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s/nice/ice/gi

Greenhouse Gas Emission of Different Crop Rotations of Rice (flooded and non-flooded) and Maize

This subproject will assess net-fluxes of CH4 and N2O as well as soil CO2 emissions from flooded and non-flooded rice as well as maize grown in different rotations and under different management practices. SP5 will encompass two research tasks, (i) automated chamber measurements and (ii) soil gas concentration measurements of different crop rotations. In total 36 automated chambers will be placed in two large field blocks (18 chambers each) divided into fields representing three crop-rotations: R-WET (rice flooded - rice flooded), R-MIX (rice flooded - rice non-flooded), M-MIX (maize - rice flooded) experiencing three differ-ent crop management practices: a control with no fertilizer application (zero-N), site specific nutrient management (site-spec) and conventional fertilizer application (conv). In the fields of conventional fertilization SP5 will also conduct soil concentration measurements of CO2, N2O and CH4 for identification of the main production and/ or consumption horizons which may differ between the three crop rotation systems which will allow identification of the dominating processes responsible for GHG exchange with the atmosphere. Emissions of different greenhouse gases together with data on biomass production/ yields (conducted by IRRI) will be aggregated to compile the total GHG exchange of different crop rotations and management practices. Thus, the data obtained in SP5 will create a sound basis for projecting the environmental consequences of different land use options in rice-based systems with respect to the net GHG exchange. Moreover, data obtained in SP5 will be linked in particular with results from C and N process studies of SP1-SP4 and will form a sound base for further development, testing and valida-tion of the process based model applied in SP6/ 7.

Kohlenstoffumwandlungen im Tropischen und silikat-dominierten Deduru Oya Wassereinzugsgebiet in Sri Lanka

Kohlenstofftransport und dessen Umwandlungen in Flüssen sind wichtige Indikatoren für Landnutzung, Verwitterung und Klimaeffekte. Solche Kohlenstoffsystematiken zeigen auch die ökologische Gesundheit von Flüssen und ihren Einzugsgebieten in integraler Art an. In diesem Zusammenhang sind starke CO2 Ausgasungen von Flüssen eine globale Unsicherheit, die bislang hauptsächlich für große Flusssysteme abgeschätzt wurden. Kleinere Flüsse wurden jedoch mit dieser Fragestellung bislang kaum untersucht. Insbesondere treffen solche Untersuchungslücken für kleinere Flusseinzugsgebiete zu, die direkt in den Ozean entwässern. Wir schlagen eine neue Studie zu Kohlenstoffumwandlungen im tropischen Deduro Oya Einzugsgebiet in Sri Lanka vor. Diese Studie würde auch neue Erkenntnisse in die Funktionsweise eines tropischen und Silikat-dominierten Einzugsgebietes in Bezug auf Kohlenstoffumwandlungen liefern. Darüber hinaus, soll die Arbeit Einflüsse typischer regionaler Landwirtschaftspraktiken, wie Reisanbau, untersuchen. Dieser hat wahrscheinlich starke Einflüsse auf Umwandlungen von Kohlenstoff in Flüssen. Untersuchungen anderer Faktoren, wie Einflüsse von Stauseen und vielzähliger kleiner Wasserspeicher entlang des Flusses sowie Einträge von Abwässern dieses vom Monsun beeinflussten Systems sind auch vorgesehen. Geplante geochemische Methoden umfassen Konzentrationsanalysen von gelösten und partikulären Kohlenstoffphasen (DOC, DIC und POC) zusammen mit ihren stabilen Kohlenstoffverhältnissen an Fluss- und Grundwasserproben. Diese sollen mit Geländeparametern, stabilen Isotopen des Wassers und Haupt- sowie Spurenelementuntersuchungen kombiniert werden. Zu erwartende Daten ermöglichen auch die Modellierung von CO2 Ausgasungen aus der Wasserphase. Ähnliche Ansätze haben an anderen Gewässeruntersuchungen dazu beigetragen, Einflüsse von natürlichen und anthropogenen Kohlenstoffbilanzen mit wichtigen Faktoren wie Photosynthese und Respiration zu differenzieren. Übertragen auf das Deduru Oya Einzugsgebiet können diese Techniken dazu beitragen, ein bislang kaum bekanntes Endglied von Flussfunktionsweisen im Zusammenhang mit terrestrischen Kohlenstoffzyklen zu definieren.

Immobilisation of arsenic in paddy soil by iron(II)-oxidizing bacteria

Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.

