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Mathematische Modellierung der biogeochemischen Prozesse im Wattenmeersediment

In diesem Vorhaben soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die wichtigsten interagierenden Prozesse nachbildet. Dabei handelt es sich um die konkurrierenden Prozesse der Detritusdegradierung in den verschiedenen Schichten des Sedimentes mit unterschiedlichen Oxidationspotentialen, um die abiotischen und mikrobiologisch ablaufenden Redoxprozesse, um die physikalischen und biologisch induzierten Transportprozesse und um das microbial foodweb . Die Kreisläufe der Elemente C, 0, N, P, Si, S, Fe und Mn sollen mit ihren Massenbilanzen dargestellt werden. Das Modell besteht aus einer Reihe von partiellen Differentialgleichungen (Diffusions-Reaktionsgleichungen) für die Konzentrationen der beteiligten Stoffkomponenten. Dabei werden wir uns auf die vertikale Dimension (bis 30 cm) beschränken. Als Antrieb werden Annahmen über die zeitlich veränderlichen Oberflächenrandbedingungen (Konzentrationen im überstehenden Wasser, Eintrag durch Sedimentation usw.) benutzt. Die Arbeit synthetisiert frühere und gegenwärtig laufende Forschungsaktivitäten zu einem Gesamtbild. Es ist zu erwarten, dass dabei durchaus erhebliche Fortschritte im Verständnis auch der Einzelprozess erreicht werden, weil der Zwang zur konzeptionellen Klarheit in einem mathematischen Modell Wissenslücken und Konsistenzprobleme aufdeckt. Ein wesentliches Nebenprodukt wird die Erarbeitung einer Modellversion herausragend gut verständlicher graphischer Darstellung der Ergebnisse und einfachster Bedienung sein.

CO2-Haushalt der Atmosphaere

Die Groesse der Quellen und Senken fuer atmosphaerisches CO2 sind bislang noch unzureichend bekannt, um zukuenftige CO2-Gehalte der Atmosphaere vorhersagen zu koennen. Neben direkten Messungen des derzeitigen CO2-Anstiegs erlauben Isotopenuntersuchungen wichtige Rueckschluesse der CO2-Fluesse zwischen den einzelnen Reservoiren (Atmosphaere, Biosphaere, Hydrosphaere); Vorgaenge in der Vergangenheit lassen sich einzig und allein nur durch Isotopenuntersuchungen von fixiertem atmosphaerischen CO2 erkennen. Die Untersuchungen im Institut fuer Chemie befassen sich mit der Ermittlung des CO2-Inputs in die Atmosphaere aufgrund von C-13-Messungen an datierten Holzproben, um biosphaerische CO2-Senken oder Quellen der Vergangenheit erkennen zu koennen. Bisher vorliegende Messungen an Baeumen der noerdlichen Hemisphaere und des industriellen Zeitraumes sind statistisch genuegend abgesichert. Die Messungen sollen an Baeumen der suedlichen Hemisphaere und des vorindustriellen Zeitraumes weitergefuehrt werden. Daneben werden C-13 Messungen an derzeitigen atmosphaerischen CO2 Proben durchgefuehrt. Zur Modellauswertung der Ergebnisse sind ferner Isotopenuntersuchungen zum CO2-Austausch zwischen Atmosphaere und Meer erforderlich.

Nachweis von fossilem Kohlenstoff in der marinen Biosphaere

Kohlenstoff aus Erdoel und Erdoelderivaten unterscheidet sich in seiner Isotopenzusammensetzung von natuerlichen Kohlenstoffverbindungen im Meer und muesste, auch wenn er biologisch aufgearbeitet worden ist, bei hinreichender Konzentration nachweisbar sein. Messungen an jetzt geborgenen Proben sollen Bezugswerte liefern fuer Vergleiche in einigen Jahren, wenn die Erdoelfoerderung moeglicherweise zu staerkeren Verschmutzungen gefuehrt hat. An Proben, die vor den Raffinerien von Southampton entnommen wurden, deutet sich eine derartige Verschmutzung evtl. bereits an.

