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Found 144 results.

Untersuchungen des Tagesgangs verschiedener Spurengase mit Hilfe der solaren Absorptionsspektroskopie im infraroten Spektralbereich im tropischen Westpazifik (TROPAC)

Der Ozean im Westpazifik ist mit Temperaturen von ganzjährig 30°C der wärmste Ozean der Welt. Im tropischen Westpazifik ist die Lufttemperatur der Grenzschicht weltweit am höchsten und die Ozonkonzentration am niedrigsten. Aufgrund der allgemeinen Advektion der Luftmassen in der unteren und mittleren Troposphäre aus dem Osten durch die Walker-Zirkulation über den Pazifik befindet sich die Luft über dem tropischen Westpazifik für längere Zeit in einer sauberen, warmen und feuchten Umgebung. Der Abbau von reaktiven Sauerstoff- und Ozonvorläufern wie NOx findet daher länger als anderswo in den Tropen, was zu sehr niedrigen Ozonkonzentrationen führte. Dies erhöht die Lebensdauer von kurzlebigen biogenen und anthropogenen Spurengasen. Darüber hinaus begünstigen hohe Meeresoberflächentemperaturen eine starke Konvektion im tropischen Westpazifik, was zu niedrigen Ozonmischungsverhältnissen in den konvektiven Ausflussgebieten in der oberen Troposphäre führen kann. Der Warmpool im Westpazifik ist auch eine wichtige Quellregion für stratosphärische Luft. Daher fallen die Region, in der die Lebensdauer kurzlebiger Spurengase erhöht ist, und die Quellregion der stratosphärischen Luft zusammen. Somit bestimmt die Zusammensetzung der troposphärischen Atmosphäre in dieser Region in hohem Maße auch die globale stratosphärische Zusammensetzung.Ozon ist aufgrund von Rückkopplungsprozessen zwischen Temperatur, Dynamik und Ozon ein wichtiges Spurengas in der Klimaforschung. Da der Warmpool im Westpazifik die Hauptquellenregion für stratosphärische Luft ist, ist die Kenntnis von Ozon und anderen kurzlebigen Spurengasen auch wichtig, um den Transport von Spurengasen in die Stratosphäre zu verstehen.Ziel unseres Projektes ist die Messung des Tagesgangs von Ozon und anderen Spurengasen mit Hilfe der hochauflösenden solaren Absorptions-FTIR-Spektroskopie. Die Messungen liefern die Gesamtsäulendichten von bis zu 20 Spurengasen. Für einige Spurengase erlaubt die Analyse der Spektrallinienform die Ableitung der Konzentrationsprofile in bis zu etwa vier atmosphärischen Höhenschichten. Ergänzt werden die Beobachtungen durch Ozonballonsondierungen, kontinuierliche Messungen der UV-Strahlung, und Modellrechnungen mit einem Chemie-Transport-Modell. Die Messungen sind für den Zeitraum August bis Oktober 2022 geplant, die Auswertung und Interpretation von November 2022 bis Januar 2023.

Chronosequenzielle Veränderungen von Eigenschaften sich selbst-restaurierender, post-agrarischer Albeluvisole der Taiga und Calcisole und Solonetze der trockenen Steppe Russlands, unter besonderer Berücksichtigung der Humusdynamik

In vielen Ländern war die Ackernutzung bis vor kurzem stark im Rückgang begriffen. Landwirtschaftlich genutzte Böden wurden ungenutzt oder sie wurden sich selbst überlassen (Selbst-Restaurierung). Diese Entwicklung kann bei bekanntem und unterschiedlichem Alter sich selbst-restaurierender Böden in Chronosequenzen untersucht werden, was für dieses Forschungsvorhaben vorgeschlagen wird. Da der Anteil sich selbst-restaurierender Böden gerade in Russland besonders groß ist, sollen in diesem Vorhaben die chronosequenziellen Veränderungen von Eigenschaften sich selbst-restaurierender Albeluvisole der Taiga und Calcisole und Solonetze der trockenen Steppe untersucht werden. Es werden Veränderungen der Vegetation und der Bodeneigenschaften in Richtung der natürlichen Ausprägungen erwartet sowie Veränderungen in der Quellen-Senkenfunktion für Kohlenstoff. Während wie bei Selbstrestaurierungen typisch eine Kohlenstoffsenke für die Albeluvisole angenommen werden kann, ist bei den Calcisolen und Solonetzen eher eine Kohlenstoffquelle zu erwarten. In diesem Vorhaben sollen die bei Selbst-Restaurierung erwarteten Veränderungen insbesondere in der Vegetation, Morphologie, im Gefüge, im Nährstoffhaushalt und in der organischen Substanz bezüglich Quantität, Qualität sowie verschiedener Pools bzw. Fraktionen und Assoziationen untersucht werden. Letzteres steht aufgrund der Relevanz hinsichtlich des globalen Kohlenstoffkreislaufs im besonderen Focus dieses Projekts. Um die Dauer der Selbstrestaurierungen bis zum endgültigen Erreichen des natürlichen Bodenzustands und die Verläufe der Selbst-Restaurierungen bei unterschiedlichen Faktorenkonstellationen zu erfassen sollen unterstützend Modellierungen vorgenommen werden.

