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2139Modellierung des Einflusses von Silizium- und Kalzium-Verfügbarkeit auf die zukünftige Stabilität des arktischen Kohlenstoff-Reservoirs, basierend auf Labor- und FeldexperimentenModeling the effect of silicon and calcium availability on the future sustainability of Arctic permafrost carbon pools based on laboratory and field experiments01.05.2019 00:00:0031.08.2022 00:00:00laufendcurrentProgrammbereich 1 „Landschaftsprozesse“Research Area 1 „Landscape Functioning“x3x11xSchaller, Jörg; Stimmler, Peterx2548x2591x<div class='ntm_PB1'>PB1</div>  2019 Modellierung des Einflusses von Silizium- und Kalzium-Verfügbarkeit auf die zukünftige Stabilität des arktischen Kohlenstoff-Reservoirs, basierend auf Labor- und Feldexperimenten Modeling the effect of silicon and calcium availability on the future sustainability of Arctic permafrost carbon pools based on laboratory and field experiments Programmbereich 1 „Landschaftsprozesse“ Schaller, Jörg; Stimmler, Peter Drittmittel Research Area 1 „Landscape Functioning“ current laufend <div class="ExternalClass2762A72528114D459FCF93FEE19C86E1"><p>​Der zur Zeit beobachtete Anstieg der globalen Temperaturen im Rahmen des Klimawandels ist besonders ausgeprägt in der arktischen Region. Diese Entwicklung droht, den bedeutenden Kohlenstoff (C) Speicher in arktischen Permafrostböden zu destabilisieren, mit enormen potentiellen Konsequenzen für das globale Klima. Der C-Kreislauf der arktischen Permafrostsysteme, und somit auch die Stabilität der C-Speicher unter zukünftigen Klimabedingungen, ist allerdings nicht nur abhängig von der Temperatur. Die Menge des emittierten Kohlenstoffs (v.a. in Form von CO<sub>2</sub> und CH<sub>4</sub>) wird zudem beeinflusst von Faktoren wie z.B. Bodenfeuchte, Bodentemperatur oder Boden-pH. Zudem ist auch die Qualität des organischen Materials (Nährstoffgehalt, Gehalt von bestimmten C-Verbindungen) von Bedeutung, wobei vor allem dem Element Phosphor (P) eine besondere Rolle zugeordnet wird. Über den Einfluss anderer Elemente auf den C-Kreislauf in Permafrostsystemen ist bislang nur wenig bekannt. Speziell zwei Elemente sind bekanntermaßen wichtig für den C-Umsatz in marinen Systemen, Silizium (Si, wichtig für die C-Fixierung in Diatomeen) und Calcium (Ca, wichtig für die C-Fixierung in Coccolithophoriden). Für terrestrische und semi-aquatische Systeme existieren bisher nur wenige Studien über den Zusammenhang zwischen dem Si- und dem Ca-Gehalt und dem C-Umsatz. Es wurde kürzlich gezeigt dass Si zur Mobilisierung von P beitragen kann, wohingegen Ca bekanntermaßen die P-Verfügbarkeit durch Bildung von schwer löslichen Ca-P Phasen reduziert. Das Ziel des beantragten Projektes ist die Abschätzung des Einflusses der Verfügbarkeit von Si und Ca auf die P-Verfügbarkeit und die Mineralisierung von organischem Material in Permafrostböden, sowie die Identifikation möglicher positiver Rückkopplungen mit dem Klimawandel. Wir werden in-situ und Laborexperimente durchführen, welche eine Erhöhung der Si und Ca-Verfügbarkeit (Mobilisierung durch Vertiefung der Auftauschicht im Permafrost bei Klimaerwärmung) mit dem Abbaus organischer Substanz und einer damit verbundenen Veränderung der CO<sub>2</sub>/CH<sub>4</sub>-Emissionen aus Permafrostböden in Verbindung setzen. Diese Ergebnisse werden anschließend genutzt, um zu testen, ob eine Berücksichtigung derartiger Si- und Ca-Effekte in prozessbasierten Landoberflächenmodellen zu einer verbesserten Simulation der Kohlenstoffprozesse beitragen kann. Die Qualität der Modellergebnisse wird mithilfe gemessener Austauschflüsse aus einem pan-Arktischen Stationsnetzwerk evaluiert werden. In Kombination mit Prognosesimulationen hinsichtlich der Auftautiefe von Permafrostböden und gewonnenen Daten zur vertikalen Verteilung von Si und Ca werden wir abschätzen, wie sich die Verfügbarkeit von Si und Ca auf regionaler Skala in der Arktis zukünftig verändern wird. In Verbindung mit dem erweiterten Prozessmodell ermöglicht uns diese Information eine Abschätzung des Si/Ca-Einflusses auf die C-Flüsse in Permafrostböden und deren Anteil am zukünftigen C-Kreislauf in Permafrostböden.