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Biogeochemical modelling of biosphere-atmosphere-hydrosphere interactions

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.

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt B

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt D

Ökohydrologische Rückkopplung des tropischen Boden-Pflanzen-Atmosphäre Kontinuums

Die Auswirkungen von Klimavariabilität und Landbedeckungsänderungen auf die Vernetzung im Boden-Pflanzen-Atmosphären-Kontinuum (SPAC) und auf die ökohydrologische Wasserspeicherung und -verteilung sind nur unzureichend bekannt. Dieses begrenzte Verständnis ist das Ergebnis komplizierter Messungen und ungeeigneter Modellierungstechniken. Dies gilt insbesondere für die komplexen klimatischen und landschaftlichen Gegebenheiten Costa Ricas und ähnlicher tropischer Entwicklungsregionen, die unter dem akuten Druck des globalen Wandels stehen. Wir wollen diese Wissenslücke beheben, indem wir einen gekoppelten, tracergestützten atmosphärisch-ökohydrologischen Modellierungsrahmen entwickeln, um zu bewerten, wie sich veränderte klimatische Bedingungen, Feuchtigkeitsquellen und Landbedeckungsänderungen auf die hydrologische Reaktion in Form von Verdunstungs-, Transpirations- und Abflussflüssen sowie auf die Grundwasserneubildung in einem großen, strategisch wichtigen Einzugsgebiet in Costa Rica auswirken (was Untersuchungen auf mehreren Ebenen ermöglicht). Dieses Projekt zielt darauf ab, zu verstehen, wie klimatische Variabilität und Veränderungen der Landbedeckung die ökohydrologische Wasserverteilung im SPAC beeinflussen und wie sich Prozesse auf lokaler Ebene auf größere Skalen in tropischen Regionen auswirken können. Das vorgestellte neuartige gekoppelte Modellsystem wird die Quantifizierung großräumiger, historischer Landbedeckungsveränderungen und ihre Auswirkungen auf die Wasserverteilung in einem tropischen Testeinzugsgebiet ermöglichen, das über eine Vielzahl bereits vorhandener hydrometeorologischer und Isotopendaten verfügt. Konkret werden wir uns mit den folgenden zwei Forschungsfragen befassen, die sich direkt auf zwei Arbeitsabschnitte beziehen: i) Können wir die ökohydrologische Aufteilung und die Rückkopplungen in einem großen (>1000km2) feuchten tropischen Einzugsgebiet mit Hilfe von Isotopenmessungen innerhalb eines gekoppelten, prozessbasierten ökohydrologischen und regionalen Klimamodellierungsrahmens besser charakterisieren und quantifizieren? ii) Wie werden sich Veränderungen der Landbedeckung (z.B. von Tieflandwäldern zu Ananas-Monokulturen) auf die ökohydrologische Aufteilung auswirken, und wie wird dies die Niederschlagsmuster, die Temperatur, den rückgeführten Feuchtigkeitstransport und die Wasserverfügbarkeit in den feuchten Tropen beeinflussen? Dieses Projekt, das gemeinsam von einem international renommierten Team geleitet wird, hat das Potenzial, unser Wissen darüber zu erweitern, wie das SPAC auf hydrologische Extremsituationen in den feuchten Tropen Zentralamerikas reagiert, um die Resilienz und Regenerationsfähigkeit von Wasserressourcensystemen auf Stressfaktoren wie Dürren zu bewerten.

Steigerung der Resilienz des Hopfenbaus gegenüber den Folgen des Klimawandels: Untersuchung der Chancen und Risiken von Agri-PV im konventionellen Hopfenbau, Teilprojekt A

Forschergruppe (FOR) 5664: Agroforstwirtschaft für eine nachhaltige multifunktionale Landwirtschaft, Teilprojekt SP2: Wasser und Nährstoffflüsse

