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Quantifizierung der Rate der CaCO3-Rekristallisation im Boden und Bildung pedogener Karbonate unter verschiedenen Bedingungen: Experimente, Modell und Überprüfung

Rekristallisation des geogenen Kalks mit dem CO2 aus der Atmung von Wurzel und Mikroorganismen führt zur Bildung pedogener Karbonate, die einer der wichtigsten Schlüssel zur Bestimmung des Alters der Bodenbildung (Radiokarbondatierung) und der Rekonstruktion der Paläou-welt (d13C, d18O) unter semiariden und ariden Klimatenbedingungen sind. Deswegen war ein erhöhtes Interesse für pedogene Karbonate seitens der Geowissenschaften in den vergangenen zwei Jahrzehnten zu verzeichnen. Bis jetzt ist die Geschwindigkeit der Bildung pedogener Karbonate völlig unbekannt, obwohl davon die Präzision der Altersbestimmung und der Paläoumweltrekonstruktionen wesentlich abhängt. In diesem Vorhaben wird die Geschwindigkeit der Bildung der pedogenen Karbonate durch den Isotopenaustausch bei der Rekristallisation des geogenen Kalks mit dem 14CO2 aus der Rhizosphärenatmung der in der 14CO2-Atmosphäre markierten Pflanzen bestimmt. Mit dieser sehr sensitiven und bereits erprobten Methode wird der Einfluss der Pflanzenarten, Dauer des Pflanzenwachstums, Temperatur, Feuchte, CaCO3-Gehalte und CaCO3-Verlagerung auf die CaCO3-Rekristallisationsrate bestimmt. Aus den experimentell ermittelten Abhängigkeiten der Rekristallisation von den Umweltvariablen wird ein Modell zur Bildung der pedogenen Karbonate erstellt und anhand der Radiokarbondatierung der unter verschiedenen Bedingungen entnommen pedogenen Karbonate geprüft. Das Forschungsvorhaben ermöglicht erstmalig die Präzision der Bestimmung des Alters der Bodenbildung und der Rekonstruktion der Paläoumwelt anhand der pedogenen Karbonate experimentell zu quantifizieren.

Wasserbewegung in ungesaettigten Boeden

Fruehere Experimente der vertikalen Verteilung des Kernwaffen- (oder kuenstlich eingebrachten) Tritiums zeigten eine nur sehr langsame, geschichtete Abwaertsbewegung des Niederschlagswassers in der ungesaettigten Bodenzone. Da das Vorruecken des Tritium Tracers immer schneller als das anderer Verunreinigungen im Regenwasser ist, sind so Abschaetzungen des unguenstigsten Falles moeglich (Zivilschutz, Umweltschutz). Jetzt soll geprueft werden, inwieweit eine geschichtete Abwaertsbewegung der Grundwasserspende in der ungesaettigten Bodenzone bei starker kuenstlicher Beregnung erhalten bleibt, bzw. ab welchen Regen-Intensitaeten mit staerkerer Dispersion und Kanalbildung zu rechnen ist.

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress, Teilprojekt B

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Leistungsfähige Sorten der Schmalblättrigen Lupine (Lupinus angustifolius) durch Erschließung des genetischen Potenzials von Wurzeleigenschaften und Rhizosphären-Interaktionen

