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Frühdiagenetische Veränderung von Seltenerdelement- und Yttrium (SEY) Signalen in marinen Sedimenten und deren Einfluss auf die Verwendung von SEY als Tracer im früheren und rezenten Ozean

Seltenerdelemente und Yttrium (SEY), einschließlich Nd-Isotope, werden häufig als geochemische Proxys für frühere und rezente Umweltbedingungen und -prozesse verwendet. In den letzten Jahren wurde die Verwendung dieser Proxys zur Rekonstruktion frühzeitlicher Meerwasserchemie und die Nachverfolgung von Wassermassen in Frage gestellt, da die Primärsignale des Meerwassers in den Sediment-Archiven während der frühen Diagenese überprägt werden können. Die Wechselwirkung zwischen Porenwasser und Festphase kann zur Fraktionierung und Veränderung der SEY-Muster und der Nd-Isotopensignatur führen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind noch wenig erforscht. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, aufzudecken, welchen Einfluss die Redox-Zonierung und die Lithologie auf die SEY-Zusammensetzung im Porenwasser und die beteiligten Prozesse im Sediment haben. Zur Beantwortung dieser Frage werden Proben aus der pazifischen und atlantischen Tiefsee, dem Kontinentalrand vor Neuschottland und der Amazonasmündung entnommen, analysiert und ausgewertet. Die SEY-Konzentrationen und die Nd-Isotopenzusammensetzung im Porenwasser, in der festen Phase und im darüber liegenden Meerwasser werden verglichen, um die Fraktionierung, Veränderung und Konservierung der Proxys zu identifizieren. Die vier Lokationen wurden aufgrund ihres unterschiedlichen Organik-Gehalts und der daraus resultierenden Redox-Zonierung sowie des variablen kontinentalen Eintrags ausgewählt. Die vorgeschlagene systematische Untersuchung der SEY im Porenwasser wird die Lücke in der paläozeanografischen Forschung schließen, unter welchen Umwelteinflüssen SEY-Proxys zuverlässig sein können und unter welchen Bedingungen sie nicht zuverlässig sind. Messwerte werden dringend benötigt, da bei Modellierungen und experimentellen Arbeiten keine guten Informationen zu Eingabevariablen und realistischen Randbedingungen vorliegen. Die vorgeschlagene Forschung wird neue Daten zu den bisher wenigen, bis gar nicht, verfügbaren Daten zu SEY-Konzentrationen und der Nd-Isotopenzusammensetzung in (insbesondere oxischen) Porenwässern liefern.

Struktur- und isotopenchemische Untersuchungen zur Transformation organischer Kohlenstofffraktionen in ausgewählten Waldböden

Im Forschungsvorhaben werden mikrobielle Umsetzungsreaktionen organischen Materials in Böden quantitativ und qualitativ untersucht. Ziel ist es, die genaue Strukturaufklärung der beteiligten organischen Komponenten durchzuführen und deren exakte Abbauwege zu kennzeichnen. Die angestrebten Untersuchungen auf molekularer Ebene erlauben neben der genauen Bilanzierung des Kohlenstoffumsatzes eine gezielte Strukturaufklärung der beteiligten Komponenten mittels konventioneller GC-MS und GC-Isotope-Ratio Technik. Durch den Einsatz von 13C-markierten Tracersubstanzen soll aufgezeigt werden, (1) inwieweit der Abbau der organischen Substanz direkt zur Bildung von CO2 führt, (2) welcher Anteil in mikrobielle Biomasse überführt wird und, als wichtigster Aspekt, (3) in welcher Form organische Substanzen und deren mikrobielle Transformationsprodukte als makromolekulare organische Fraktionen im Boden verbleiben. Die strukturchemischen Untersuchungen werden Indikationen zur Abgrenzung zwischen den Einträgen aus mikrobieller Biomasse und Streu liefern.

Wechselwirkungen zwischen saisonale arktische Meereisprozessen und Stabilität der Halokline – auf dem Weg zum Verständnis arktischer Gas- und Stoffflüsse

In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.

Modellmaessige Untersuchungen zur Isotopenhydrologie und zu Ausbreitungsvorgaengen im Grundwasser

Modellmaessige Untersuchungen der Grundlagen von Grundwasserdatierungen sowie der Migration von Tracern und Schadstoffen im Sicker- und Grundwasser. Beitraege zur Klimaforschung.