Indonesian Throughflow variability on sub-orbital timescales during Marine Isotopes Stages (MIS) 2 and 3

This project will provide quantitative estimates of the flow of low-salinity warm water through the Indonesian Gateway on suborbital timescales during MIS 2 and 3 (focusing on Dansgaard Oeschger (D-O) oscillations) and will assess the Indonesian Throughflow (ITF) s impact on the hydrography of the eastern Indian Ocean and global thermohaline circulation during this critical interval of high climate variability. ITF fluctuations, associated with sea level change, temperature and salinity variations in the West Pacific Warm Pool (WPWP) strongly influence precipitation over Australia, the strength of the southeast-Asian summer monsoon, and the intensity of warm meridional currents in the Indian Ocean. We will test the hypothesis that increased ITF is associated with warm interstadials of MIS 3, whereas a strong reduction in ITF occurred during stadials. We will use as main proxies planktonic and benthic foraminiferal isotopes in conjunction with Mg/Ca temperature estimates and radiogenic isotopes (mainly Nd) as tracers of Pacific water masses along depth transects in the Timor Passage and the eastern Indian Ocean. This project will provide the paleoceanographic framework that will be crucial to validate and refine circulation models of D-O events and high-frequency climate variability on a global scale.

Biogenic formation of non-extractable residues from pesticides in soil

During microbial turnover of organic chemicals in soil, non-extractable residues (NER) are formed frequently. Studies on NER formation usually performed with radioisotope labelled tracer compounds are limited to localisation and quantitative analyses but their chemical composition is left unknown. Recently, we could show for 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and ibuprofen that during microbial turnover in soil nearly all NER were derived from microbial biomass, since degrading bacteria use the pollutant carbon for their biomass synthesis. Their cell debris is subsequently stabilised within soil organic matter (SOM) forming biogenic NER (bioNER). It is still unknown whether bioNER are also formed during biodegradation of other, structurally different compound classes of organic contaminants. Therefore, agricultural soil will be incubated with labelled compounds of five classes of commonly used and emerging pesticides: organophosphate, phenylurea, triazinone, benzothiadiazine and aryloxyphenoxypropionic acid. The fate of the label will be monitored in both living and non-living SOM pools and the formation of bioNER will be quantified for each compound over extended periods of time. In addition, soil samples from long-term lysimeter studies with 14C-labelled pesticide residues (e.g. triazine, benzothiazole and phenoxypropionic acid group) will be also analysed for bioNER formation. The results will be summarised to identify the metabolic conditions of microorganisms needed for bioNER formation and to develop an extended concept of risk assessment including bioNER formation in soils.

Quecksilberisotopenverhältnisse als Werkzeug zur Bestimmung von Speziestransformationsprozessen in kontaminierten Boden-Aquifer-Systemen

Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen Fraktionierungs-Signaturen, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen. Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als natürliche Labore zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist. Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Labor-versuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungs-prozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor.

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.

Origin and fate of dissolved organic matter in the subsoil

Dissolved organic matter (DOM) is one major source of subsoil organic matter (OM). P5 aims at quantifying the impact of DOM input, transport, and transformation to the OC storage in the subsoil environment. The central hypotheses of this proposal are that in matric soil the increasing 14C age of organic carbon (OC) with soil depth is due to a cascade effect, thus, leading to old OC in young subsoil, whereas within preferential flowpaths sorptive stabilization is weak, and young and bioa-vailable DOM is translocated to the subsoil at high quantities. These hypotheses will be tested by a combination of DOC flux measurements with the comparative analysis of the composition and the turnover of DOM and mineral-associated OM. The work programme utilizes a DOM monitoring at the Grinderwald subsoil observatory, supplemented by defined experiments under field and labora-tory conditions, and laboratory DOM leaching experiments on soils of regional variability. A central aspect of the experiments is the link of a 13C-leaf litter labelling experiment to the 14C age of DOM and OM. With that P5 contributes to the grand goal of the research unit and addresses the general hypotheses that subsoil OM largely consists of displaced and old OM from overlying horizons, the sorption capacity of DOM and the pool size of mineral-associated OM are controlled by interaction with minerals, and that preferential flowpaths represent 'hot spots' of high substrate availability.

Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Root distribution and dynamics and their contribution to subsoil C-fluxes

It has been suggested that dying and decaying fine roots and root exudation represent important, if not the most important, sources of soil organic carbon (SOC) in forest soils. This may be especially true for deep-reaching roots in the subsoil, but precise data to prove this assumption are lacking. This subproject (1) examines the distribution and abundance of fine roots (greater than 2 mm diameter) and coarse roots (greater than 2 mm) in the subsoil to 240 cm depth of the three subsoil observatories in a mature European beech (Fagus sylvatica) stand, (2) quantifies the turnover of beech fine roots by direct observation (mini-rhizotron approach), (3) measures the decomposition of dead fine root mass in different soil depths, and (4) quantifies root exudation and the N-uptake potential with novel techniques under in situ conditions with the aim (i) to quantify the C flux to the SOC pool upon root death in the subsoil, (ii) to obtain a quantitative estimate of root exudation in the subsoil, and (iii) to assess the uptake activity of fine roots in the subsoil as compared to roots in the topsoil. Key methods applied are (a) the microscopic distinction between live and dead fine root mass, (b) the estimation of fine and coarse root age by the 14C bomb approach and annual ring counting in roots, (c) the direct observation of the formation and disappearance of fine roots in rhizotron tubes by sequential root imaging (CI-600 system, CID) and the calculation of root turnover, (d) the measurement of root litter decomposition using litter bags under field and controlled laboratory conditions, (e) the estimation of root N-uptake capacity by exposing intact fine roots to 15NH4+ and 15NO3- solutions, and (f) the measurement of root exudation by exposing intact fine root branches to trap solutions in cuvettes in the field and analysing for carbohydrates and amino acids by HPLC and Py-FIMS (cooperation with Prof. A. Fischer, University of Trier). The obtained data will be analysed for differences in root abundance and activity between subsoil (100-200 cm) and topsoil (0-20 cm) and will be related to soil chemical and soil biological data collected by the partner projects that may control root turnover and exudation in the subsoil. In a supplementary study, fine root biomass distribution and root turnover will also be studied at the four additional beech sites for examining root-borne C fluxes in the subsoil of beech forests under contrasting soil conditions of different geological substrates (Triassic limestone and sandstone, Quaternary sand and loess deposits).

Klimaerwärmung und Kohlenstoffdynamik von Waldböden

Wie sich die Klimaerwärmung auf den organischen Kohlenstoff (C) Pool von Waldböden auswirkt ist noch nicht vollständig geklärt. Höhere Temperaturen regen die Aktivität von Mikroorganismen an. Es wird mehr organischer C umgesetzt und die CO2-Emissionen aus dem Boden (Bodenatmung) steigen. Wie stark die Bodenatmung zunimmt, hängt von der verfügbaren Menge des organischen C (Vorrat und Eintrag), dessen chemischer Qualität und der Reaktion der Mikroorganismen auf die Temperaturerhöhung ab. Die Auswirkungen der Erwärmung verändern sich mit der Zeit. Durch die erhöhte Aktivität der Mikroben kann etwa die Verfügbarkeit von leicht abbaubarer org. Substanz mit der Zeit abnehmen. Die Struktur der Mikroorganismen-Gemeinschaft kann sich mit der Zeit verändern bzw. Mikroorganismen können sich physiologisch an höhere Temperaturen anpassen. Beide Prozesse, laufen langsam ab. Kurzfristige Reaktionen auf die Erwärmung weichen daher von langfristigen ab. Um die langfristigen Auswirkungen der Erwärmung auf den C-Kreislauf von Wäldern zuverlässig abschätzen zu können, sind experimentelle Simulationen im Freiland erforderlich. Im Erwärmungs-Experiment 'Achenkirch' wird seit 2004 ein Bodentemperaturanstieg um 4 C simuliert. Speziell in den ersten Jahren (2004 - 2007) hat die experimentelle Erwärmung den CO2 Ausstoß aus dem Waldboden stark erhöht (+40Prozent). In den letzten Jahren (2008, 2009) war ein leichter Rückgang des Effekts bemerkbar. Eine Fortführung der Erwärmung ermöglicht uns, langfristige Auswirkungen auf den C-Vorrat im Boden abzuschätzen. Das Experiment ist eines von sehr wenigen in situ Erwärmungs-Experimenten weltweit, in welchem langfristige Trends erforscht werden. Die Verlängerung des Erwärmungsexperiments ermöglicht uns C-Pool Veränderungen auf zweierlei Arten abzuschätzen, (i) aus den gemessenen C-Flüssen der letzten 9 Jahre, und (ii) aus dem Vergleich der C-Pools auf erwärmten und unbehandelten Flächen (2013). Durch die Integration von oberirdischen Komponenten kann eine langfristige Abschätzung der Folgen der Erwärmung auf C-Flüsse und Pools des Wald-Ökosystems erfolgen - eine Grundlage für künftige Kyoto Berichterstattung. Um funktionelle Abläufe im Boden besser zu verstehen ist es nötig, die heterogene organische Bodensubstanz in labile und stabile Fraktionen aufzutrennen. Die org. Substanz wird physikalisch fraktioniert und die Umsatzzeit der einzelnen Fraktionen wird mittels Radiokarbon (14C) Messung bestimmt. Die Umsatzzeiten der einzelnen Fraktionen geben Aufschluss über die Auswirkungen der Erwärmung auf labile und rekalzitrante C-Pools. Durch eine detailierte chemische Analyse der verschiedenen org. C-Pools sollen neue Einblicke in die Funktionsweise des Boden-C Kreislaufs gewonnen werden. usw.

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