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Disturbances in forest ecosystem lead to changes in the functional characteristics of the ecosystem. Deforestation has a major impact on the carbon dioxide (CO$_2$) exchange between the forested ecosystem and the atmosphere. We present seven years of eddy covariance (EC) measurements (October 2013 to October 2017) over a 70 year old spruce stock, including three years prior to and four years after partial deforestation. We analyzed the changes of carbon fluxes as affected mainly by the forest transition.The measurements were carried out in a small headwater catchment (38.5 ha) within the TERENO (TERrestrial Environmental Observatories) network in the Eifel National Park Germany (50°30'N, 06°19'E, 595-629 m a.s.l.). An EC system, mounted on the top of a 38 m high tower, continuously samples fluxes of momentum, sensible heat, latent heat and CO$_2$. In August 2013, more than 20% of the catchment was deforested and planned for regeneration towards natural deciduous vegetation, and a second EC station (up to 3 m height) was installed in the middle of this clearcut.Full time series and annual carbon budgets of the net ecosystem exchange (NEE) and its components gross primary production (GPP) and total ecosystem respiration (Reco) were calculated by using gap filling and flux partitioning methods. After the partial deforestation, soil respiration was measured with manual chambers on average every month at 25 transect points in the forest (12 points) and deforested area (13 points).In contrast to the deforested area, annual sums of NEE measured above the forest showed -a carbon sink with small inter-annual variability. In the first year after partial deforestation, regrowth on the deforested area consisted mainly of grasses and red foxglove (Digitalis purpurea L.), while since the second year also growth of mountain ash (Sorbus aucuparia L.) and broom (Cytisus scoparius L.) increased. The regrowth of biomass is reflected in the annual sums of NEE, which decreased from a carbon source of + 500 g C m-2 y-1 towards neutral over the past four years, due to an increase in the magnitude of GPP.

Durch zunehmende CO2-Konzentrationen und Erwärmung hat sich sowohl die Senken- (Photosynthese) als auch die Quellenfunktion (Respiration) der terrestrischen Biosphäre intensiviert. Der Nettoeffekt entspricht derzeit einer Senke, die etwa ein Drittel der CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen aufgenommen hat. Allerdings stellt zugleich der Landnutzungswandel eine Nettoquelle von etwa 14% dar (5. IPCC-Sachstandsbericht, WG I, Kap. 6, S. 471, 2013).Die Klimawirksamkeit der Landwirtschaft wird von allen drei Faktoren beeinflusst – einem steigenden Senkenpotential durch den CO2-Düngeeffekt, einer steigenden (Boden)respiration durch Erwärmung, und Landnutzungsentscheidungen. Die Wechselwirkung zwischen ihnen wird im Folgenden am Beispiel der zunehmenden Klimarelevanz von Entscheidungen über die Zwischennutzung landwirtschaftlicher Flächen demonstriert.In den letzten 50 Jahren haben sich die Aussaattermine für Winterweizen in Deutschland etwa um eine, die Erntetermine um zwei Wochen nach vorne verschoben, ähnliches gilt für vergleichbare Kulturen. Die nicht für den produktiven Anbau genutzte Zeit wird sowohl länger als auch wärmer – einerseits wegen ihrer zunehmenden Verschiebung in Richtung Sommer, andererseits wegen steigender Jahresmitteltemperaturen. Die Entscheidung über die Verwendung dieser Phasen wird somit klimarelevanter: Bei vegetationsfreiem Boden ist eine stärkere respirationsbedingten Quellenfunktion, bei einer Nutzung für den produktiven Anbau oder einer Einsaat von Zwischenfrüchten eine stärkere Senkenfunktion möglich.Durch die EU-Gesetzgebung unter dem Stichwort „Greening“ erscheint eine sprunghafte Zunahme von Zwischensaaten wie z.B. Ölrettich und Gelbsenf im Winter 2015/16 wahrscheinlich. Dies bietet eine gute Gelegenheit zur Quantifizierung des möglichen Einflusses von Landnutzungsentscheidungen auf diese „Off-Season“-Klimawirksamkeit. Auf dem Poster stellen wir Ergebnisse von CO2-Austauschmessungen in Zwischensaatbeständen und Pläne zur satellitengestützten Quantifizierung ihrer Anbaufläche vor. Die Messungen des CO2-Austauschs, der Verdunstung und der Bodenrespiration mit Hilfe von Eddy-Kovarianz-Stationen und zwei verschiedenen Haubensystemen sind ein Teil des BMBF-geförderten Projektes „IDAS-GHG“, dessen Gesamtkonzept im Vorjahr vorgestellt wurde.

