Der StEP Klima 2.0 widmet sich den räumlichen und stadtplanerischen Ansätzen zum Umgang mit dem Klimawandel. Er beschreibt über ein räumliches Leitbild und vier Handlungsansätze die räumlichen Prioritäten zur Klimaanpassung: für Bestand und Neubau, für Grün- und Freiflächen, für Synergien zwischen Stadtentwicklung und Wasser sowie mit Blick auf Starkregen und Hochwasserschutz. Und er stellt dar, wo und wie die Stadt durch blau-grüne Maßnahmen zu kühlen ist, wo Entlastungs- und Potenzialräume liegen, in denen sich durch Stadtentwicklungsprojekte Synergien für den Wasserhaushalt erschließen lassen.
Seit kurzem werden ökologisch wirksame Konzentrationen von antibakteriellen Tierarzneimitteln auch im Boden nachgewiesen. Für eine umfassende Analyse des Risikos fehlen jedoch grundlegende Modellvorstellungen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Tierarzneimittel i.d.R. mit Wirtschaftsdüngern auf die Böden gelangen. Zwar gibt es Modellvorstellungen zum Umweltverhalten hydrophober Schadstoffe und zur Wirkung von Wirtschaftsdüngern auf die Bodenlebewelt, doch sind diese nur bedingt übertragbar auf die Dynamik der teilweise polaren Tierarzneimittel im Boden und ihre spezifischen Effekte auf Bodenorganismen. Auch die in der Literatur beschriebenen Effekte von zusätzlichen C-Quellen und Co-Solventien auf Bindung, Abbau und Transport sind aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Wirtschaftsdüngern nicht direkt auf Tierarzneimittel übertragbar. Effekte der komplexen Wechselwirkungen von Wirtschaftsdüngern auf die Wirkung der Stoffe im Boden sind unseres Wissens überhaupt nicht untersucht. Übergeordnetes Ziel dieser Forschergruppe ist es daher, anhand mindestens zweier unterschiedlicher Zielstoffe (Sulfadiazin und Difloxacin) erstmals aufzuklären, wie unter dem Einfluss von Wirtschaftsdüngern die Wirkung dieser Stoffe im Boden an ihre Dynamik gekoppelt ist. Wir sehen hierbei mehrere offene Fragen in den Bereichen Dynamik (z.B. Abbau und Metabolisierung, Sequestration sowie skalenabhängige Umverteilung), Wirkung (z.B. auf Struktur und Funktion der Mikroorganismen sowie auf Resistenzbildung) und v.a. bezüglich der Mechanismen der raum-zeitlichen Kopplung von Dynamik und Wirkung der Problemstoffe im Boden (von ms bis Jahren und von der Mineraloberfläche bis zum Bodenprofil). Zur Beantwortung dieser Fragen erscheint es uns in der 1. Projektphase notwendig, vorwiegend anhand von Laborversuchen die relevanten Skalen und Prozesse zu identifizieren sowie die Raten zu quantifizieren, welche die Dynamik und Wirkung der Stoffe im Boden allein und unter dem Einfluss tierischer Exkremente steuern. In einer 2. Phase werden die Prozesse gekoppelt und ihre Relevanz in einem gemeinsamen Freilandversuch überprüft. Damit können wir die für das Umweltverhalten der Zielstoffe wesentlichen Steuergrößen und -mechanismen erstmals aufdecken und quantifizieren. Ziel des TP in Bonn ist die Aufklärung der Bindungsstärke und Verfügbarkeit von Tierarzneimitteln in zwei Referenzböden. Um die 'chemische Verfügbarkeit der Substanzen im Boden zu erfassen, wird eine sequentielle Extraktionsmethode für die Analyten entwickelt und auf eine Alterungszeitreihe der Tierantibiotika im Boden angewandt. Die Bindung der Stoffe an Bodenbestandteile (Mineralphasen, org. Substanz, Gülle-DOC) wird mittels batch-Sorptionsversuchen untersucht; dies wird wiederum an frisch kontaminierten und gealterten Proben durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit den anderen Projekten der Forschergruppe vernetzt, um auf die 'Bioverfügbarkeit von sorbierten Fraktionen der Tierarzneimittel rückzuschließen.
