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Forschergruppe (FOR) 1320: Crop Sequence and Nutrient Acquisition from the Subsoil, Plant induced weathering of minerals in the subsoil - release of 'non-exchangeable' potassium from 2:1 layer minerals (TransMinK)

The proposal addresses the potential of subsoil to contribute to K nutrition of crops. More specifically we will address the processes controlling release of K from interlayer of 2:1 clay minerals as this is expected to be the dominant K fraction in the subsoil. While it has been shown in the past that this so called 'non-exchangeable' K can be released due to root activity, there are controversial results concerning the role of soil solution K concentration in the rhizosphere required to trigger the process. Likewise little information is available about the concentration dynamics of other cations (NH4, Ca) in the rhizosphere and their impact on K release and vermiculitization supposed to be associated with this process. Model studies with substrate from the central field trial will be conducted in compartment systems equipped with micro suction cups. The measurement of dynamic changes of soil solution composition with increasing distance from the root surface will be combined with investigations of changes in mineralogy by XRD, TEM and SEM-EDX. Changes of mineralogy as a result of plant induced K release from interlayer will also be studied on bulk soil and rhizosphere samples collected within the central field and the central microcosm experiment and with mineral bags exposed in the field during a cropping cycle. Finally, X-ray CT will be used to access changes in soil texture, i.e. clay distribution around roots and the temporal spread of roots in biopores which is a prerequisite for K uptake from such structures.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1488: Planetary Magnetism (PlanetMag), Evolution of geomagnetic dipole moment and South Atlantic Anomaly

The geomagnetic field shields our habitat against solar wind and radiation from space. Due to the geometry of the field, the shielding in general is weakest at high latitudes. It is also anomalously weak in a region around the south Atlantic known as South Atlantic Anomaly (SAA), and the global dipole moment has been decreasing by nearly 10 percent since direct measurements of field intensity became possible in 1832. Due to our limited understanding of the geodynamo processes in Earths core, it is impossible to reliably predict the future evolution of both dipole moment and SAA over the coming decades. However, lack of magnetic field shielding as would be a consequence of further weakening of dipole moment and SAA region field intensity would cause increasing problems for modern technology, in particular satellites, which are vulnerable to radiation damage. A better understanding of the underlying processes is required to estimate the future development of magnetic field characteristics. The study of the past evolution of such characteristics based on historical, archeo- and paleomagnetic data, on time-scales of centuries to millennia, is essential to detect any recurrences and periodicities and provide new insights in dynamo processes in comparison to or in combination with numerical dynamo simulations. We propose to develop two new global spherical harmonic geomagnetic field models, spanning 1 and 10 kyrs, respectively, and designed in particular to study how long the uninterrupted decay of the dipole moment has been going on prior to 1832, and if the SAA is a recurring structure of the field.We will combine for the first time all available historical and archeomagnetic data, both directions and intensities, in a spherical harmonic model spanning the past 1000 years. Existing modelling methods will be adapted accordingly, and existing data bases will be complemented with newly published data. We will further acquire some new archeomagnetic data from the Cape Verde islands from historical times to better constrain the early evolution of the present-day SAA. In order to study the long-term field evolution and possible recurrences of similar weak field structures in this region, we will produce new paleomagnetic records from available marine sediment cores off the coasts of West Africa, Brazil and Chile. This region is weakly constrained in previous millennial scale models. Apart from our main aim to gain better insights into the previous evolution of dipole moment and SAA, the models will be used to study relations between dipole and non-dipole field contributions, hemispheric symmetries and large-scale flux patterns at the core-mantle boundary. These observational findings will provide new insights into geodynamo processes when compared with numerical dynamo simulation results.Moreover, the models can be used to estimate past geomagnetic shielding above Earths surface against solar wind and for nuclide production from galactic cosmic rays.

The role of turgor in rain-cracking of sweet cherry fruit

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.

Süßwasserflüsse über dem Ozean I - Verdunstungsflüsse (FreshOcean)