Gesunde und leistungsfähige Wurzelsysteme der angebauten Kulturen sind unabdingbare Voraussetzungen für sichere und hohe Erträge. Im Projekt sollen Ertrag und Ertragsstabilität Schmalblättriger Lupinen[1] (Lupinus angustifolius) durch Selektion auf Wurzelmerkmale maßgeblich verbessert werden. Neben der Erfassung der Wurzelarchitektur und der Wurzelwachstumsgeschwindigkeit in Rhizotronen soll insbesondere der Wurzelchemotyp (Wurzelexsudate und Rhizodeposite) und dessen Einfluss auf die Rhizosphäre, Knöllchenbildung und Phosphataufschluss mittels GC/MS erfasst werden. Die genetischen Grundlagen sollen mittels differenzieller Expressionsprofile über RNA-Seq-Vergleiche und quantitative PCR mit mRNA analysiert werden. Die Daten werden züchterisch genutzt, um die wurzelbezogenen Merkmale aus bitteren Formen in alkaloidarme Formen der Schmalblättrigen Lupine zu überführen und dort mit wichtigen Domestikations- und Qualitätsmerkmalen zu kombinieren. Dabei sollen die Domestikationsmerkmale (z.B. Platzfestigkeit, Weichschaligkeit) über molekulare Marker verfolgt und selektiert werden. Die Qualitätsmerkmale Protein- und Alkaloidgehalt werden über GC/MS und Einzelkorn NIRS erfasst und in die Selektion einbezogen. Darüber hinaus sollen agronomische Eigenschaften, wie Hochwüchsigkeit, Standfestigkeit und Spätreife berücksichtigt werden, die sich positiv auf zukünftige Anbauformen wie z.B. Mischanbau auswirken können. Das Projekt zielt darauf ab, neuartige Sorten der Schmalblättrigen Lupine zur Verfügung zu stellen, die über leistungsfähige Wurzelsysteme mit neuartigen Eigenschaften neue Anbaugebiete erschließen und deutlich verbesserte Kornerträge und Ertragsstabilitäten liefern können. Die dem beantragenden Konsortium vorliegenden genetischen Ressourcen aus vorangegangenen Projekten und die darin gefundenen Merkmalsausprägungen für z.B. Boden-pH-Toleranz, Pflanzenarchitektur und Hülsenansatz sind hierzu hervorragend geeignet.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1530: Flowering time control: from natural variation to crop improvement, Genetic Dissection of Flowering Time in Wheat by High-density Genome-wide Association Mapping

Wheat (Triticum aestivum L.) is grown worldwide and is one of the most important crops for human nutrition. Einkorn wheat (Triticum monococcum) is a diploid relative of bread wheat and both have the A genome in common. The timing of flowering is of major importance for plants to optimally adjust their life cycle to diverse environments. QTL mapping studies indicated that flowering time in cereals is a complex trait, which is controlled by three different pathways: vernalization, photoperiod and earliness per se. In wheat, high-resolution genome-wide association mapping is now possible, because of the availability of a high density molecular marker chip. The main goal of the proposed project is to investigate the regulation of flowering time in wheat using a genome-wide association mapping approach based on a novel high-density SNP array. In particular, the project aims to (1) investigate the phenotypic variation of flowering time of bread wheat and Einkorn wheat in response to environmental cues in multilocation field trials, (2) study the effects of Ppd alleles on flowering time in a candidate 3 gene approach, (3) determine the genetic architecture of flowering time in a high-density genome-wide association mapping, and (4) investigate the plasticity of the genetic architecture of flowering time in wheat by a comparison between bread wheat and Einkorn wheat.

Innovatives chemisches Schadstoff-Tracking im Meer, Teilprojekt B

Determinierende Faktoren der Vektor-Kompentenz von Frankliniella occidentalis (Kalifornischer Blütenthrips) für das TSWV Virus

Die Epidemiologie des wirtschaftlich in vielen Pflanzenkulturen bedeutenden Tomato Spotted Wilt Virus (TSWV) wird entscheidend determiniert durch die individuelle Fähigkeit der Vektoren (hier der Thrips Frankliniella occidentalis) zur Übertragung des Virus (Vektorkompetenz). Vektorkompetenz ist eine variable Größe in Thripspopulationen. Ziel der Studie ist es Faktoren zu ermitteln, die dieser Variablität zu Grunde liegen. Die Studie umfasst drei Abschnitte: (1) Untersuchungen zur Vererbbarkeit der Veranlagung der Vektor-Kompetenz von F. occidentalis für TSWV (Modellpflanze Paprika). Vorgesehen sind individuelle Kreuzungen von kompetenten und nicht kompetenten Weibchen und Männchen, die Ermittlung von Merkmalsaufspaltungen in der F1 und F2 sowie Rückkreuzungen. Bestimmt wird die Vektorkompetenz im individuellen Biotest (Ausprägung Phänotyp), zudem sollen Mikrosatelliten und/oder AFLP Marker zur genotypischen Charakterisierung eingesetzt werden. (2) Im zweiten Teil steht die Variabilität des Merkmals in Abhängigkeit von der Populationsstruktur im Vordergrund. Verglichen wird das Verhältnis von kompetenten und nicht kompetenten Individuen über die Zeit (Generationen) in isolierten Populationen unterschiedlicher Größe und bei künstlicher Fragmentierung (Gendrift; Flaschenhals-Effekte). (3) Im dritten Teil werden Faktoren analysiert, die zusätzlich die Verteilung (Rate) kompetenter Individuen in Populationen beeinflussen können, wiederum an prä-determinierten Individuen: Selektive Partnerwahl, Wirtspflanzenwahl, Intensität (Dauer, Frequenz) der Nahrungsaufnahme, Mobilität, Lebensdauer, Reproduktionsrate.

