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Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Feuerinduzierte Elementumverteilung und -verluste in der Verwitterungszone

Das Extremereignis Feuer gilt als zentraler geomorphologischer Faktor, da es in kürzester Zeit zu wesentlichen Verlusten der Nähr- und Ballastelemente aus Ökosystemen führt. Feuer in (semi-)ariden, mediterranen und semihumiden Waldökosystemen verursachen dramatische Umverteilungen und Verluste von allen Elementen, die zuvor von Mikroorganismen im Saprolit mobilisiert und durch die Vegetation an die Oberfläche transportiert wurden. In der 1. Projektphase wurde die durch Wurzelkohlenstoff induzierte mikrobielle Elementmobilisierung sowie die pflanzliche Nährstoffaufnahme aus Boden und Saprolit untersucht. In der 2. Phase werden Elementverluste durch Feuer in Interaktion mit den Brandeffekten auf mikrobielle Gemeinschaften und deren Funktionen aufgeklärt. Nach kontrollierten Bränden und in natürlichen Brandchronosequenzen werden die aus Boden und Saprolit mobilisierten Elementpools bestimmt und die Gehalte verfügbarer Nährstoffe und Balastelemente ermittelt. Elementverluste durch Auswaschung und Erosion werden mittels Tracern für N, K, Ca und Si quantifiziert. Die fatalen Effekte von Feuer auf mikrobielle Gemeinschaften und Funktionen werden durch die relative Häufigkeit von symbiotischen und saprotrophen Pilzphyla, diazotrophen Organismen, Phospholipidfettsäuren (PLFA) sowie Enzymaktivitäten im Oberboden untersucht. Die mikrobielle Sukzession nach Brand wird mit Fokus auf stresstolerante und mineralverwitternde Pilze erforscht. Die Klärung der funktionellen Rolle von Pilzen und Bakterien wird durch den Vergleich der qPCR-Analyse mit Hochdurchsatzsequenzierung unterstützt. Besonderer Fokus liegt auf den Pilzen, welche unter aeroben Bedingungen an Gesteinsoberflächen und an der Wurzel-Boden-Grenzfläche Nährstoffe mobilisieren. Stresstolerante Pilze (i) bilden direkten Kontakt mit Mineralien, fördern die chemische Verwitterung von Nährstoffen aus Primärmineralien und (ii) können die Wiederbesiedlung des kahlen Bodens nach Feuer beschleunigen. Die kurz- und mittelfristige Sukzession mikrobieller Gemeinschaften wird mit der zu erfassenden Zunahme der Enzymaktivitäten und der Mobilisierung und Akkumulation der Nährstoffe im Oberboden verglichen. Alle Studien werden entlang des Klimagradienten von Pan de Azucar nach Nahuelbuta durchgeführt, um Niederschlagseffekte auf die absoluten und relativen Verluste von Nährstoffen und Ballastelementen nach Feuer sowie auf die Erholung der Ökosysteme aufzuklären. Die Ergebnisse der 1. Phase ermöglichen die Verallgemeinerung der Nährstoffkreisläufe stabiler Ökosysteme im Fließgleichgewicht. Die Ergebnisse der 2. Phase erlauben die Generalisierung der Folgen des Extremereignisses Feuer auf Elementverluste und nachfolgende Remobilisierung durch Verwitterung im Verlauf der Sukzession. Da die Aridisierung und damit die Feuerhäufigkeit weltweit zunehmen, ist die aus diesem Projekt erwartete Vorhersage ökosystemarer Nährstoffverlusten und die Konsequenzen für eine verstärkte Verwitterung von globaler Relevanz.

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.

Beseitigung der Striga-Plage im Sorghumanbau in Afrika durch Kombination von markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion

Übergeordnetes Ziel ist die Erhöhung der Nahrungssicherheit in den mit dem parasitischen Unkraut Striga (Striga hermonthica) infizierten Sorghum (Sorghum bicolor)-Anbaugebieten in Eritrea, Kenia, Mali und Sudan. Hierzu soll zusammen mit NARS dieser Länder die Strigaresistenz von lokal adaptierten, Farmer-bevorzugten Sorghumsorten durch Anwendung einer Kombination aus markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion verbessert werden. Molekulare Marker für quantitative, im Feld erfasste Strigaresistenz wurden während eines BMZ-finanzierten gemeinschaftlichen Projektes des ICRISAT mit den Universitäten Hohenheim und Tübingen (1995-2000) und danach im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Habilitationsvorhabens (2000-2003) identifiziert und validiert. Die Effekte von fünf QTL ('quantitative trait loci') für Strigaresistenz der Elternlinie N13' erwiesen sich dabei als stabil über zehn Feldversuche in Mali und Kenia, zwei Jahre und zwei unabhängige Genotypstichproben der Kartierungspopulation. Die einzelnen QTL erklären zwischen 12 - 30 Prozent der phänotypischen Variation und tragen zu einer partiellen, quantitativen und somit stabilen Resistenz bei. Die entsprechenden flankierenden Marker sollen im Projekt genutzt werden. Darüber hinaus wird eine simultane sozio-ökonomische Studie der Sorghum-Saatgutverteilungssysteme in den vier Ländern durchgeführt. Die Schlagkraft der verbesserten Sorten soll des weiteren durch Integration in bestehende Methoden der integrierten Strigabekämpfung erhöht werden. Die Langzeitwirkung der im Projekt entwickelten Sorten könnte durch offene Bestäubung in den genetisch sehr vielfältigen Feldern der Landwirte beeinträchtigt werden. Daher sollen auch die aktuellen Auskreuzungsraten der Farmer-bevorzugten Sorghumsorten untersucht werden. Daraus sollen Schlüsse über die Stabilität der transferierten Strigaresistenz-QTL gezogen und Empfehlungen für die Sortenerhaltung abgegeben werden.