Haushalt und Flüsse des wurzelbürtigen Kohlenstoffs in Nahrungsketten

Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Paläoklima und Paläoökologie des kontinentalen östlichen Mittelmeerraumes - Hochauflösende Pollenanalyse aus dem Vansee während des Mittleren Pleistozäns (MIS 8 bis 10)

Unser derzeitiges Wissen über die paläoklimatische Entwicklung des Nahen Ostens nach 250.000 Jahre ist noch unzureichend untersucht. Der Vansee (Ostanatolien, Türkei) ist ein hervorragender Standort für die Untersuchung der Klimaentwicklung im kontinentalen östlichen Mittelmeerraum zwischen der nördlichen Levante und dem Mittelmeerraum. Dieses Projekt bietet die einzigartige Möglichkeit, die Variabilität von lokaler / regionaler Vegetation, Feuerintensität und die Klimaveränderungen während des drittletzten glazial-interglazialen Zyklus (Marine Isotope Stage (MIS) 8 bis 10; ca. 240 bis 350 ka BP), unter Verwendung von Palynologie, Auswertung von mikroskopischer Holzkohle sowie der Messung von stabilen Isotopen, zu bewerten. Die in diesem Projekt erstellten hochauflösenden palynologischen Datensätze bilden die Grundlage für die Biomodellierung und Rekonstruktion der Klimaentwicklung im östlichen Mittelmeerraum, die mit multivariaten statistischen Methoden entwickelt werden (z. B. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zur Rekonstruktion von Temperatur und Niederschlag). Ziel dieser Studie ist es, globaler Klimasignale unterhalb von Milankovitch-Zyklen zu untersuchen, und deren direkten Einfluss auf die Vegetationszusammensetzung und / oder die Umweltbedingungen in dieser Region.

Charakterisierung des Wasserhaushalts und Nährstoffhaushalts von Buchen in Abhängigkeit von Klima und Bewirtschaftung

Die Verfügbarkeit von Wasser, die zum einen durch klimatische Faktoren, zum anderen kleinräumig durch waldbauliche Maßnahmen modifiziert wird, ist ein entscheidender Faktor, der Wachstum und Vitalität und somit auch die geographische Verbreitung der Buche beeinflusst. Veränderungen des Wasserhaushalts der Vegetation wirken sich ebenfalls auf den Nährstoffhaushalt aus, so dass beide Prozesse gemeinsam betrachtet werden. Die Charakterisierung des Wasserhaushaltes in Abhängigkeit von Klima (mesoklimatischer Expositionsgradient) und Bewirtschaftung (Schirmhiebe)soll ausgehend von einem Einzelbaumansatz mittels Xylemflussmessungen, Messungen des Wasserpotenzials und Bestimmung der C-, O- und N-Isotopensignaturen an adulten und jungen Bäumen erfolgen und mit Hilfe von Modellrechnungen auf die Bestandesebene extrapoliert werden. Weiterhin sollen die Isotopensignaturen in Phloem, Blättern und Holz auf ihre Eignung als Werkzeuge zur Regionalisierung des Wasserhaushalts überprüft werden. Der Nährstoffstatus wird anhand der Messungen und Modellierung der Aufnahme des wachstumslimitierenden Nährelements N aus dem Boden für adulte und junge Buchen charakterisiert. Es wird erwartet, dass sich die Untersuchungsparameter auf den verschiedenen Standorten in Abhängigkeit von Klima und Bewirtschaftung verändern und somit Rückschlüsse auf die Reaktions- und Anpassungsfähigkeit des Wasser- und Nährstoffhaushalts von Buchenbeständen gezogen werden können. Für diese Analyse wird eine gemeinsame Betrachtung des Wasser- und Nährstoffhaushalts des Bodens (Anträge Hilfebrand und Papen) und des Wasser- und Strahlungshaushaltes der Atmosphäre (Antrag Mayer) durchgeführt.

Forschergruppe (FOR) 861: Cross-scale Monitoring: Biodiversity and Ecosystem Functions, Quantification of functional hydro-biogeochemical indicators in Ecuadorian ecosystems and their reaction on global change