Entlang eines Transektes von der inneren Deutschen Bucht bis zur Doggerbank wird die Variabilität der Makrofaunagemeinschaften auf unterschiedlicher zeitlicher Skala untersucht. Auf 7 Stationen entlang des Transektes wurden schon 1990 Proben genommen. Seit 1995 werden auf 4 von den 7 Stationen kontinuierlich jeweils im Mai Proben genommen. Zusätzlich wurden auf 3 Stationen von Herbst 2000 bis Frühjahr 2002 monatlich Proben genommen, um die saisonale Variabilität zu ermitteln. Die saisonale Variabilität wird primär durch das Recruitment im Frühjahr bestimmt, die langfristige durch extreme Ereignisse wie den kalten Winter 1995/96. Die küstennahen Gemeinschaften unterliegen auf Grund der höheren Fluktuation in den Umweltparamatern wie Temperatur, Schichtung der Wassersäule, Nahrungsverfügbarkeit generell einer stärkeren saisonalen Variabilität als die küstenferneren Gemeinschaften unter stabileren Umweltbedingungen. Klimatisch bedingte Veränderungen in den Gemeinschaften werden nach 2000 deutlich.
Rain-cracking limits the production of many soft and fleshy fruit including sweet cherries world wide. Cracking is thought to result from increased water uptake through surface and pedicel. Water uptake increases fruit volume, and hence, turgor of cells (Pcell) and the pressure inside the fruit (Pfruit) and subjects the skin to tangential stress and hence, strain. When the strain exceeds the limits of extensibility the fruit cracks. This hypothesis is referred to as the Pfruit driven strain cracking. Based on this hypothesis cracking is related to two independent groups of factors: (1) water transport characteristics and (2) the intrinsic cracking susceptibility of the fruit defined as the amount of cracking per unit water uptake. The intrinsic cracking susceptibility thus reflects the mechanical constitution of the fruit. Most studies focussed on water transport through the fruit surface (factors 1), but only little information is available on the mechanical constitution (i.e., Pfruit and Pcell, tensile properties such as fracture strain, fracture pressure and modulus of elasticity of the exocarp; factors 2). The few published estimates of Pfruit in sweet cherry are all obtained indirectly (calculated from fruit water potential and osmotic potentials of juice extracts) and unrealistically high. They exceed those measured by pressure probe techniques in mature grape berry by several orders of magnitude. The objective of the proposed project is to test the hypothesis of the Pfruit driven strain cracking. Initially we will focus on establishing systems of widely differing intrinsic cracking susceptibility by varying species (sweet and sour cherry, Ribes and Vaccinium berries, plum, tomato), genotype (within sweet cherry), stage of development and temperature. These systems will then be used for testing the hypothesis of Pfruit driven strain cracking. We will quantify Pfruit und Pcell by pressure probe techniques and compression tests and the mechanical properties of the exocarp using biaxial tensile tests. When the presence of high Pfruit and Pcell is confirmed by direct measurements, subsequent studies will focus on the mode of failure of the exocarp (fracture along vs. across cell walls) and the relationship between failure thresholds and morphometric characteristics of the exocarp. However, when Pfruit und Pcell are low, the hypothesis of Pfruit driven strain cracking must be rejected and the mechanistic basis for low pressures (presence of apoplastic solutes) clarified on a temporal (in the course of development) and a spatial scale (exocarp vs. mesocarp). We focus on sweet cherry, because detailed information on this species and experience in extending the short harvest period is available. Where appropriate, other cracking susceptible species (sour cherry, plum, Vaccinium, Ribes, tomato) will be included to further extend the experimental period and to maximize the range in intrinsic cracking susceptibility.
Bamboos (Poaceae) are widespread in tropical and subtropical forests. Particularly in Asia, bamboos are cultivated by smallholders and increasingly in large plantations. In contrast to trees, reliable assessments of water use characteristics for bamboo are very scarce. Recently we tested a set of methods for assessing bamboo water use and obtained first results. Objectives of the proposed project are (1) to further test and develop the methods, (2) to compare the water use of different bamboo species, (3) to analyze the water use to bamboo size relationship across species, and (4) to assess effects of bamboo culm density on the stand-level transpiration. The study shall be conducted in South China where bamboos are very abundant. It is planned to work in a common garden (method testing), a botanical garden (species comparison, water use to size relationship), and on-farm (effects of culm density). Method testing will include a variety of approaches (thermal dissipation probes, stem heat balance, deuterium tracing and gravimetry), whereas subsequent steps will be based on thermal methods. The results may contribute to an improved understanding of bamboo water use characteristics and a more appropriate management of bamboo with respect to water resources.
