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Bulk and position-specific isotopic composition of N2O (total and in situ) and nitrate from the EDC, EDML, Vostok, TALDICE, Taylor Glacier, and NGRIP ice cores

The mixing ratio and bulk isotopic composition of nitrous oxide (N2O) was measured after wet extraction and purification of the air enclosed in 150 g ice core samples from EDC, EDML, Vostok, TALDICE, and NGRIP, following the analysis procedure described in Schmitt et al. (2014). The position-specific isotopic composition of N2O was measured after dry extraction and purification of the air enclosed in 600 g ice core samples from Vostok and Taylor Glacier, following the analysis procedure described in Menking et al. (2025). The mixing ratio and isotopic composition of in situ N2O – i.e., the fraction of N2O produced in the ice – was calculated using a mass balance approach (Soussaintjean et al., preprint). After gas extraction, the sample meltwater and ice chips were collected to measure the isotopic composition of nitrate (NO3-) following the bacterial denitrification method described in Erbland et al. (2013). Each sample was associated with its ice age and gas age based on the AICC2023 chronology (Bouchet et al., 2023) for EDC, EDML, Vostok, TALDICE, and NGRIP and Baggenstos et al. (2017, 2018) for Talyor Glacier. The samples cover the periods 11 – 26 ka, 41 – 75 ka, and 136 – 143 ka. Taylor Glacier is a horizontal core, meaning the age of the ice varies with distance along a transect close to the surface where the horizontal stratigraphy is preserved (Baggenstos et al., 2017).

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Über Kohlenstoff-Entnahme aus der Atmosphäre bis hin zum Erreichen des Ziels des Pariser Klimakommens: Temperature Stabilisation

Die anthropogenen Kohlendioxidemissionen (CO2) sind für den größten Teil der jüngsten globalen Oberflächenerwärmung der Erde um etwa 1°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau verantwortlich. Das Land und die Ozeane nehmen derzeit etwa die Hälfte unserer Emissionen durch komplexe Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs auf. Der Klimaantrieb durch anthropogene CO2-Emissionen hört erst auf, wenn ein Gleichgewicht zwischen CO2-Quellen und -Senken erreicht ist. Da es nicht realisierbar ist, alle CO2-Emissionen bis Mitte des 21. Jahrhunderts zu eliminieren, bestehen alle plausiblen zukünftigen Emissionsszenarien, die auf eine mit dem Pariser Abkommen übereinstimmende Temperaturstabilisierung anstreben, aus einem Portfolio menschlicher Aktivitäten, die Emissionssenkungen mit Maßnahmen zur so genannten Kohlendioxidentnahme (CDR) kombinieren, die die verbleibenden positiven Emissionen kompensieren sollen.Allerdings werden CDR-Maßnahmen wie die meisten anderen menschlichen Aktivitäten durch Emissionen von andere Treibhausgase als CO2 (z.B. Methan oder Distickstoffoxid), Aerosolen oder durch Landnutzungsänderungen zusätzliche Klimaveränderungen verursachen. Gegenwärtig machen diese weiteren Treibhausgase mehr als 40% der globalen Oberflächenerwärmung aus, während Aerosole einen Teil der Erwärmung ausgleichen. Darüber hinaus beeinflussen diese zusätzlichen Klimaeinflüsse den Kohlenstoffkreislauf, der wiederum Einfluss auf die atmosphärische CO2-Konzentration und damit auf die Oberflächentemperatur nimmt (Abb. 1). Diese Wechselwirkung beeinflusst die Menge der CO2-Entnahme, die durch CDR-Maßnahmen erforderlich ist, um eine Temperaturstabilisierung zu erreichen.Es ist daher wichtig, die vollständige Reaktion des Klimas auf spezifische menschliche Aktivitäten, einschließlich CDR-Maßnahmen, zu erfassen, um gut informiert Maßnahmen zur Temperaturstabilisierung ein zu leiten. Insbesondere die Untersuchung der Reaktion des Erdsystems auf realistische Portfolios künftiger anthropogener Aktivitäten erfordert die Einbeziehung aller damit verbundenen Klimafaktoren - CO2, andere Treibhausgase als CO2, Aerosole und Landnutzungsänderungen - um bestmögliche Einschätzungen der möglichen Wege zur Temperaturstabilisierung zu erhalten.

