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Methodologies for dealing with uncertainties in landscape planning and related modeling; Uncertainty of predicted hydro-biogeochemical fluxes and trace gas emissions on the landscape scale under climate and land use change

Water, carbon and nitrogen are key elements in all ecosystem turnover processes and they are related to a variety of environmental problems, including eutrophication, greenhouse gas emissions or carbon sequestration. An in-depth knowledge of the interaction of water, carbon and nitrogen on the landscape scale is required to improve land use and management while at the same time mitigating environmental impact. This is even more important under the light of future climate and land use changes.In the frame of the proposal 'Uncertainty of predicted hydro-biogeochemical fluxes and trace gas emissions on the landscape scale under climate and land use change' we advocate the development of fully coupled, process-oriented models that explicitly simulate the dynamic interaction of water, carbon and nitrogen turnover processes on the landscape scale. We will use the Catchment Modelling Framework CMF, a modular toolbox to implement and test hypothesis of hydrologic behaviour and couple this to the biogeochemical LandscapeDNDC model, a process-based dynamic model for the simulation of greenhouse gas emissions from soils and their associated turnover processes.Due to the intrinsic complexity of the models in use, the predictive uncertainty of the coupled models is unknown. This predictive (global) uncertainty is composed of stochastic and structural components. Stochastic uncertainty results from errors in parameter estimation, poorly known initial states of the model, mismatching boundary conditions or inaccuracies in model input and validation data. Structural uncertainty is related to the flawed or simplified description of natural processes in a model.The objective of this proposal is therefore to quantify the global uncertainty of the coupled hydro-biogeochemical models and investigate the uncertainty chain from parameter uncertainty over forcing data uncertainty up the structural model uncertainty be setting up different combinations of CMF and LandscapeDNDC. A comprehensive work program has been developed structured in 4 work packages, that consist of (1) model set up, calibration and uncertainty assessment on site scale followed by (2) an application and uncertainty assessment of the coupled model structures on regional scale, (3) global change scenario analyses and finally (4) evaluating model results in an ensemble fashion.Last but not least, a further motivation of this proposal is to provide project results in a manner that they support planning and decision taking under uncertainty, as this proposal is part of the package proposal on 'Methodologies for dealing with uncertainties in landscape planning and related modelling'.

Bedarfsgerechte Automatisierung der Freiflächen- und Tröpfchenbewässerungstechnik mittels on-site IOT-Sensorik, unterstützt durch Satellitentechnik, Teilprojekt B

Bedingt durch den Klimawandel sind landwirtschaftliche Kulturpflanzen vermehrt Wasserstress und Frostschäden ausgesetzt. Gleichzeitig prognostiziert die FAO einen Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55% (Landwirtschaft um 11%), bei einem Anstieg der gesamten beregneten Fläche um 6% bis 2050. Diese Problematik, kombiniert mit dem Bevölkerungsanstieg, wachsendem Energiebedarf und dem Rückgang der nutzbaren landwirtschaftlichen Fläche in den Industriestaaten, verlangt nach Lösungen. Ein bedarfsgerechter, energiesparender und effizienter Einsatz der Ressourcen Wasser und Energie ist erforderlich, um eine zukunftsfähige und nachhaltige Bewässerung zu gewährleisten und der steigenden Nutzungskonkurrenz, um die Ressource Wasser, zu begegnen. Während eine automatisierte Bewässerung im Gewächshaus bereits Stand der Technik ist, wird die Freiflächen und Tröpfchenbewässerung wie z.B. im Gemüse bzw. Obstbau überwiegend manuell auf Basis von Erfahrungswerten der Anbauer oder aufgrund fest geplanter Bewässerungsintervalle durchgeführt. Dies führt in der Regel zu zu hohen Bewässerungsgaben und kann weiterhin zu Nährstoffauswaschungen führen. Ziel dieses Projektes ist es daher, Daten aus den unterschiedlichsten Quellen auf einer intelligenten Service-Plattform miteinander zu verknüpfen, um dadurch über eine digitale Entscheidungsunterstützung, eine bedarfsgerechte und (teil-)automatisierte Bewässerung zu ermöglichen. Gerade die Integration lokaler Sensoren in einem multivariaten Ansatz, soll dabei auch der zunehmenden Entwicklung von teilabgedeckten Agrarflächen durch Agri-Photovoltaik-Anlagen, Folien und Netzen gerecht werden. Kern des Projekts ist dabei ein Cloud-basierter Bewässerungsplaner, der sich automatisiert an die on-Site gemessenen Klimaparameter, sowie den aktuellen phänologischen Bedingungen in Echtzeit anpasst. Der Planer wird dann mit den bestehenden Systemen der Projektpartner vernetzt, um die Ausführung der Bewässerung zu (teil)-automatisieren.