Molecular determinants of host specificity of maize-, rice- and mango-pathogenic species of the genus Fusarium

Fusarium species of the Gibberella fujikuroi species complex cause serious diseases on different crops such as rice, wheat and maize. An important group of plant pathogens is the Gibberella fujikuroi species complex (GFC) of closely related Fusarium species which are associated with specific hosts; F. verticillioides and F. proliferatum are particularly associated with maize where they can cause serious ear-, root-, and stalk rot diseases. Two other closely related species of the GFC, F. mangiferae and F. fujikuroi, which share about 90Prozent sequence identity with F. verticillioides, are pathogens on mango and rice, respectively. All of these species produce a broad spectrum of secondary metabolites such as phytohormones (gibberellins, auxins, and cytokinins), and harmful mycotoxins, such as fumonisin, fusarin C, or fusaric acid in large quantities. However, the spectrum of those mycotoxins might differ between closely related species suggesting that secondary metabolites might be determinants for host specificity. In this project, we will study the potential impact of secondary metabolites (i.e. phytohormones and certain mycotoxins) and some other species-specific factors (e.g. species-specific transcription factors) on host specificity. The recently sequenced genomes of F. mangiferae and F. fujikuroi by our groups and the planned sequencing of F. proliferatum will help to identify such determinants by genetic manipulation of the appropriate metabolic pathway(s).

Landnutzung und Desertifikation in der Blue Nile Region und im Kordofan (Sudan)

Die Region des Blauen Nil und der Kordofan liegen in der ariden bis semi-ariden Zone südlich der Sahara Nordostafrikas. Unterschiedliche Naturräume werden durch Verfügbarkeit von Wasser, Nutzungsdruck und Desertifikation geprägt. Die Veränderungen der naturräumlich wichtigen Faktoren wie Vegetationsbedeckung und Qualität der Vegetation und der Böden sind vielfältig und mehr oder weniger bedrohlich. Inventuren vor Ort, Analyse von multitemporalen Fernerkundungsdaten und Integration in geographische Informationssysteme schaffen die raumbezogenen Grundlagen für nachhaltige regionale Entwicklung.

Zeitlich hochauflösende Klimarekonstruktion für das Spätquartär mittels Sedimentologie und Isotopengeochemie - vergleichende Untersuchungen in der Arktis und Antarktis

Ziel dieses Projektes ist eine vergleichende, zeitlich hochauflösende Rekonstruktion der Klimaentwicklung im Spätquartär im Bereich der Framstraße (Arktis) und des Riiser-Larsen Meeres (Antarktis). Mit Hilfe von Korngrößenanalysen und Sm-Nd-Isotopendaten, sollen klimagesteuerte Veränderungen in der Geschwindigkeit von Bodenströmungen, sowie der Provenienzen, Transportwege und -mechanismen der Sedimente ermittelt werden. Von großer Bedeutung ist die Unterscheidung zwischen strömungs- und eistransportiertem Sediment. Darauf aufbauend untersuchen wir die Kopplung zwischen thermohalinen Prozessen im Nordatlantik/Europäischen Nordmeer und dem Arktischem Ozean. Im RiiserLarsen Meer soll untersucht werden, ob ein Rinnensystem auf dem Kontinentalhang dem klimagesteuerten Abfluss von auf dem Schelf gebildetem Bodenwasser dient. In diesem Zusammenhang wird auch eine mögliche Verschiebung des Weddellwirbels infolge klimatischer Einflüsse untersucht. Im Vordergrund der Arbeiten stehen die Untersuchung von kontemporären Klimaphasen in der Nord- und Südhemisphäre und die Reaktion des Atmoshäre-Eis-Meer Systems im bipolaren Vergleich.

Trophic interactions in the soil of rice-rice and rice-maize cropping systems

Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.

Dissolved organic matter driven changes in minerals and organic-mineral interactions during paddy soil development

Previous studies indicated that the development and biogeochemistry of paddy soils relates to the parent material, thus the original soil paddies derive from. The proposed research focuses on redox-mediated changes in mineral composition and mineral-associated organic matter (OM) during paddy transformation of different soils. We plan to subject soil samples to a series of redox cycles, in order to mimic paddy soil formation and development. Soils with strongly different properties and mineral composition as well as at different states of paddy transformation; ranging from unchanged soils to fully developed paddy soils, are to be included. We hypothesize that dissolved organic matter is one key driver in redox-mediated transformations, serving as an electron donator as well as interacting with dissolved metals and minerals. The extent of effects shall depend on the parent soil's original mineral assemblage and organic matter and their mutual interactions. The experimental paddy soil transformation will tracked by analyses of soil solutions, of the (re-)distribution of carbon (by addition of 13C-labelled rice straw), of indicative biomolecules (sugars, amino sugars, fatty acids, lignin) and of minerals (including the redox state of Fe). For analyses of organic matter as well as of mineral characteristics we plan to utilize EXAFS and XPS, for Fe-bearing minerals also Mößbauer spectroscopy. This approach of experimental pedology seems appropriate to give insight into the major factors during paddy soil formation and development.

