treatment of biome boundaries is employed with assumed delays. Recent model simulations with both explicit seed dispersal and population and community dynamics suggest that range shifts of forest biomes will be both complex and extremely delayed (several millennia delay for centennial warming). Research topics: the effect of plant population processes and dispersal on migration, the effect of spatial heterogeneity (e.g. fragmentation or barriers) on dispersal and migration, methods to incorporate these effects into large scale models like such as DGVM's, the lags due to species migration and their effects on feedbacks to the earth system. Methods: Starting from the forest landscape model TreeMig which describes tree species migration by explicitly simulating seed dispersal on a grid of 1km wide cells, we develop numerical approaches to describe migration across heterogenous grid cells. These approaches are either aggregated models of within-cell migration speed, e.g. derived from meta-modelling, or simulating spread in a subset of smaller cells within each grid cell and then extrapolating to the larger cell. We test our methods with simulations on south-north transects in Siberia and assess the effect of species migration on the feedbacks to the earth system.

BFD5L_M60

Potenzielle Flächen für das Auf- oder Einbringen von Materialien nach § 7 BBodschV (BFD5L) - Die Grundlage der Methode bildet die Arbeitshilfe der Länderarbeitsgemeinschaft Bodenschutz (LABO) "Vollzugshilfe zu §§ 6 - 8 BBodSchV - Anforderungen an das Auf- und Einbringen von Materialien auf oder in den Boden, vom 10.08.2023". Im Sinne der Kapitel 3.4 (Sicherung oder Wiederherstellung der Ertragsfähigkeit) sowie 3.6 (Ausschlussflächen für das Auf- und Einbringen) der Vollzugshilfe werden die Flächen der Bodenschätzung nach ihrem Potenzial für das Auf- oder Einbringen von Materialien auf oder in eine durchwurzelbare Bodenschicht gekennzeichnet. Ein Ausschluss von Grünlandflächen erfolgt nicht, da sich die Nutzungsart der Bodenschätzung von der tatsächlichen Nutzung unterscheiden kann. Im Rahmen der naturschutzrechtlichen Eingriffsregelungen können mit der Methode Flächen identifiziert werden auf denen humoser Oberboden als Kompensationsmaßnahme aufgetragen werden kann (HLNUG 2024). Fachliche und rechtliche Anforderungen finden sich in der Arbeitshilfe: "Aufbringung von Bodenmaterial zur landwirtschaftlichen oder erwerbsgärtnerischen Bodenverbesserung".

BFD5L_M60

Potenzielle Flächen für das Auf- oder Einbringen von Materialien nach § 7 BBodschV (BFD5L) - Die Grundlage der Methode bildet die Arbeitshilfe der Länderarbeitsgemeinschaft Bodenschutz (LABO) "Vollzugshilfe zu §§ 6 - 8 BBodSchV - Anforderungen an das Auf- und Einbringen von Materialien auf oder in den Boden, vom 10.08.2023". Im Sinne der Kapitel 3.4 (Sicherung oder Wiederherstellung der Ertragsfähigkeit) sowie 3.6 (Ausschlussflächen für das Auf- und Einbringen) der Vollzugshilfe werden die Flächen der Bodenschätzung nach ihrem Potenzial für das Auf- oder Einbringen von Materialien auf oder in eine durchwurzelbare Bodenschicht gekennzeichnet. Ein Ausschluss von Grünlandflächen erfolgt nicht, da sich die Nutzungsart der Bodenschätzung von der tatsächlichen Nutzung unterscheiden kann. Im Rahmen der naturschutzrechtlichen Eingriffsregelungen können mit der Methode Flächen identifiziert werden auf denen humoser Oberboden als Kompensationsmaßnahme aufgetragen werden kann (HLNUG 2024). Fachliche und rechtliche Anforderungen finden sich in der Arbeitshilfe: "Aufbringung von Bodenmaterial zur landwirtschaftlichen oder erwerbsgärtnerischen Bodenverbesserung".

