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Biopores in the subsoil: Formation, nutrient turnover and effects on crops with distinct rooting systems (BioFoNT)

Perennial fodder cropping potentially increases subsoil biopore density by formation of extensive root systems and temporary soil rest. We will quantify root length density, earthworm abundance and biopore size classes after Medicago sativa, Cichorium intybus and Festuca arundinacea grown for 1, 2 and 3 years respectively in the applied research unit's Central Field Trial (CeFiT) which is established and maintained by our working group. Shoot parameters including transpiration, gas exchange and chlorophyll fluorescence will frequently be recorded. Precrop effects on oilseed rape and cereals will be quantified with regard to crop yield, nutrient transfer and H2-release. The soil associated with biopores (i.e. the driloshpere) is generally rich in nutrients as compared to the bulk soil and is therefore supposed to be a potential hot spot for nutrient acquisition. However, contact areas between roots and the pore wall have been reported to be low. It is still unclear to which extent the nutrients present in the drilosphere are used and which potential relevance subsoil biopores may have for the nutrient supply of crops. We will use a flexible videoscope to determine the root-soil contact in biopores. Nitrogen input into the drilosphere by earthworms and potential re-uptake of nitrogen from the drilosphere by subsequent crops with different rooting systems (oilseed rape vs. cereals) will be quantified using 15N as a tracer.

Skalierbare Ätz-Anlage für umweltfreundliche Produktion in der Halbleiterindustrie, Skalierbare Ätz-Anlage für umweltfreundliche Produktion in der Halbleiterindustrie - GreenPro

Carbon, water and nutrient dynamics in vascular plant- vs. Sphagnum-dominated bog ecosystems in southern Patagonia

In bog ecosystems, vegetation controls key processes such as the retention of carbon, water and nutrients. In northern hemispherical bogs, a shift from Sphagnum- to vascular plant-dominated vegetation is often traced back to Climate Change and increased anthropogenic nitrogen deposition and coincides with substantially reduced capacities in carbon, water and nutrient retention. In southern Patagonia, bogs dominated by Sphagnum and vascular plants coexist since millennia under similar environmental settings. Thus, South Patagonian bogs may serve as ideal examples for the long-term effect of vascular plant invasion on carbon, water and nutrient balances of bog ecosystems. The contemporary balances of carbon and water of both a bog dominated by Sphagnum and vascular plants are determined by CO2- H2O and CH4 flux measurements and an estimation of lateral water losses as well as losses via dissolved organic and inorganic carbon compounds. The high time resolution of simultaneous eddy covariance measurements of CO2 and H2O in both bog types and the strong interaction between climatic variables and the physiology of bog plants allow for direct comparisons of carbon and water fluxes during cold, warm, dry, wet, cloudy or sunny periods. By the combination with leaf-scale measurements of gas exchange and fluorescence, plant-physiological controls of photosynthesis and transpiration can be identified. Long-term peat accumulation rates will be determined by carbon density and age-depth profiles including a characterization of peat humification characteristics. A reciprocal transplantation experiment with incorporated shading, liming and labeled N addition treatments is conducted to explore driving factors affecting competition between Sphagnum and vascular plants as well as the interactions between CO2-, CH4-, and water fluxes and decisive plant functional traits affecting key processes for carbon sequestration and nutrient cycling. Decomposition rates and driving below ground processes are analyzed with a litter bag field experiment and an incubation experiment in the laboratory.

Gas exchange data from Douglas fir juveniles during experimental drought and recovery

This dataset contains physiological measurements from a controlled laboratory experiment on juvenile Pseudotsuga menziesii (Douglas fir) conducted between June and August 2023 at the experimental greenhouse facility of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Campus Alpin, Garmisch-Partenkirchen, southern Germany. The plant material originated from a commercial nursery in Franconia, Germany, and consisted of three-year-old trees maintained under uniform conditions prior to the experiment. The experiment aimed to assess the physiological responses of P. menziesii to progressive drought and subsequent recovery under controlled environmental conditions. Two drought treatments (mild and severe) were applied over a four-week period, followed by a re-watering phase. Air and soil temperature, relative humidity, vapor pressure deficit, molar flow, transpiration rate, net photosynthesis, conductance to water, and CO₂ exchange were recorded continuously using automated LI-COR gas exchange systems with separate branch (aboveground) and root (belowground) chambers. Each measurement is associated with a unique tree identifier, treatment level, and compartment. All timestamps are reported in Coordinated Universal Time (UTC). The dataset provides detailed observations suitable for examining drought stress responses and recovery dynamics in juvenile Pseudotsuga menziesii under controlled laboratory conditions.

