TY - THES A1 - Hippel, Barbara von T1 - Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics N2 - The arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world. The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome. The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales. The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed. With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming. N2 - Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können. Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen. Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt. Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen. Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien. KW - sedimentary ancient DNA KW - ecology KW - lake sediment KW - Arctic KW - ecosystem reconstruction KW - climate change KW - treeline dynamics KW - microbial soil communities KW - plant-microbe interactions KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Ökologie KW - Ökosystem-Rekonstruktion KW - Seesediment KW - mikrobielle Bodengemeinschaften KW - Pflanzen-Mikroben-Interaktionen KW - sedimentary ancient DNA KW - Baumgrenzen-Dynamik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636009 ER - TY - JOUR A1 - Monhonval, Arthur A1 - Strauss, Jens A1 - Thomas, Maxime A1 - Hirst, Catherine A1 - Titeux, Hugues A1 - Louis, Justin A1 - Gilliot, Alexia A1 - D'Aische, Eleonore du Bois A1 - Pereira, Benoit A1 - Vandeuren, Aubry A1 - Grosse, Guido A1 - Schirrmeister, Lutz A1 - Jongejans, Loeka Laura A1 - Ulrich, Mathias A1 - Opfergelt, Sophie T1 - Thermokarst processes increase the supply of stabilizing surfaces and elements (Fe, Mn, Al, and Ca) for mineral-organic carbon interactions JF - Permafrost and periglacial processes N2 - The stabilizing properties of mineral-organic carbon (OC) interactions have been studied in many soil environments (temperate soils, podzol lateritic soils, and paddy soils). Recently, interest in their role in permafrost regions is increasing as permafrost was identified as a hotspot of change. In thawing ice-rich permafrost regions, such as the Yedoma domain, 327-466 Gt of frozen OC is buried in deep sediments. Interactions between minerals and OC are important because OC is located very near the mineral matrix. Mineral surfaces and elements could mitigate recent and future greenhouse gas emissions through physical and/or physicochemical protection of OC. The dynamic changes in redox and pH conditions associated with thermokarst lake formation and drainage trigger metal-oxide dissolution and precipitation, likely influencing OC stabilization and microbial mineralization. However, the influence of thermokarst processes on mineral-OC interactions remains poorly constrained. In this study, we aim to characterize Fe, Mn, Al, and Ca minerals and their potential protective role for OC. Total and selective extractions were used to assess the crystalline and amorphous oxides or complexed metal pools as well as the organic acids found within these pools. We analyzed four sediment cores from an ice-rich permafrost area in Central Yakutia, which were drilled (i) in undisturbed Yedoma uplands, (ii) beneath a recent lake formed within Yedoma deposits, (iii) in a drained thermokarst lake basin, and (iv) beneath a mature thermokarst lake from the early Holocene period. We find a decrease in the amount of reactive Fe, Mn, Al, and Ca in the deposits on lake formation (promoting reduction reactions), and this was largely balanced by an increase in the amount of reactive metals in the deposits on lake drainage (promoting oxidation reactions). We demonstrate an increase in the metal to C molar ratio on thermokarst process, which may indicate an increase in metal-C bindings and could provide a higher protective role against microbial mineralization of organic matter. Finally, we find that an increase in mineral-OC interactions corresponded to a decrease in CO2 and CH4 gas emissions on thermokarst process. Mineral-OC interactions could mitigate greenhouse gas production from permafrost thaw as soon as lake drainage occurs. KW - Arctic KW - organic carbon stabilization KW - permafrost KW - redox processes KW - thaw KW - Yedoma Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/ppp.2162 SN - 1045-6740 SN - 1099-1530 VL - 33 IS - 4 SP - 452 EP - 469 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Aue, Lars T1 - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean T1 - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean N2 - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season. Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role. N2 - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst. Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist. Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter. Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt. Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen. KW - Arctic KW - atmosphere KW - sea ice KW - cyclones KW - meteorology KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Meereis KW - Zyklone KW - Meteorologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458 SP - VIII, 131 ER - TY - THES A1 - Littmann, Daniela-Christin T1 - Large eddy simulations of the Arctic boundary layer around the MOSAiC drift track T1 - Large-Eddy-Simulationen der arktischen Grenzschicht um die MOSAiC-Driftroute N2 - The icosahedral non-hydrostatic large eddy model (ICON-LEM) was applied around the drift track of the Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 and 2020. The model was set up with horizontal grid-scales between 100m and 800m on areas with radii of 17.5km and 140 km. At its lateral boundaries, the model was driven by analysis data from the German Weather Service (DWD), downscaled by ICON in limited area mode (ICON-LAM) with horizontal grid-scale of 3 km. The aim of this thesis was the investigation of the atmospheric boundary layer near the surface in the central Arctic during polar winter with a high-resolution mesoscale model. The default settings in ICON-LEM prevent the model from representing the exchange processes in the Arctic boundary layer in accordance to the MOSAiC observations. The implemented sea-ice scheme in ICON does not include a snow layer on sea-ice, which causes a too slow response of the sea-ice surface temperature to atmospheric changes. To allow the sea-ice surface to respond faster to changes in the atmosphere, the implemented sea-ice parameterization in ICON was extended with an adapted heat capacity term. The adapted sea-ice parameterization resulted in better agreement with the MOSAiC observations. However, the sea-ice surface temperature in the model is generally lower than observed due to biases in the downwelling long-wave radiation and the lack of complex surface structures, like leads. The large eddy resolving turbulence closure yielded a better representation of the lower boundary layer under strongly stable stratification than the non-eddy-resolving turbulence closure. Furthermore, the integration of leads into the sea-ice surface reduced the overestimation of the sensible heat flux for different weather conditions. The results of this work help to better understand boundary layer processes in the central Arctic during the polar night. High-resolving mesoscale simulations are able to represent temporally and spatially small interactions and help to further develop parameterizations also for the application in regional and global models. N2 - Das icosahedral non-hydrostatische large eddy model (ICON-LEM) wurde entlang des Driftweges des Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 und 20 angewendet. Das Modell nutzte horizontale Gitterauflösungen zwischen 100m und 800m auf Gebieten mit Durchmessern von 17.5km und 140 km. An den seitlichen Rändern wurde das Modell mit Analysedaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben, welche mit ICON im limited area mode (ICON-LAM) mit einer horizontalen Auflösung von 3km herunterskaliert wurden. Ziel dieser Arbeit war es, die flache atmosphärische Grenzschicht in der zentralen Arktis während des polaren Winters mit einem hochauflösenden mesoskaligen Modell zu untersuchen. Die standardmäßigen Einstellungen in ICON-LEM machen es dem Modell unmöglich, die wechselwirkenden Austauschprozesse in der arktischen Grenzschicht gemäß der MOSAiC Beobachtungen abzubilden. Das implementierte Meereis-Schema in ICON beinhaltet keine Schneeschicht auf dem Meereis, was eine zu große Verzögerung der Meereisoberflächentemperatur auf atmosphärische Veränderungen bewirkt. Um die Meereisfläche schneller auf Änderungen in der Atmosphäre reagieren lassen zu können, wurde die bestehende Meereisparameterisierung in ICON um einen angepasstenWärmekapazitätsterm erweitert. Die angepasste Meereis-Parameterisierung stimmte besser mit den MOSAiC Beobachtungen überein. Allerdings ist die Meereisoberflächentemperatur im Modell aufgrund der fehlerbehafteten einfallenden, langwelligen Strahlung und dem Fehlen komplexer Oberflächenstrukturen im Meereis generell niedriger als beobachtet. Die groß-wirbellige Turbulenz-Schliessung wird der Darstellung der unteren Grenschicht während starker stabiler Schichtung besser gerecht als die Nicht-Wirbel-auflösende Turbulenz-Schließung. Desweiteren reduzierte die Integration der Risse in der Meereisoberfläche die Abweichung der sensiblen Wärme für verschiedene Wetterzustände. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen die Grenzschicht-Prozesse in der zentralen Arktis während der polaren Nacht besser zu verstehen. Hochauflösende mesoskalige Simulationen ermöglichen die Repräsentation zeitlicher und räumlicher klein-skaliger Wechselwirkungen und bestehende Parametrisierungen auch für regionale und globale Modelle weiterzuentwickeln. KW - Arctic KW - atmosphere KW - atmospheric science KW - high resolution KW - boundary layer KW - stable stratification KW - heat flux KW - heat capacity KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenforschung KW - hohe Auflösung KW - Grenzschicht KW - stabile Schichtung KW - Wärmefluss KW - Wärmekapazität Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624374 ER - TY - THES A1 - Windirsch-Woiwode, Torben T1 - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem T1 - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems N2 - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere. By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region. N2 - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern. Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können. KW - permafrost KW - carbon KW - climate change KW - grazing KW - Arctic KW - Arktis KW - Kohlenstoff KW - Klimawandel KW - Beweidung KW - Permafrost Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240 ER - TY - JOUR A1 - Rainer, Edda M. A1 - Seppey, Christophe Victor William A1 - Hammer, Caroline A1 - Svenning, Mette M. A1 - Tveit, Alexander Tosdal T1 - The influence of above-ground herbivory on the response of Arctic soil methanotrophs to increasing CH4 concentrations and temperatures JF - Microorganisms : open access journal N2 - Rising temperatures in the Arctic affect soil microorganisms, herbivores, and peatland vegetation, thus directly and indirectly influencing microbial CH4 production. It is not currently known how methanotrophs in Arctic peat respond to combined changes in temperature, CH4 concentration, and vegetation. We studied methanotroph responses to temperature and CH4 concentration in peat exposed to herbivory and protected by exclosures. The methanotroph activity was assessed by CH4 oxidation rate measurements using peat soil microcosms and a pure culture of Methylobacter tundripaludum SV96, qPCR, and sequencing of pmoA transcripts. Elevated CH4 concentrations led to higher CH4 oxidation rates both in grazed and exclosed peat soils, but the strongest response was observed in grazed peat soils. Furthermore, the relative transcriptional activities of different methanotroph community members were affected by the CH4 concentrations. While transcriptional responses to low CH4 concentrations were more prevalent in grazed peat soils, responses to high CH4 concentrations were more prevalent in exclosed peat soils. We observed no significant methanotroph responses to increasing temperatures. We conclude that methanotroph communities in these peat soils respond to changes in the CH4 concentration depending on their previous exposure to grazing. This "conditioning " influences which strains will thrive and, therefore, determines the function of the methanotroph community. KW - methanotroph KW - methane oxidation KW - pmoA amplicon sequencing KW - Methylobacter KW - grazing pressure KW - peat soil microcosms KW - temperature KW - Arctic Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/microorganisms9102080 SN - 2076-2607 VL - 9 IS - 10 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Mogrovejo Arias, Diana Carolina A1 - Brill, Florian H. H. A1 - Wagner, Dirk T1 - Potentially pathogenic bacteria isolated from diverse habitats in Spitsbergen, Svalbard JF - Environmental earth sciences N2 - The Arctic ecosystem, a reservoir of genetic microbial diversity, represents a virtually unlimited source of microorganisms that could interact with human beings. Despite continuous exploration of Arctic habitats and description of their microbial communities, bacterial phenotypes commonly associated with pathogenicity, such as hemolytic activity, have rarely been reported. In this study, samples of snow, fresh and marine water, soil, and sediment from several habitats in the Arctic archipelago of Svalbard were collected during Summer, 2017. Bacterial isolates were obtained after incubation on oligotrophic media at different temperatures and their hemolytic potential was assessed on sheep blood agar plates. Partial (alpha) or true (beta) hemolysis was observed in 32 out of 78 bacterial species. Genes expressing cytolytic compounds, such as hemolysins, likely increase the general fitness of the producing microorganisms and confer a competitive advantage over the availability of nutrients in natural habitats. In environmental species, the nutrient-acquisition function of these compounds presumably precedes their function as toxins for mammalian erythrocytes. However, in the light of global warming, the presence of hemolytic bacteria in Arctic environments highlights the possible risks associated with these microorganisms in the event of habitat melting/destruction, ecosystem transition, and re-colonization. KW - Arctic KW - Svalbard KW - hemolysins KW - climate change KW - pathogens KW - virulence Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1007/s12665-020-8853-4 SN - 1866-6280 SN - 1866-6299 VL - 79 IS - 5 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Fritz, Michael A1 - Unkel, Ingmar A1 - Lenz, Josefine A1 - Gajewski, Konrad A1 - Frenzel, Peter A1 - Paquette, Nathalie A1 - Lantuit, Hugues A1 - Körte, Lisa A1 - Wetterich, Sebastian T1 - Regional environmental change versus local signal preservation in Holocene thermokarst lake sediments BT - a case study from Herschel Island, Yukon (Canada) JF - Journal of paleolimnolog N2 - Thermokarst lakes cover nearly one fourth of ice-rich permafrost lowlands in the Arctic. Sediments from an athalassic subsaline thermokarst lake on Herschel Island (69°36′N; 139°04′W, Canadian Arctic) were used to understand regional changes in climate and in sediment transport, hydrology, nutrient availability and permafrost disturbance. The sediment record spans the last ~ 11,700 years and the basal date is in good agreement with the Holocene onset of thermokarst initiation in the region. Electrical conductivity in pore water continuously decreases, thus indicating desalinization and continuous increase of lake size and water level. The inc/coh ratio of XRF scans provides a high-resolution organic-carbon proxy which correlates with TOC measurements. XRF-derived Mn/Fe ratios indicate aerobic versus anaerobic conditions which moderate the preservation potential of organic matter in lake