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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.

Entwicklung eines Verfahrens zur Stickstoffelimination aus kommunalen Abwässern mit Hilfe einschlussimmobilisierter Bakterien sowie zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs von Kläranlagen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die Nitrifikation in kommunalen Kläranlagen wird zur Zeit durch eine unselektive Schlammrückführung und vergleichsweise starke Belüftung erzielt. Hierdurch wird neben der gewünschten Ammoniumoxidation ein bedeutender Anteil des vorliegenden Kohlenstoffs durch heterotrophe Mikroorganismen ungewollt oxidiert, sodass er in der anschließenden Denitrifikationsstufe nicht mehr zur Verfügung steht. Besonders in der kalten Jahreszeit erfordert das langsame Wachstum der nitrifizierenden Bakterien ein hohes Schlammalter. In einer Pilotanlage soll untersucht werden, ob durch den selektiven Einschluss von Nitrifizierern in synthetische Hydrogele die Nitrifikationsleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Belüftung erhöht werden kann. Fazit: Das Ziel einer energiereduzierten Nitrifikation auf Basis immobiliserter Nitrifizierer scheint aus unserer Sicht weiterhin erreichbar. Folgende Schritte sind hierfür notwendig: Vermeidung der Biofilmbildung auf den Immobilisaten durch Optimierung des Reaktorkonzepts - Voranzucht der Biomasse innerhalb der Immobilisate unter optimalen Bedingungen - Kombination dieser beiden Schritte

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), DECOR: Der Einfluss der Dynamik auf die Zusammensetzung und den Transport von klimarelevanten Spurenstoffen in der extratropischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Die Quantifizierung der Effekte von Transport, Mischung und chemischer Prozessierung von klimarelevanten Spurengasen in der extratropischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) ist von großer Bedeutung für das Verständnis des Strahlungsbudgets der Atmosphäre. Dynamische Systeme wie der Jetstream, der Asiatische Monsun, Schwere- und Rossbywellen verändern die Verteilung und den Transport von Spurenstoffen in der UTLS und beeinflussen dadurch das Klima. Ziel des Projektes ist es die Veränderung der Zusammensetzung und des Transports in der UTLS durch diese dynamischen Systeme zu untersuchen. Ein spezifischer Fokus liegt hierbei auf den Spurengasen H2O, O3, Stickoxid- und Halogenverbindungen sowie Zirren. Zu diesem Zweck wird das Atmosphärische chemische Ionisations-Massenspektrometer AIMS und das durchstimmbare Diodenlaser Hygrometer WARAN bei WISE eingesetzt. Erfolgreiche erste Messungen wurden bereits während der Kampagnen TACTS/ESMVal, ML-CIRRUS und POLSTRACC/GW-Cycle/SALSA durchgeführt. Der Nachweis mit dem Reagenzien SF5- wurde bislang zur Messung der Spurengase HCl, HNO3, SO2 und HONO verwendet. In diesem Projekt schlagen wir den quantitativen Nachweis von ClONO2 und HBr mit AIMS als Weiterentwicklung vor. Im Rahmen der WISE Mission liegt der Fokus auf der quantitativen Bestimmung der Beiträge von stratosphärischem O3 und HNO3 in der UTLS abgeleitet aus dem stratosphärischen Tracer HCl. Transportprozesse und ihr Einfluss auf die Inversionsschicht der Tropopause (TIL) werden in Abhängigkeit von Breite und dynamischer Situation untersucht . Tracer-Tracer Korrelationen in der extratropischen Tropopausen Schicht werden eingesetzt um den Mischungszustand in und oberhalb dieser Schicht zu charakterisieren. Unsere in-situ Messungen werden zur Validierung der Fernerkundungsinstrumente GLORIA (HNO3, ClONO2, H2O und SO2), DOAS (HONO, Bry) und WALES (H2O) herangezogen. Der Einfluss von Eiswolken und kaltem Aerosol auf die Spurengaszusammen in der polaren UTLS wird mit Daten der Mission POLSTRACC bestimmt. Die Aufnahme von HNO3 in Eis und die Bildung von kondensierten Salpetersäure/Wasser Kondensaten ist bei tiefen Temperaturen unzureichend verstanden. Diese Fragestellungen werden aus Messungen von Wasser, gasförmiger HNO3 und HNO3 in Eispartikeln beantwortet. Tracer-tracer Korrelationen der Chlor- und Stickoxidverbindungen werden benutzt um die Verteilung von Chloraktivierung und De- und Nitrifizierung zu bestimmen. Unsere Messungen dienen dazu das Verständnis des Einflusses dynamischer und heterogener chemischer Prozesse auf die Verteilung klimarelevanter Spurengase in der UTLS zu verbessern.