Water is an intrinsic component of ecosystems acting as a key agent of lateral transport for particulate and dissolved nutrients, forcing energy transfers, triggering erosion, and driving biodiversity patterns. Given the drastic impact of land use and climate change on any of these components and the vulnerability of Ecuadorian ecosystems with regard to this global change, indicators are required that not merely describe the structural condition of ecosystems, but rather capture the functional relations and processes. This project aims at investigating a set of such functional indicators from the fields of hydrology and biogeochemistry. In particular we will investigate (1) flow regime and timing, (2) nutrient cycling and flux rates, and (3) sediment fluxes as likely indicators. For assessing flow regime and timing we will concentrate on studying stable water isotopes to estimate mean transit time distributions that are likely to be impacted by changes in rainfall patterns and land use. Hysteresis loops of nitrate concentrations and calculated flux rates will be used as functional indicators for nutrient fluxes, most likely to be altered by changes in temperature as well as by land use and management. Finally, sediment fluxes will be measured to indicate surface runoff contribution to total discharge, mainly influenced by intensity of rainfall as well as land use. Monitoring of (1) will be based on intensive sampling campaigns of stable water isotopes in stream water and precipitation, while for (2) and (3) we plan to install automatic, high temporal-resolution field analytical instruments. Based on the data obtained by this intensive, bust cost effective monitoring, we will develop the functional indicators. This also provides a solid database for process-based model development. Models that are able to simulate these indicators are needed to enable projections into the future and to investigate the resilience of Ecuadorian landscape to global change. For the intended model set up we will couple the Catchment Modeling Framework, the biogeochemical LandscapeDNDC model and semi-empirical models for aquatic diversity. Global change scenarios will then be analyzed to capture the likely reaction of functional indicators. Finally, we will contribute to the written guidelines for developing a comprehensive monitoring program for biodiversity and ecosystem functions. Right from the beginning we will cooperate with four SENESCYT companion projects and three local non-university partners to ensure that the developed monitoring program will be appreciated by locals and stakeholders. Monitoring and modelling will focus on all three research areas in the Páramo (Cajas National Park), the dry forest (Reserva Laipuna) and the tropical montane cloud forest (Reserva Biologica San Francisco).

Horizontale Variabilität von arktischem Meereis, Dynamik der Atmosphäre, Aerosol, Spurengasen und Strahlung auf der km-Skala zur Untersuchung der Interaktionsprozesse der Erdsystem-Kompartimente während der Schmelzsaison (HELiPOD4ArtofMelt)

Das Projekt HELiPOD4ArtofMelt hat als übergeordnete Ziele, zum Verständnis des Einflusses von Warmluft-Einbrüchen auf die arktische Atmosphäre beizutragen, und Prozesse und Wechselwirkungsmechanismen zu verstehen, die zum räumlich inhomogenen Einsetzen des Schmelzprozesses von arktischem Meereis führen. Die Methode besteht in der Analyse von fluggestützten Messdaten, die während der Expedition Art of Melt des schwedischen Eisbrechers Oden im atlantischen Einflussbereich des Arktischen Ozeans im Mai/Juni 2023 erhoben werden. Dafür kommt die Hubschrauber-Schleppsonde HELiPOD zum Einsatz mit einer Vielzahl an Sensoren, um die räumliche Verteilung der Eigenschaften von Meereis, atmosphärischer Dynamik, Aerosol, Spurengasen und Strahlungsbudget in einem Radius von 100 km um die Oden zu charakterisieren. Zusätzlich werden weitere komplementäre Sensoren der internationalen Teilnehmer der Oden-Expedition in HELiPOD integriert, z.B. Messungen der Isotopenverteilung von Wasserdampf, um Evaporationsprozesse zu untersuchen, Bestimmung der Eiskeime, um ein Bindeglied zu Wolkeneigenschaften herzustellen, Sensoren für die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid und Ruß, sowie Filtermessungen für zusätzliche mikroskopische Analysen im Labor. Es sind lange Flugabschnitte in niedrigen Höhen (ca. 15-20 m) geplant, um die Austauschprozesse zwischen Ozean, Meereis und Atmosphäre zu untersuchen, sowie Vertikalprofile zur Messung der atmosphärischen Stabilität und der vertikalen Verteilung und Variabilität der Parameter. Der Datensatz an gleichzeitig erhobenen Messgrößen ermöglicht es, Zusammenhänge und Wechselwirkungen zu quantifizieren. So kann z.B. eine Fläche mit einem größeren Anteil an Schmelztümpeln direkt in Zusammenhang gebracht werden mit Veränderungen bei fühlbaren und latenten Wärmeflüssen, Veränderungen bei der Größenverteilung und Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln und Veränderungen der Energiebilanz auf kleinen räumlichen Skalen. Nach der finalen Aufbereitung des großen Datensatzes wird die räumliche Variabilität der verschiedenen Parameter untersucht, um ein dreidimensionales Bild auf einer Skala von unter 1 km bis 100 km zu erhalten. Bei den Analysen mit den internationalen Partnern steht die Charakterisierung von sogenannten „Atmosphärischen Flüssen“ im Vordergrund, also von Zirkulationsmustern, die warme und feuchte Luftmassen in den arktischen Polarwirbel transportieren. Die damit assoziierten Eigenschaften und Veränderungen der Grenzschicht, wie z.B. die Veränderung der Temperaturprofile und Wärmeflüsse, werden untersucht, die letztendlich zum Abschmelzen des Meereises beitragen. Außerdem werden die Prozesse und Wechselwirkungen untersucht, die zum räumlich und zeitlich inhomogenen Einsetzen des Schmelzens von Meereis führen, basierend auf den fluggestützten Messungen, den kontinuierlichen Messungen auf der Oden, und unter Berücksichtigung des Netzwerks an Observatorien in der Arktis, wie in Spitzbergen, Grönland und Nordskandinavien.