Wie reagiert die Biosphäre auf den Globalen Wandel und die lokale Landbewirtschaftung, und wie wirkt sie sich wiederum auf den Klimawandel aus? Die Landoberfläche kann zum jetzigen Zeitpunkt ca. 33 % (±17 %) des Kohlenstoffdioxids (CO2) aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe aufnehmen. Dem gegenüber steht allerdings eine zusätzliche CO2-Abgabe von 14 % (±10 %) aus Landnutzungsänderungen (IPCC 2013). Photosynthetische CO2-Aufnahme und respiratorische CO2-Abgabe werden unterschiedlich von Umweltfaktoren wie Temperatur, CO2-Konzentration, und Wasserverfügbarkeit beeinflusst. Diese Faktoren sind wiederum dem globalen Wandel unterworfen. Um diese Wechselwirkungen analysieren zu können, müssen Nettoflüsse von Treibhausgasen, wie sie beispielsweise mit der Eddy-Kovarianz-Methode gemessen werden können, in ihre Einzelbeiträge zerlegt werden. Derartige Versuche, den CO2-Fluss in Photosynthese und Respiration oder den latenten Wärmefluss in Evaporation und Transpiration aufzuschlüsseln, werden unter dem Begriff “Source Partitioning” zusammengefasst.Das BMBF-geförderte Forschungsprojekt IDAS-GHG (Instrumental and Data-driven Approaches to Source-Partitioning of Greenhouse Gas Fluxes: Comparison, Combination, Advancement) hat die Zielsetzung, existierende Ansätze zum Source-Partitioning von Treibhausgasflüssen systematisch miteinander zu vergleichen und zu verbessern. Diese lassen sich in zwei Gruppen gliedern: Datenbasierte Ansätze nutzen bestehende (Roh)daten aus der Eddy-Kovarianz-Messung. Instrumentelle Ansätze hingegen beinhalten die Durchführung zusätzlicher Messungen, wie z. B. Kammer- und Profilmessungen, oder die Verwendung von Tracern (z. B. stabile Isotope), die Auskunft über die Herkunft der Gasmoleküle geben können.In unserer Präsentation werden einige dieser Methoden am Beispiel des Messstandorts Selhausen beschrieben. Der Standort befindet sich im TERENO-Observatorium Eifel/Niederrheinische Bucht in der intensiv landwirtschaftlich genutzten niederrheinischen Bördelandschaft. Der Untersuchungszeitraum erstreckt sich über die Vegetationsperiode eines Winterweizenfeldes von der Aussaat im Oktober 2014 über die Ernte hinaus bis Ende September 2015. Im Messfeld installiert ist eine dauerhafte Eddy-Kovarianz-Station und ein automatisches Bodenrespirations-Kammersystem mit bis zu vier Langzeitkammern. Zusätzlich wurden stichprobenartig Profilmessungen der CO2- und H2O-Konzentrationen mit einem eigens gebauten Liftsystem durchgeführt.Mithilfe der gemessenen Eddy-Kovarianz-Daten zeigen wir einen Vergleich bestehender Ansätze zum Source-Partitioning des Netto-Ökosystem-Austauschs in Bruttoprimärproduktion (Photosynthese) und Ökosystematmung (Respiration). Unter Verwendung von Kammermessungen wird dieser um die Terme Nettoprimärproduktion und Bodenrespiration erweitert.Das Profilsystem misst Änderungen der Konzentration von CO2 und H2O mit einer hohen vertikalen und zeitlichen Auflösung zwischen Bodenoberfläche, Pflanzenbestand und Atmosphäre. Die Profile im Halbstundenmittel bilden den Effekt der photosynthetischen Kohlenstoff-Assimilation und Bodenatmung deutlich ab und geben somit qualitative Informationen über Quell- und Senkbereiche. Im nächsten Schritt wird versucht, diese zu quantifizieren und mit den bereits beschriebenen Ansätzen zu vergleichen.