Freilanduntersuchungen zur interaktiven Wirkung von Hitzeperioden und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration auf Wachstum und Kornbildung von Weizen

Der Klimawandel beinhaltet den Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration, Zunahmen der mittleren Temperatur und der Sommertrockenheit sowie das vermehrte Auftreten von Hitzeperioden, d.h. Tagen mit Maximaltemperaturen über 30 C. Die Folgen dieser gleichzeitigen Veränderungen für die globale Agrarproduktion sind offen. Nach Modellabschätzungen soll insbesondere die Zunahme von Hitzeperioden zu Ertragseinbußen bei Getreidearten wie Weizen führen. Die für diese Folgenabschätzung zugrunde liegenden experimentellen Daten wurden unter Gewächshaus- oder Klimakammerbedingungen erhoben. Es sollen daher erstmals Feldversuche zur Interaktion von Hitzeperioden und erhöhter CO2-Konzentration auf Wachstum und Kornbildungsprozesse von Weizen durchgeführt werden. Dazu werden eine erhöhte CO2-Konzentration (550 ppm) mit einer Freiland-CO2-Anreicherungsanlage (Free Air Carbon Dioxide Enrichment = FACE-Technik) und Hitzeperioden (T größer als 30 oC) mit einer Felderwärmungsanlage (Free Air Temperature Enrichment = FATE-Technik) simuliert. Die Wärmebehandlung wird an zwei hitzesensitiven Entwicklungsphasen durchgeführt (P1: präflorale Phase, P2: Kornfüllungsphase). Die Hitzeexposition in P1 erfolgt in der Woche bis zur Blüte. Es soll der erwartete Abfall der Kornzahl ermittelt und auf eine Beziehung zur Temperatursumme oberhalb eines Schwellenwertes geprüft werden. In P2 soll das Temperaturmaximum an 6 Tagen erhöht und der Einfluss auf das Einzelkorngewicht erfasst werden. Für das erste Versuchsjahr ist nur die Untersuchung von Hitzeeffekten geplant. Um einen möglichst weiten Temperaturbereich abzudecken, wird dieser Versuch gleichzeitig an zwei Standorten (Braunschweig/Kiel) durchgeführt. Im zweiten und dritten Jahr soll in einem Kombinationsexperiment mit FACE und FATE geprüft werden, ob die Hitzeeffekte durch mehr CO2 in der Atmosphäre modifiziert werden. Die Ergebnisse werden für die Verbesserung von Weizenwachstumsmodellen zur Klimafolgenabschätzung bereitgestellt und können für die Züchtungsberatung verwendet werden.

Bilanz der Verteilung und Umwandlung von Umweltchemikalien in Modelll-Oekosystemen (Boden-Pflanzen, aquatische Systeme)

Das Schicksal von Umweltchemikalien in hoeheren Pflanzen wird bei verschiedenen Applikationsraten in Gewaechshaus- und Freilandversuchen untersucht. Die Metaboliten werden identifiziert und erneut appliziert bis zur Identfizierung der Endprodukte des Abbaus. Diese Versuche sollen einen Hinweis auf moegliche Rueckstaende von Umwandlungsprodukten in Nahrungsmitteln geben.

