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Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Biogene Opalisotope - neue Proxies zur Untersuchung vergangener Nährstoffkreisläufe und hydrographischer Strukturen im Südpazifik in Beziehung zu der Entwicklung des Klimas und der antarktischen Kryosphäre

Der Verlauf der atmosphärischen CO2-Konzentrationen während der vergangenen Klimazyklen ist durch ein Sägezahnmuster mit Maxima in Warmzeiten und Minima in Kaltzeiten geprägt. Es besteht derzeit Konsens, dass insbesondere der Süd Ozean (SO) eine Schlüsselfunktion bei der Steuerung der CO2-Entwicklung einnimmt. Allerdings sind die dabei wirksamen Mechanismen, die in Zusammenhang mit Änderungen der Windmuster, Ozeanzirkulation, Stratifizierung der Wassersäule, Meereisausdehnung und biologischer Produktion stehen, noch nicht ausreichend bekannt. Daten zur Wirkung dieser Prozesse im Wechsel von Warm- und Kaltzeiten beziehen sich bislang fast ausschließlich auf den atlantischen SO. Um ein umfassendes Bild der Klimasteuerung durch den SO zu erhalten muss geklärt werden, wie weit sich die aus dem atlantischen SO bekannten Prozesswirkungen auf den pazifischen SO übertragen lassen. Dies ist deshalb von Bedeutung, da der pazifische SO den größten Teil des SO einnimmt. Darüber hinaus stellt er das hauptsächliche Abflussgebiet des Westantarktischen Eisschildes (WAIS) in den SO dar. Im Rahmen des Projektes sollen mit einer neu entwickelten Proxy-Methode Paläoumwelt-Zeitreihen an ausgewählten Sedimentkernen von latitudinalen Schnitten über den pazifischen SO hinweg gewonnen werden. Dabei handelt es sich um kombinierte Sauerstoff- und Siliziumisotopenmessungen an gereinigten Diatomeen und Radiolarien. Es sollen erstmalig die physikalischen Eigenschaften und Nährstoffbedingungen in verschiedenen Stockwerken des Oberflächenwassers aus verschiedenen Ablagerungsräumen und während unterschiedlicher Klimabedingungen beschrieben werden. Dies umfasst Bedingungen von kälter als heute (z.B. Letztes Glaziales Maximum) bis zu wärmer als heute (z.B. Marines Isotopen Stadium, MIS 5.5). Die Untersuchungen geben Hinweise zur (1) Sensitivität des antarktischen Ökosystems auf den Eintrag von Mikronährstoffen (Eisendüngung), (2) Oberflächenwasserstratifizierung und (3) 'Silicic-Acid leakage'-Hypothese, und tragen damit zur Überprüfung verschiedener Hypothesen zur Klimawirksamkeit von SO-Prozessen bei. Die neuen Proxies bilden überdies Oberflächen-Salzgehaltsanomalien ab, die Hinweise zur Stabilität des WAIS unter verschiedenen Klimabedingungen geben. Darüber hinaus kann die Hypothese getestet werden, nach der der WAIS während MIS 5.5 vollständig abgebaut war. Die Projektergebnisse sollen mit Simulationen mit einem kombinierten biogeochemischen (Si-Isotope beinhaltenden) Atmosphäre-Ozean-Zirkulations-Modell aus einem laufenden SPP1158-DFG Projekt an der CAU Kiel (PI B. Schneider) verglichen werden. Damit sollen die jeweiligen Beiträge der Ozeanzirkulation und der biologischen Produktion zum CO2-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre getrennt und statistisch analysiert werden. Informationen zu Staubeintrag, biogenen Flussraten, physikalischen Ozeanparametern und zur Erstellung von Altersmodellen stehen durch Zusammenarbeit mit anderen (inter)nationalen Projekten zur Verfügung.