Biokohlen unterscheiden sich je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren mitunter beträchtlich. Bei den Herstellungsverfahren kann man im Wesentlichen drei Typen unterscheiden. Die Pyrolyse, d.h. die Erhitzung auf 300-800 °C unter Sauerstoffausschluss, die Vergasung, d.h. die Erhitzung unter Zusatz eines Oxidationsmittels im Unterschuss vorwiegend bei noch höheren Temperaturen und die hydrothermale Karbonisierung. Letztere findet im Gegensatz zu den ersten beiden im Kontakt des zu karbonisierenden Materials mit einer Wasserphase unter Druck bei Temperaturen von 150-300 °C statt. Die Produkte der hydrothermalen Karbonisierung unterscheiden sich deshalb beträchtlich von denen der beiden anderen Verfahrenstypen. Die hydrothermale Karbonisierung ist besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial eine hohe Feuchte hat und bei den anderen beiden Verfahren viel Energie verbraucht wird, um die Feuchte aus dem Material auszutreiben. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse aus der Bestimmung oberflächenfunktioneller Gruppen durch Boehm-Titration und elektrischer Messungen mit spektraler induzierter Polarisation (SIP) für eine pyrolytische Kohle aus Kiefernholz und einer Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung von Miscanthus giganteus (Elefantengras) verglichen. Die Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung enthält deutlich mehr funktionelle Gruppen, zeigt aber nur eine relativ geringe elektrische Polarisation in wassergesättigten Mischungen mit Sand. Die pyrolytische Kohle, die mit einer langen Kontaktzeit bei 400 °C hergestellt worden war, zeigt dagegen eine sehr hohe Polarisation und im Gegensatz zu der anderen Kohle keine Abhängigkeit des Phasenwinkels vom Elektrolytgehalt des Wassers. Daraus kann geschlossen werden, dass der Polarisationsmechanismus für beide Kohlen unterschiedlich ist. Während bei der Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung im Wesentlichen eine Polarisation durch Verschiebung der Ionen in der elektrischen Doppelschicht stattfindet, erfolgt bei der pyrolytischen Kohle eine Polarisation der Elektronenverteilung in den elektronisch leitenden Kohlepartikeln. Die SIP-Spektren solcher Materialien lassen sich mit der Theorie von Wong beschreiben, welche die Leckströme durch Redox-Reaktionen über die Partikel-Elektrolyt-Grenzfläche mitberücksichtigt. Die Messwerte für die Kohle aus Kiefernholz lassen sich bei Verwendung sinnvoller Parameter mit dieser Theorie recht gut beschreiben, wenn man in Betracht zieht, dass einige der Voraussetzungen der Theorie nicht erfüllt sind. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die pyrolytische Kohle eine hohe Porosität besitzt, weswegen die Kontaktfläche mit dem Elektrolyt verglichen mit der Kontaktfläche starrer Kugeln, wie sie die Theorie voraussetzt, wesentlich größer wird. Deshalb muss ein wesentlich höherer Volumenanteil an Kohle in das theoretische Modell eingesetzt werden, um die gemessene Peakhöhe des Phasenwinkels zu erhalten. Eine Weiterentwicklung der Theorie von Wong wäre deshalb anzustreben.