Die Veränderung des globalen Wasserkreislaufs durch den Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen für die Gesellschaft, da trockene Regionen trockener und feuchte Regionen feuchter werden. Das Problem besteht darin, dass 85 % der Verdunstung und 77 % der Niederschläge über den Ozeanen stattfinden und der globale Wasserkreislauf aufgrund der schwierigen Beobachtungsbedingungen über den Ozeanen nur unzureichend verstanden wird. Der Austausch von Süßwasser zwischen dem Ozean und der Atmosphäre findet jedoch in einer obersten dünnen Schicht der Meeresoberfläche statt, den so genannten Oberflächenfilm. Die Verdunstung von Wasserdampf aus den Oberflächenfilmen erhöht deren Salzgehalt, während der Niederschlag den Salzgehalt in den Oberflächenfilmen verringert. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist ein umfassendes Verständnis der Dynamik und der Veränderungen des Salzgehalts und der damit zusammenhängenden thermischen Felder in den ozeanischen Oberflächenfilmen und der oberflächennahen Schicht (NSL) sowie deren Zusammenhang mit den verdunstenden Süßwasserflüssen zu erzielen. Einer der Hauptpunkte dieser Arbeit ist, dass Süsswasserflüsse (Verdunstung minus Niederschlag) direkt auf die Meeresoberfläche einwirkt und daher vorwiegend den Salzgehalt der Oberflächenfilme quasi-instant beeinflusst, während die derzeitigen Methoden, die den Salzgehalt der gemischten Schicht verwenden, sich auf dekadischen Skalen beziehen. Eine umfassende Reihe von Experimenten wird in einer großmaßstäblichen Mesokosmenanlage an der Universität Oldenburg durchgeführt, in der die treibenden Kräfte für die Verdunstung kontrolliert werden können (Wassertemperatur, Windgeschwindigkeit, turbulente Vermischung, Lufttemperatur und -feuchtigkeit). Im Mittelpunkt steht eine Expedition in den Mittelatlantik mit seinem hohen Oberflächensalzgehalt, d. h. Verdunstungsraten übersteigen die Niederschlagsraten. Während der Expedition kommt ein funkgesteuertes Katamaran zum Einsatz, der in der Lage ist, Oberflächenfilme zu sammeln. Die Beobachtungen werden durch Messungen von Bojen, schiffsbasierten Messungen und Satelliten unterstützt. Die Arbeiten ergänzen die laufenden Aktivitäten zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Salzgehalt der Oberflächenfilme und den Niederschlägen. Diese Arbeit ist ein erster Schritt, um zu verstehen, wie der Salzgehalt der Oberflächenfilme und der oberflächennahe Salzgehalt verwendet werden können, um dynamische Süsswasserflüsse zu integrieren und Parametrisierungen zur Extrapolation von Süsswasserflüssen unter Verwendung von satellitengestützten Salzgehaltsdaten zu entwickeln.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1889: Regional Sea Level Change and Society (SeaLevel), Basales Schmelzen im Grönlandischen Eisschelf und die Auswirkungen auf Meeresspiegelschwankungen

Basales Schmelzen der Eisschelfe Grönlands (GrIS) ist einer der Hauptquellen für den GrIS Masseverlust und für den Meeresspiegelanstieg. Darüber hinaus ist das beschleunigte Abschmelzen in den letzten 20 Jahren auch durch den Einstrom von wärmerem Wasser in die Fjorde verursacht. Die basalen Abschmelzraten sind jedoch unsicher und offene Fragen bestehen bezüglich der relevanten Prozesse in den Fjorden, und wie viel und wie das Schmelzwasser aus den Fjorden in den Randstrom und weiter in den offenen Ozean gelangt. Diese Unsicherheiten können in Klimamodellen zu Fehlern in der zukünftigen Rolle des Schmelzwassers für die Zirkulation und Wassermassen Verteilung und somit zu Fehlern in der Projektion des regionalen Meeresspiegels führen. Bis jetzt gibt es nicht genügend geeignete Messungen, um Schmelzwasser im Inneren des Ozeans zu quantifizieren und die Pfade zu identifizieren. Wir beantragen hier die Messung von Helium und Neon Verteilungen um zu verfolgen wo und wie viel Schmelzwasser aus GrIS in den Randstrom und ins Ozeaninnere gelangt. Dazu wird eine Prozessstudie am 79N Gletscher durchgeführt sowie Messungen im Randstrom und im Inneren der Labradorsee. Die Ziele sind: (i) Abschätzung der basalen Schmelzwasseranteile im Nah und Fernfeld des 79N Gletschers, und der Menge an Schmelzwasser, die in den Randstrom befördert wird, (ii) Berechnung der Anteile an Schmelzwasser, die aus dem Randstrom in die Labradorsee gelangen, einer der Schlüsselregionen für die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung, Abschätzung der Zunahme seit Anfang 2000, (iii) Auswertung von hochauflösenden Modellläufen die mit basalen Schmelzwasserquellen versehen wurden, um die Verteilung des Schmelzwassers und die beteiligten Prozesse zu analysieren und um (iv) die Auswirkungen der zunehmenden Schmelzraten auf die Entwicklung des regionalen Meeresspiegels im subpolaren Nordatlantik abzuschätzen.

