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Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Native plants and mycorrhizal fungi in wind erosion control in the Kailash-Manasarovar region (Tibet, China)

We study the effects of plants and root-associated fungi on wind erosion within the alpine environment of Tibet. China is one of the countries most affected by desertification processes and Tibet, in particular, a key region in desertification combat. The presented project focuses on the Barkha Plain surrounded by Mount Kailash and the Lake of Manasarovar (Ngari Prefecture). This Western Tibet region experienced little scientific attention but, nowadays, faces rapidly increasing touristic activities and expanding local settlements associated with socio-economic changes that are serious threats to the delicate ecological balance and potential triggers of desertification. It exists almost unanimous agreement that revegetation is the most efficient and promising strategy to combat wind erosion and desertification in the long term. However, re-colonising success is often poor, mainly under extreme environmental conditions. Compared to conventional practices, the approach of the presented project attains better accordance with natural succession processes and promises acceleration of both plant and soil development and, conclusively, more efficient desertification control. The project assesses the potential of native plants and symbiotic fungi to control wind erosion and desertification processes. It aims to identify key plants and fungi that increase soil aggregate stability and efficiently drive succession into a natural and self-maintaining cycle of the ecosystem. Furthermore, it provides crucial information for implementing environmentally compatible and cost-effective measures to protect high-elevation ecosystems against desertification. Within three successional stages (early, intermediate, late), field investigations are performed on the basis of Modified-Whittaker plots. Classic methods of vegetation analysis and myco-sociology are combined with analysis of distribution patterns at different scales (patchiness, connectivity). Comprehensive soil analysis is performed comprising grain size distribution, aggregate stability, pH as well as water and nutrient contents. Additionally, important parameters of wind erosion are measured concurrently and continuously to assess their magnitude and variability with respect to vegetation and soil at different levels of development. The parameters addressed, include sediment transport, air temperature, radiation, precipitation, relative humidity as well as speed and direction of wind. Surface moisture is recorded periodically and roughness described. Species and environmental parameters are checked for spatial correlation. Cutting edge technologies are applied in laboratory work, comprising molecular methods for fungal species identification and micro-tomography to analyse soil structure. Furthermore, successfully cultivated fungi and plants are subject of synthesis experiments and industrial propagation in view of practical implementation in restoration measures.

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.

Hat sich infolge mehrerer aufeinanderfolgender milder Winter eine Resistenz bei der Blattlausart Myzus persicae sulz. durch ihre anholozyklische Vermehrungsweise herausgebildet?

Market Structure and Organization in Agri-Food Value Chains: An Application to the German Dairy Sector

The German dairy value chain is subject to profound structural change resulting in increasingly dominant agents at all stages of the chain, i.e. at the farm level, at the processors' level and at the retailers' level. In particular, the consolidation of retailers has increased retailers' bargaining power vis-à-vis their suppliers. Against this background, the overall objective of this subproject is to analyze the structural change in the dairy sector, particularly at the processors' level, by taking into account firms' strategic interactions along the entire dairy value chain. So far, there exists no theoretical workhorse model that allows for the analysis of interdependencies in a three-layer structure where imperfect competition is considered at all three stages. We aim to close this gap to understand how an increasingly dominant retail industry influences strategic decisions at the dairy processors' level which, in turn, may affect dairy farmers. Building upon a three-layer approach, we first examine whether processors have merger incentives to counter the retailers' bargaining power. We then analyze the differences between cooperatives and for-profit firms concerning their decision on product quality and the number of dairy suppliers. Finally, we assess the implications for upstream farmers which rounds off the picture of structural change in the German dairy sector.

A meta-analysis of global insecticide concentrations in agricultural surface waters

Although global pesticide use increases steadily, our field-data based knowledge regarding exposure of non-target ecosystems is very restricted. Consequently, this meta-analysis will for the first time evaluate the worldwide available peer-reviewed information on agricultural insecticide concentrations in surface water or sediment and test the following two hypotheses: I) Insecticide concentrations in the field largely exceed regulatory threshold levels and II) Additional factors important for threshold level exceedances can be quantified using retrospective meta-analysis. A feasibility study using a restricted dataset (n = 377) suggested the significance of the expected results, i.e. an threshold level exceedance rate of more than 50Prozent of the detected concentrations. Subsequent to a comprehensive database search in the peer-reviewed literature of the past 60 years, analysis of covariance with the relevant threshold level exceedance as the continuous dependent variable (about 10,000 cases) will be performed and the impact of significant predictor variables will be quantified. Parameters not yet considered in pesticide exposure assessment will be included as independent variables, such as compound class, environmental regulatory quality, and sampling design. The simultaneous presence of several insecticide compounds as a well as their metabolites will also be considered in the evaluation. The present approach may provide an innovative and integrated view on the potential environmental side effects of global high-intensity agriculture and in particular of pesticides use.