Überschuss der Stickstoff-Flächenbilanz der Landwirtschaft in den Kreisen für die Jahre 1995-2023 (3-jährige Mittelwerte) (Datensatz)

Die Stickstoff-Gesamtbilanz (synonym: Hoftorbilanz, Sektorbilanz, Stoffstrombilanz) für die Landwirtschaft umfasst die drei Komponenten: Flächenbilanz (Pflanzen- bzw. Bodenproduktion), Stallbilanz (tierische Erzeugung) und Biogasbilanz (Erzeugung von Biogas). Für regionale Gliederungen unterhalb der Ebene des Bundesgebietes, das heißt für Bundesländer, Kreise oder Gemeinden, können nach wie vor aufgrund der eingeschränkten Datenverfügbarkeit im Regelfall nur Flächenbilanzen ermittelt werden. Grundsätzlich ist an regionalisierte Bilanzierungen die Forderung zu stellen, dass sich mit der jeweiligen Methodik ein annähernd identischer Wert des Flächenbilanzüberschusses berechnet (in der Summe über alle regionalen Einheiten im Bundesgebiet) wie für Deutschland als Ganzes. Die Zeitreihe des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL 2024) für das Bundesgebiet ist dabei als Referenzwert anzusehen. Der N-Überschuss der Flächenbilanz entspricht der Differenz zwischen den N-Zufuhren und den N-Abfuhren auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche der Kreise während eines Bilanzjahres. In der vorliegenden Berechnung beinhaltet der Flächenbilanz-Überschuss den Eintrag von Stickstoff in den Boden (i) ohne Abzug der NH3-Verluste, die bei der Ausbringung von Wirtschaftsdünger, Gärresten und Mineraldünger auf der Fläche auftreten, sowie (ii) ohne Abzug von N2-, NOX- und N2O-Emissionen aus dem Boden, die in Folge von Nitrifikation und Denitrifikation entstehen. Weiterhin werden die N-Verluste infolge des Abbaus der organischen Bodensubstanz in anmoorigen und Moor-Böden unter Acker- und Grünland-Nutzung nicht berücksichtigt.

Überschuss der Stickstoff-Flächenbilanz der Landwirtschaft in den Kreisen für die Jahre 1995-2023 (3-jährige Mittelwerte) (Anwendung)

Die Stickstoff-Gesamtbilanz (synonym: Hoftorbilanz, Sektorbilanz, Stoffstrombilanz) für die Landwirtschaft umfasst die drei Komponenten: Flächenbilanz (Pflanzen- bzw. Bodenproduktion), Stallbilanz (tierische Erzeugung) und Biogasbilanz (Erzeugung von Biogas). Für regionale Gliederungen unterhalb der Ebene des Bundesgebietes, das heißt für Bundesländer, Kreise oder Gemeinden, können nach wie vor aufgrund der eingeschränkten Datenverfügbarkeit im Regelfall nur Flächenbilanzen ermittelt werden. Grundsätzlich ist an regionalisierte Bilanzierungen die Forderung zu stellen, dass sich mit der jeweiligen Methodik ein annähernd identischer Wert des Flächenbilanzüberschusses berechnet (in der Summe über alle regionalen Einheiten im Bundesgebiet) wie für Deutschland als Ganzes. Die Zeitreihe des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL 2024) für das Bundesgebiet ist dabei als Referenzwert anzusehen. Der N-Überschuss der Flächenbilanz entspricht der Differenz zwischen den N-Zufuhren und den N-Abfuhren auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche der Kreise während eines Bilanzjahres. In der vorliegenden Berechnung beinhaltet der Flächenbilanz-Überschuss den Eintrag von Stickstoff in den Boden (i) ohne Abzug der NH3-Verluste, die bei der Ausbringung von Wirtschaftsdünger, Gärresten und Mineraldünger auf der Fläche auftreten, sowie (ii) ohne Abzug von N2-, NOX- und N2O-Emissionen aus dem Boden, die in Folge von Nitrifikation und Denitrifikation entstehen. Weiterhin werden die N-Verluste infolge des Abbaus der organischen Bodensubstanz in anmoorigen und Moor-Böden unter Acker- und Grünland-Nutzung nicht berücksichtigt.