</p><p><br><br>&#160;</p></div> <div class="ExternalClassDEA7921AE77D435A803E5083BA65895F"><p>​Globally averaged temperature observations have increased since the onset of industrialization, and increase rates have been particularly high at the northern high latitudes. Warmer conditions threaten to degrade the vast pool of organic carbon currently stored in the in northern permafrost soils (estimated at 1330-1580 petagram), with potentially drastic consequences for global climate. The carbon cycle within Arctic permafrost ecosystems, as well as the sustainability of carbon pools, is not only controlled by temperature conditions. The amount of carbon emitted to the atmosphere in form of CO<sub>2</sub> or CH<sub>4</sub>, depend strongly on other environmental boundary conditions such as moisture content, temperature, or pH of the soil. Also the quality of the organic matter (e.g. content of nutrients, nutrient stoichiometry and carbon compounds) plays a dominant role, with phosphorus (P) being of high importance. The potential influence of other, minor chemical elements have been largely neglected in this context. More specifically, two elements have been shown to be highly important for carbon fixation and turnover in marine systems, i.e. silicon (Si, important for C-fixation by diatoms) and calcium (Ca, important for C-fixation by coccolithophores). For terrestrial and semiaquatic systems, however, only few studies have analyzed links between Si and Ca content and carbon turnover rates, and even fewer results have yet been published for permafrost soils despite the potential importance for current and future carbon cycle processes. Silicon was shown to mobilize P from soil binding sites, therefore increasing P availability, whereas Ca is known to decrease P availability by forming insoluble Ca-P phases. </p><p>The aim of this project is to constrain the net effect of competing processes linked to the availability of Si and Ca, and their effect on P availability, on the mineralization of organic matter in degrading permafrost soils, and quantify potential feedbacks with climate change. We will execute manipulation experiments both in-situ and in the laboratory, which will link enhanced Si and/or Ca contents (mimicking mobilization during permafrost thaw) to changes in decomposition/mineralization rates in the soil, and related shifts in CO<sub>2</sub>/CH<sub>4</sub> emissions from permafrost ecosystems. These results will subsequently be used to test if the consideration of Si and Ca availability can improve the performance of a process-based model when compared against pan-Arctic carbon flux observations. Combining prognostic simulations of thaw depth with data on the vertical distribution of Si and Ca pools, we will furthermore estimate how Si and Ca availability may be affected through increases in thaw depth under future climate change. Taken together, these results will allow assessing the impact of Si and Ca availability on carbon fluxes in permafrost soils, and their contribution to the feedbacks between permafrost carbon cycle processes and future climate change.