FORMULA hat zum Ziel die ökosystemaren Leistungen (Nature’s Contributions to People, NCP) von Agroforstsystemen zu bewerten sowie das mechanistische Verständnis der räumlichen Muster aufzuklären. Teilprojekt SP2 konzentriert sich dabei auf die NCP zur „Regulierung der Wassermenge“, „Regulierung der Wasserqualität“ sowie „Bodenentwicklung und Bodenschutz“. Das erste Ziel von SP2 ist zu prüfen, wie sich die Einführung von Bäumen in Ackerflächen auf die räumliche Dynamik der Bodenfeuchtigkeit, der Wasserflüsse und der Verteilung der Wasserflüsse (Verdunstung gegenüber Transpiration) auswirkt. Das zweite Ziel ist die Bewertung des Nährstoffhaushalts und -nutzungseffizienz sowie der räumlichen Muster der Nährstoffauswaschung (insbesondere Stickstoff) in Agroforstsystemen im Vergleich zu Ackersystemen ohne Baumreihen. Um diese Ziele zu erreichen, testet SP2 zwei teilprojektspezifische Hypothesen. Die erste Hypothese postuliert, dass die Bodenfeuchte mit zunehmender Nähe zu den Baumreihen abnimmt, was auf eine höhere Transpiration durch Bäume und dazwischen wachsenden Grasstreifen zurückzuführen ist. Die zweite Hypothese postuliert, dass Baum- und Graswurzeln ein "Sicherheitsnetz" bilden, das die Nährstoffauswaschung in der Nähe der Baumreihe verringert. Umgekehrt führen höhere Bodenfeuchtigkeit und Nährstoffverfügbarkeit in Richtung der Feldmitte zu erhöhten Auswaschungsverlusten. Der Nettoeffekt ist eine geringere Nährstoffauswaschung und eine höhere Nährstoffnutzungseffizienz in Agroforstsystemen im Vergleich zu Ackersystemen ohne Bäume in Folge einer verbesserten Ertragsstabilität und Nährstoffbindung durch tiefe Baumwurzeln. Das Teilprojekt ist in fünf Arbeitspakete (WP) unterteilt. WP1 untersucht die Dynamik der Bodenfeuchtigkeit. Es nutzt Bodenfeuchte- und -temperaturdaten aus Sensornetzwerken, um raum-zeitliche Muster und präferenzielle Fließwege zu bestimmen. WP2 quantifiziert die Aufteilung der Wasserflüsse zwischen Ackerkulturen und Bäumen durch Nutzung stabiler Wasserisotope. Eine kostengünstige Methode zur Bewertung der Nährstoffmobilität im Boden unter Verwendung von Ionenaustauschern in einem innovativen Aufbau wird im WP3 validiert. Die Methode wird in WP4 angewandt, um Gradienten der Nährstoffmobilität zu messen und Nährstoffverluste zu analysieren. Schließlich wird in WP5 der Stickstoffumsatz im Boden und die Stickstoffaufnahme von Ackerkulturen und Bäumen durch ein in situ 15N-Markierungsexperiment untersucht. SP2 wird das 15N-Experiment in Zusammenarbeit mit dem Koordinationsprojekt leiten. SP2 wird ein grundlegendes Verständnis der Auswirkungen von Bäumen auf die räumliche und zeitliche Dynamik des Wasser- und Nährstoffkreislaufs in Agroforstsystemen liefern. Zusammen mit den Erkenntnissen der anderen Teilprojekten von FORMULA stellt dies die Grundlage für die Optimierung dieser Systeme mit dem Ziel der Maximierung ihrer Vorteile bei gleichzeitiger Minimierung ihrer Nachteile im Vergleich zu Ackersystemen ohne Baumreihen dar.

Isotopenspezifisches Monitoring des H2O-, CO2- und N2O-Austauschs zwischen Atmosphäre und Ökosystem, Teilprojekt 2: Bestimmung der Isotopologenflüsse an einem Waldstandort

Bewertung der Hg-Akkumulation in Blättern und Flüssen zwischen Vegetation und Boden in tropischen trockenen und feuchten Laubwäldern: Untersuchung der Rolle von Vegetation und Saisonalität im Quecksilberzyklus des tropischen Waldes