Verbesserte Nachhaltigkeit u Energieeffizienz d Salpeterproduktion durch Optimierung d Materialeigenschaften d Katalysators, Reaktors u v Prozessbedingungen - Sustainable Nitrates Production, Teilvorhaben: Neue Katalysatortechnologie für die Ammoniak-Verbrennung u optimierten Bedingungen

Hochinnovative Abgasnachbehandlungskonzepte für dynamisch betriebene Wasserstoffverbrennungsmotoren bis an die Nachweisgrenze, Teilprojekt A

Begleitung und Erforschung von Renaturierungsmaßnahmen von Moorgebieten durch Treibhausgas-Lasersensorik und Modellierung, Teilvorhaben: Einsatz von LTA-UAVs zur Überwachung, Quantifizierung und Optimierung von Renaturierungsmaßnahmen in Moorgebieten

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Der innere Aufbau von Humusauflagen und seine Bedeutung für die Konnektivität

Waldböden zeichnen sich u.a. durch ihre organische Auflage mit scharfen vertikalen Gradienten der Materialzusammensetzung und Morphologie aus. Der Aufbau der Humusauflage mit Übergang zum Mineralboden wird in der Boden- und Standortkartierung als Humusform klassifiziert. Die Humusform Moder im Buchenwald z.B. zeigt unter geschichteten Blattfragmenten unterschiedlichen Zersetzungsgrades eine Lage feinkrümeliger, stark humifizierte Reste der Aktivität der Bodenfauna über dem Mineralboden. Der innere Aufbau kontrolliert die Durchlässigkeit für Gase, Wasser und Nährstoffe zwischen der Atmosphäre und dem Mineralboden. Die Konnektivität der Humusauflage hat somit entscheidenden Einfluss auf die Stoffflüsse in Waldökosystemen aber die Datenverfügbarkeit dazu ist gering und Transferfunktionen kaum vorhanden. Auf den 12 Versuchsstandorten der Forschungsgruppe wollen wir mit einer innovativen mikrotopografisch-fotogrammetrischen Methode eine Brücke zwischen der Bestimmung der Humusform im Gelände und bodenphysikalischen Laboranalysen schlagen. Mit den hochaufgelösten digitalen Oberflächenmodellen können wir Dicke, zum Volumen und zur inneren Struktur der Lagen der Humusauflage präzise berechnen. Wir werden zwei Typen der mikrotopografischen Plots einrichten. Erstens, permanente 50*50 cm Plots zur wiederholten Oberflächenanalyse über 3 Jahre. Hier erhalten wir Daten zur saisonalen Volumen- und Oberflächendynamik. Zweitens 20*20 cm Plots, bei denen Oberflächenmodelle aller Lagen der Humusauflage durch sukzessives absammeln ermittelt werden. Durch Differenzbildung erhalten wir auch die genauen Volumina des Probematerials. Mit natürlich gelagerten Proben werden Wasserhaushaltsparameter, Ionen- und Gasdiffusivität im Labor gemessen. Außerdem werden Tiefenprofile der Konzentrationen von CO2, N2O, und CH4 bestimmt. Durch die Einbringung von Glasplatten mit Eisenoxidbeschichtung über einige Wochen werden vertikale Muster der reduktiven Mobilisierung erfasst. Beide Methoden erlauben eine ökologische Interpretation von bodenphysikalischen Eigenschaften im Hinblick auf Wasser- und Gashaushalt wie z.B. die Freisetzung von gelöstem organischem Kohlenstoff oder der Treibhausgasaustausch. Auf der Basis des Standes des Wissens und in enger Zusammenarbeit mit den Partnern der Forschungsgruppe wollen wir folgende Hypothesen testen: (1) Scharfe Übergänge zwischen den Lagen sowie grob strukturierte Element erzeugen kapillare Barrieren (2) In der Folge verringerter kapillarer Durchlässigkeiten enstehen starke saisonale Kontraste im Hinblick auf Wassersättigung und Belüftung (3) Der innere Aufbau der Humusauflage variiert saisonal mit entsprechenden Folgen für die Konnektivität. Diese Dynamik kann mit mikrotopografischen Methoden erfasst werden. (4) Humusauflagen geringer Konnektivität zeichnen sich durch kleinräumiges Auftreten von reduktiver Eisenmobilisierung aus, was zu Mobilisierung von gelöstem organischem Kohlenstoff und erhöhten N2O und CH4 Konzentrationen führt.