Schwerpunktprogramm (SPP) 2115: Synergie von Polarimetrischen Radarbeobachtungen und Atmosphärenmodellierung (PROM) - Verschmelzung von Radarpolarimetrie und numerischer Atmosphärenmodellierung für ein verbessertes Verständnis von Wolken- und Niederschlagsprozessen; Polarimetric Radar Observations meet Atmospheric Modelling (PROM) - Fusion of Radar Polarimetry and Numerical Atmospheric ..., Bestimmung der polarimetrischen Signaturen von Eisbildungsprozessen unter kontrollierten Aerosolbedingungen (PolarCAP)

Zahlreiche Prozesse sind an der Entwicklung von Wolkensystemen unter leicht unterkühlten Bedingungen bis zu -10°C beteiligt. Das Zusammenspiel von Thermodynamik, Wasserdampf und Aerosolpartikeln steuert die Verteilung von Flüssigwasser und Eis, die Niederschlagsbildung und die Strahlungseigenschaften. Das Projekt PolarCAP zielt darauf ab, die komplexen Zusammenhänge aufzulösen, indem die Entwicklung der Eisphase unter leicht unterkühlten Bedingungen in einer thermodynamisch und aerosol-kontrollierten natürlichen Umgebung mittels Radarpolarimetrie und Spectral-Bin Modellierung untersucht wird. Zielobjekt der Studie sind flüssigwasserdominierte, unterkühlte stratiforme Wolken, die sich im Winter häufig im Temperaturbereich von -10 bis 0°C über dem Schweizer Plateau bilden. Im Rahmen des externen ERC-Forschungsprojekts CLOUDLAB werden Drohnen eingesetzt, um diese Wolken mit definierten Mengen verschiedener Arten von eisnukleierenden Partikeln, wie Silberjodid oder Snowmax, zu impfen. Die anschließend gebildete Eisphase und die Auflösung der Flüssigphase werden im Rahmen von CLOUDLAB mit Hilfe von In-situ-Messungen und einem Standardsatz von Fernerkundungsinstrumenten wie Lidar und LDR-Wolkenradar charakterisiert. Konkretes Ziel von CLOUDLAB ist, die 1- und 2-Momenten-Parametrisierungen der Eisphase des Wettervorhersagemodells ICON zu verbessern. PolarCAP wird mit dem CLOUDLAB-Projekt zusammenarbeiten, um diesen einzigartigen Datensatz durch die Anwendung modernster polarimetrischer Radar- und Lidar-basierter Fernerkundungstechniken zur Bestimmung der mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken sowie durch die Anwendung wolkenauflösender Spektral-Bin Modellierung zu verbessern und zu nutzen. Synergistische, mehrwellenlängen- und polarimetrische bodengebundene Fernerkundung mit scannendem Radar und Lidar wird eingesetzt, um den Übergang von unterkühlten flüssigen stratiformen Wolken in Mischphasenwolken zu beobachten. Begleitet von wolkenauflösenden Modellsimulationen und Radar-Forward-Operatoren wird PolarCAP die Entwicklung und die beteiligten mikrophysikalischen Prozesse zwischen -10 und 0°C erfassen. Die kombinierten Beobachtungen werden neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Kontakt- und Immersionsgefrieren, sekundärer Eisbildung und Eisvervielfachung liefern, indem Wolken in verschiedenen Temperaturregimen untersucht werden, von denen angenommen wird, dass sie entweder von spezifischen Eisphasenprozessen beeinflusst bzw. unbeeinflusst sind. PolarCAP wird das derzeitige Verständnis wolkenmikrophysikalischer Prozesse und deren Darstellung in atmosphärischen Modellen herausfordern und die wolkenauflösende Modellierung und deren Kopplung an Radarvorwärtsoperatoren vorantreiben. Insgesamt wird PolarCAP Fortschritte in unseren Fähigkeiten erzielen, die Effizienz verschiedener eisbildender Substanzen besser einschätzen zu können und die Zeitskalen von mikrophysikalischen Prozessen und dem Lebenszyklus von Stratusbewölkung zu verknüpfen.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Central Coordination and Administration of the INUIT research unit

Funds for the central coordination of the research unit 'INUIT' (Ice Nucleation research UnIT) are requested within this proposal. The project serves the coordination and administration of the research unit as well as the promotion of cooperation and communication among the individual scientific projects of the unit. An annual status seminar is organized and conducted within this project. The funds for measures to promote gender equality are managed and measures for training of young researchers are coordinated. Within the project special sessions at international conferences or publication of special issues are initiated. A central data base to store and provide the data from all the various field and laboratory activities to all members of the research unit is maintained within the project. A comprehensive inter-comparison of the results of the ice nucleating properties of the common set of test aerosols studied by the various methods is conducted. An INUIT web page is set up and maintained. To support the INUIT spokesperson in conducting these tasks, staffing for a halftime position of a scientific administrator is applied for.

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