This project aims at the improvement and testing of a modeling tool which will allow the simulation of impacts of on-going and projected changes in land use/ management on the dynamic exchange of C and N components between diversifying rice cropping systems and the atmosphere and hydrosphere. Model development is based on the modeling framework MOBILE-DNDC. Improvements of the soil biogeochemical submodule will be based on ICON data as well as on results from published studies. To improve simulation of rice growth the model ORYZA will be integrated and tested with own measurements of crop biomass development and transpiration. Model development will be continuously accompanied by uncertainty assessment of parameters. Due to the importance of soil hydrology and lateral transport of water and nutrients for exchange processes we will couple MOBILE-DNDC with the regional hydrological model CMF (SP7). The new framework will be used at field scale to demonstrate proof of concept and to study the importance of lateral transport for expectable small-scale spatial variability of crop production, soil C/N stocks and GHG fluxes. Further application of the coupled model, including scenarios of land use/ land management and climate at a wider regional scale, are scheduled for Phase II of ICON.
Zur Volumenbestimmung stehender Baeume und zur Ermittlung des Hektarvorrates von Bestaenden werden in der Forstwirtschaft i.d.R. Berechnungsverfahren verwendet, die mit den Eingangsgroessen Brusthoehendurchmesser, Baumhoehe und Formzahl arbeiten. Bei diesen Ansaetzen steht die Ermittlung des Holzvolumens in Raummassen und nicht in Gewichtseinheiten im Vordergrund. Bei schnellwachsenden Baumarten wie Pappeln und Weiden, die im Kurzumtrieb bewirtschaftet werden, ist aufgrund des Verwendungszweckes neben den traditionellen Leistungsgroessen vor allem die Bestimmung der (Trocken-)Biomasse von zentraler Bedeutung. - Die Untersuchungen werden auf Versuchsaralen in Mecklenburg-Vorpommern und in Sachsen durchgefuehrt. Die Wuchsleistung wie auch die Trockenbiomasse werden fuer Weiden- und Pappelklone einzelbaum- und bestandesweise hergeleitet. Die Einzelbaumbiomassen werden in Abhaengigkeit von Baumdimensionen und Standraum modelliert.
Die Temperatur ist ein wichtiger Umweltreiz für die Kontrolle des Blühzeitpunkts bei Pflanzen. In Arabidopsis bewirkt Kälte eine Verzögerung des Wachstums und der Blühinduktion und auf molekularer Ebene führt Kälte zur Akkumulation von DELLA Proteinen, zentralen Repressoren des Wachstums und der Blühinduktion aus dem Gibberellin (GA)-Signalweg. Die DELLA-Abundanz reagiert ziemlich rasch auf Veränderungen der Temperatur und die Effekte der DELLA-Akkumulation können durch GA (Behandlungen) wieder aufgehoben werden. Wir haben kürzlich gezeigt, dass der Arabidopsis MADS-Box Transkriptionsfaktor APETALA1 (AP1) durch direkte Interaktionen mit DELLA Proteinen reprimiert wird. Des Weiteren haben wir Hinweise darauf, dass erhöhte Mengen an AP1 Expression auf molekularer Ebene für die frühe Blüte zweier Arabidopsis-Accessionen in kalten Temperaturen sind. Wir möchten nun die Hypothese testen, dass die erhöhten Mengen an AP1 die inhibitorischen Effekte der DELLA Repressoren in kalten Temperaturen aufheben. Zweitens möchten wir testen, ob das AP1-DELLA regulatorische Modul auch in Getreiden konserviert ist. Bei der Gerste und im Weizen sind die VERNALIZATION1 (VRN1) Proteine, die nächsten Orthologen von Arabidopsis AP1, zentrale Regulatoren der Blühinduktion. Wir möchten daher testen, ob VRN1 aus der Gerste und dem Weizen auch mit den DELLA Proteinen aus diesen beiden Species interagieren können und ob die Kontrolle des Blühzeitpunkts in Antwort auf Temperatur und GA von dieser Interaktion abhängig ist.