Einsatz stabiler Isotope in der Ökophysiologie: Stickstoff- und Kohlenstoffallokation sowie Kohlenstoffumsatz junger Bäume im Bodenraum

Im Rahmen des hier beantragten 12-monatigen Aufenthalt bei Prof. Dr. T. Dawson werde ich verschiedene Einsatzmöglichkeiten von stabilen Isotopen zum mechanistischen Verständnis von Prozessen in der Ökophysiologie/Baumphysiologie erlernen. Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf dem Studium biotischer Interaktionen und Stoffumsätze im Boden liegen. Anhand von eigenem Probenmaterial aus bereits abgeschlossenen Experimenten werde ich mir zunächst die Probenaufarbeitung, Verwendung der Massenspektrometer und Dateninterpretation von Grund auf aneignen. Während eines etwa vierwöchigen Aufenthalts bei Dr. C. Andersen werde ich in die Handhabung einer Messvorrichtung für unterirdische Untersuchungen an jungen Bäumen eingeführt. Diese 'mycocosms' werden anschließend für die in Berkeley geplanten Versuche eingesetzt. Mit Hilfe der stabilen Isotope 13C und 15N und Messungen der Bodenatmungsraten werden der Fluss an neu fixiertem C von den Blättern in den Boden, der C-Umsatz dort quantifiziert sowie die N- und C-Allokation erfaßt. Die Experimente dienen dem mechanistischem Verständnis qualitativer und quantitativer Änderungen dieser Allokations- und Umsatzprozesse durch Mykorrhizapilze und Konkurrenzinteraktionen. Die erlernten Methoden werden nach Beendigung des Auslandsstipendiums in Deutschland im Rahmen von Projekten eingesetzt, die sich mit der Konkurrenz zwischen Buche und Fichte beschäftigen.

Soil water controls on nitrogen oxide fluxes and N2O production and consumption along a rainfall gradient of tropical forests

Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Nutzung des Fortschritts in der stabilen Wasserisotopenforschung zur Quantifizierung von art- und interspezifischen ökohydrologischen Rückkopplungsprozessen und Wasserdurchgangszeiten verschiedener Baumbestände

Signifikante Veränderungen hydrologischer Extremereignisse sind zentraler Bestandteil zukünftiger Klimawandelprognosen. Das Verständnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Wasserspeicherung in Boden und Grundwasser sowie Wasserflüssen im Einzugsgebiet ist eine große Herausforderung in der Ökohydrologie. Die Vegetation spielt dabei eine zentrale Rolle in dem sie 50-70% der terrestrischen Evapotranspiration kontrolliert. Verschiedene Pflanzenarten unterscheiden sich signifikant in ihren Wassernutzungsstrategien. Die Integration solcher Informationen zu artspezifischen Einflüssen auf die Bodeninfiltration und Wurzelwasseraufnahmedynamiken liefern erste Hinweise darauf, wie Bäume Wasser in Richtung ihrer aktiven Wurzelzone leiten können. Dies wird unter zukünftigen klimatischen Bedingungen und bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien für eine nachhaltige Waldökosystembewirtschaftung bedeutend. Das Konzept des Wasseralters mittels stabiler Wasserisotopen wird verwendet, um den Beitrag unterschiedlicher Wasserfließwege zum Abfluss und deren Änderungen zu bewerten. Das Wasseralter bietet dabei eine weitere Perspektive, um hydrologische Prozesse besser zu verstehen und Modelle zu optimieren. Jüngste Studien zur Bestimmung von Verweilzeit zeigen, dass besonders die Schnittstellen zwischen den Kompartimenten (z.B. Boden-Atmosphäre oder Boden-Wurzeln) besser berücksichtigt werden muss, um den ökohydrologischen Kreislauf ganzheitlicher zu verstehen. Artspezifische Unterschiede und die komplementäre Ressourcennutzung von Baum-Mischbeständen können dabei Wasserverweilzeiten und -alter im ökohydrologischen Kreislauf verändern. Unsere zentrale Hypothese lautet, dass Artidentität und Wasserkonkurrenz zwischen Baumarten ein Haupttreiber für ökohydrologische Rückkopplungsprozesse zwischen Boden und Bäumen sind. Wir werden unsere zentrale Hypothese in Rein- und Mischbeständen von Tannen und Buchen in einem kombinierten experimentellen (Arbeitspakete (WPs) 1-3) und Modellierungsansatz (WP 4) untersuchen, in dem räumlich hochaufgelöste Messungen von Isotopen sowie hydrometrische und ökophysiologische Messungen mit kontinuierlicher Langzeitüberwachung kombiniert werden, um alle Kompartimente des Wasserkreislaufs des Ökosystems zu quantifizieren. Isotopensignaturen von Wasserflüssen auf natürlichem Niveau werden zunächst über eine neuartige in-situ-Monitoringplattform (SWIP) für ein Jahr (WP 1) beobachtet, um das SWIP-System standortspezifisch zu validieren. In WP 2 werden wir ein Isotopenmarkierungsexperiment durchführen, um die standortspezifische zeitliche Heterogenität der Reaktionszeiten der Ökosystemkompartimente zu quantifizieren, während in WP 3 die Verweilzeiten und das Wasseralter der verschiedenen Kompartimente untersucht werden. WP 4 dient der Modellierung ökohydrologischer Prozesse mittels der erhobenen Daten. Der Fokus wird hier auf der Verbesserung der SWIS-Modellstruktur und der Anpassung an verschiedene Baumstände liegen.