Salinity occurs often simultaneously with drought stress. Therefore, breeding for tolerance to combined both stresses can contribute significantly to crop yield. However, classical selection in salinity has generally been unsuccessful, partly due to high variability of salt stress resulting from the different salinity and drought status. Unfortunately, the use of unrealistic stress protocols for mimicking salinity and drought stress is the norm rather than the exception in biotechnological studies. Therefore, the great challenge is to gain knowledge required to develop plants with enhanced tolerance to field conditions. Our overall hypothesis is that a realistic stress protocol simulating a field environment with combined salt and drought stress as a platform for precision phenotyping of plant tolerance to salinity may solve this problem. This study will demonstrate that highly managed stress environments can be created and key traits of plants can be characterised by using advanced non-destructive sensors that are able to identify relevant traits of plants.
Während der stationäre Einsatz der CRNS Methode die Erfassung zeitlicher Variabilitäten der Bodenfeuchte im Einflussbereich (Footprint) des Sensors ermöglicht, dient die mobile Anwendung der Methode, die Rover-Applikation, dazu, die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte über größere Flächen und entlang längerer Transsekte zu erfassen. Die räumliche Heterogenität der die Messmethode beeinflussenden Umgebungseigenschaften ist dabei eine zentrale Herausforderung für die Kalibrierung und räumliche Korrektur von mobilen CRNS-Daten. Ziel des Teilprojektes ist es, ein Konzept zur Datenerfassung und -analyse zu entwickeln, das zu zuverlässigen CRNS-Raumdatenprodukten über räumliche Skalen hinweg führt. Dazu werden Methoden zur räumlichen Korrektur unter Einbeziehung von Proxydaten aus z.B. konventioneller Geophysik und Fernerkundung entwickelt. Um die Übertragbarkeit des Ansatzes über Skalen und Standorte hinweg zu erreichen, werden die entsprechenden Parameter mit Hilfe verschiedener Beobachtungsdatensätze, Neutronensimulationen und dem mehrskaligen hydrologischen Modell mHM regionalisiert. Wir werden mit Hilfe von Neutronentransportsimulationen Strategien entwickeln, um den Effekt lokaler Strukturen (wie Straßen und Bäume) zu quantifizieren und in der Messung zu korrigieren. Weiterhin sollen die Effekte von Bodenwasser und Wasser in der Biomasse durch verschiedene Detektorabschirmungen getrennt werden. Die Hypothesen werden im Rahmen von Rover-Kampagnen an verschiedenen Standorten getestet. Der Einsatz des CRNS-Rovers ist darüber hinaus generell von entscheidender Bedeutung für Feldkampagnen, die zusammen mit den anderen RMs durchgeführt werden. Es ist vorgesehen, die CRNS-Rover-Daten in Verbindung mit dem Netzwerk der stationären CRNS-Sonden im Rahmen von Teilprojekt Großflächiges CRNS-Netzwerk zu kalibrieren. Weiterhin integriert das Teilprojekt Daten des Teilprojektes Fernerkundung, um den Effekt der Vegetation mit Hilfe von Teilprojekt Vegetation zu entwickelnden Methoden räumlich zu korrigieren. Die korrigierten CRNS-Roverdaten werden wiederum direkt für die Validierung von fernerkundeten Bodenfeuchteprodukten verwendet. Der Einfluss kleinräumiger Effekte von Straßen und Wäldern wird in enger Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt Neutronensimulation untersucht. Des Weiteren ist vorgesehen, verschiedene Schildkonfigurationen zur verbesserten Abschirmung (z.B. von trockenen Straßenbereichen), sowie regelmäßig Prototypen der neuartigen Detektorentwicklung vom Teilprojekt Detektorentwicklung zu testen. Die gemessenen räumlichen Bodenfeuchtemuster werden direkt in die Quantifizierung der Wasserbilanz durch das Teilprojekt Grundwasserneubildung einbezogen. Die Parameter-Regionalisierung wird durch das Teilprojekt Hydrologische Modellierung unterstützt, wobei auch die Rover-Daten einbezogen werden.
