Ertragsbildung bei organischer oder mineralischer Duengung (gleiche Mengen Gesamt-Stickstoff) unter extremen Standortbedingungen (Sandboden, trocken-warmes Klima); Fruchtfolge: Rotklee, Sommer-Weizen, Kartoffeln, Winterroggen. Stickstoffdynamik und -bilanzierung. Langfristig stabiler Humusgehalt nur bei Rottemist-Duengung mit Anwendung biol-dyn Praeparate; in Boeden dieser Variante groesste mikrobielle Biomasse und hoechste Enzymaktivitaet.
Das Vorkommen von organischen Mikroverunreinigungen (OMP) in Gewässern ist aufgrund ihrer potenziellen Bedrohung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sehr kritisch. Kläranlagenabläufe sind eine der Hauptquellen für OMPs; deshalb werden derzeit neue rechtliche Rahmenbedingungen diskutiert und verschiedene Technologien zur Reduktion von OMPs untersucht. Granulierte Aktivkohlefilter (GAK) haben sich als geeignete Technologie zur Entfernung von OMP aus Kläranlagenabläufen etabliert. Neben der adsorptiven Entfernung sind GAK-Filter auch in der Lage, organische Stoffe und OMPs biologisch zu entfernen. Die Phänomene, die diesen adsorptiven und biologischen Abbau steuern, sowie die Synergien zwischen diesen beiden Mechanismen sind von großer Bedeutung, jedoch sind die Prozesse sehr komplex. Zum einen handelt es sich bei Abwässern um Multikomponentengemische, die schwer zu charakterisieren sind, und zum anderen sind die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen GAK, Biofilm, OMP und organischen Stoffen nur schwer experimentell zu erfassen. Mathematische Modelle sind ein leistungsfähiges Instrument zur Überwindung solcher experimentellen Hindernisse, zur Analyse verschiedener Szenarien und zur Unterstützung der Planung weiterer Experimente. Anhand von Versuchsdaten wurde ein erstes mathematisches Modell entwickelt, das die Entfernung von gelöstem organischem Kohlenstoff in einem biologisch aktiven GAK-Filter zufriedenstellend beschreiben kann. Dieses Projekt zielt darauf ab, dieses Modell zu verbessern und um neue Schlüsselmerkmale zu erweitern, die für eine weitere Anwendung erforderlich sind. Insbesondere sollen drei Hypothesen getestet werden: (i) Ist es möglich, die Porengrößenverteilung in das Modell aufzunehmen? Die Porengrößenverteilung ist ein Schlüsselparameter für die Charakterisierung der verschiedenen GAK-Typen, daher ist ihre Implementierung in das Modell unerlässlich. Die herkömmlichen Ansätze erfordern jedoch Parameter, die schwer zu bestimmen sind. (ii) Könnte eine mikrobielle Gemeinschaft, die den Stickstoffzyklus einschließt, die Qualität des Modells verbessern? Auf der Grundlage experimenteller Belege, die den biologischen Abbau von OMPs mit der Aktivität von Nitrifikanten in Verbindung bringen, zielt das Projekt darauf ab, co-metabolische Prozesse zu implementieren und ihre Auswirkungen auf die globalen Modellierungsergebnisse zu bewerten. (iii) Wie können einzelne OMPs in das Modell einbezogen und ihr Verhalten zufriedenstellend wiedergegeben werden? Die Vorhersage des Abbaus einzelner OMPs ist von großer Bedeutung. Daher werden exemplarisch vier OMPs in das Modell aufgenommen und als Stellvertreter für den Abbau weiterer OMPs verwendet. Da die mechanistische Beschreibung der OMPs sehr kompliziert werden kann, wird der Ansatz des mechanistischen Modells mit Methoden des maschinellen Lernens kombinieren.