Luftmassenexport aus dem asiatischen Monsun in die außertropische Stratosphäre: Auswirkungen auf Chemie und Strahlung (AirExam)

Der asiatische Sommermonsun ist charakterisiert durch hohe Konvektion über Südasien, die mit der asiatischen Monsun-Antizyklone (AMA) zusammenhängt, der sich von der oberen Troposphäre bis in die untere Stratosphäre (UTLS) erstreckt. Diese Antizyclone ist das ausgeprägteste Zirkulationsmuster in diesen Höhen während des borealen Sommer. Es ist bekannt, dass der Export von Monsunluft quasi-isentropisch aus der AMA sowohl im Osten als auch im Westen, einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung der außertropischen unteren Stratosphäre hat. Jedoch sind die relative Stärken der beiden Wege bisher unbekannt. Der Transport von Luftmassen aus der AMA in die nördliche außertropische UTLS wirkt sich entscheidend auf die Chemie der Stratosphäre und ihrenStrahlungshaushalt (z.B. durch Transport von H2O, Aerosol oder ozonschädigende Stoffe) aus. Im Rahmen dieses Projekts AirExam wird der quasi-isentropischer Luftmassenexport aus der AMA durch verschiedene Wegen und seine Auswirkungen auf Chemie und Strahlung der außertropische UTLS quantifiziert durch u.a. HALO-Flugzeugmessungen (insbesondere aus die für Sommer 2023 geplanten PHILEAS-Kampagne), Simulationen mit dem Chemischen Transportmodell CLaMS und Strahlungsberechnungen. Unser Projekt AirExam wird sich mit den folgenden offenen Schlüsselfragen befassen:1) Welchen relativen Beitrag leisten die beiden quasi-horizontalen Transportwege (nach Westen und Osten) aus dem asiatischen Monsun-Antizyklon zur Zusammensetzung der außertropischen unteren Stratosphäre?2) Wie groß ist die jährliche Variabilität des Transports aus der asiatischen Monsun-Antizyklone in die außertropische untere Stratosphäre und was sind die Hauptquellenregionen auf der Erde Oberfläche?3) Was ist die Auswirkung des Wasserdampftransports aus der asiatischen Monsun-Antizyklone zum H2O-Budget der außertropischen UTLS und seine Strahlungswirkung?In unserem Projekt werden wir HALO-Messungen (insbesondere H2O) mit globalen 3-dimensionalen CLaMS-Simulationen kombinieren, die von neuen hochaufgelösten ERA-5-Reanalyse des ECMWF angetrieben werden. CLaMS-Simulationen auf der Grundlage von ERA-5 sind ein neues Instrument zur zuverlässigen Beschreibung von Transportprozessen in der Region des asiatischen Monsuns und seiner globalen Auswirkungen. Die Strahlungswirkung des durch den asiatischen Monsun verursachten H2O-Anstiegs im Sommer und Herbst wird mit Hilfe des Strahlungs-Transfercodes Edwards und Slingo berechnet. H2O ist das wichtigste Treibhausgas, und die Befeuchtung der Stratosphäre ist eine wichtige Triebkraft des Klimawandels. Unser Projekt AirExam wird die Auswirkungen des verstärkten H2O-Transports in die untere Stratosphäre quantifizieren und kann daher dazu beitragen, die potenziellen Risiken des Luftmassentransports aus der asiatischen Monsunregion auf die globale Stratosphäre zu bewerten.