Die obere Bodenzone ist die zentrale Schnittstelle für die Speicherung und den Transfer von Wasser zwischen der Atmosphäre, der Biosphäre, den Oberflächengewässern und dem tieferen Untergrund. Die räumliche und zeitliche Variabilität seiner Eigenschaften und Zustände ist eine Herausforderung für das Verständnis und für die Quantifizierung des Wasserspeichers und daraus resultierender Wasserflüsse. Die Bestimmung der Bodenfeuchte ist entweder großflächig oder in Teilstücken der Einzugsgebiete möglich, dazu gehören hydrogeophysikalische Methoden (bodengestützt), verschiedene Fernerkundungsmethoden (Drohnen, Flugzeuge und Satelliten) oder invasive Bodenfeuchte-Netzwerke. Sie sind jedoch entweder nur durch zeitliche Momentaufnahmen begrenzt oder zu teuer, um auf ganze Einzugsgebiete oberhalb der Feldskala übertragen werden zu können. Bisher wurde die Methode der Detektion von Schwankungen des Neutronenhintergrunds (CRNS) als integrierende Messung der Bodenfeuchte in einer Fläche von ca. 15 Hektar eingesetzt. Verteilte Netzwerke dieser Sensoren gibt es bereits bis auf nationaler Ebene, jedoch mit Sensorabständen, die sehr viel größer sind als die CRNS-Integrationsfläche. Unser Ziel ist es, zeitliche Veränderungen des in Boden und Vegetation gespeicherten Wassers mit vollständiger Abdeckung auf der Skala von kleinen Einzugsgebieten bzw. hydrologischen Grundeinheiten (z.B. 1-10 km2), mit räumlicher Auflösung von wenigen Hektar und dichtem Abstand, vergleichbar mit der CRNS Integrationsfläche, zu messen. Dadurch lassen sich der nicht-invasive Charakter sowie die hohe Mobilität der CRNS-Sonden voll ausnutzen und kontinuierliche Bodenfeuchtekarten über einige Monate hinweg in einem bestimmten Gebiet erfassen. Dies wird eine raum-zeitliche Verteilung der Bodenfeuchte auch für landwirtschaftliche Felder und Waldstücke mit zeitlicher Auflösung im Stundenbereich liefern. Diese Messungen sollen auch zur Erprobung eines neu entwickelten Aufbaus einer CRNS Sonde mit winkelabhängiger Auflösung verwendet werden. Die geplanten Feldkampagnen sind ideal, um Daten für den Vergleich zu anderen Messmethoden (z.B. mobilem CRNS, Drohnenüberfliegungen) und zu hydrologischen Modellen zur Verfügung zu stellen. Die zu erfassenden Muster der raum-zeitlichen Variabilität bilden die Grundlage für die quantitative Beschreibung des Wasserhaushalts und hydrologischer Prozesse im Einzugsgebiet. Und durch eine örtliche Erweiterung des CRNS-Netzes könnte sie sogar in Zukunft auf größere Gebiete (z.B. größer als 10 km2) ausgedehnt werden. Dieses Teilprojekt wird eine Schlüsselrolle bei der Kartierung der Bodenfeuchte in kleinen Einzugsgebieten während der gemeinsamen Feldkampagnen der Forschergruppe sein. Insgesamt wird es erste CRNS-Bodenfeuchte-Karten auf einer Skala liefern, die mindestens eine Ordnung über den bestehenden Boden-Sensor-Netzwerken liegt.