Unsere bewilligte Forschungsfahrt M121 mit FS Meteor im Südostatlantik wird im November/Dezember 2015 stattfinden. Mit dem vorliegenden Antrag beantragen wir Mittel für Personal zur Teilnahme an der Fahrt und Kosten für die Auswertephase nach der Fahrt. Der Fokus des Projektes liegt auf der Biogeochemie und chemischen Ozeanographie von Spurenmetallen, wofür aber auch physikalische und biologisch-ozeanographische Informationen gesammelt werden. Die Untersuchungsschwerpunkte sind die detaillierte Erfassung der Verteilung von Spurenelementen in der Wassersäule des Südostatlantiks, die Untersuchung von Eintrags- und Austragsmechanismen, die biogeochemischen Zyklen dieser Spurenelemente, und deren Zusammenhänge mit dem Stickstoffkreislauf im Untersuchungsgebiet. Die Ausfahrt wird als offizieller Bestandteil in das international koordinierte GEOTRACES-Programm eingebettet sein. Der erste Schwerpunkt wird die detaillierte Untersuchung der Verteilung der Spurenelemente in der Wassersäule des Benguela-Auftriebs sein, von denen einige als limitierende Mikronährstoffe der Bioproduktivität und der Diazotrophie fungieren. Wir werden die Beziehung zwischen Makro- und Mikronährstoffkonzentrationen und den Flüssen dieser Nährstoffe untersuchen sowie die Beziehung zur biologischen Produktivität und dem Stickstoffzyklus. Die Spurenmetallverteilung soll auch mit der Verteilung und Mischung der Wassermassen im Benguela-Auftriebsgebiet und deren Eigenschaften in Verbindung gebracht werden, insbesondere den Sauerstoffgehalten und dem Austausch mit dem anoxischen Schelf. Weiterhin werden wir den Eintrag und die Eintragswege der Spurenmetalle über Staub (Wüste Namib), Sediment und große Flüsse (hauptsächlich Orange und Kongo) erfassen. Den Abschluss der Projektarbeiten wird die Verteilung der Spurenmetalle in der gesamten Wassersäule im offenen Ozean des Südostatlantiks als Funktion der großskaligen Ozeanzirkulation und Wassermassenmischung sein; diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit J. Scholten und M. Frank (Kiel) stattfinden, die einen komplementären Antrag einreichen. Die Arbeiten dieses Projektes haben eine Bedeutung für das globale Verständnis der Rolle unterschiedlicher Prozesse, die die chemischen Umweltbedingungen im Ozean, mit dem Fokus auf Spurenmetalle, steuern und in denen die Ökosysteme funktionieren.
In Dauerfeldexperimenten werden in ökologischen und konventionellen Anbausystemen an drei Versuchsstandorten zeitlich hochauflösend Lachgasemissionen und Ammoniakemissionen gemessen, um Mechanismen der Treibhausgasbildung aufzuklären, pflanzenbauliche Strategien zur Treibhausgasminderung zu prüfen und standortspezifische Emissionsfaktoren abzuleiten. Die Messung von Treibhausgasflüssen erfolgt in Versuchen mit unterschiedlichen Fruchtfolge-, Bodenbearbeitungs- und Düngungssystemen zur Bestimmung von flächen- und produktbezogenen Emissionen. In zwei Feldexperimenten wird Pflanzenkohle in Kombination mit organischen und mineralischen Düngern eingesetzt um zu analysieren, wie der Stickstoffumsatz im Boden, der Stickstofftransfer in der Fruchtfolge und die Stickstoffemissionen beeinflusst werden. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wird bewertet, ob es möglich ist, NH3- und N2O-Emissionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle signifikant zu vermindern. In einem weiteren Versuch werden die Stickstoffdynamik und Lachgasemissionen in ökologischen und konventionellen Anbausystemen untersucht. Auf der Grundlage der Messdaten wird das Emissionspotenzial sowie das N2O-Minderungspotenzial von Anbausystemen bewertet. Lachgas- und Ammoniakemissionen werden in Beziehung zur Stickstoffdynamik gesetzt, um Ursachen und Prozesse aufzuklären, die zu hohen Emissionen führen. Alle pflanzenbaulichen Maßnahmen werden hinsichtlich der Effekte auf die Erträge und Produktqualität, die Stickstoffsalden und Stickstoffeffizienz bewertet, um die Umsetzbarkeit in der landwirtschaftlichen Praxis einschätzen zu können. Die experimentellen Daten verbessern die Datenbasis für die nationale Klimaberichterstattung. Sie sind für die Regionalisierung von NH3- und N2O-Minderungsmaßnahmen umfassend nutzbar. Der Transfer der Ergebnisse in die landwirtschaftliche Praxis erfolgt durch Publikationen in angewandten Zeitschriften, die Durchführung von Workshops und Feldtagen.