Freisetzung von Stickstoffmonoxid von Gebaeudeoberflaechen in die Atmosphaere

Natursteinmaterial gibt aus der verwitterten Oberflaeche von Gebaeuden Stickstoffmonoxid-N mit Raten von 0.42 bis 4.2 ng/(h x g), trotz deren hohen Feuchtegehalte, ph-Wertes und Gehaltes an Ammonium, Nitrit und Nitrat, ab. Die Netto-Abgaberaten) von NO sind unabhaengig von dem NO-Anteil in der Umgebungsatmosphaere bis zu einem Wert von 1 ppm NO. Die Aufnahme von NO2 erfolgte bei allen untersuchten Natursteinen, NO wurde hingegen nur bei einer von fuenf Natursteinarten aufgenommen. Die NO-Abgaberaten waren an der Steinoberflaeche am hoechsten und nahmen stark bis zu einer Tiefe von mehr als 1 cm ab. Die NO-Abgabe wurde bis mehr als 3 Monate nach der Probenentnahme von den Gebaeuden beobachtet. NO entsteht hauptsaechlich durch biogene Oxidation des Ammoniums zu Nitrat an der Gesteinsoberflaeche, vermutlich durch endolithische nitrifizierende Bakterien. Die chemische Zersetzung von Nitrit zu NO und NO2 wurde nur unter sauren Bedingungen beobachtet.

Abbau von hohen Nitratgehalten in vorwiegend anorganisch belasteten Abwaessern

Zahlreiche Industrieabwaesser weisen einen hohen Gehalt von anorganischen N-Verbindungen auf. Diese muessen vor Einleitung in den Vorfluter beseitigt werden, da sie sowohl fuer die Gewaesser-Biologie (Eutrophierung) als auch fuer die Trinkwassergewinnung Probleme aufwerfen. Hierfuer kommen in erster Linie mikrobiologische Verfahren in Frage: verschiedene Bakterien koennen Nitrat unter aneroben Bedingungen zu N2 reduzieren, das als Gas entweicht (Denitifikation); Ammonium kann von sog. Nitrifikanten zu Nitrat unter aeroben Verhaeltnissen oxidiert werden, das dann anschliessend (wie o. erwaehnt) zu N2 reduziert werden kann. - Ziel des Projektes ist es, diese Prozesse mit belasteten Abwaessern unter Verwendung besonders geeigneter Bakterien zu untersuchen. Dabei sollen die einzelnen Parameter zunaechst im Labormasstab (und zwar im kontinuierlichen Betrieb) ermittelt werden. Fuer die Denitrifikation sollen Thiobacillen eingesetzt werden, deren Verwendung besonders praktisch und oekonomisch ist, da sie keine organische C-Quelle benoetigen.

Minderung von Lachgasemissionen aus gemüsebaulich genutzten Böden durch Optimierung des Nacherntemanagements

Zielsetzung: Distickstoffmonoxid (N2O), allgemein bekannt unter dem Trivialnamen Lachgas, zählt neben Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) zu den Spurengasen in der Atmosphäre, die maßgeblich zu den anthropogen bedingten Klimaveränderungen beitragen. Eine Hauptquelle für das Lachgas stellen landwirtschaftlich und gartenbaulich genutzte Böden dar. Im Zuge der Applikation von stickstoffhaltigen organischen und mineralischen Düngern werden mikrobielle Umsetzungen forciert, die zur N2O-Bildung führen. In dem geplanten Projekt soll ein neuer Ansatz zur Reduktion von Lachgasemissionen im Freilandgemüsebau entwickelt werden. Nach der Einarbeitung von leicht zersetzbaren Ernterückständen wird Lachgas mit besonders hoher Rate aus Böden freigesetzt. Ziel ist es, diese unerwünschten N-Abflüsse durch eine Optimierung des Nacherntemanagements zu minimieren. Mögliche Ansatzpunkte hierfür liegen in der Anwendung von Nitrifikationsinhibitoren, der Einarbeitungstechnik und in dem Einarbeitungstermin der Ernterückstände. Die vorgesehenen Maßnahmen sollen gleichzeitig auch zu einer Verringerung weiterer Stickstoffverluste durch Denitrifikation und Auswaschung von Nitrat beitragen. Insgesamt wird das Ziel verfolgt, die Stickstoffeffizienz bei der Erzeugung von Gemüse im Freiland zu erhöhen und damit die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Anbauprozesse zu verbessern.

Spezielle Untersuchungen zum Sauerstoffhaushalt von Fliessgewaessern

Einzelfragen des Sauerstoffhaushalts von Fliessgewaessern werden untersucht, um die Grundlagen fuer wasserwirtschaftliche Berechnungen zu verbessern. Schwerpunkte: der Einfluss der Primaerproduktion auf den Stoffhaushalt. Der Einfluss der Nitrifikation auf den Stoffhaushalt. Beteiligung der Gewaessersohle am Stoffhaushalt. Sauerstoffhaushalt von Altarmen.

Nebenwirkungen von Pflanzenschutzmitteln auf Stickstoffumsetzungen im Boden und die Stickstoffversorgung von Pflanzen

Es wird die Beeinflussung von Nitrifikationsvorgaengen durch die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln geprueft und die Auswirkung auf die Naehrstoffversorgung von Pflanzen sowie deren Entwicklung verfolgt.

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