Beurteilung der Bleikontamination fuer die Verwertung von Ernteprodukten aus Hausgaerten in der Umgebung einer bleiverarbeitenden Industrie

Zur Beurteilung des Gefaehrdungsgrades von Hausgaertenbesitzern durch kontaminierte Ernteprodukte im Nahbereich des Emittenden sind umfangreiche Messungen an standortgemaessen gaertnerischen Produkten durchzufuehren. Gleichzeitig soll die tatsaechlich ueber die Nahrung zugefuehrte Bleimenge durch Messung des Bleigehaltes in der woechentlichen Gesamtnahrung quantifiziert werden. Das Programm ist in folgende Unterpunkte gegliedert: Raeumlich und zeitlich bezogene Stichprobenmessung an zu klassifizierenden Modellkulturen; Simultane Stichprobenmessungen an Modellkulturen in standortbuertiger Gartenerde unter abgeschlossenen Glashausbedingungen; Ermittlung der Dekontaminationsraten bei verschiedenen Techniken der Aufbereitung; Messung des Bleigehaltes in der woechentlichen Gesamtnahrung zu vier auf das Jahr 1978 verteilten, aspektbezogenen Erfassungsperioden; Zeitlich abgestimmte statistische Erhebung von differenziert anzugebenden Verzehrserhebungen angaertnerischen Produkten.

Bedeutung der Mineralstoffernährung der Pflanzen für ihre Resistenz gegenüber Schadorganismen unter besonderer Berücksichtigung der Wirkungen von Silizium und Calcium auf bodenbürtige Krankheiten

Im geschützten Anbau ist mit einem verstärkten Auftreten von pilzlichen Schaderregern, insbesondere Wurzelpathogenen zu rechnen. Im geschützten Anbau am Standort Bangkok ist an der vorgesehenen Hauptkultur Tomate mit einem erhöhten Befall mit Pythium zu rechnen. In diesem Teilprojekt soll am Standort Bangkok durch einen Gewächshausversuch versucht werden, die Wirkung der Ca- und Si-Versorgung in Wechselwirkung mit der Stickstoffversorgung der Pflanzen auf die Infektion, den Infektionsverlauf von Pythium zu charakterisieren und die Wirkung auf den Ertrag der Kulturen zu quantifizieren. Parallel zu den Vegetationsversuchen soll unter kontrollierten Bedingungen in Hannover schwerpunktmäßig der Einfluß von Si und Ca auf das Pathosystem Tomate/Pythium detaillierter untersucht werden. Hierbei stehen im Mittelpunkt (i) die Quantifizierung im Wurzelapoplasten der Ca-, Si-Gehalte und -Bindungsformen und von für den Pilzbefall und die pflanzliche Reaktion auf den Pilzbefall charakteristischen Enzymaktivitäten und Metaboliten in Beziehung zu Infektion und Infektionsverlauf, (ii) die Charakterisierung des Infektionsverlaufes innerhalb des Wurzelsystems unter besonderer Berücksichtigung von Wurzelalter, lokalen Infektionsquellen und lokalem Si, und Ca-Angebot und (iii) die Charakterisierung des Leistungs- und Kompensationsvermögens des Wurzelsystems in Abhängigkeit von Intensität und Verlauf des Krankheitsbefalls. Ziel des Teilprojektes ist es, den möglichen Beitrag der Ca- und Silizium-Versorgung der Pflanzen zur Optimierung der Pflanzengesundheit am Beispiel des Pathosystems Tomate/Pythium zu erarbeiten und unter praktischen Anbaubedingungen zu überprüfen.

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

Biogeochemical Processes in Tropical Soils

In recent years science has taken an increased interest in mineralization processes in tropical soils in particular under minimal tillage operations. Plant litter quality and management strongly affect mineralization-nitrification processes in soil and hence the fate of nitrogen in ecosystems and the environment. Plant secondary metabolites like lignin and polyphenols are poorly degradable and interact with proteins (protein binding capacity) and hence protect them from microbial attack. Nitrification, a microbiological process, directly and indirectly influences the efficiency of recovery of N in the vegetation as well as the loss of N (through denitrification and leaching) causing environmental pollution to water bodies and contributes to global warming (e.g. the greenhouse gas N2O is emitted as a by-product of nitrification and denitrification). Nitrifiers comprise a relatively narrow species diversity (at least as known to date) and are generally thought to be sensitive to low soil pH and stress. Despite these properties nitrification occurs in acid tropical soils with high levels of aluminium and manganese. Thus the main objective of the project will be the identification of micro-organisms and mechanisms responsible for mineralization-nitrification processes in acid tropical soils and the influence of long-term litter input of different chemical qualities and minimal tillage options. The project will include the use of stable isotopes (15N, 13C), mass spectrometry, gas chromatography (CO2, N2O), biochemical methods (PLFA) and molecular biology (16s rRNA., PCR, DGGE)

Experimente über zunehmende Schädigungen an Rebstöcken durch die Reblaus Dactulosphaira vitivoliae (Fitch): Mikrokompartimentuntersuchungen im Wurzelsystem.