Multibeam bathymetry raw data (Kongsberg EM 122 entire dataset) of RV MARIA S. MERIAN during cruise MSM123

Raw multibeam bathymetry data were collected aboard RV MARIA S. MERIAN during cruise MSM123 using a Kongsberg EM 122 multibeam echosounder. The expedition took place during 2023-11-23 - 2023-12-27 from Halifax (Canada) to St. John's (Canada) in the Labrador Sea. Data were recorded in the EEZs of Brasil and Cape Verde and outside. The aim of MSM123 is to understand and quantify bubble-mediated gas exchange mechanisms in the Labrador Sea (BELS). Sound velocity profiles (SVP) were applied on the data for calibration. Please see environmental data and the cruise report for details. The data are unprocessed and can therefore contain incorrect depth measurements (artifacts) if not further processed. Note that refraction errors may occur when no proper SVP is applied. Acquisition and provision of the data are part of the DAM Underway Project and are according to the FAIR principles.

Brackish water rewetting of a temperate coastal peatland in NE Germany: Effects on Biogeochemistry, Microorganisms and Greenhouse gas emissions

The rewetting of drained peatlands is a promising measure to mitigate carbon dioxide (CO2) emissions by preventing the further mineralization of the peat soil through aeration. While freshwater rewetted peatlands can be significant methane (CH4) sources in the short-term, in coastal ecosystems the input of sulfate-rich seawater could potentially mitigate these emissions. The purpose of the data collection was to examine whether the presence of sulfate, known as an alternative electron acceptor, can cause lower CH4 production and thus, emissions by favoring the growth of sulfate-reducers, which outcompete methanogens for substrate. We therefore investigated underlying variables such as the methane-cycling microbial community along with CH4 fluxes and set them in context with CO2 fluxes along a transect in a coastal peatland before and directly after rewetting. In this way, a conclusion about the short-term greenhouse gas mitigation potential of brackish water rewetting of coastal peatlands could be drawn. This data collection consists of six data sets, with direct comparisons before and after rewetting of CO2 and CH4 fluxes (Tab. 2) and associated microbial communities (Tab. 1) being the main data. Pore water geochemistry (Tab. 1 and 3) and surface water parameters (Tab. 4) were collected simultaneously to provide potential explanatory variables. The sampling of continuous water level (Tab. 5) within wells and atmospheric weather data (air and soil temperature, relative humidity, photosynthetic photon flux density; Tab. 6) from a weather station was done in addition. Measurements started in June/July/August 2019 after field installation was finalized and were conducted on the drained coastal fen "Polder Drammendorf" on the island of Rügen in North-East Germany. On 26th November 2019, the dike was opened and channeled in order to rewet the peatland with brackish water. Before, the dike separated the peatland from the adjacent bay "Kubitzer Bodden", which is part of a brackish lagoon system connected to the Baltic Sea. Therefore, the peatland was nearly completely flooded and now resembles a shallow lagoon with high fluctuating water levels. We measured along a humidity (pre-rewetting)/water level (post-rewetting) gradient (stations 0-8) towards and across the main North-South oriented drainage ditch, including four stations on the Eastern side of the ditch (1–4), two ditch stations (0, 5) and two stations (6, 7) on the Western side of the ditch. Station 8 was chosen as an additional station farther towards the adjacent bay on the Western side, but was only accessible before rewetting. CH4 and CO2 fluxes (stations 0-7) were calculated from online gas concentrations measurements using laser-based analyzers and manual closed chambers (Livingston, G. P., & Hutchinson, G. (1995). Enclosure-based measurement of trace gas exchange: Applications and sources of error. In P.A. Matson, & R.C. Harriss (Eds.). Biogenic trace gases: Measuring emissions from soil and water (pp. 14–51). Blackwell Science Ltd., Oxford, UK). Soil cores for microbial, dissolved gas concentrations and isotopic analysis were taken using a Russian type peat corer (De Vleeschouwer, F., Chambers, F. M., & Swindles, G. T. (2010). Coring and sub-sampling of peatlands for palaeoenvironmental research. Mires and Peat, 7, 1–10) before and after rewetting. Each time, we took duplicates at stations 1-8 for this rather labor-intensive process and divided the core into four depth sections: surface, 5–20, 20–40 and 40–50 cm. Subsamples for dissolved gases and stable carbon isotope analyses were taken with tip-cut syringes with a distinct volume of 3 ml (Omnifix, Braun, Bad Arolsen, Germany) and immediately placed into NaCl-saturated vials (20 ml, Agilent Technologies, 5182-0837, Santa Clara, USA) leaving no headspace and closed gas-tight using rubber stoppers and metal crimpers (both: diameter 20 mm, Glasgerätebau Ochs, Bovenden, Germany). Absolute abundances of specific functional target genes, including methane- and sulfate-cycling microorganisms, were measured with quantitative PCR (qPCR) after DNA was extracted (GeneMATRIX Soil DNA Purification Kit, Roboklon, Berlin, Germany) and quantified (Qubit 2.0 Fluorometer, ThermoFisher Scientific, Darmstadt, Germany). Surface and pore water parameters were measured in parallel to the gas measurements and soil coring for microbial analyses. Most surface water variables (pH, specific conductivity, salinity, nutrients, oxygen, sulfate and chloride concentrations, DOC/DIC) were measured in-situ using a multiparameter digital water quality meter or taken to the laboratory as water samples for further analysis. Likewise, pore water/soil variables (pH, specific conductivity, nutrients, metals, sulfate and chloride concentrations, CNS) were either measured in-situ or taken to the laboratory as soil samples. While surface water analysis was only conducted in the drainage ditch before rewetting, it was done along the entire transect after rewetting. In contrast, pore water/soil analysis was mostly conducted before rewetting and only repeated occasionally after rewetting where possible.