</p></div> <div class="ExternalClass1E0CAF3E-51AF-4565-8082-AFF5B6769814"></div> <div class="ExternalClass8D23C54B-4614-4256-8FD0-6BCE6714B384"><ul><li>Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena</li></ul></div> <div class="ExternalClass7AFDB68D-1858-4963-8733-5DBB44FAAE4B"></div> <div class="ExternalClass57EE2C33-A4C9-4798-A0C7-2B66D0AE5392"><ul><li>DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft</li></ul></div> <div class="ExternalClassE9F2ACA9-04AA-4258-A57C-735E3752ABCC"><ul><li>Dr. Mathias Goeckede</li></ul></div><div class="ExternalClass2762A72528114D459FCF93FEE19C86E1"><p>?Der zur Zeit beobachtete Anstieg der globalen Temperaturen im Rahmen des Klimawandels ist besonders ausgeprägt in der arktischen Region. Diese Entwicklung droht, den bedeutenden Kohlenstoff (C) Speicher in arktischen Permafrostböden zu destabilisieren, mit enormen potentiellen Konsequenzen für das globale Klima. Der C-Kreislauf der arktischen Permafrostsysteme, und somit auch die Stabilität der C-Speicher unter zukünftigen Klimabedingungen, ist allerdings nicht nur abhängig von der Temperatur. Die Menge des emittierten Kohlenstoffs (v.a. in Form von CO<sub>2</sub> und CH<sub>4</sub>) wird zudem beeinflusst von Faktoren wie z.B. Bodenfeuchte, Bodentemperatur oder Boden-pH. Zudem ist auch die Qualität des organischen Materials (Nährstoffgehalt, Gehalt von bestimmten C-Verbindungen) von Bedeutung, wobei vor allem dem Element Phosphor (P) eine besondere Rolle zugeordnet wird. Über den Einfluss anderer Elemente auf den C-Kreislauf in Permafrostsystemen ist bislang nur wenig bekannt. Speziell zwei Elemente sind bekanntermaßen wichtig für den C-Umsatz in marinen Systemen, Silizium (Si, wichtig für die C-Fixierung in Diatomeen) und Calcium (Ca, wichtig für die C-Fixierung in Coccolithophoriden). Für terrestrische und semi-aquatische Systeme existieren bisher nur wenige Studien über den Zusammenhang zwischen dem Si- und dem Ca-Gehalt und dem C-Umsatz. Es wurde kürzlich gezeigt dass Si zur Mobilisierung von P beitragen kann, wohingegen Ca bekanntermaßen die P-Verfügbarkeit durch Bildung von schwer löslichen Ca-P Phasen reduziert. Das Ziel des beantragten Projektes ist die Abschätzung des Einflusses der Verfügbarkeit von Si und Ca auf die P-Verfügbarkeit und die Mineralisierung von organischem Material in Permafrostböden, sowie die Identifikation möglicher positiver Rückkopplungen mit dem Klimawandel. Wir werden in-situ und Laborexperimente durchführen, welche eine Erhöhung der Si und Ca-Verfügbarkeit (Mobilisierung durch Vertiefung der Auftauschicht im Permafrost bei Klimaerwärmung) mit dem Abbaus organischer Substanz und einer damit verbundenen Veränderung der CO<sub>2</sub>/CH<sub>4</sub>-Emissionen aus Permafrostböden in Verbindung setzen. Diese Ergebnisse werden anschließend genutzt, um zu testen, ob eine Berücksichtigung derartiger Si- und Ca-Effekte in prozessbasierten Landoberflächenmodellen zu einer verbesserten Simulation der Kohlenstoffprozesse beitragen kann. Die Qualität der Modellergebnisse wird mithilfe gemessener Austauschflüsse aus einem pan-Arktischen Stationsnetzwerk evaluiert werden. In Kombination mit Prognosesimulationen hinsichtlich der Auftautiefe von Permafrostböden und gewonnenen Daten zur vertikalen Verteilung von Si und Ca werden wir abschätzen, wie sich die Verfügbarkeit von Si und Ca auf regionaler Skala in der Arktis zukünftig verändern wird. In Verbindung mit dem erweiterten Prozessmodell ermöglicht uns diese Information eine Abschätzung des Si/Ca-Einflusses auf die C-Flüsse in Permafrostböden und deren Anteil am zukünftigen C-Kreislauf in Permafrostböden.