Mikrokalorimetrische Modelluntersuchungen zum Einfluss der Aggregierung auf die Steuerung mikrobieller Stoffwechselprozesse in Böden bei unterschiedlichen O2-Partialdrücken

Der Wechsel zwischen aerober und anaerober Stoffwechselprozesse in Böden findet überwiegend in Mikrohabitaten statt. Bodenaggregate stellen solche Mikrohabitate dar, in denen Sauerstoffverfügbarkeit durch Diffusionsbarrieren (wassergefülltes Porenvolumen) und die Sauerstoffzehrung durch mikrobielle Aktivität (Substrat) bestimmt wird. Ziel des Vorhabens ist es, auf mikroskaliger Ebene kritische Werte der Sauerstoffverfügbarkeit zu ermitteln, unter denen vorwiegend anaerobe Stoffwechselprozesse stattfinden. Dazu wird ein Durchflussmikrokalorimeter genutzt, in dem die unmittelbare Reaktion der mikrobiellen Aktivität auf stufenlos veränderbare Sauerstoffpartialdrücke bei einer gleichzeitigen Analyse von isotopenmarkierten Gasverbindungen (CO2, N2O, CH4) bestimmt werden kann. In Parallelansätzen in Mikrokosmen werden weitere wichtige Kenngrößen anaerober Stoffwechselprozesse wie organische Säuren und reduzierte Eisen- und Manganverbindungen ermittelt. Die Ergebnisse aus diesem Vorhaben sollen dazu beitragen, Prognosen über ablaufende Stoffwechselprozesse im Grenzbereich aerober und anaerober Zustände in Bodenaggregaten und bei natürlich oder anthropogen verursachten Veränderungen von Umweltbedingungen zu erstellen.

Verbesserte Nachhaltigkeit u Energieeffizienz d Salpeterproduktion durch Optimierung d Materialeigenschaften d Katalysators, Reaktors u v Prozessbedingungen - Sustainable Nitrates Production, Teilvorhaben: Effiziente Analyse und Optimierung von Reaktoren und Prozessen

The effect of elevated atmospheric CO2 concentration on gross nitrogen dynamics, plant N-uptake and microbial community dynamics in a permanent grassland

To predict ecosystem reactions to elevated atmospheric CO2 (eCO2) it is essential to understandthe interactions between plant carbon input, microbial community composition and activity and associated nutrient dynamics. Long-term observations (greater than 13 years) within the Giessen Free Air Carbon dioxide Enrichment (Giessen FACE) study on permanent grassland showed next to an enhanced biomass production an unexpected strong positive feedback effect on ecosystem respiration and nitrous oxide (N2O) production. The overall goal of this study is to understand the long-term effects of eCO2 and carbon input on microbial community composition and activity as well as the associated nitrogen dynamics, N2O production and plant N uptake in the Giessen FACE study on permanent grassland. A combination of 13CO2 pulse labelling with 15N tracing of 15NH4+ and 15NO3- will be carried out in situ. Different fractions of soil organic matter (recalcitrant, labile SOM) and the various mineral N pools in the soil (NH4+, NO3-, NO2-), gross N transformation rates, pool size dependent N2O and N2 emissions as well as N species dependent plant N uptake rates and the origin of the CO2 respiration will be quantified. Microbial analyses will include exploring changes in the composition of microbial communities involved in the turnover of NH4+, NO3-, N2O and N2, i.e. ammonia oxidizing, denitrifying, and microbial communities involved in dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA). Stable Isotope Probing (SIP) and mRNA based analyses will be employed to comparably evaluate the long-term effects of eCO2 on the structure and abundance of these communities, while transcripts of these genes will be used to target the fractions of the communities which actively contribute to N transformations.

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