Weg des Kohlenstoffs und Regulation des Saeurestoffwechsels bei Sukkulenten (Crassulaceen-Saeurestoffwechsel)

Sukkulenten, die ueber den Crassulaceen-Saeurestoffwechsel (CAM) verfuegen, vermoegen in der Nacht CO2 aus der Atmosphaere zu binden und dieses in Form von Aepfelsaeure zu speichern. Am folgenden Tag wird die Aepfelsaeure decarboxyliert und das dabei entstehende CO2 ueber den Calvin-Zyklus der Photosynthese zugefuehrt. Diese Form des Kohlenstoffgewinns ermoeglicht einen besonders sparsamen Wasserhaushalt. Es handelt sich also um eine oekologische Anpassung an wasserarme Standorte. In dem vom hier vorliegenden Bericht abgedeckten Zeitraum wurden besonders folgende Teilaspekte des CAM erforscht: 1. Charakterisierung der PEP-Carboxylase, des Schluesselenzyms des CAM und Untersuchung seiner Regulierbarkeit in vivo und in vitro. 2. Vergleich verschiedener Sukkulententypen und verschiedener Organe bzw. Gewebe einer Pflanze hinsichtlich ihrer Faehigkeit CAM durchzufuehren oder nicht. Erkenntnisziel: Erforschung der Voraussetzungen fuer das Zustandekommen des CAM bei Pflanzen. 3. Untersuchung des Weges des Kohlenstoffs im CAM. Besonders untersucht wurde das Problem, ob in den Plastoglobuli der Chloroplasten gespeicherte Lipide im CAM umgesetzt werden.

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.

Trennung der Komponenten des CO2 Gaswechsels von Pflanzenbeständen im Licht

Photosynthese und Respiration - die zwei dominierenden Komponenten des C-Haushaltes von Pflanzen und Ökosystemen - lassen sich mit konventionellen Methoden der Gaswechselmessung nicht mit befriedigender Präzision trennen. Dieser Sachverhalt begründet Defizite im Verständnis des C- und Energiehaushaltes von Kulturpflanzen und Ökosystemen. Im vorliegenden Vorhaben sollen neuartige CO2 Gaswechselmesstechniken in Kombination mit der kontinuierlichen Messung der C- und O-isotopischen Signaturen (d13C und d18O) des CO2 eingesetzt werden, um Photosynthese und Respiration eines Pflanzenbestandes im Licht zu quantifizieren und zu trennen. Grundlage hierfür ist die Bestimmung der natürlich entstehenden Unterschiede in der C- und O-isotopischen Signatur von photosynthetischen und respiratorischen CO2-Flüssen. Diese Ergebnisse werden mit Schätzwerten aus Untersuchungen mit anderen Methoden verglichen. In den Experimenten sollen Photosynthese, Respiration, Wachstum und Assimilateverteilung der Bestände durch differenzielle N-Ernährung manipuliert und deren Auswirkung auf die 13C- und 18O-Signaturen des respirierten und fixierten CO2 charakterisiert werden. Mit den gewonnenen Daten lässt sich erstmalig die Übertragbarkeit der bislang nur auf der Skala von Blättern verifizierten Modelle zur C- und O-Isotopendiskriminierung auf die Skala von Pflanzenbeständen und Ökosystemen überprüfen.

Vertikaler turbulenter Aerosolpartikeltransport über offenem Wasser und Eis in der zentralen Arktis während des Sommers - Aerosolpartikelquellen und -umwandlung in der arktischen marinen Grenzschicht