GIN Deutsches Isotopennetz

Das deutsche Isotopennetz GIN ermöglicht ein kontinuierliches, langjähriges und räumlich hoch aufgelöstes Monitoring von stabilen Wasserisotopen (Sauerstoff-18, Deuterium) und Tritium im Grundwasser, Niederschlag, Oberflächenwasser und weiteren Komponenten und hält Isotopendaten für Wissenschaft und anwendungsbezogenes Arbeiten in den Naturwissenschaften, der Ressourcenforschung und Umweltdisziplinen für Deutschland vor.

Untersuchungen zur Rolle verschiedener Eisenquellen für die biologische Produktivität im Ozean mittels eines globalen Modells der Eisenisotopie

Eisen ist ein essenzieller Mikronährstoff für marine Organismen. Die Eisenverteilung im Ozean beeinflusst die Primärproduktion von Phytoplankton und dadurch die Aufnahme von Kohlendioxid im Ozean stark. Während wir langsam ein genaueres Bild der gegenwärtigen globalen Verteilung von gelöstem Eisen im Ozean bekommen, besteht noch kein Konsens in den Mechanismen, die diese Verteilung steuern, und vor allem in der Rolle der verschiedenen externen Eisenquellen für den Ozean (z.B. Eintrag durch Staub, aus Meeressedimenten, hydrothermalen Quellen und Flüssen). Einige dieser Quellen (z.B. Staubdeposition) werden sich stark mit dem laufenden Klimawandel ändern, andere, etwa der Eintrag aus Hydrothermalquellen, nicht. Wegen der Unsicherheit darüber, wie relevant die spezifischen Quellen sind, sind daher Vorhersagen zum zukünftigen Eisenkreislauf und damit zur Veränderung der Primärproduktion als Folge des Klimawandels stark erschwert.Eine neue Methode, die Rolle der verschiedenen Eisenquellen zu untersuchen, ist die Analyse der stabilen Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean. Da die verschiedenen externen Quellen von Eisen je unterschiedliche Isotopenverhältnisse haben, kann die Isotopenzusammensetzung von Eisen im Ozean im Prinzip verwendet werden, um die relativen Beiträge der verschiedenen Quellen zu erschließen. Allerdings wirken sich auch Prozesse im Inneren des Ozeans, die Eisen zwischen seinen verschiedenen Formen (gelöstes Eisen, abiotische und biologische Partikel, Redoxzustände) umwandeln, auf die Isotopenzusammensetzung aus, d.h. sie fraktionieren. Dazu kommt die Vermischung der Isotopenzusammensetzung durch physikalische Prozesse (Transport mit der Strömung und Diffusion). Die Interpretation von Eisenisotopendaten im Ozean erfordert daher die Kombination von Beobachtungen mit einem Modell des Eisenkreislaufs im Ozean. In dem beantragten Projekt wird ein globales biogeochemisches Modell von Eisen um eine explizite Darstellung von Isotopeneffekten erweitert, mit dem Ziel, die Rolle der verschiedenen Prozesse zu entschlüsseln, die die Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean beeinflussen. Das globale biogeochemische Modell basiert auf meinen früheren Arbeiten. In Kombination mit der weiter stattfindenden Zunahme von Eisenisotopenmessungen im Rahmen des internationalen GEOTRACES Programmes ermöglicht das Modell eine bessere Quantifizierung der Größe und der relativen Rolle der externen Eisenquellen für die Gegenwart und somit auch robustere Prognosen der zukünftigen marinen Primärproduktion.

Rekonstruktion des marinen Karbonatsystems während des letzten glazial-interglazialen Überganges aus Bor-Isotopen und -Konzentrationen Foraminiferen.