Abschätzung der Vegetationsgefährdung durch Ozon in Hessen

Die Konzentrationen vieler Luftinhaltsstoffe sind aufgrund vielfältiger menschlicher Aktivitäten in den letzten Jahren beträchtlich angestiegen. Als vegetationsgefährdende Komponente gewinnt dabei Ozon in der Bundesrepublik Deutschland zunehmend an Bedeutung, während z.B. Schwefeldioxid aufgrund der erfolgreichen Emissionsminderungsmaßnahmen in den Hintergrund tritt. Bei der Erstellung von Luftreinhalteplänen/Wirkungskatastern geht es darum, die räumliche und zeitliche Variabilität der Schadgaskonzentrationen im Hinblick auf eine mögliche Beeinträchtigung der Vegetation zu bewerten. Darüber hinaus gilt es, mögliche Entwicklungen der Immissionsbelastung prospektiv zu beurteilen, um frühzeitig evtl. notwendige Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies bedarf integrierender Konzepte, in denen physikalisch/chemische Messprogramme und Verfahren der Bioindikation miteinander verknüpft werden. Das gemeinsam mit dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie durchgeführte Untersuchungsprogramm gliedert sich in fünf Schritte: - In einem ersten Schritt wurden potentielle Ertragsverluste durch Ozon anhand von Dosis-Wirkung-Funktionen aus der Literatur unter Verwendung hessischer Ozon-Messdaten für verschiedene Kulturpflanzen abgeschätzt. - In einem zweiten Schritt wurde eine flussorientierte Kenngröße für die Ozon-Belastung der Vegetation unter Verwendung von Messgrößen abgeleitet, die in den Ländermessnetzen erhoben werden. - In einem dritten Schritt wurde ein Modell für die Bestimmung des Gasaustausches zwischen Vegetation und bodennaher Atmosphäre entwickelt. - In einem vierten Schritt wurden sog. kritische absorbierte Ozon-Dosen (critical loads) für standardisiert exponierte Rezeptoren abgeleitet. - In einem fünften Schritt werden die aktuell in Europa diskutierten Grenzwerte zum Schutz der Vegetation vor Ozon und die ihnen zu Grunde liegenden Dosis-Wirkung-Funktionen auf ihre Übertragbarkeit auf bzw. Relevanz für die deutschen Verhältnisse untersucht. Die Methodik zur Ableitung kritischer absorbierter Ozon-Dosen (critical loads) wird weiterentwickelt sowie die Gefährdung der Vegetation durch Ozon auf regionaler Ebene realistisch abgeschätzt.