Skalenübergreifende Analyse von Dürreeffekten auf ökohydrologische Prozessdynamiken im Grünland durch stabile Isotopenanalyse

Hydrologische Extremereignisse wie von Klimawandelprognosen vorhergesagte Dürreperioden beeinflussen ökologische Prozesse, Struktur und Resistenz terrestrischer Pflanzengemeinschaften. Davon sind insbesondere flachwurzelnde Gemeinschaften wie Grünland betroffen. Die Interaktionen zwischen strukturellen Änderungen dieser Pflanzengemeinschaften und zugrundeliegenden mechanistischen ökohydrologischen Reaktionen hinsichtlich Wassernutzung oder Kohlenstoffaufnahme auf solche Dürreereignisse sind jedoch lückenhaft und schwer quantifizierbar. Eine Vielzahl von stark dynamischen Prozessen spielt hierbei eine Rolle, welche sich auf den verschiedenen Ebenen, von der Einzelpflanze bis zu ganzen Pflanzengemeinschaften, auswirken. Die Pflanzentranspiration, beispielsweise, wird durch Bodenwasserverfügbarkeit und der stomatären Regulation des Transpirationsverlustes kontrolliert; dabei sind beide Prozesse, die Nutzung verschiedener Bodenwasserquellen und die stomatäre Empfindlichkeit gegenüber Dürre, stark Art abhängig. Stabile H2O und CO2 Isotope sind dabei aufschlussreiche Indikatoren für die Prozesse des Boden-Vegetation-Atmosphäre-Kontinuums, insbesondere durch neuartige technische Entwicklungen, welche nahezu kontinuierliche Beobachtungen ermöglichen. Das Ziel dieses Projektes ist die ganzheitliche mechanistische Analyse ökohydrologischer Reaktionen auf ausgedehnte Dürreperioden anhand H2O und CO2 Fluss- und Isotopenmessungen. Dabei wird eine Verknüpfung dieser Prozesse mit Reaktionen der Artengemeinschaften hinsichtlich Struktur und Biomasseproduktion angestrebt. In drei zusammengreifenden Arbeitspaketen (AP) werden diese Aspekte skalenübergreifend von der Einzelpflanzen- bis zur Bestandes-Ebene untersucht. Der Fokus von AP1 liegt dabei auf plastischen Reaktionen der Einzelpflanze hinsichtlich Wurzelwasseraufnahme (WWA) sowie Verschiebungen des Pflanzen-Pflanzen-Interaktionsgleichgewichts unter Laborbedingungen. In AP2 werden die Rückkopplungen struktureller Veränderungen auf Gemeinschaftsebene und WWA Profilen und Nettoökosystemflüssen von H2O und CO2 (aufgeteilt in Transpiration und Bodenverdunstung und Kohlenstoffaufnahme und Atmung) untersucht. Dies erfolgt innerhalb eines 2-jährigen Niederschlagsmanipulations-experimentes im Freiland. AP3 fokussiert sich auf die Integration der in AP1 und 2 gewonnenen Informationen mittels Modellierung. Die in AP1 gewonnenen Informationen werden zur Validierung des dreidimensionalen Boden-Wurzel-Models (R-SWMS) genutzt, welches neue Module für Wurzelwachstum, WWA, und Transpiration für das Boden-Vegetations-Atmosphären-Transfer Model SiSPAT-Isotope generieren wird. Simulationen mit SiSPAT-Isotope basierend auf den in AP2 gewonnenen Daten dienen zur quantitativen Abschätzung der hydrologischen Antwort auf Dürreperioden, welches bei der Entwicklung von Nachhaltigkeitsvorhersagen für die Einflüsse des Klimawandels auf Grünlandgemeinschaften helfen wird.

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