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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

INSPIRE SH existierende Bodennutzung InVeKoS

Der Datensatz beinhaltet aus dem InVeKoS Verfahren abgeleitete Datensätze Schleswig-Holsteins für das INSPIRE Thema Annex III existierende Bodennutzung (Existing Land Use). Die Daten werden vom Ministerium für Landwirtschaft, ländliche Räume, Europa und Verbraucherschutz Schleswig-Holstein bereitgestellt und für die Anforderungen der INSPIRE-Richtlinie durch die GDI- SH aufbereitet.

Wassernutzung privater Haushalte

<p>Im Schnitt nutzt jede Person in Deutschland täglich 126 Liter Trinkwasser im Haushalt. Für die Herstellung von Lebensmitteln, Bekleidung und anderen Bedarfsgütern wird dagegen so viel Wasser verwendet, dass es 7.200 Litern pro Person und Tag entspricht. Ein Großteil dieses indirekt genutzten Wassers wird für die Bewässerung von Obst, Gemüse, Nüssen, Getreide und Baumwolle benötigt.</p><p>Direkte und indirekte Wassernutzung</p><p>Jede Person in Deutschland verwendete im Jahr 2022 im Schnitt täglich 126 Liter <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/wasserwirtschaft/oeffentliche-wasserversorgung">Trinkwasser</a>, etwa für Körperpflege, Kochen, Trinken, Wäschewaschen oder auch das Putzen (siehe Abb. „Trinkwasserverwendung im Haushalt 2023“). Darin ist auch die Verwendung von Trinkwasser im Kleingewerbe zum Beispiel in Metzgereien, Bäckereien und Arztpraxen enthalten. Der überwiegende Anteil des im Haushalt genutzten Trinkwassers wird für Reinigung, Körperpflege und Toilettenspülung verwendet. Nur geringe Anteile nutzen wir tatsächlich zum Trinken und für die Zubereitung von Lebensmitteln.</p><p>Die tägliche Trinkwassernutzung im Haushalt und Kleingewerbe ging von 144 Liter pro Kopf und Tag im Jahr 1991 lange Jahre zurück bis auf täglich 123 Liter pro Kopf im Jahr 2016. 2019 wurden von im Schnitt täglich 128 Liter pro Person verbraucht, 2022 waren es 126 Liter. Der Anstieg im Vergleich zu 2016 begründet sich durch den höheren Wasserbedarf in den jeweils heißen und trockenen Sommermonaten (siehe Abb. „Tägliche Wasserverwendung pro Kopf“).</p><p>Doch wir nutzen Wasser nicht nur direkt als Trinkwasser. In Lebensmitteln, Kleidungstücken und anderen Produkten ist indirekt Wasser enthalten, das für ihre industrielle Herstellung eingesetzt wurde oder für die Bewässerung während der landwirtschaftlichen Erzeugung. Dieses Wasser wird als virtuelles Wasser bezeichnet. Virtuelles Wasser zeigt an, wie viel Wasser für die Herstellung von Produkten benötigt wurde.