In der Arktis ist aktuell die stärkste Temperaturerhöhung im Zuge des Klimawandels zu beobachten. Diese Tatsache beruht auf einer komplexen Kette von Prozessen und Rückkopplungen, in denen Aerosolpartikel durch ihren Einfluss auf Strahlungsbilanz und Wolkenbildung eine wesentliche Rolle spielen. Um die Auswirkungen der sich ändernden Eisbedeckung abschätzen zu können, müssen die Wechselwirkungen zwischen Ozean sowie Eis und der Atmosphäre besser verstanden werden. Grundsätzlich mangelt es besonders im Bereich des arktischen Ozeans an atmosphärischen Messungen, die zum Verständnis der Prozesse aber auch zur Vorhersage der zu erwartenden Änderungen dringend benötigt werden. Austauschprozesse zwischen Ozean/Eis und Atmosphäre sind in diesen Regionen ebenfalls wenig untersucht. Im Rahmen dieses Projektes sollen mithilfe der RV Polarstern vertikale Austauschprozesse oberhalb von Wasser und Eis im Detail betrachtet werden und damit verbundene Quellen für Aerosolpartikel lokalisiert werden. Dazu ist eine Reihe von kontinuierlichen Aerosolmessungen an Bord des Schiffes geplant, die die Anzahlgrößenverteilungen, optische Parameter (Streuung, Absorption), das Mischungsverhältnis von Partikeln, die schwarzen Kohlenstoff (BC) enthalten, die Konzentration von eisbildenden Partikeln (INP) sowie die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel umfassen. Weiterhin werden in den im Sommer häufig auftretenden Nebelphasen Nebelwasserproben gesammelt, sowie während der gesamten Kampagne täglich Wasserproben aus dem Ozean entnommen. Diese Proben werden nach der Kampagne auf die Konzentration von INP und BC untersucht. Weiterhin sollen erstmals mit Laser-Inkandeszenz Methoden die BC-Konzentrationen sowohl im luftgetragenen Aerosol als auch in Wasserproben gemessen werden. Zur Vorbereitung der Wasserproben mit hoher Salinität werden neuartige Methoden angewandt. Durch diese Kombination der parallelen Untersuchung von Bestandteilen in Luft und Wasser sollen Transport- und Austauschprozesse dieser Aerosolpartikel quantifiziert werden. Während langsamer Fahrt des Schiffes oder Drift mit dem Eis wird Messtechnik zur Bestimmung von vertikalen Partikelflüssen am vorderen Ausleger des Schiffes eingesetzt. Damit werden Zeitreihen des Windvektors und der Partikelkonzentration erfasst, mit deren Hilfe im Anschluss der vertikale, turbulente Partikelfluss über unterschiedlichen Oberflächen durch die Eddy Kovarianz Methode bestimmt werden soll. Kombiniert mit diesen Messungen wird die Konzentration der INP erfasst, um deren Ursprung und Quellen lokalisieren zu können. Ein weiteres Messsystem, das aus einer eindimensionalen Windmessung und einem Partikelzähler besteht, wird am Kranhaken des vorderen Auslegers befestigt und bestimmt Vertikalprofile der Partikelkonzentration, aus denen ebenfalls eine Abschätzung des Vertikalflusses von Partikeln möglich ist. Diese Methoden sind erprobt und etabliert, wurden nur bisher noch nie in dieser Form über dem arktischen Ozean angewendet.

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.

Anthropogene Einfluesse auf das atmosphaerische CO2

Die Ueberhoehung des natuerlichen atmosphaerischen CO2-Pegels durch Zufuhr fossilen Verbrennungs-CO2 laesst sich mit Hilfe der unterschiedlichen isotopischen Markierung (vor allem bezueglich des Kohlenstoff-13) erfassen. Bei einer Mittelwertbildung ueber eine Woche sind absolute Konzentrationsangaben von besser plus/minus 1 ppm moeglich; die jahreszeitlichen Schwankungen der Reinluftkonzentration werden dabei beruecksichtigt. Das Verfahren soll ausgeweitet werden a) auf parallel durchgefuehrte SO2-Messungen und b) auf die Untersuchung des Kohlenstoff-14 Pegels in unmittelbarer Umgebung von Kernkraftwerken. Methode: Chemische Absorption des Luft-CO2 mit anschliessender massenspektrometrischer Untersuchung, bzw. Aktivitaetsmessung.

Satellitenbild-Auswertung fuer klimabeeinflussende Aenderungen aus der Vegetationsdecke durch menschliche Aktivitaeten

Phytomasse, Bestandabfall und Bodenkohlenstoff terrestrischer Oekosysteme sind wichtige Poolgroessen fuer den Kohlendioxid-Haushalt der Atmosphaere. Ihre Aenderung, insbesondere in Folge von Waldflaechen-Aenderungen, muessen fuer Klima-Modelle genauer bekannt sein, als dies, wie sich gezeigt hat, nach statistischen Daten moeglich ist. Fuer die grossen Waldgebiete der Erde sollen objektive Daten durch Vergleich jeweils eines flaechendeckenden Satzes (ca. 3000) von ERTS-Landsat-Bildern von Anfang der 70er Jahre gegenueber Anfang der 80er Jahre erarbeitet werden. Die erforderliche Erfahrung und Methodik wurden in frueheren Projekten erfolgreich entwickelt und zur Herstellung von Vegetationskarten benutzt. Die Daten ueber Rodungen, Aufforstungen, Shifting Cultivation sowie deren zeitliche Aenderungen fliessen in unser Kohlenstoff-Bilanz-Modell der Biosphaere ein. Sie stehen ueber unser Biosphaere-Informations-System anderen Arbeitsgruppen zur Verfuegung.

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