Ziel des Projektes ist es, die Bedeutung wandernder Sandrippel für das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus in Fließgewässerökosystemen aufzuklären. Die etablierten Konzepte zur Sedimentstörung in der Fließgewässerökologie fokussieren auf katastrophale Hochwasserereignisse, die tiefe Erosionen und drastische Verlagerungen der Sedimente bewirken. In Gewässern mit einem hohen Anteil sandiger Sedimente kommt es allerdings bereits bei geringen Abflüssen zu einer periodischen Umlagerung der Bettsedimente in Form wandernder Sandrippel. Diese Sandrippel bedecken, abhängig von der Sedimentfracht, zunehmende Bereiche der Gewässersohle, streckenweise sogar bis zu 100%. Aufgrund des weltweit zunehmenden Feinsedimenteintrags aus den Einzugsgebieten sind Sandrippel ein weit verbreitetes Phänomen in Bächen und Flüssen. Dennoch gibt es zum Einfluss der Sandrippel auf die Fließgewässerökologie nur sehr wenige Untersuchungen, deren Ergebnisse sich teilweise widersprechen. Wir postulieren, dass wandernde Sandrippel abhängig von ihrem Deckungsgrad auf der Sohle das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus des gesamten Gewässers bestimmen. In originären experimentellen Ansätzen untersuchen wir i) die Auswirkungen der Sedimentumlagerung innerhalb wandernder Sandrippel, ii) die Interaktion der Rippelbereiche mit den umliegenden stabilen Sohlbereichen eines Gewässerabschnitts und den Gesamtmetabolismus im Abschnitt und iii) den Return (= Dynamik nach Beendigung der Sedimentumlagerung). Die Bewegung der Sande in wandernden Sandrippeln wird in einer Mikrokosmenanlage simuliert und der Einfluss von Umlagerungsfrequenz, Licht- und Nähstoffregime auf die Respiration, die Primärproduktion und das mikrobielle Nahrungsnetz untersucht. Die Auswirkungen zunehmender Bedeckung der Sohle mit wandernden Sandrippeln auf nahe stabile Sohlbereiche und den Gesamtmetabolismus von Gewässerabschnitten werden in 16 Rinnen einer Fließgewässersimulationsanlage erforscht. In diesen Experimenten werden zudem der Return von mikrobiellen Gemeinschaften und Gesamtmetabolismus mit erfasst. Die Experimente werden ergänzt und validiert durch in situ Messungen in Bächen und Flüssen. Dabei werden die abiotisch Bedingungen im Porenraum wandernder Sandrippel und naheliegender stabiler Sande sowie der lokale Metabolismus mit einer neu entwickelten Sonde gemessen und das mikrobielle Nahrungsnetz und der Kohlenstofftransfer in diesen Sohlbereichen erfasst. Die Synthese der Ergebnisse wird Klarheit schaffen über die Bedeutung wandernder Sandrippel für die mikrobiellen Gemeinschaften und den Stoffumsatz in Fließgewässern. Die zu erwartenden Erkenntnisse werden auch eine bessere Bewertung wandernder Sandrippel ermöglichen und sind somit Grundlage für Schutz und Management der Gewässerfunktionen.
Für das Gebäude ist ein innovatives Heiz- und Kühlsystem vorgesehen, welches drei verschiedene Methoden des Heizen und Kühlens für Niedrigstenergiehäuser unter Berücksichtigung der thermischen Gebäudespeichermasse vorsieht. Zum Zwecke einer langjährigen experimentellen Forschungsarbeit werden die Bodenplatten der Gebäude mit Fundamentspeichern ausgestattet. Die Speicher sollen zur Zwischenlagerung von Heiz- oder Kühlenergie für die Gebäude verwendet werden. Die Gebäude werden über eine Wärmepumpenanlage in Verbindung mit Temperierungssystemen betrieben. Die Gebäude werden mit unterschiedlichen Temperierungssystemen ausgestattet. Es werden sowohl Bauteilaktivierungen, Deckensegel als auch luftgeführte Systeme untergebracht. Ein Vergleich der unterschiedlichen Konzeptionen bei Niedrigstenergiebauweise wird dadurch ermöglicht. Das Langzeitverhalten der Fundamentspeicher kann über einzubauende Temperatursonden im Erdreich und in den Bodenplatten beobachtet werden. Vorgesehen ist ferner, mit Grabenkollektoren und Erdsonden später die oberflächennahe Geothermie als Wärmesenke- bzw. Wärmequelle zu nutzen. So kann das Gebäude bei geringstem Energieaufwand geheizt und in den Sommermonaten teilgekühlt werden. Die Meßergebnisse werden den Kooperationspartnern und Sponsoren für die Entwicklung eigener weiterführender Anlagensysteme zur Verfügung gestellt.
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