Auf dem Poster werden Ziele und erste Ergebnisse des kürzlich gestarteten BMBF-Projekts „IDAS-GHG“ vorgestellt, dessen Gegenstand in-situ-Messungen des Austauschs klimarelevanter Spurengase (CO2, H2O, N2O) über unterschiedlich (z.B. landwirtschaftlich) genutzten Vegetationsflächen sind.Insbesondere während der ersten Projektjahre stehen methodische Fragen zum sogenannten „Source Partitioning“ (Quellenzuordnung oder Komponentenentmischung) im Vordergrund. Damit werden verschiedene bestehende und in Entwicklung befindliche Methoden bezeichnet, Messungen des Netto-Austauschs zwischen Biosphäre und Atmosphäre (z.B. mit der Eddy-Kovarianz-Methode) hinsichtlich der beteiligten Quellen- und Senken aufzuschlüsseln, etwa Respiration und Photosynthese bzw. Evaporation und Transpiration.Sollen Messungen zur Parametrisierung des Verhaltens von Pflanzenbeständen und Böden in gekoppelten Klimamodellen genutzt werden, so kann eine erfolgreiche Quellenzuordnung in den Messdaten die Unsicherheit bei der Ermittlung der Modellparameter verringern. Auch direkt aus Messungen gewonnen Aussagen zum Mitigationspotential von Landnutzungsstrategien können besser erklärt, auf Plausibilität überprüft und auf ähnliche Fälle übertragen werden, wenn beispielsweise bekannt ist, aus welcher der möglichen Kombinationen von (Boden-)Respiration und (Netto-)Primärproduktion ein bestimmter gemessener Netto-CO2-Fluss resultiert. Derartige Bewertungsmöglichkeiten sollen im weiteren Verlauf des Projekts an Beispielen wie Gründüngung in der Landwirtschaft, Waldumbau und Dachbegrünung getestet werden.Unter den untersuchten, zu vergleichenden und weiterzuentwickelnden Methoden der Quellenzuordnung befinden sich sowohl solche, die auf bereits vorhandene Messdaten bestehender Eddy-Kovarianz-Standorte angewendet werden können, als auch Zusatzmessungen. Als Beispiel für letztere wird auf erste Ergebnisse vertikal hochauflösender Profilmessungen in niedrigen Pflanzenbeständen wie Grünland oder Weizen eingegangen.

The main goal of TERENO was to create observation platforms on the basis of an interdisciplinary and long‐term aimed research program. By the aid of SoilCan‐lysimeters, an ideal network was built between the four different TERENO‐observatories with their highly instrumented test sites. Within the four TERENO‐observatories at 13 different experimental sites, in total 126 lysimeters were filled monolithically and the measurements were started in October 2010. The lysimeters have been cultivated as grassland or arable land with a standardized crop rotation: winter wheat – winter barley – winter rye – oat.

Die Anwendung von Biokohlen als Mittel zur Bodenverbesserung und zurlangfristigen Fixierung von Kohlenstoff im Boden ist seit einigen Jahren Gegenstandintensiver Forschung [1]. Die Spektrale Induzierte Polarisation und das daraufbasierende bildgebende Verfahren der Elektrischen Impedanztomographie könntenals skalenübergreifende Methoden dazu beitragen, Biokohlen zu charakterisierenund zu lokalisieren sowie ihren Einfluss auf Prozesse im Boden zu untersuchen [2].In diesem Beitrag werden systematische Messungen an Mischungen von Sand mitmehreren Aktivkohlen sowie vier Größenfraktionen einer kommerziellen Holzkohlevorgestellt. Während für die unterschiedlich großen Partikel aus dem gleichenAusgangsmaterial eine Korrelation zwischen dem Partikeldurchmesser und der Lagedes Maximums des Imaginärteils der Leitfähigkeit σ" gefunden wurde, ist eineSystematik für die Partikelgrößen verschiedener Aktivkohlen nur eingeschränkt zuerkennen. Offensichtlich beeinflussen