Grundwasser-Projekt ArNO: Nitratbelastung von Einzugsgebieten - Eignung der verwendeten Grundwassermessstellen zur Ermittlung der Nitratbelastung unter Berücksichtigung historisch erzeugter Nitrateinträge

Austauschprozesse mit Totzonen und in langsam durchflossenen Gewaesserteilen

Intensive Austauschprozesse mit dem Sediment finden auch in der Spree statt. Die woechentlichen Messbilanzbetrachtungen im Experimental-Altarm Freienbrink zeigen wechselnde Verluste und Gewinne an. Die 1995 wieder aufgenommenen Messungen der P-Konzentrationen beweisen, dass es sich dabei um Wechselwirkungen mit den Ablagerungen handelt. Gewinne und Verluste von ueber 10 Prozent TP erfaehrt das den Altarm durchfliessende Wasser innerhalb weniger Stunden Aufenthaltszeit. Langsam erfolgt dagegen die Umlagerung der rund 3000 Kubikmeter Mudde zu fliessgewaessertypischen Strukturen seit der Wiedereroeffnung des Altarmes 1992. Oekologisch sehr bedeutsam sind die Totzonen am Flussufer. Mit Hilfe von Tracerversuchen zwischen Spreewerder und Freienbrink und eines mathematischen Modells wurde ermittelt, dass die Totzonen eine durchschnittliche Breite zwischen 3 und 5 m besitzen. Durch die Totzonen wird der gesamte Wasserfluss verzoegert. Innerhalb der 'Durchschnitts- Totzone' haelt sich das Wasser rund 20 Minuten auf. Eine Verdoppelung der Aufenthaltszeit erfaehrt aber nur 2 Prozent des Wassers.

Umsetzung der Produktverantwortung durch Kreislaufschließung bei Geokunststoffen, Teilvorhaben 4: NIR/VIS Technik und Tracer zur Kreislaufschließung bei GEOK

Zukunftsszenarien zur Förderung einer nachhaltigen Nutzung mariner Räume, Vorhaben: Schutz oder Nutzung - Einfluss mariner Schutzgebiete und Windparks auf das Ökosystem

Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Ackerbohnen gegenüber den Erregern der Leguminosenmüdigkeit und dem Befall der Schwarzen Ackerbohnenblattlaus (Aphis fabae) & Grünen Erbsenblattlaus (A. pisum)

Der Ökologische Landbau benötigt Sorten, die sich neben überlegenen agronomischen und qualitativen Eigenschaften durch hochwirksame Resistenzen bzw. Toleranzen auszeichnen. Auch in konventionellen Produktionsverfahren, wird eine Reduktion des Einsatzes chemischer Pflanzenschutzmittel im Sinne des Green Deals forciert und erfordert dringend das Resistenz- bzw. Toleranzprofil zukünftiger Sorten zu verbessern. Züchtung bietet hierzu die ökologisch und ökonomisch nachhaltigste Form des Pflanzenschutzes. Jedoch sind die Resistenz/Toleranz gegen Faktoren der Leguminosenmüdigkeit bzw. Blattlausbefall äußerst vielschichtig, durch ihre Interaktionen hochkomplex und in weiten Teilen nicht hinreichend verstanden. FABA Robust adressiert diesen Handlungsbedarf, indem aufbauend auf einer systematischen Analyse der beiden biotischen Stressoren aus einem genetisch vielfältigem Material adäquate Resistenz-/Toleranzeigenschaften identifiziert und ihre genetischen Determinanten eingegrenzt werden. Dazu ist vorgesehen, einerseits Kreuzungen von aussichtsreichen Resistenzdonoren mit nicht-resistenten Elitesorten durchzuführen, die sich im Übrigen für Anbau und Verwertung entscheidenden Kriterien auf einem hohen Niveau befinden und für die Praxis relevant sind. Damit wird eine multiparentale Kartierungspopulation aufgebaut, die für die genetische Kartierung der Pilzresistenz herangezogen wird und in Abhängigkeit der genetischen Architektur schließlich in der Entwicklung molekularer Marker bzw. Schätzung genomweiter Markereffekte münden soll. Solche Kenntnisse sollen von der praktischen Züchtung aufgegriffen und mit ausgezeichneten agronomischen und qualitativen Eigenschaften kombiniert werden, um die biotische Widerstandsfähigkeit der Ackerbohnen zu erhöhen.

Klimagesteuerte Variabilität der Kohlenstoffisotope in für diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) des Südpolarmeeres

Gegenstand des Vorhabens ist die organisch-geochemische Untersuchung von diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) aus Sedimenten des Südpolarmeeres für die letzten ca. 150.000 Jahre. Diatomeen sind die wichtigsten Primärproduzenten südlich der heutigen Antarktischen Polarfront. Die Kohlenstoffisotope und Anteile der in den Sedimenten überlieferten Biomarker aus Diatomeen spiegeln unmittelbare Veränderungen in der Meerwasserchemie, ozeanischen Zirkulation und der Primärproduktivität wider und sind daher ein ausgezeichneter Indikator für klimagekoppelte Umweltveränderungen. Die Untersuchungen basieren auf etablierten Methoden der organischen Geochemie, Biomarkenanalytik und Isotopengeochemie und sind somit ohne methodische Neuentwicklungen durchzuführen.

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