</p><p>Deutschlands Wasserfußabdruck</p><p>Das virtuelle Wasser ist Teil des <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/wasser-bewirtschaften/wasserfussabdruck">„Wasserfußabdrucks“</a>, der die direkt und indirekt verbrauchte Wassermenge einer Person, eines Unternehmens oder Landes angibt. Das Besondere des Konzepts ist, dass die Wassermenge, die in den Herstellungsregionen für die Produktion eingesetzt, verdunstet oder verschmutzt wird, mit dem Konsum dieser Waren im In- und Ausland in Verbindung gebracht wird. Der Wasserfußabdruck macht deutlich, dass sich unser Konsum auf die Wasserressourcen weltweit auswirkt. Der durch Konsum verursachte, kurz konsuminduzierte Wasserfußabdruck eines Landes, wird auf folgende Weise berechnet; in den Klammern werden die Werte des Jahres 2021 für Deutschland in Milliarden Kubikmetern (Mrd. m³) ausgewiesen:</p><p><strong>Nutzung heimischer Wasservorkommen – Export virtuellen Wassers (= 30,66 Mrd. m³)&nbsp;+ Import virtuellen Wassers (188,34 Mrd. m³) = konsuminduzierter Wasserfußabdruck (219 Mrd. m³)</strong></p><p>Bei einem Wasserfußabdruck von 219 Milliarden Kubikmetern hinterlässt jede Person in Deutschland durch ihren Konsum einen Wasserfußabdruck von rund 2.628 Kubikmetern jährlich – das sind 7,2 Kubikmeter oder 7.200 Liter täglich. 86 % des Wassers, das man für die Herstellung der in Deutschland konsumierten Waren benötigt, wird im Ausland verbraucht. Für Kleidung sind es sogar nahezu 100 %.</p><p>Grünes, blaues und graues Wasser</p><p>Beim Wasserfußabdruck wird zwischen „grünem“, „blauem“ und „grauem“ Wasser unterschieden. Als „grün“ gilt natürlich vorkommendes Boden- und Regenwasser, welches Pflanzen aufnehmen und verdunsten. Als „blau“ wird Wasser bezeichnet, das aus Grund- und Oberflächengewässern entnommen wird, um Produkte wie Textilien herzustellen oder Felder und Plantagen zu bewässern. Vor allem Agrarprodukte haben einen großen Anteil am blauen Wasserfußabdruck von Deutschland (siehe Abb. „Sektoren mit den höchsten Beiträgen blauen Wassers zum Wasserfußabdruck von Deutschland“). Der graue Wasserfußabdruck veranschaulicht die Verunreinigung von Süßwasser durch die Herstellung eines Produkts. Er ist definiert als die Menge an Süßwasser, die erforderlich ist, um Gewässerverunreinigungen so weit zu verdünnen, dass die Wasserqualität die gesetzlichen oder vereinbarten Anforderungen einhält.</p><p>Bei den nach Deutschland eingeführten Agrarrohstoffen und Baumwollerzeugnissen sind die Anteile an grünem, blauem und grauem Wasser auch bei gleichen Produkten je nach Herkunft unterschiedlich hoch:</p><p>Bei der Entnahme von blauem Wasser zur Bewässerung von Plantagen kann es zu ökologischen Schäden und lokalen Nutzungskonflikten kommen. Ein bekanntes Beispiel ist der Aralsee: Der einst viertgrößte Binnensee der Erde war im Jahr 1960 mit einer Fläche von 67.500 Quadratkilometern nur etwas kleiner als Bayern. Heute bedeckt er aufgrund gigantischer Wasserentnahmen für den Anbau von Baumwolle und Weizen nur noch etwa 10 % seiner ehemaligen Fläche. Bis 2014 verlor er 95 % seines Wasservolumens bei einem gleichzeitigen Anstieg des Salzgehalts um das Tausendfache. Auch in weiteren Gebieten auf der ganzen Welt trägt der Konsum in Deutschland dazu bei, dass deren Belastbarkeit überschritten wird (siehe Karte „Hotspots des Blauwasserverbrauchs mit Überschreitung der Belastbarkeitsgrenzen durch Konsum in Deutschland“).</p>