C-Umsatz und C-Festlegung im Boden unter Miscanthus x gigantheus mit Hilfe natürlicher 13C-Abundanz

Angesichts der durch steigende Kohlendioxid (CO2)- Konzentrationen bedingten Klimaerwärmung wird nach Möglichkeiten gesucht, CO2 unter anderem in terrestrischen Senken für längere Zeiträume festzulegen. Am Beispiel von Miscanthus x giganteus (Greef et Deu.) wurde untersucht, ob durch den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen eine Kohlenstoff (C)- Festlegung in Böden unterschiedlicher Textur möglich ist. Zu diesem Zweck wird die Methode der natürlichen 13C-Abundanz angewandt. Mit dieser modernen Methode können C-Umsatzzeiten des Gesamtkohlenstoffs im Boden sowie seiner verschieden Pools abgeschätzt werden, aber auch die C-Dynamik auf molekularer Basis durch komponentenspezifische O13C Lipidanalysen untersucht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die unter Miscanthus ermittelten C-Verweilzeiten nur geringfügig länger sind als diejenigen unter Mais. Die jährliche Festlegung von miscanthusbürtigem C in der organischen Bodensubstanz (OBS) bestätigt nur für lehmigen Boden eine höhere C-Sequestrierung von Miscanthus. Es wurde eine vergleichbare C-Akkumulation durch den Miscanthusanbau wie in Grünlandböden festgestellt. Ebenso zeigen Inkubationsexperimente im Miscanthusboden eine ähnliche kumulative CO2-Freisetzung wie in Böden unter Grünland mit einer Tendenz zu geringfügig niedrigeren Freisetzungsraten im Miscanthusboden, Die Anteile von miscanthusbürtigem C am freigesetzten CO2 sind ähnlich wie in Versuchen mit Mais. Es lässt sich eine schnellere Umsetzung des miscanthusbürtigen C in der mikrobiellen Biomasse als leicht umsetzbarer C-Fraktion bestätigen. Die Zugabe leicht verfügbarer organischer Substanzen bewirkte eine verstärkte Mineralisierung der OBS, wobei dieser zusätzlich freigesetzte C entgegen den Erwartungen aus der alten, C3 bürtigen OBS Fraktion stammte. In 13C- Markierungsexperimenten konnte in Miscanthus, Mais, Weizen und Roggen die Verlagerung des kürzlich assimilierten CO2 in Pflanzenteilen verfolgt werden. Eine Verlagerung in den Boden fand hierbei kaum statt. Die O13C-Werte aus den komponentenspezifischen O13C- Lipidanalysen sind vielversprechend für die Diagnose von molekularen Markern und die daraus erfolgende Bestimmung der Umsatzraten. An den CO2- Konzentrationen der Bodenluft und der Herkunft des CO2 konnte der besondere Vegetationszyklus (später Wachstumsbeginn, verzögertes Wurzelwachstum) von Miscanthus wiedergespiegelt werden.