Aktuelle Erkenntnisse legen nahe, dass tropische Ökosysteme, insbesondere tropische Wälder, eine wichtige Rolle im globalen Hg-Zyklus spielen. Aufgrund der hohen Produktivität und Litterproduktion in tropischen Wäldern findet 70% der globalen atmosphärischen (trockenen) Hg-Deposition auf Waldböden in diesen Umgebungen statt. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Bedeutung der Bestimmung der Beziehung zwischen Hg-Akkumulation in Blättern und Blatt-/Kronenmerkmalen wie spezifischer Blattfläche (SLA) und Blattflächenindex (LAI), um globale Hg-Modelle zu Aktualisierung. Jedoch wurden diese Parameter sowie die Hg-Akkumulation in der Vegetation tropischer Wälder noch nie untersucht. Ein weiterer entscheidender Faktor, der noch nie bewertet wurde, ist der Zusammenhang zwischen der Hg-Akkumulation in den Blättern und der Wassernutzungseffizienz (WUE), die die Menge an Kohlenstoff ist, die als Biomasse pro Einheit Wasser von der Pflanze produziert wird. Stomatale Regulation spielt eine entscheidende Rolle in der WUE, da die Stomataöffnung den Wasserverlust durch Transpiration und die Menge an CO2 beeinflusst, die gewonnen wird. Da die Hg-Aufnahme auch von der stomatalen Regulation abhängt, kann die Etablierung dieser Beziehung wertvolle Einblicke in die Rolle liefern, die Dürre und eine bessere Anpassung an Dürre durch Pflanzen mit höherer WUE zukünftig bei der Hg-Assimilation in der Vegetation spielen werden.Ziel dieser Studie ist es, den Hg-Kreislauf der Vegetation in tropischen Wäldern genauer zu charakterisieren, einschließlich zwei verschiedener Waldtypen, dem tropischen trockenen Laubwald (TDBF) und dem tropischen feuchten Laubwald (TMBF). Dadurch wollen wir dazu beitragen, eine bessere Bewertung der Bedeutung tropischer Wälder im Vergleich zu nichttropischen Wäldern als Hg-Senken zu erreichen. Die vorgeschlagene Studie zielt darauf ab, zu bestimmen, wie verschiedene tropische Waldtypen und damit verbundene klimatische Bedingungen die Hg-Akkumulation in der Vegetation antreiben und wie der Transport von der Atmosphäre in den Boden stattfindet. Schließlich wird diese Studie die Hg-Akkumulation im organischen Oberboden quantifizieren und ihre Beziehung zur C-Akkumulation und Hg-Flüssen im Laubfall bestimmen, was wertvolle zusätzliche Daten für zukünftige globale Hg-Modelle liefern wird. Die Studie wird die Hg-Akkumulation in der Vegetation charakterisieren und die saisonale und räumliche Variabilität in der Hg-Ablagerung durch Laubfall bewerten. Durch den Vergleich die zwei (nahezu) extreme tropische Systeme darstellen, können wir eine einzigartige Perspektive auf die Funktionsweise tropischer Wälder gewinnen und inwieweit sie sich in Bezug auf die Hg-Akkumulation unterscheiden.

Detaillierte zeitliche und physiologische Analyse der Beschränkungen der Effizienz der Wasser- und Stickstoffaufnahme

Die Erhaltung hoher Erträge bei Weizen ist Grundpfeiler der globalen Ernährungssicherheit. Es ist zu erwarten, dass umweltbedingte und regulatorische Beschränkungen im Pflanzenbau sowie zunehmende Schwankungen der Umweltbedingungen aufgrund des Klimawandels die Entwicklung zukünftiger Weizenerträge beeinträchtigen werden. Ein besseres Verständnis des Zusammenwirkens von Genetik und physiologischen Prozessen der Quelle-Senke-Beziehung ist essentiell, um ertragslimitierende Anpassungsprozesse unter Genotyp-Umwelt-Management-Interaktionen (G*U*M) zu optimieren.In einem vorangegangenen Projekt wurde eine große Population europäischer Elite-Weizensorten, die 50 Jahre Zuchtfortschritt umfasst, unter verschiedenen G*U*M-Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die jahrzehntelange Selektion in einer Anreicherung von Chromosomensegmenten mit günstigen Effekten auf wichtige Quelle-Senke-Teilkomponenten des Ertrags, wie z. B. Wasser-, Nährstoff- und Photosyntheseeffizienz, resultierte. Nicht alle Sorten mit vorteilhaften Quelle-Senke-Eigenschaften wiesen jedoch auch einen erhöhten Ertrag auf. Effiziente Rekombination von Quelle-Senke-Merkmalen als Teilkomponenten des Ertrags birgt daher großes Potential für eine Steigerung des Selektionsgewinns in zahlreichen Umwelt- und Managementszenarien.Das Ziel des Teilprojektes 2 besteht darin, die Wechselwirkungen zwischen Wasser- und Stickstoffaufnahme einerseits und ihrer zeitlichen Verteilung entlang der Vegetationsperiode andererseits zu analysieren. Dazu wird durch den Einsatz von zwei komplementären Phänotypisierungsplattformen (DroughtSpotter XXL und Plantarray) die Wasseraufnahme in ultra-hoher Auflösung erfasst. Dies ermöglicht nicht nur über die gesamte Vegetationsperiode, sondern auch innerhalb jeden einzelnen Tages die Transpirationsmuster nachzuvollziehen und mit anderen phänoytypischen Eigenschaften in Verbindung zu setzen. Parallel werden mehrortige Feldversuche mit kontrastierender Wasser- und Stickstoffversorgung durchgeführt und anhand von multispektralen Reflexionsmessungen die Wachstumsdynamik erfasst. Die gemeinsame Datenanalyse soll dazu führen, Eigenschaftsprofile des Weizens zu bestimmen, die unter den jeweiligen Stressszenarien die kleinsten Zielkonflikte ermöglichen. In Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten stellt die Bestimmung der genetischen Determinanten das finale Projektziel dar.