Improved Estimates of Monthly Land Surface Temperature from MODIS using a Diurnal Temperature Cycle (DTC) Model

The data associated with the experiment to construct monthly Land Surface Temperature(LST) using a diurnal temperature cycle (Duan et al 2013, 2014, Göttsche and Olesen 2001) from MODIS observations at the 32 sites of flux towers over relatively homogenous sites globally. The methodology is summarized in the manuscript under review. The data include three files of monthly LST estimates in Celsius Degree over the land and coordinates are included in each file.

HOLAPS satellite-based product of surface fluxes over Europe

Improving our understanding of the energy and water exchanges between the land surface and the lower atmosphere (i.e. land–atmosphere interactions), and how climate change may affect them, is crucial to predict changes in temperature and precipitation extremes. Observations of energy and water fluxes at the land surface are typically retrieved from the eddy covariance method, which presents limitations related to spatial and temporal gaps, and the non-closure of the energy and water balances. Meanwhile, soil moisture (SM) products derived from satellite data have been widely used at regional and global scales, but they are limited to capture only surface soil water content and variations. The combination of remote sensing (RS) data and modelling frameworks is called to be the solution to improve the spatial coverage and vertical resolution of land–atmosphere interactions data, ensuring the energy and water balance closure. Here, we explore the combination of remote sensing and meteorological data with a physical-based modelling framework, the High resOlution Land Atmosphere Parameters from Space (HOLAPS). We used HOLAPS to produce hourly consistent estimates of energy and water fluxes over Europe at 5 km resolution for the period 2001-2020. More information about the HOLAPS dataset can be found in García-García and Peng (2024). The HOLAPS product is available at two temporal resolutions (hourly and daily), including outputs of evapotranspiration (Etot), latent (LE) and sensible (H) heat fluxes and soil moisture at 5 soil layers (sm). Other variables from the HOLAPS framework can be shared under request. Please, when using the HOLAPS products refer to this dataset and the publication from García-García and Peng, 2024. For further questions about the data product and the term of use, please contact Dr. Almudena García-García (almudena.garcia-garcia@ufz.de) or Dr. Jian Peng (jian.peng@ufz.de) "García-García, Almudena, and Jian Peng. "Generation and evaluation of energy and water fluxes from the HOLAPS framework: Comparison with satellite-based products during extreme hot weather." Remote Sensing of Environment (2024) https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114451"

INSPIRE - BFD50: Nitratrückhaltevermögen

Die Verlagerung von Nitrat mit dem Sickerwasser ist als ausschlaggebender Faktor einer Grundwassergefährdung anzusehen. Sie steigt mit der Sickerwasserrate, die sich vor allem aus dem jährlichen Wasserbilanzüberschuss ergibt und verringert sich mit der Verweildauer des Wassers im Boden sowie dem dadurch vermehrten Nitratentzug durch die Pflanzen. Die Verweildauer hängt vor allem von der Feldkapazität ab, die für den durchwurzelbaren Bodenraum ermittelt wird. Das Nitratrückhaltevermögen nimmt bei stauwasserbeeinflussten Standorten durch potenzielle Denitrifikation und die längere Verweilzeit des Stauwassers im Wurzelraum (erhöhter Entzug durch die Pflanzen) zu. In tonreichen Böden, die zur Bildung von Trockenrissen neigen, kann es trotz hoher Feldkapazität bei Niederschlagsereignissen nach längeren Trockenzeiten zu einer Nitratverlagerung kommen. Derartige Böden (Pelosole, Terrae Fuscae) werden ebenfalls bei der Bestimmung des Nitratrückhaltevermögens berücksichtigt. Böden aus organogenen Substraten zeichnen sich grundsätzlich durch ein hohes Rückhaltevermögen aus. Aufgrund ihres erhöhten Mineralisationspotenzials ist aber eine Gefährdung des Grundwassers (z.B. nach einer Melioration) nicht auszuschließen. Diese Standorte sind ebenfalls gesondert gekennzeichnet. Das erhöhte Mineralisationspotenzial wird aber bei der Einstufung nicht berücksichtigt.

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