Partielle Umkehrbarkeit der Dispersion in heterogenen porösen Medien

Beim Stofftransport in heterogenen porösen Medien unterscheidet sich die Spreizung einer Stoffwolke, die ihre zunehmende Ungleichförmigkeit misst, von der Mischung, die den Stoffaustausch der Wolke mit ihrer Umgebung quantifiziert. Der erste Prozess geht dem zweiten voraus, aber nur der zweite ermöglicht durchmischungskontrollierte Reaktionen. Es fehlen Theorien, die sowohl die großskalige nicht-Ficksche Spreizung als auch die Mischung gut beschreiben. Die bestehenden Theorien geben auch keine praktischen Hinweise, welche großskaligen konservativen Transportexperimente geeignet sind, um die Mischung zu quantifizieren. Das Projekt nützt aus, dass die kinematische Verformung von Wasserpaketen in heterogenen porösen Medien vollständig umkehrbar ist, wohingegen die diffusive Vermischung irreversibel ist. Die Wechselwirkung zwischen Deformation und kleinskaliger Mischung beim Stofftransport in solchen Medien bewirkt eine partielle Umkehrbarkeit der Spreizung: Nach einer Flussumkehr nimmt die räumliche Ausdehnung einer Stoffwolke ab, erreicht aber nicht den ursprünglichen Ausgangszustand. Das Projekt analysiert zweite Zentralmomente von Stoffwolken (, deren halbe zeitliche Veränderung Dispersionskoeffizienten definieren,) in heterogenen porösen Medien mit makroskopisch gleichförmiger Strömung, die umgekehrt wird. Der irreversible Anteil der Dispersion nach gleicher Zeit der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung wird als Maß für die Mischung angenommen. In nicht-radialen “push-pull” Experimenten wird die Varianz der Durchbruchskurve der zurückkommenden Stoffwolke im Zugabe/Entnahme-Querschnitt betrachtet. Die Untersuchungen umfassen Particle-Tracking Random-Walk Simulationen in 3-D virtuellen Medien, stochastische Störungsmethoden für die theoretische Analyse räumlicher Momente, einen neuen korrelierten Continuous-Time Random-Walk Ansatz mit Erinnerung vorangegangener Schritte und zufälligem Austausch mit dem Mittelwert für die Analyse zeitlicher Momente sowie Tracerexperimente in einem ca. 2m × 1m quasi 2-D Versuchsbehälter mit Fluiden, die den gleichen Brechungsindex wie Glas haben, um die Detektion mittels Lichttransmission zu optimieren. Die Experimente erfassen auch die Durchbruchskurven der zurückkehrenden Tracer. Es wird vermutet, dass die lineare stochastische Theorie die Ensemble- und effektiven Momente bei kleiner Heterogenität gut vorhersagen. Die Erhöhung der inversen Péclet-Zahl, der Stärke der Heterogenität und der Anisotropie sollte den irreversiblen Anteil der Dispersion erhöhen. Es wird erwartet, dass die zweiten Zentralmomente nach Strömungsumkehr abnehmen und wieder zunehmen, bevor die Ausgangsposition der Wolke erreicht wird. Die Schrumpfungszeit und der reversible Anteil der Ensemble-Dispersion sollte mit der lokalen Péclet-Zahl skalieren. Das Projekt entwickelt neue theoretische und experimentelle Ansätze um Spreizung von Mischung in heterogenen porösen Medien zu unterscheiden, was das Verhalten reaktiver Stoffe kontrollieren kann.

Messgeräteplattform & Sensorpaket zum hybriden Monitoring von Fließgewässern

Das Wasserfahrzeug als Messgeräteplattform besteht aus einem durch zwei Motoren angetriebenen Katamaran. Das Sensorpaket beinhaltet Messtechnik zur gleichzeitigen Erfassung der Gewässergüte (Multiparametersonde), der Gewässertopografie (Vertikal-Echolot, Seitensichtsonar) sowie hochaufgelöster Strömungsverhältnisse im Fließquerschnitt (9-strahlige Akustik-Doppler-Sonde). Weiter ist ein LiDAR-Sensor zur Erfassung und Kartierung der Ufervegetation bzw. Bebauung an und in Gewässerrandstreifen vorgesehen. Für eine georeferenzierte Datenerfassung soll die Messgeräteplattform mit einem GNSS-Empfänger (RTK-Genauigkeit) ausgestattet werden und ergänzend eine Zielmarke erhalten, sodass ein Tracking über Kopter und Vermessungsdrohnen (UAVs) ermöglicht wird. Mit den Messgeräten sollen Forschungsfragen in den Handlungsfeldern „Digitalisierung der Wasserwirtschaft“, „Resilienz gegenüber Hoch- und Niedrigwasserereignissen“ und „Neue Verfahren zur Datenerhebung in der Wasserwirtschaft“ beantwortet werden. Grundlegend wird mit dem Großgerät die Aufnahme von Messdaten angestrebt, die möglichst viele gewässerbezogene Parameter enthalten. So soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche die Grundlage für die Beantwortung der folgenden Forschungsfragen darstellt: - Inwiefern sind datengetriebene Modelle in der Lage, strukturelle Veränderungen im Gewässer abzubilden und diese auf Wasserstand-Abfluss-Beziehungen zu übertragen bzw. ebendiese zu aktualisieren? - Lassen sich räumliche und raumzeitliche (Auto-) Korrelationen von Niederschlag- und Abflussdaten mittels maschineller Lernverfahren (ML) (insbesondere Long Short-Term Memory-Methoden) modellieren und welchen Einfluss haben Menge und Qualität der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Systemantwort „Abfluss“? - Wann und wo finden Sedimentationsprozesse in Speichersystemen (z. B. Talsperren) statt und können diese durch gezielte Bewirtschaftungspläne verhindert werden? - Welche Auswirkungen hat die Volumenänderung auf die Bewirtschaftung von Speichersystemen und die Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung der Wasserversorgung?

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