Feldfrüchte und Grünland

Ermittelt werden der Wachstumsstand und wachstumsbeeinflussende Bedingungen sowie die voraussichtlichen und endgültigen Naturalerträge. Ergänzend werden die Merkmale Gesamterntemengen und Vorratsbestände bei einzelnen Getreidearten und Kartoffeln sowie bei Feldfrüchten die Flächen der vorangegangenen Ernte und die Aussaatflächen für das Folgejahr geschätzt.

Fruchtfolge und integrierter Pflanzenschutz

Die langjaehrigen Fruchtfolgeversuche werden fortgesetzt. Der Schwerpunkt liegt in dem Einfluss eines hohen Anteils von Getreide und insbesondere von Weizen und Gerste in der Fruchtfolge unter Beruecksichtigung der auftretenden Fusskrankheiten. Eine Zwischenauswertung des 'Monokulturversuches' in Giessen steht vor dem Abschluss.

Trophic interactions in the soil of rice-rice and rice-maize cropping systems

Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.

Trockenstress-Monitoring von Getreide durch Fernerkundung

Extreme Temperaturen und Wassermangel verursachen Trockenstress an landwirtschaftlichen Kulturen. Weltweit werden die Auswirkungen von Trockenstress auf wichtige Feldfrüchten untersucht und Methoden zur Überwachung und zur Früherkennung von Trockenstress und anderen Stressfaktoren untersucht. Damit soll der gezielte. Einsatz agrotechnischer Maßnahmen wie Fruchtwechsel, Düngung, Bodenbearbeitung und Bewässerungsplanung unterstützt werden, um Ernteeinbußen zu verhindern. Ein weiterer Aspekt sind mögliche Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die landwirtschaftliche Produktion, die sich zu einem der Hauptthemen der Forschung auf dem Gebiet das Klimawandels entwickeln. Erdbeobachtung von Satelliten aus ermöglicht die rationelle Überwachung des Zustands landwirtschaftlicher Kulturen über große Flächen. lü jüngster Zeit wurden neue Sensorsysteme entwickelt und in Erdumlauf gebracht, die neue Möglichkeiten auch für das Monitoring von Trockenstress landwirtschaftlicher Kulturen eröffnen. Die wesentlichen Merkreale dieser neuen optischen Sensoren sind hohe spektrale Auflösung (kleine Bandbreiten bis 10 nm herunter, eine große Anzahl von Spektralkanälen - bis zu einigen hundert, was im Prinzip Spektroskopie vom Satelliten aus ermöglicht), hohe räumliche Auflösung (Bildelementgrößen am Boden bis 60 cm herunter), und hohe zeitliche Auflösung -(bis zu täglicher Aufnahmemöglichkeit jedes Punktes der Erdoberfläche). Das Ziel dieses Projekts ist es, unter Ausnützung der neuen Möglichkeiten optischer Fernerkundung und der synergistischen Effekte der unterschiedlich Sensortypen Fernerkundungsmethoden zur Erkennung und zur Überwachung von Trockenstress an landwirtschaftlichen Kulturen zu entwickeln. Dazu werden physikalische Vegetationsmodelle angepasst und verbessert, die den Zusammenhang zwischen der Trockenstressintensität und Reflexionseigenschaften von Pflanzenbeständen quantitativ beschreiben. Methoden zur Analyse von Fernerkundungsbilddaten unter Verwendung dieser Vegetationsmodelle werden entwickelt. Dabei werden sowohl reflektierte als auch emittierte (thermale) Infrarotstrahlung berücksichtigt. Da es keine Sensoren gibt, die gleichzeitig alle drei der oben angeführten Arten der hohen Auflösung (spektral, räumlich und zeitlich) erfüllen, kommt der Kombination von Daten unterschiedlicher Sensoren besondere Bedeutung zu (image information fusion). Die Methodenwerden für ausgewählte Fruchtarten (Weizen und Mais) unter Anbaubedingungen in Österreich und Deutschland entwickelt und getestet.

Nachwachsende Rohstoffe

Der Aufgabenschwerpunkt "Nachwachsende Rohstoffe" umfasst die Erarbeitung von Empfehlungen zur Rohstoffbereitstellung für die Energiegewinnung und technische Produktherstellung (z.B. Dämmstoffe, Biokraftstoff, Biogas) sowie die Umsetzung und Begleitung der Forschungsförderung. Zu den nachwachsenden Rohstoffe gehören z.B. schnellwachsende Hölzer, Chinaschilf, Getreide, Roggen, Hanf, Faserpflanzen, Energiepflanzen, Winterraps, halm- und holzartige Biomasse. Unter dem Begriff nachwachsende Rohstoffe werden Produkte pflanzlicher und tierischer Herkunft zusammengefasst, die im Nicht-Nahrungs- und Nicht-Futtermittelsektor verwertet werden. Nachwachsende Rohstoffe umfassen - Nebenprodukte der Land- und Forstwirtschaft (z. B. Stroh, Holz aus Waldpflege, Biomasse aus der Landschaftspflege), - Pflanzen aus dem landwirtschaftlichen Anbau (z. B. öl- und stärkehaltige Pflanzen, ein- und mehrjährige Gräser, Faserpflanzen, Heil-, Gewürz- und Aromapflanzen) sowie - unbehandelte Abfallstoffe der Biomasseverarbeitung (Bau- und Industrierestholz, Hobel- und Sägespäne etc.). Zunehmende Bedeutung erlangen sie vor allem vor dem Hintergrund des steigenden Energiebedarfs, der Endlichkeit fossiler Rohstoffe und der CO2-Anreicherung der Atmosphäre.