Gasblasen in aquatischen Ökosystemen: Entstehung, Dynamik und Bedeutung für Stofftransport

Gasblasen mit Grössen zwischen einigen Mikrometern bis Zentimetern sind allgegenwärtig in aquatischen Ökosystemen. Sie beeinflussen nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Wassers, sie ermöglichen auch einen wichtigen Transportweg mit hoher Relevanz für globale biogeochemische Kreisläufe und das Klima. An der Luft-Wasser-Grenzfläche beschleunigen Blasen den Gasaustausch und beeinflussen damit den globalen Kohlenstoffkreislauf. Aus Sedimenten freigesetzte Blasen (Ebullition) sind ein wichtiger Transportweg für Methan in die Atmosphäre. Darüber hinaus transportieren Blasen nicht nur Gase, sondern auch Partikel, gelöste Stoffe und Bakterien auf ihren Oberflächen. Dieses Material, darunter Kohlenstoff, Nährstoffe und Schadstoffe, stammt aus den Sedimenten oder wurde während des Aufstiegs aus der Wassersäule entfernt. Trotz dieser potenziellen Bedeutung ist wenig über Gasblasen und ihre Eigenschaften in Süßwasserökosystemen bekannt, bestehendes Wissen basiert hauptsächlich auf Beobachtungen in marinen Systemen. In diesem Projekt untersuchen wir diejenigen Prozesse, welche das Vorkommen und die Eigenschaften von Gasblasen in Süßwasserökosystemen kontrollieren, sowie die Rolle der Blasen für den Transport von Gasen, gelösten Stoffen und Partikeln. Wir unterscheiden zwischen Luftblasen die an der Wasseroberfläche eingetragen werden, Blasen die durch Gasübersättigung in der pelagischen Zone entstehen, sowie Blasen die in Sedimenten gebildet werden. Wir gehen davon aus, dass diese drei unterschiedlichen Arten von Blasen unterschiedliche Eigenschaften haben. Auf der Grundlage von Feldmessungen und Laborexperimenten untersuchen wir die Entstehung, Alterung und das Schicksal dieser drei Arten von Blasen und der von ihnen transportierten Substanzen in unterschiedlichen aquatischen Systemen. Die Beobachtungen und Ergebnisse werden mit prozessbasierten Modellen verknüpft um einen theoretisch fundierten und empirisch validierten Rahmen für die Bewertung der Relevanz von Stofftransport durch Gasblasen in aquatischen Ökosystemen zu entwickeln. Dies erlaubt die Übertragung der Ergebnisse dieses Projekts auf eine Vielzahl von Fragestellungen in unterschiedlichen Bereichen der aquatischen Forschung, der Gewässerüberwachung und des Gewässermanagements.