Forschergruppe (FOR) 5639: Land-Atmosphäre Feedback Initiative, Teilprojekt: Beobachtung und Untersuchung des Systems Land-Atmosphäre, der planetaren Grenzschicht und von Flüssen

Die Charakterisierung der Land-Atmosphäre (L-A)-Rückkopplung erfordert detaillierte Untersuchungen des Bodens, der Landbedeckung und der Atmosphäre bis hin zur unteren freien Troposphäre. Fast alle aktuellen Observatorien und Beobachtungsnetzwerke konzentrieren sich nur auf Teilkomponenten des L-A-Systems. Ziel des Projekts P1 der Forschungsgruppe Land-Atmosphäre Feedback Initiative (LAFI) ist es, am Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO) der Universität Hohenheim ein umfassendes Feldprogramm auf heterogenem Agrarland zu realisieren, das diese Beobachtungslücken schließt. Dieses wird durch die Messungen von Profilen der Schlüsselvariablen in allen drei Kompartimenten und die Charakterisierung ihrer horizontalen Strukturen in einer heterogenen Landschaft ermöglicht. Darüber hinaus werden wir einen 20-Jahres-Datensatz analysieren, der am MOL-RAO des DWD gesammelt wurde und die wichtigsten L-A-Systemvariablen für die Ableitung statistischer Metriken, Oberflächenflüsse und die Schließung des Energiehaushalts mit besonderem Schwerpunkt auf Hitzewellen und Dürren abdeckt. Am LAFO werden wir über mindestens eine Vegetationsperiode (Frühling-Herbst 2025) eine General Operations Period (GOP) in Kombination mit fünf Intensiven Observations Periods (IOPS) durchführen, um L-A-Feedbackprozesse zu charakterisieren. Neben etablierten Messtechniken wie Flusskammern und Eddy-Kovarianz-Systemen sowie Doppler-Lidar-Systemen werden wir neue Techniken einsetzen. Dazu gehören Isotopensensoren zur Unterscheidung zwischen Verdunstung und Transpiration, faseroptische Sensoren im Boden, in der Vegetation und in der Prandtl-Schicht für Temperatur- und Windmessungen, die Messung von Profilen der Strahlung, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Vegetation sowie unbemannte Luftfahrzeuge zur Kartierung von Landoberflächeneigenschaften und hochauflösende scannende Raman- und Differentialabsorptions-Lidarsysteme zusammen mit Doppler-Lidar-Systemen zur Ableitung dreidimensionaler turbulenter Eigenschaften der Oberflächenschicht und der atmosphärischen Grenzschicht mit besonderem Schwerpunkt auf Entrainment. P1 ist für alle anderen Projekte von unmittelbarer Bedeutung und dient als Schwerpunkt von LAFI. P2-P6 und P11 werden zur Sensorsynergie beitragen und die Daten unter verschiedenen wissenschaftlichen Aspekten analysieren. P7-P9 modellieren die gesamte GOP und verwenden die P1-Daten für Vergleiche von Feedback-Metriken und Prozessdarstellungen sowie für die Modellevaluation. P10 wird die P1-Daten mithilfe von Deep-Learning-Methoden analysieren. Die in P1 durchgeführten Messungen liefern die wesentliche Grundlage, um alle sechs Forschungsziele zu erreichen und alle Hypothesen von LAFI zu überprüfen. Ebenso stützen sich alle bereichsübergreifenden Arbeitsgruppen auf die Beobachtungen von P1. Durch das Design und die Durchführung der LAFI GOP und IOPs erwarten wir neue Erkenntnisse über L-A-Rückkopplungen und -Prozesse in Agrarlandschaften.

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