Dendrochronologische Methoden verwenden Jahrringe von Bäumen als Informationsquelle für Umwelteinflüsse, denen der Baum in vergangenen Zeiten ausgesetzt war. Traditionell steht dabei die Jahrringbreite als zentrales Merkmal im Zentrum des Untersuchungsansatzes. Im vorliegenden Projekt wird über die Jahrringbreite hinaus auf Strukturen innerhalb eines Jahrringes zurückgegriffen. Grauwertsequenzen aus dem digitalen Bildanalysesystem des Instituts für Waldwachstum beschreiben diesen intraannuellen Strukturverlauf. Die Grauwertsequenzen werden mit Methoden des überwachten und unüberwachten Lernens (Clustering) auf Ähnlichkeiten untersucht. Kohonenkarten (Self organizing maps) stellen Jahre mit ähnlichem Kurvenverlauf in zweidimensionalen Karten dar. Die Ergebnisse werden anschließend in eine interaktive Software zur Jahrringdatierung integriert, um die bisher nur über der Jahrringbreite erfolgte Datierung mit Parametern aus intraannuellen Strukturen zu optimieren.
Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.
Weite Regionen der Ozeane werden als sogenannte high nutrient low chlorophyll-Gebiete (HNLC) bezeichnet. Sie sind charakterisiert durch relativ niedrige Chlorophyllwerte trotz ausreichend hoher Nährstoffdichte. In diesen Regionen werden das Algenwachstum und dessen Zusammensetzung statt durch Makronährstoffe (etwa Nitrat), von Mikronährstoffen wie Spurenelementen und Vitaminen gesteuert. Die Eintragswege von Spurenelementen und deren Aufnahme durch Plankton und Schwebepartikel in der Wassersäule wurden in den letzten drei Jahrzehnten intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu ist weiterhin relativ wenig bekannt über die Prozesse, welche das Vorkommen von bioverfügbaren Spurenelementen in situ wieder auffüllen, beispielsweise durch Remineralisation oder grazing durch Zooplankton. Die Bedeutung von Vitaminen für das Wachstum von Phytoplanktonblüten im Südpolarmeer wurde erst in jüngster Zeit erkannt. Jedoch existieren bislang keinerlei Daten über den Verbrauch und die Konzentrationen des Vitamingehaltes durch Plankton. Darüberhinaus sind Vitaminproduktionsraten für das marine System noch niemals bestimmt worden. In welchem Verhältnis stehen die Produktions- und Recyclingraten von Spurenstoffen und Vitaminen zu deren Entsorgungsraten? Welche Rolle spielt das grazing durch Zooplankton? Werden durch den Klimawandel und den als Folge saurer werdenden Ozean Recyclingprozesse begünstigt als Konsequenz einer veränderten Spurenstoffchemie und sich ändernder biologischer Wechselwirkungen? Um diese Fragen zu beantworten, wird ein neuer Ansatz zur Massenbilanzierung angewendet, um in situ Recyclingraten von drei ökologisch relevanten Spurenstoffen (Eisen, Zink und Kobalt) zu bestimmen. Außerdem werden die Produktions- und Recyclingrate von Vitaminen bestimmt. Eine umfassende Bestimmung der Planktongesellschaft mit unterschiedlichen Methoden wird die Schlüsselarten fuer die verschiedenen Prozesse identifizieren. Der Einfluss des grazing von Piko-und Nanoplankton durch höhere trophische Level auf diese Produktions- und Recyclingraten wird im Rahmen von Feld- und Laborexperimenten untersucht, ebenso wie der Einfluss von erhöhtem pCO2. Dieser umfassende Datensatz wird eine große Lücke in den Studien zur Bedeutung von Spurenstoffen und Vitaminen schließen. Er liefert zudem Informationen für globale Ozeanmodelle zum Kreislauf von Vitaminen, Eisen und weiteren ökologisch relevanten Spurenstoffen im marinen System und deren Veränderung unter sich wandelnden klimatischen Bedingungen.