CropTypes - Crop Type Maps for Germany - Yearly, 10m

This raster dataset shows the main type of crop grown on each field in Germany each year. Crop types and crop rotation are of great economic importance and have a strong influence on the functions of arable land and ecology. Information on the crops grown is therefore important for many environmental and agricultural policy issues. With the help of satellite remote sensing, the crops grown can be recorded uniformly for whole Germany. Based on Sentinel-1 and Sentinel-2 time series as well as LPIS data from some Federal States of Germany, 18 different crops or crop groups were mapped per pixel with 10 m resolution for Germany on an annual basis since 2018. These data sets enable a comparison of arable land use between years and the derivation of crop rotations on individual fields. More details and the underlying (in the meantime slightly updated) methodology can be found in Asam et al. 2022. This raster dataset shows the main type of crop grown on each field in Germany each year. Crop types and crop rotation are of great economic importance and have a strong influence on the functions of arable land and ecology. Information on the crops grown is therefore important for many environmental and agricultural policy issues. With the help of satellite remote sensing, the crops grown can be recorded uniformly for whole Germany. Based on Sentinel-1 and Sentinel-2 time series as well as LPIS data from some Federal States of Germany, 18 different crops or crop groups were mapped per pixel with 10 m resolution for Germany on an annual basis since 2017. These data sets enable a comparison of arable land use between years and the derivation of crop rotations on individual fields. More details and the underlying (in the meantime slightly updated) methodology can be found in Asam et al. 2022.

Entwicklung von ressourceneffizienten und umweltentlastenden Düngestrategien mithilfe innovativer Saatgutbehandlungen

Zielsetzung: Die Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphat sind fundamental wichtig für ein gesundes Wachstum und hohe Erträge. Doch ein Überschuss an Nährstoffen kann durch Auswaschung ins Grundwasser und durch Oberflächenabfluss in Flüsse und Meere gelangen. Durch die Intensivierung der Landwirtschaft geraten zudem auch landwirtschaftlich genutzte Ökosysteme aus der Balance. Anfällige Pflanzenbestände mit geringer Resilienz sind die Folge. Ein steigender Pflanzenschutzmitteleinsatz wird somit vielerorts notwendig. Der Pestizid-Einsatz stellt jedoch eine weitere Gefahr für die Umwelt auf verschiedenen Ebenen dar und stört das ökologische Gleichgewicht, gefährdet die Wasserqualität und wirkt sich durch die Akkumulation von Rückständen in der Umwelt auf die gesamte Nahrungskette aus. Für eine zukunftsfähige Landwirtschaft stehen Landwirt*innen vor der Herausforderung, Düngemittel und Pflanzenschutzmittel auf das geforderte umweltverträgliche Maß zu reduzieren, ohne dabei die Nahrungsmittelsicherheit zu gefährden. Unter den Bedingungen der novellierten Düngeverordnung muss die Düngemenge bundesweit in nitratbelasteten roten Gebieten 20 % unter dem durchschnittlichem Düngebedarf liegen. Ebenso müssen zusätzliche Auflagen bei der Phosphor-Düngung in gelben Gebieten mit hoher Eutrophierung von Oberflächengewässern durch Phosphor/Phosphat eingehalten werden. Die stark angestiegenen Dünger- und Betriebsmittelpreise kommen erschwerend hinzu. Es braucht eine Landwirtschaft, die umweltfreundlich wirtschaftet und trotzdem bezahlbare Lebensmittel erzeugt. Der durch SeedForward angestrebte Lösungsweg beschreibt die Erprobung von ressourceneffizienten Düngestrategien, die bei reduziertem Düngereinsatz gleichbleibend hohe Erträge ermöglichen. Dies gelingt durch eine verbesserte Ressourcennutzung der Pflanzen, welche auf eine höhere Nährstoffeffizienz der Pflanze zurückzuführen ist, die durch die SeedForward Saatgutbehandlung hervorgerufen wird. An den Kulturen Mais, Getreide und Raps werden neben den Saatgutbehandlungen zusätzlich innovative Mikroorgansimen eingesetzt, denn der Einsatz dieser pflanzenförderlichen Mikroorganismen in Kombination mit der Saatgutbehandlung kann ihren Effekt noch verstärken. Die in dem Projekt geplante Vorgehensweise ermöglicht es, standortbezogene Einsparungen zu prognostizieren und zielgerichtet auszuschöpfen, um die Transformation zu einer zukunftsfähigen Agrarlandnutzung zu unterstützen und die Umwelt zu schützen.

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