auch andere Eigenschaften der Kohle die Lageder maximalen Polarisation, die für die untersuchten Materialien im Frequenzbereichvon 0,1 mHz bis 10 kHz liegt. Für eine der Aktivkohlen wurde auch dieMengenabhängigkeit bestimmt. Die Höhe des Maximums von σ" ist im Wesentlichenproportional zum Massenanteil der Kohle, allerdings treten an den Rändern derPeaks zusätzliche Effekte auf, die zu starken Abweichungen von der Proportionalitätführen. Gleichzeitig kommt es auch zu einer Frequenzverschiebung des Maximumsvon σ" um mehr als eine Größenordnung für Kohlegehalte zwischen 1 und 8Gewichts-%.Literatur[1] Gang Xu, Yingchun Lv, Junna Sun, Hongbo Shao, Linlin Wei. Recent Advancesin Biochar Applications in Agricultural Soils: Benefits and EnvironmentalImplications. Clean - Soil, Air, Water 2012, 40(10), 1093-1098, DOI:10.1002/clen.201100738[2] Franz-Hubert Haegel, Egon Zimmermann, Nicolai D. Jablonowski, Odilia Esser,Johan A. Huisman, Harry Vereecken. Application of Spectral Induced Polarizationand Electrical Impedance Tomography on mixtures of Biochars and ActiveCarbons with Sand. Proc. Symp. Appl. Geophys. Eng. Environ. Probl. 2012, vol. 25,198, DOI: 10.4133/1.4721883

Das übergeordnete Ziel des Projektes waren eine flächendeckende und zugleich räumlich hoch differenzierte Analyse und Bewertung der N- und P-Einträge in Grund- und Oberflächenwasser in Nordrhein-Westfalen (NRW) unter besonderer Berücksichtigung diffuser landwirtschaftlicher Quellen sowie die Analyse der Bedeutung unterschiedlicher Eintragspfade. Hierzu wurde das agrarökonomische Modell RAUMIS (Regionalisiertes Agrar- und Umweltinformationssystem) mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA (Großräumiges Wasserhaushaltsmodell) und den reaktiven N-Transportmodellen DENUZ (Denitrifikation in der ungesättigten Zone) und WEKU (Verweilzeiten und reaktiver N-Transport im Grundwasser) gekoppelt sowie das P-Transportmodell MEPhos (Modell zur Ermittlung des Phosphoreintrags) eingesetzt. Mit diesem Modellverbund wurden die diffusen Nährstoffeinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer getrennt nach den wichtigsten hydrologischen Abflusskomponenten flächendifferenziert berechnet. Weiterhin wurden die punktuellen Einträge aus kommunalen Kläranlagen sowie die Nährstoffrückhalte und -verluste in den Oberflächengewässern berücksichtigt. Untersucht wurde nicht nur der Ist-Zustand (2003), sondern auch das so genannte Baseline-Szenario, das sich auf den voraussichtlichen Zustand in 2015 unter Berücksichtigung der Umsetzung von grundlegenden Maßnahmen im Sinne der WRRL bezieht. Das Baseline-Szenario berücksichtigt aktuelle agrarökonomische Entwicklungen aber auch die Umsetzung geltender umweltrechtlicher Bestimmungen. ...

Der vorliegende Band enthält den Abschlussbericht zum Kooperationsvorhaben „Modellgestützte Analyse signifikanter Phosphorbelastungen in hessischen Oberflächengewässern aus diffusen und punktuellen Quellen“. Projektbeteiligte waren das Forschungszentrum Jülich (Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, ICG-4: Agrosphäre) sowie das Hessische Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG). Ziel war es, innerhalb der kurzen Laufzeit von einem Jahr eine umfassende Modellierung der mittleren jährlichen Phosphoreinträge über die Pfade Erosion, Abschwemmung, Dränagen, Grundwasser, Mischwasserentlastung, Trennkanalisation, Industrie und Kläranlagen für das gesamte Bundesland Hessen durchzuführen. Die Ergebnisse werden zur Unterstützung bei der Erstellung von Maßnahmenprogrammen gemäß EG-Wasserrahmenrichtlinie eingesetzt.