Biopores in the subsoil: Formation, nutrient turnover and effects on crops with distinct rooting systems (BioFoNT)

Perennial fodder cropping potentially increases subsoil biopore density by formation of extensive root systems and temporary soil rest. We will quantify root length density, earthworm abundance and biopore size classes after Medicago sativa, Cichorium intybus and Festuca arundinacea grown for 1, 2 and 3 years respectively in the applied research unit's Central Field Trial (CeFiT) which is established and maintained by our working group. Shoot parameters including transpiration, gas exchange and chlorophyll fluorescence will frequently be recorded. Precrop effects on oilseed rape and cereals will be quantified with regard to crop yield, nutrient transfer and H2-release. The soil associated with biopores (i.e. the driloshpere) is generally rich in nutrients as compared to the bulk soil and is therefore supposed to be a potential hot spot for nutrient acquisition. However, contact areas between roots and the pore wall have been reported to be low. It is still unclear to which extent the nutrients present in the drilosphere are used and which potential relevance subsoil biopores may have for the nutrient supply of crops. We will use a flexible videoscope to determine the root-soil contact in biopores. Nitrogen input into the drilosphere by earthworms and potential re-uptake of nitrogen from the drilosphere by subsequent crops with different rooting systems (oilseed rape vs. cereals) will be quantified using 15N as a tracer.

Analyse langfristiger Änderungen in der Tidedynamik der Nordsee

Langjährige Pegelaufzeichnungen aus dem Gebiet der südöstlichen Nordsee zeigen seit Mitte des 20. Jahrhunderts signifikante Veränderungen im lokalen Tideregime. Während der mittlere Meeresspiegel (englisch: Mean Sea Level, MSL) über die vergangenen 150 Jahre generell dem globalen Mittel gefolgt ist, deuten Auswertungen der mittleren Tidehoch- und Tideniedrigwasser auf signifikant abweichende Trends hin. So sind die Tidehochwasser signifikant schneller als der MSL angestiegen, während die Tideniedrigwasser deutlich geringere oder teils negative Trends aufzeigen. Daraus resultierte eine gleichzeitige Zunahme des Tidehubs (die Differenz aus Tidehoch- und Tideniedrigwasser) von ca. 10 % seit 1955. Derartige Veränderungen haben direkte Auswirkungen auf den Küstenschutz. So ergeben sich bei einem Anstieg der mittleren Tidehochwasser größere Wassertiefen, wodurch das Wellenklima insbesondere im Bereich der Wattflächen und Außensände in der Deutschen Bucht beeinflusst wird. Größere Wellenhöhen und damit höhere Orbitalgeschwindigkeiten und Brandungsenergien sind die unmittelbare Folge, die zu großflächigen Erosionen führen kann. Gleichzeitig beeinflussen geringere Tideniedrigwasser die Schiffbarkeit der flachen Küstengewässer. Durch den vergrößerten Tidehub treten größere Tidestromgeschwindigkeiten auf, die z.B. Ausräumungen der Tiderinnen, verstärkte Erosionen an Inselsockeln, Strandräumungen und im Zusammenhang mit Sturmfluten Dünen- und Kliffabbrüchen verursachen können. Dies verdeutlicht, dass neben den global wirkenden übergeordneten Veränderungen im MSL (Massenänderungen, thermale Expansion) auch regionale Phänomene und Prozesse eine wichtige Rolle für die Ausprägung der Wasserstände spielen. Eine Berücksichtigung solcher Faktoren in den Projektionen zukünftiger Wasserstände setzt voraus, dass vergangene Entwicklungen und zugrunde liegende Prozesse ausreichend verstanden sind. Das übergeordnete Ziel von TIDEDYN besteht daher in der Analyse der in der Vergangenheit bereits aufgetreten Veränderungen im lokalen Tideregime der Nordsee. Die beobachtete Zunahme des Tidehubs ist in ihrer starken Ausprägung ein weltweit einzigartiges Phänomen, welches bis heute nicht erklärt werden kann. Als mögliche (aber bisher unerforschte) Ursachen kommen z.B. langfristige Änderungen im MSL, morphologische Änderungen im Küstenvorfeld (natürlich oder anthropogen, z.B. Ausbaggerungen oder Baumaßnahmen wie Eindeichungen) oder saisonale Änderungen in der thermohalinen Schichtung des Ozeans in Frage. Durch die integrierte Analyse von hochauflösenden numerischen Modellen (barotrop und baroklin) und Beobachtungsdaten mit robusten Methoden der Zeitreihenanalyse, sollen die Änderungen im Tideregime der Nordsee über die vergangen 60-70 Jahre beschrieben, modelliert und systematisch erforscht werden sowie einzelne Prozesse mittels Sensitivitätsstudien voneinander abgegrenzt werden.

Zuechtung und Vermehrung von leistungsstarken und widerstandfaehigen Waldbaumpopulationen

Bei Waldbaumarten mit erheblicher Bedeutung fuer die Forstwirtschaft in Nordrhein-Westfalen sollen im Wege der Selektions- und Kombinationszuechtung genetische Verbesserungen hinsichtlich Leistungsfaehigkeit und Widerstandskraft erzielt und baldmoeglichst in die Praxis umgesetzt werden. Hierzu gehoert die Entwicklung und Anwendung geeigneter Vermehrungsverfahren.