Das übergeordnete Projektziel von ISLAND ist die Wissensgrundlage zu den Effekten von Leguminosen in Fruchtfolgen unterschiedlicher Produktionsintensität zu erweitern und Strategien der optimierten Integration zu entwickeln. Hierbei soll ein Schwerpunkt auf der Berücksichtigung und Minimierung der Verlustpotentiale und auf die adäquate Anrechnung der Fixierungsleistung/Vorfruchtwirkung gelegt werden. Dafür soll das Verständnis der relevanten Prozesse im Stickstoffkreislauf umfänglich erweitert und plausible Bewertungsalgorithmen und -kennzahlen (Schätzung N2-Fixierung) für eingesetzte Maßnahmen (z.B. Behandlung der Ernterückstände), Betriebsmittel (z.B. mineralische/organische Dünger) und deren Wechselwirkungen entwickelt werden. Als Bindeglied zwischen der empirischen Datenerhebung in Feldversuchen und der aggregierten Kennzahlentwicklung sollen prozessorientierte Simulationsmodelle weiterentwickelt und zur Datenanalyse sowie in Form von Szenarienrechnungen eingesetzt werden. Die zentralen Forschungsfragen lauten: (1) Welchen Beitrag leisten Leguminosen zur Klimabilanz in unterschiedlichen Stellungen innerhalb standorttypischer Fruchtfolgen variierender Produktionsintensität? (2) Gibt es einen Zusammenhang zwischen direkten (und indirekten) Lachgasemissionen und der N2-Fixierungsleistung bei ausgewählten Körnerleguminosen und lässt sich die Fixierungsleistung auch über fernerkundlich erhobenen Spektraldaten abschätzen? (3) Wie wirken sich die Vorfrucht- und Fruchtfolgeeffekte von Leguminosen auf die THG-Bilanzen standorttypischer Fruchtfolgen unterschiedlicher Intensität unter prognostizierten Klimawandelszenarien an ausgewählten Standorten aus?
Charakterisierung der Bodenfruchtbarkeit auf der Basis von 45 bodenphysikalischen und bodenchemischen Parametern durch lineare und nichtlineare Regressionsanalysen und deren Beeinflussung durch die Beregnung mit Beregnungswasser unterschiedlicher Qualitaet. Im Vordergrund stehen Fragen zum Einfluss hoher Salzkonzentrationen im Beregnungswasser am Beispiel des Rheinwassers. Zur Charakterisierung der Salzdynamik wird die Sorption und Desorption von Na und Cl an Bodenaggregaten unterschiedlicher Korngroesse und Stabilitaet verfolgt. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt betrifft die Stickstoffdynamik (N-min, N-org, N-Fix. und N- Freisetzung) in diesen Versuchen unter besonderer Beruecksichtigung des Zwischenfruchtanbaus. Zur Charakterisierung der Bodenfruchtbarkeitsparameter werden die konventionellen Methoden der Bodenanalytik verwendet, die zur Charakterisierung der N-Dynamik im Boden um den Einsatz von biochemischen Methoden zur Charakterisierungder verschiedenen organischen N-Fraktionen im Boden, auch unter dem Einsatz von Isotopen, erweitert werden (Gefaess- undFeld-Versuche).
Die biologische Aktivitaet ist von grosser Bedeutung fuer die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit. Auf diesem Gebiet bestehen aber noch sehr viele ungeloeste Probleme in bezug auf die Gesunderhaltung des Bodens auf lange Sicht und die Belastbarkeit des Bodens mit organischen Abfaellen und Pflanzenschutzmitteln. Die biologische Aktivitaet des Bodens ist ein wesentlicher Faktor im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf in der Natur.
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