Messsystem zur feldskaligen Bestimmung der Gasdiffusivität im Boden

Böden spielen im globalen Kreislauf von Treibhausgasen eine wesentliche Rolle. Der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre ist dabei von zentraler Bedeutung, aber in seiner räumlichen und zeitlichen Dynamik noch nicht hinreichend verstanden. Für die Messung der Gaskonzentration und die Bestimmung der Diffusivität von Böden (Ds) existieren etliche, kleinskalige Labor- und Feldmethoden. Aufgrund der räumlichen Heterogenität und der zeitlichen Dynamik der Bodenstruktur ist es aber kaum möglich, die Ergebnisse auf den Feldmaßstab zu übertragen. Zentraler Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung eines Systems zur Messung der Gasdiffusivität (PeDiM) in landwirtschaftlich genutzten Böden, das über lokale Heterogenitäten mittelt und Ds auf der Feldskala misst. Es wurde bereits gezeigt, dass Gaskonzentrationen in porösen Medien mittels schlauchförmiger, nichtporöser, gasselektiver Membranen gemessen werden können. Das zugrundeliegende Messprinzip beruht dabei auf der selektiven Diffusion einzelner Gaskomponenten der Bodenluft in eine Anordnung von Membranschläuchen, die in definierter Länge im Boden verlegt werden. Unser Projekt baut hierauf auf und ein in-situ Mess- und Monitoringsystem für Ds wird entwickelt. Folgende Schritte sind vorgesehen: i) Das neu entwickelte Messprinzip wird für die quasi-kontinuierliche Bestimmung von Ds für einen PeDiM-Prototypen im Labormaßstab umgesetzt. ii) Für einen präzisen Einbau des Messsystems im Feld wird ein Installationsgerät entwickelt, das Störungen des Bodens auf ein Minimum reduziert. iii) Der PeDiM-Prototyp wird in 2D- und 3D-Mesokosmen mit unterschiedlichen Substraten unter kontrollierten Bedingungen getestet. Parallele Ds-Messungen mit etablierten Messverfahren erlauben dabei die PeDiM-Konfiguration zu optimieren. vi) Optimierte PeDiM-Messysteme werden in einem Ackerboden eingebaut und Ds im Oberboden in einem mehrmonatigen Feldversuch gemessen. Die Ergebnisse werden im Zusammenhang mit wetterabhängigen Wassergehaltsänderungen und dynamischen Veränderungen der Bodenstruktur interpretiert. Der direkte Vergleich mit etablierten, kleinskaligen Labor- und Profilmessmethoden erlaubt Skaleneffekte experimentell zu untersuchen und nachzuweisen.Im Erfolgsfall steht ein innovatives, für die Langzeitbeobachtung ausgelegtes Mess- und Monitoringsystem zur Verfügung, das es zum ersten Mal erlaubt, quasi-kontinuierlich Ds im Feldmaßstab zu messen. Damit wird eine für Transportprozesse wesentliche Größe in Abhängigkeit atmosphärischer Randbedingungen auf einer Skala erfasst, die für die Interaktion von Boden und Atmosphäre relevant ist. Interessant für insbesondere landwirtschaftlich genutzte Böden ist dabei der völlig neue Zugang zur Beurteilung der zeitlichen Dynamik und Wechselwirkung zwischen Bodenstruktur und Ds. Ein kontinuierliches Monitoring von Ds erlaubt außerdem eine Kopplung von Treibhausgasemissionen mit Umsatzprozessen in Böden, was schließlich die Entwicklung von prognosefähigen Modellen unterstützt.

Methane Emissions from Impounded Rivers: A process-based study at the River Saar

Methane emissions from inland water bodies are of growing global concern since surveys revealed high emissions from tropical reservoirs and recent studies showed the potential of temperate water bodies. First preliminary studies at the River Saar measured fluxes that exceed estimates used in global budgets by one order of magnitude. In this project we will investigate the fluxes and pathways of methane from the sediment to the surface water and atmosphere at the River Saar. In a process-based approach we will indentify and quantify the relevant environmental conditions controlling the potential accumulation of dissolved methane in the water body and its release to the atmosphere. Field measurements, complemented by laboratory experiments and numerical simulations, will be conducted on spatial scales ranging from the river-basin to individual bubbles. We will further quantify the impact of dissolved methane and bubble fluxes on water quality in terms of dissolved oxygen. Special emphasize will be put on the process of bubble-turbation, i.e. bubble-mediated sediment-water fluxes. The project aims at serving as a reference study for assessing methane emissions from anthropogenically altered river systems.

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