Störungen des Kohlenstoffkreislaufs, sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs, führen zu globale Erwärmung, Ozeanversauerung (OA) und Sauerstoffzehrung des Tiefenwassers. Natürliche Störungen des Kohlenstoffkreislaufs sind als Hauptursache von mindestens 4 von 5 Massensterben in der Erdgeschichte identifiziert wurden (z.B. Hönisch et al, 2009, Bijma et al.., 2013).Anthropogene Aktivitäten setzten CO2 zehnmal schneller frei als jedes andere Ereignis in den letzten 65 Mio. Jahren - vielleicht sogar während der letzten 300 Mio Jahren. Dies macht den heutigen CO2 Ausstoß zu einer der größten gesellschaftlichen Herausforderungen. Um die Auswirkungen der anthropogenen Störungen vorhersagen zu können, ist es zwingend erforderlich, die natürlichen Speicher und Dynamik des Kohlenstoffsystems zu verstehen. Dies erfordert die genaue Rekonstruktion der marinen Karbonatchemie für Zeiträume mit natürlichen Änderungen. In diesem Projekt wollen wir Veränderlichkeit am Übergang Glazial/Interglazial untersuchen weil die Änderungen der Karbonatchemie in der gleichen Größenordnung wie heute lagen. Da das Reservoir an anorganischem Kohlenstoff im Ozean ungefähr 60 mal größer ist als das der Atmosphäre, sind Rekonstruktionen der Veränderungen der Kohlenstoffsenke/-speicherung in der Tiefsee ein Schlüssel, um die glazialen/interglazialen Schwankungen im atmosphärischen CO2 - wie sie in Eisbohrkernen beobachtet werden - zu erklären. Prozesse im Südozean, wo der Großteil des Tiefenwassers ventiliert wird, spielen hierbei vermutlich eine zentrale Rolle. Man vermutet, dass der träge glaziale Süd Ozean mehr Kohlenstoff einlagern konnte, die Biologische Pumpe effektiver war und dass eine höhere Wassermassen-Stratifizierung das Entweichen von CO2 in die Atmosphäre verringert hat. Nach dem glazialen Maximum wird mit dem Rückzug des Meereises die Tiefsee Kohlenstoff - Pumpe wieder mit der Atmosphäre verbunden und führt zu einer erhöhten CO2-Freisetzung. Bislang ist dies, wenn auch von Indizienbeweisen unterstützt, nur eine Hypothese, zum Beweis bedarf es der Rekonstruktionen der glazialen/interglazialen variierenden Karbonatchemie. Dies ist das übergreifende Ziel unseres Antrags. Auf dem Weg zur Rekonstruktion des glazialen/interglazialen Kohlenstoffpools liegen 3 Zwischenziele: 1) Rekonstruktion von Oberflächenwasser-Tiefsee- CO2-Gradienten, glaziale Kohlenstoffspeicherung und deglaziale Entgasung mittels Bor-Isotopen und B/Ca fossiler Foraminiferen als Hauptvariablen. 2) Erstellen der ersten Kalibrationen von Bor-Isotopen und B/Ca Ratio für Cibicides wuellerstorfi (Tiefseeforaminifere) unter in-situ Druck. 3) Entwicklung von analytischen Methoden, welche die Analyse von einzelnen Foraminiferen Schalen erlauben.

Dynamik der Verweilzeiten von Wasser in Mediterranen Einzugsgebieten und deren ökohydrologischen Auswirkungen in einer sich wandelndem Umwelt

Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.

Klimagesteuerte Variabilität der Kohlenstoffisotope in für diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) des Südpolarmeeres

Gegenstand des Vorhabens ist die organisch-geochemische Untersuchung von diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) aus Sedimenten des Südpolarmeeres für die letzten ca. 150.000 Jahre. Diatomeen sind die wichtigsten Primärproduzenten südlich der heutigen Antarktischen Polarfront. Die Kohlenstoffisotope und Anteile der in den Sedimenten überlieferten Biomarker aus Diatomeen spiegeln unmittelbare Veränderungen in der Meerwasserchemie, ozeanischen Zirkulation und der Primärproduktivität wider und sind daher ein ausgezeichneter Indikator für klimagekoppelte Umweltveränderungen. Die Untersuchungen basieren auf etablierten Methoden der organischen Geochemie, Biomarkenanalytik und Isotopengeochemie und sind somit ohne methodische Neuentwicklungen durchzuführen.

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