Variabilität des Ostasiatischen Monsuns während der letzten 65.000 Jahre - laminierte Seesedimente aus dem Sihailongwan-Maarsee, NE-China

Laminierte Seesedimente sind unschätzbare Informationsquellen zur Geschichte der Umwelt und des Klimas direkt aus der Lebenssphäre des Menschen. Ein exzellentes Beispiel dafür ist der Sihailongwan-Maarsee aus NE-China. In einem immer noch dicht bewaldeten Vulkangebiet gelegen, bieten seine Sedimente ein ungestörtes Abbild der Monsunvariationen über zehntausende von Jahren. Nur die letzten ca. 200 Jahre zeigen einen deutlichen lokalen anthropogenen Einfluss. Das Monsunklima der Region mit Hauptniederschlägen während des Sommers und extrem kalten Wintern unter dem Einfluss des Sibirischen Hochdrucksystems bildet die Voraussetzung für die Bildung von saisonal deutlich geschichteten Sedimenten (Warven), die in dem tiefen Maarsee dann auch überwiegend ungestört erhalten bleiben. Insbesondere die Auftauphase im Frühjahr bringt einen regelmässigen Sedimenteintrag in den See, der das Gerüst für eine derzeit bis 65.000 Jahre vor heute zurückreichende Warvenchronologie bildet. Für das letzte Glazial zeigen Pollenspektren aus dem Sihailongwan-Profil Vegetationsvariationen im Gleichklang mit bekannten klimatischen Variationen des zirkum-nordatlantischen Raumes (Dansgaard-Oeschger-Zyklen) zu dieser Zeit. Der Einfluss dieser Warmphasen auf das Ökosystem See war jedoch sehr unterschiedlich. So sind die Warven aus den Dansgaard-Oeschger (D/O) Zyklen 14 bis 17 mit extrem dicken Diatomeenlagen (hauptsächlich Stephanodiscus parvus/minutulus) denen vom Beginn der spätglazialen Erwärmung zum Verwechseln ähnlich, während Warven aus dem D/O-Zyklus 8 kaum Unterschiede zu überwiegend klastischen Warven aus kalten Interstadialen aufweisen. Gradierte Ereignislagen mit umgelagertem Bodenmaterial sind deutliche Hinweise auf ein Permafrost-Regime während der Kaltphasen. Auch während des Spätglazials treten deutliche klimatische Schwankungen auf, die der in europäischen Sedimentarchiven definierten Gerzensee-Oszillation und der Jüngeren Dryas zeitlich exakt entsprechen. Das frühe Holozän ist von einer Vielzahl Chinesischer Paläoklima-Archive als Phase mit intensiverem Sommermonsun bekannt. Überraschenderweise sind die minerogenen Fluxraten im Sihailongwan-See während des frühen Holozäns trotz dichter Bewaldung des Einzugsgebietes sehr hoch. Sowohl Mikrofaziesanalysen der Sedimente als auch geochemische Untersuchungen deuten auf remoten Staub als Ursache dieses verstärkten klastischen Eintrags hin. Der insbesondere in den letzten Jahrzehnten zunehmende Einfluss des Menschen zeigt sich in den Sedimenten des Sihailongwan-Maarsees vor allem in einem wiederum zunehmenden Staubeintrag und einer Versauerung im Einzugsgebiet. Der anthropogene Einflusss auf die lokale Vegetation ist immer noch gering.

Biogeochemical Processes in Tropical Soils

In recent years science has taken an increased interest in mineralization processes in tropical soils in particular under minimal tillage operations. Plant litter quality and management strongly affect mineralization-nitrification processes in soil and hence the fate of nitrogen in ecosystems and the environment. Plant secondary metabolites like lignin and polyphenols are poorly degradable and interact with proteins (protein binding capacity) and hence protect them from microbial attack. Nitrification, a microbiological process, directly and indirectly influences the efficiency of recovery of N in the vegetation as well as the loss of N (through denitrification and leaching) causing environmental pollution to water bodies and contributes to global warming (e.g. the greenhouse gas N2O is emitted as a by-product of nitrification and denitrification). Nitrifiers comprise a relatively narrow species diversity (at least as known to date) and are generally thought to be sensitive to low soil pH and stress. Despite these properties nitrification occurs in acid tropical soils with high levels of aluminium and manganese. Thus the main objective of the project will be the identification of micro-organisms and mechanisms responsible for mineralization-nitrification processes in acid tropical soils and the influence of long-term litter input of different chemical qualities and minimal tillage options. The project will include the use of stable isotopes (15N, 13C), mass spectrometry, gas chromatography (CO2, N2O), biochemical methods (PLFA) and molecular biology (16s rRNA., PCR, DGGE)

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