</p><p><br><br>&#160;</p></div><div class="ExternalClassDEA7921AE77D435A803E5083BA65895F"><p>?Globally averaged temperature observations have increased since the onset of industrialization, and increase rates have been particularly high at the northern high latitudes. Warmer conditions threaten to degrade the vast pool of organic carbon currently stored in the in northern permafrost soils (estimated at 1330-1580 petagram), with potentially drastic consequences for global climate. The carbon cycle within Arctic permafrost ecosystems, as well as the sustainability of carbon pools, is not only controlled by temperature conditions. The amount of carbon emitted to the atmosphere in form of CO<sub>2</sub> or CH<sub>4</sub>, depend strongly on other environmental boundary conditions such as moisture content, temperature, or pH of the soil. Also the quality of the organic matter (e.g. content of nutrients, nutrient stoichiometry and carbon compounds) plays a dominant role, with phosphorus (P) being of high importance. The potential influence of other, minor chemical elements have been largely neglected in this context. More specifically, two elements have been shown to be highly important for carbon fixation and turnover in marine systems, i.e. silicon (Si, important for C-fixation by diatoms) and calcium (Ca, important for C-fixation by coccolithophores). For terrestrial and semiaquatic systems, however, only few studies have analyzed links between Si and Ca content and carbon turnover rates, and even fewer results have yet been published for permafrost soils despite the potential importance for current and future carbon cycle processes. Silicon was shown to mobilize P from soil binding sites, therefore increasing P availability, whereas Ca is known to decrease P availability by forming insoluble Ca-P phases. </p><p>The aim of this project is to constrain the net effect of competing processes linked to the availability of Si and Ca, and their effect on P availability, on the mineralization of organic matter in degrading permafrost soils, and quantify potential feedbacks with climate change. We will execute manipulation experiments both in-situ and in the laboratory, which will link enhanced Si and/or Ca contents (mimicking mobilization during permafrost thaw) to changes in decomposition/mineralization rates in the soil, and related shifts in CO<sub>2</sub>/CH<sub>4</sub> emissions from permafrost ecosystems. These results will subsequently be used to test if the consideration of Si and Ca availability can improve the performance of a process-based model when compared against pan-Arctic carbon flux observations. Combining prognostic simulations of thaw depth with data on the vertical distribution of Si and Ca pools, we will furthermore estimate how Si and Ca availability may be affected through increases in thaw depth under future climate change. Taken together, these results will allow assessing the impact of Si and Ca availability on carbon fluxes in permafrost soils, and their contribution to the feedbacks between permafrost carbon cycle processes and future climate change.</p></div>  <div class="ExternalClass399FDD82-3B5A-4B70-A05D-F98C2F9B55B0">Dr. rer. nat. Jörg Schaller; Peter Stimmler</div>Schaller, Jörg<div class="ExternalClass7B57BD55-AFF6-4A57-8FB7-3985CF7C0164">Dr. rer. nat. Jörg Schaller</a></div>   <div class="ExternalClass8D23C54B-4614-4256-8FD0-6BCE6714B384"><ul><li>Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena</li></ul></div>x3814x  DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft<div class="ExternalClass57EE2C33-A4C9-4798-A0C7-2B66D0AE5392"><ul><li>DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft</li></ul></div><div class="ExternalClassE9F2ACA9-04AA-4258-A57C-735E3752ABCC"><ul><li>Dr. Mathias Goeckede</li></ul></div>22 <div class="ExternalClassB5FA23C5-96C7-4546-80D3-EDCE674B378E"><ul><li>Silizium-Biogeochemie</li></ul></div><div class="ExternalClass373365D7-9152-45BA-9208-0C976C915339"><ul><li>Silicon Biogeochemistry</li></ul></div>
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