Schwankungen in der Verfügbarkeit von Licht und Nährstoffen im Phytoplankton führen zu Unterschiede in der Nährstoffstöchiometrie der Algen. Diese Variabilität wird weiter beeinflusst durch Wachstumsratender Algen. In den meisten Fällen führt schnelles Wachstum zu einem bestimmten optimalen Nährstoffgehalt in Algen, während Algen die langsamer wachsen eine viel größere Variabilität in Nährstoffzusammensetzung vorweisen. Diese Muster wurden bis jetzt vor allem auf Populationsebene nachgewiesen, und bis jetzt ist es unklar, ob dies auch gilt innerhalb von Populationen, zwischen einzelnen Algenzellen. So ist es eine offene Frage, ob der Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Nährstoff Stöchiometrie von Algen eine Populationsresponse oder auch eine Response einzelner Zellen ist. Zooplankton verzeichnet in der Regel eine deutlich konstantere Nährstoffstöchiometrie als Algen und damit ein stärkeres Maß an Homöostase. Verschiedene Lebensstadien der gleichen Spezies können jedoch völlig unterschiedliche Ernährungsbedürfnisse haben. Zum Beispiel haben die schnellere wachsende Nauplien in Copepoden, einen höheren Bedarf an Phosphor als ältere Stadien. Infolgedessen, hat eine von jüngeren Stadien dominierte Population eine unterschiedliche optimale Nahrung als wenn die Population von älteren Stadien dominiert wird. In dieser Studie werden wir prüfen ob Variation in Populationswachstum in Mikroalgen zu Änderungen in der Nährstoffstöchiometrie der Algen führt, sowohl zwischen Populationen als auch zwischen Individuen innerhalb von Populationen. Wir untersuchen dann den Effekt dieser durch unterschiedliche Wachstumsraten induzierten Veränderungen in Nährstoffzusammensetzung auf das Wachstum und die Dynamik der Weidegänger. Wenn die Variation in Nährstoffstöchiometrie mit langsamer Algenwachstum zunimmt, dann entsteht hier durch potentiell ein Gradient verschiedener Nahrungsqualitäten. Wir wissen, dass viele Herbivoren ihre Nahrung sehr selektiv zu sich nehmen. Also, wenn langsameres Wachstum ein breiteres Spektrum an verschiedenen Nährstoffstöchiometrie in den Algen als Konsequenz hat, entstehen hier durch potentiell mehrere Nischen für unterschiedliche Arten oder Lebensstadien. Im Idealfall würde im Falle der Copepoden, die Nauplien hohe P-Algen aus der Population aufnehmen, während die älteren Stadien selektiv die Algen fressen würden die mehr Stickstoff enthalten. So würde die Konkurrenz für eine Ressource eingeschränkt werden, da es innerhalb einer langsam wachsenden Population mehr als eine Ressource geben würde. Letztlich könnte dies bedeuten, dass Systeme mit langsamer wachsenden Primärproduzenten eine höhere Vielfalt von Sekundärproduzenzen aufrechterhalten könnte als jene in dem Algenwachstum höher ist.
Die Einflüsse von Bodenheterogenität und Managementpraktiken auf dynamische Veränderungen von ökophysiologischen Wachstumsmustern der wichtigen Kulturarten des Rur Einzugsgebiets werden charakterisiert. Auf einander abgestimmte experimentelle Ansätze, Modellierung und Skalierung werden angewandt, um die Vegetationscharakterisierung in TerrSysMP zu verbessern. Hierbei werden die Kopplung von Pflanzen- und Wurzelmodellen, Einflüsse von Landnutzungsänderung und Management auf Flussmuster, und die Einbeziehung von Fernerkundungsverfahren zur Bestimmung von funktionalen Pflanzentypparametern besonders berücksichtigt.
Im beantragten Forschungsprojekt werden Mikrosensoren entwickelt, die geeignet sind, die Wachstumsaktivität in der Kambialregion lebender Bäume auf dem Niveau wenige Zellen umfassender Gewebeverbände direkt, zeitnah und zerstörungsarm zu erfassen. Das Sensorkonzept basiert auf Methoden der Impedanzspektroskopie, einem in der Biologie etablierten Analyseverfahren, mit dem der frequenzabhängige komplexe Wechselstromwiderstand des Gewebes bestimmt wird. Die charakteristischen elektrischen Parameter gehen in die Modellierung eines Ersatzschaltbildes en, womit sich der aktuelle Zustand des Gewebes mit seinen resistiven und kapazitiven Eigenschaften darstellen und beschreiben lässt. Die Elektroden werden so dimensioniert, dass die aktive Kambialregion (Kambium mit lebendem Phloem und Xylem) möglichst exakt erfasst wird und charakteristische, gewebespezifische Zeitkonstanten bestimmt werden können. Damit können die Zellteilungs- und Ausdifferenzierungsvorgänge während der Wachstumsphase kontinuierlich und zeitlich hochaufgelöst beobachtet werden. Die Entwicklung dieser Messmethodik ist die Grundlage für die später angestrebte Anwendung im Umweltmonitoring und wird die Kenntnisse über die Steuerung der Wuchsreaktionen von Waldbäumen auf Umwelteinflüsse deutlich erweitern.
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