Forschergruppe (FOR) 402: Funktionalität in einem tropischen Bergregenwald Südecuadors: Diversität, dynamische Prozesse und Nutzungspotenziale unter ökosystemaren Gesichtspunkten, Funktionalität in einem tropischen Regenwald; Diversität; dynamische Prozesse und Nutzungspotentiale unter ökosystemaren Gesichtspunkten (FOR 402)

Die Bergwälder der Ostanden gehören zu den artenreichsten terrestrischen Ökosystemen der Erde, zugleich stehen sie unter immensem Nutzungsdruck (Abholzung, Umwandlung in Weideland). In einem multidiszilinären Ansatz aus Bio-, Geo-, Forst- und Agrarwissenschaften - von der Ebene des Organismus ausgehend bis hin zur Landschaftsebene - wollen wir an einem ausgewählten, für Forschungen zugänglichen ostandinen Bergwald in Südecuador ein solches Ökosystem, sowie seine gebietstypischen, durch menschliches Wirtschaften entstandenen Ersatzformationen beispielhaft analysieren. Dabei gilt es im ersten Schritt wichtige geowissenschaftliche und biologische Eigenschaften des Systems (Klima, Boden, Verfügbarkeit von Wasser und Nährelementen, Struktur und Artenzusammensetzung der Vegetation sowie Vorkommen und Vielfalt tierischer und pilzlicher Schlüsselorganismen: Pollinatoren, Samenverbreiter, Herbivore und Destruenten) zu erfassen. Im zweiten Schritt wird die Funktionsweise wichtiger Teilsystem erschlossen (Stoffflüsse zwischen wichtigen Kompartimenten, Dynamik und Regenrationspotentiale der Vegetation in Wechselwirkung mit der Fauna und den abiotischen Randbedingungen). Darauf aufbauend wollen wir drittens Optionen entwickeln bzw. überprüfen für eine nachhaltige Nutzung, Erhaltung und - soweit möglich - Rehabilitation des Waldes. Diese Erkenntnisse werden über das Untersuchungsgebiet hinaus für das ökosystemare Verständnis und Management tropischer Bergwälder von genereller Bedeutung.

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.

Flood risk in a changing climate (CEDIM)

Aims: Floods in small and medium-sized river catchments have often been a focus of attention in the past. In contrast to large rivers like the Rhine, the Elbe or the Danube, discharge can increase very rapidly in such catchments; we are thus confronted with a high damage potential combined with almost no time for advance warning. Since the heavy precipitation events causing such floods are often spatially very limited, they are difficult to forecast; long-term provision is therefore an important task, which makes it necessary to identify vulnerable regions and to develop prevention measures. For that purpose, one needs to know how the frequency and the intensity of floods will develop in the future, especially in the near future, i.e. the next few decades. Besides providing such prognoses, an important goal of this project was also to quantify their uncertainty. Method: These questions were studied by a team of meteorologists and hydrologists from KIT and GFZ. They simulated the natural chain 'large-scale weather - regional precipitation - catchment discharge' by a model chain 'global climate model (GCM) - regional climate model (RCM) - hydrological model (HM)'. As a novel feature, we performed so-called ensemble simulations in order to estimate the range of possible results, i.e. the uncertainty: we used two GCMs with different realizations, two RCMs and three HMs. The ensemble method, which is quite standard in physics, engineering and recently also in weather forecasting has hitherto rarely been used in regional climate modeling due to the very high computational demands. In our study, the demand was even higher due to the high spatial resolution (7 km by 7 km) we used; presently, regional studies use considerably larger grid boxes of about 100 km2. However, our study shows that a high resolution is necessary for a realistic simulation of the small-scale rainfall patterns and intensities. This combination of high resolution and an ensemble using results from global, regional and hydrological models is unique. Results: By way of example, we considered the low-mountain range rivers Mulde and Ruhr and the more alpine Ammer river in this study, all of which had severe flood events in the past. Our study confirms that heavy precipitation events will occur more frequently in the future. Does this also entail an increased flood risk? Our results indicate that in any case, the risk will not decrease. However, each catchment reacts differently, and different models may produce different precipitation and runoff regimes, emphasizing the need of ensemble studies. A statistically significant increase of floods is expected for the river Ruhr in winter and in summer. For the river Mulde, we observe a slight increase of floods during summer and autumn, and for the river Ammer a slight decrease in summer and a slight increase in winter.

Nachweis von Seuchenerregern und pathogenen Mikroorganismen in Kuehlschmierstoffen

In Kuehlschmierstoffen aller Typen vermehren sich Bakterien und Pilze bis zu Koloniezahlen von 10exp(6) bis 10exp(8)/ml. Darmbakterien sowie Entzuendungserreger koennen in Mengen bis zu 10exp(5)/ml vorkommen. Systematische Untersuchungen auf die genannten Erreger fehlen ebenso bisher wie Kenntnisse ueber deren Vermehrungsbedingungen, z.B. in Abhaengigkeit vom Alter der Emulsionen.

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