Das Projekt dient der Ursachenforschung von Rebschäden bei Reblausbefall auf unterschiedlich bewirtschafteten Rebflächen. Rebstöcke kontaminierter Versuchsflächen sind im Wurzelbereich mit der Reblaus befallen, jedoch unterscheiden sie sich deutlich in der vegetativen Leistung. In Rebflächen mit kostenextensiver Bewirtschaftung und mangelnder Bodenpflege zeigen die Reben häufig eine Absterbezone, während sie in Anlagen mit guter Bodenpflege trotz Reblausbefalls einen vitalen Wuchszustand aufweisen können. Als Kontrollfläche dienen reblausfreie Rebanlagen, ferner sind ergänzende Topfversuche in Gewächshäusern geplant. Die Untersuchungen sind fokussiert auf das Wurzelsystem mit reblausinduzierten Wurzelveränderungen (Nodositäten) und damit in Frage kommender Interaktionen mit potentiellen Schadorganismen (Mikroorganismen, Nematoden). Sie umfassen populationsbiologische Reaktionen der Rebläuse auf Bewirtschaftungsmaßnahmen (Düngung, Bodenbearbeitung), die Erfassung von Gewebeveränderungen und Aktivitätsspuren an den Saugplätzen der Rebläuse (Nodositäten) und die Lokalisierung und Bestimmung von Mikroorganismen und Nematoden im freien Boden, in der Rhizosphäre und im Wurzelgewebe. Zur Ermittlung des Schädigungsgrades der Wurzeln wird ein Verbraunnungsindex ermittelt.

Entwicklung einer neuen Wachs-Substrat-Struktur zur Anwendung in Gewächshäusern und Indoor Farmen auf Basis versiegelter regionaler Naturfasern, Teilvorhaben 1: Erforschung der optimalen Wachs-Substrat-Struktur für Indoor Farms

Die saisonunabhängige Versorgung mit regionalem, frischem Gemüse ist in unseren Breitengraden nur durch Gewächshäuser oder moderne Indoor-/Vertical Farms möglich. Die Effizienz dieser Anbautechniken ist um ein Vielfaches höher als im konventionellen Feldanbau durch die Kultivierung in hydroponischen Systemen, bei denen die Pflanzen in einem erdfreien Substrat wurzeln und mit einer bedarfsgerechten Nährlösung gezielt versorgt werden. Obwohl durch die Hydroponik kaum noch Pestizide eingesetzt werden sind die verwendeten Substrate wie Steinwolle, Kokossubstrate oder Torf nicht nachhaltig. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Substrats basierend auf regional produzierten Naturfasern, welches die hohen Anforderungen der Hydroponik in Gewächshäusern und Indoor Farms erfüllt sowie rückstandslos kompostiert werden kann. Da die Naturfasern ähnlichen Reaktionen mit der Nährlösung wie Kokos- oder Torfsubstrate ausgesetzt wären, liegt die zentrale Innovation dieses Vorhabens in der Versiegelung der Naturfasern mit einem Biowachs auf CO2-Basis, welches die Fasern vor der Nährlösung schützt und den biologischen Abbauprozess verzögert, da sich das Biowachs erst unter Kompostierungsbedingungen abbaut. Im Vorhaben werden unterschiedliche Faser- und Wachszusammensetzungen systematisch unter kontrollierten Bedingungen sowie unter realen Kulturbedingungen untersucht, um die optimale Form sowie Strukturstabilität zur Anwendung sowohl im Gewächshaus als auch als Haltesystem für die Indoor Farm herauszufinden. Die neue Wachs-Substrat-Struktur soll vergleichbar gute Kultivierungsbedingungen zu Steinwolle erreichen und gleichzeitig dessen Nachteile eliminieren, womit große Mengen an Steinwolleabfällen und notwendiger Energie in Zukunft vermieden werden können.

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