sediments. The coexistence of marine, brackish and freshwater ostracods and foraminifera is explained by (1) oligohaline to mesohaline water chemistry of the past lake and (2) redeposition of Pleistocene specimens found within upthrusted marine sediments around the lake. Episodes of catchment disturbance are identified when calcareous fossils and allochthonous material were transported into the lake by thermokarst processes such as active-layer detachments, slumping and erosion of ice-rich shores. The pollen record does not show major variations and the pollen-based climate record does not match well with other summer air temperature reconstructions from this region. Local vegetation patterns in small catchments are strongly linked to morphology and sub-surface permafrost conditions rather than to climate. Multidisciplinary studies can identify the onset and life cycle of thermokarst lakes as they play a crucial role in Arctic freshwater ecosystems and in the global carbon cycle of the past, present and future. KW - Arctic KW - Permafrost KW - Athalassic subsaline lake KW - XRF scanning KW - Pore-water hydrochemistry KW - Ostracoda Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1007/s10933-018-0025-0 SN - 0921-2728 SN - 1573-0417 VL - 60 IS - 1 SP - 77 EP - 96 PB - Springer CY - Dordrecht ER - TY - JOUR A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Gorodnichev, Ruslan A1 - Wetterich, Sebastian T1 - The sensitivity of diatom taxa from Yakutian lakes (north-eastern Siberia) to electrical conductivity and other environmental variables JF - Polar research : a Norwegian journal of Polar research N2 - Relative abundances of 157 diatom taxa from Yakutian lake surface-sediments were investigated for their potential to indicate certain environmental conditions. Data from 206 sites from Arctic, sub-Arctic and boreal environments were included. Redundancy analyses were performed to assess the explanatory power of mean July temperature (T-July), conductivity, pH, dissolved silica concentration, phosphate concentration, lake depth and vegetation type on diatom species composition. Boosted regression tree analyses were performed to infer the most relevant environmental variables for abundances of individual taxa and weighted average regression was applied to infer their respective optimum and tolerance. Electrical conductivity was best indicated by diatom taxa. In contrast, only few taxa were indicative of Si and water depth. Few taxa were related to specific pH values. Although T-July, explained the highest proportion of variance in the diatom spectra and was, after conductivity, the second-most selected splitting variable, we a priori decided not to present indicator taxa because of the poorly understood relationship between diatom occurrences and T-July. In total, 92 diatom taxa were reliable indicators of a certain vegetation type or a combination of several types. The high numbers of indicative species for open vegetation sites and for forested sites suggest that the principal turnover is the transition from forest-tundra to northern taiga. Overall, our results reveal that preference ranges of diatom taxa for environmental variables are mostly broad, and the use of indicator taxa for the purposes of environmental reconstruction or environmental monitoring is therefore restricted to marked rather than subtle environmental transitions. KW - Temperature KW - pH KW - dissolved silica concentration KW - Arctic KW - diatom indicator species Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1080/17518369.2018.1485625 SN - 0800-0395 SN - 1751-8369 VL - 37 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - Abingdon ER - TY - JOUR A1 - Jones, Benjamin M. A1 - Arp, Christopher D. A1 - Whitman, Matthew S. A1 - Nigro, Debora A1 - Nitze, Ingmar A1 - Beaver, John A1 - Gadeke, Anne A1 - Zuck, Callie A1 - Liljedahl, Anna A1 - Daanen, Ronald A1 - Torvinen, Eric A1 - Fritz, Stacey A1 - Grosse, Guido T1 - A lake-centric geospatial database to guide research and inform management decisions in an Arctic watershed in northern Alaska experiencing climate and land-use changes JF - AMBIO N2 - Lakes are dominant and diverse landscape features in the Arctic, but conventional land cover classification schemes typically map them as a single uniform class. Here, we present a detailed lake-centric geospatial database for an Arctic watershed in northern Alaska. We developed a GIS dataset consisting of 4362 lakes that provides information on lake morphometry, hydrologic connectivity, surface area dynamics, surrounding terrestrial ecotypes, and other important conditions describing Arctic lakes. Analyzing the geospatial database relative to fish and bird survey data shows relations to lake depth and hydrologic connectivity, which are being used to guide research and aid in the management of aquatic resources in the National Petroleum Reserve in Alaska. Further development of similar geospatial databases is needed to better understand and plan for the impacts of ongoing climate and land-use changes occurring across lake-rich landscapes in the Arctic. KW - Arctic KW - Climate Change KW - GIS KW - Lakes KW - Land-use change KW - Watershed Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1007/s13280-017-0915-9 SN - 0044-7447 SN - 1654-7209 VL - 46 SP - 769 EP - 786 PB - Springer CY - Dordrecht ER -