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Quantification of small-scale physicochemical properties of intact macropore surfaces in structured soils

In structured soils, the interaction of percolating water and reactive solutes with the soil matrix is mostly restricted to the surfaces of preferential flow paths. Flow paths, i.e., macropores, are formed by worm burrows, decayed root channels, cracks, and inter-aggregate spaces. While biopores are covered by earthworm casts and mucilage or by root residues, aggregates and cracks are often coated by soil organic matter (SOM), oxides, and clay minerals especially in the clay illuviation horizons of Luvisols. The SOM as well as the clay mineral composition and concentration strongly determine the wettability and sorption capacity of the coatings and thus control water and solute movement as well as the mass exchange between the preferential flow paths and the soil matrix. The objective of this proposal is the quantitative description of the small-scale distribution of physicochemical properties of intact structural surfaces and flow path surfaces and of their distribution in the soil volume. Samples of Bt horizons of Luvisols from Loess will be compared with those from glacial till. At intact structural surfaces prepared from soil clods, the spatial distribution (mm-scale) of SOM and clay mineral composition will be characterized with DRIFT (Diffuse reflectance infrared Fourier transform) spectroscopy using a self-developed mapping technique. For samples manually separated from coated surfaces and biopore walls, the contents of organic carbon (Corg) and the cation exchange capacity (CEC) will be analyzed and related to the intensities of specific signals in DRIFT spectra using Partial Least Square Regression (PLSR) analysis. The signal intensities of the DRIFT mapping spectra will be used to quantify the spatial distribution of Corg and CEC at these structural surfaces. The DRIFT mapping data will also be used for qualitatively characterizing the small scale distribution of the recalcitrance, humification, and microbial activity of the SOM from structural surfaces. The clay mineral composition of defined surface regions will be characterized by combining DRIFT spectroscopic with X-ray diffractometric analysis of manually separated samples. Subsequently, the spatial distribution of the clay mineral composition at structural surfaces will be determined from the intensities of clay mineral-specific signals in the DRIFT mapping spectra and exemplarily compared to scanning electron microscopic and infrared microscopic analysis of thin sections and thin polished micro-sections. The three-dimensional spatial distribution of the total structural surfaces in the volume of the Bt horizons will be quantified using X-ray computed tomography (CT) analysis of soil cores. The active preferential flow paths will be visualized and quantified by field tracer experiments. These CT and tracer data will be used to transfer the properties of the structural surfaces characterized by DRIFT mapping onto the active preferential flow paths in the Bt horizons.

IS BK 50 Bodenkarte von NRW 1 : 50.000 - Datensatz

Der Datensatz gibt die Inhalte der Bodenkarte 1 : 50.000 von Nordrhein-Westfalen blattschnittfrei, landesweit flächendeckend wieder. Jede einzelne Fläche wird bei Abruf der Informationen aus einem GIS beschrieben hinsichtlich Bodeneinheit, vereinfachtem Bodentyp, Bodenartengruppe des Oberbodens, Staunässe, Grundwasser, Schutzwürdigen Böden, Durchwurzelbarkeit, optimaler Flurabstand, Erodierbarkeit des Oberbodens, Kapillaraufstieg von Grundwasser, nutzbare Feldkapazität, Feldkapazität, Luftkapazität, gesättigte Wasserleitfähigkeit, Versickerungseignung, Kationenaustauschkapazität. ökologische Feuchtestufe, Gesamtfilterfähigkeit, Grabbarkeit, Eignung für Erdwärmekollektoren, Denitrifikationspotential und Verdichtungsempfindlichkeit.

Filter- und Pufferfunktion des Bodens

Als Filter- und Pufferfunktion von Böden wird deren Vermögen bezeichnet, Schadstoffe zu binden, abzubauen oder zurückzuhalten. Es handelt sich um eine grundlegende Funktion des Bodens als Ausgleichsmedium für stoffliche Einwirkungen. Das Bodenbewertungsinstrument Sachsen (2022) dient als methodische Grundlage für die Bewertung der Bodenkarte Dresden (2024). Haupteingangsparameter sind die Kationenaustauschkapazität und Luftkapazität.

Filter- und Pufferfunktion des Bodens (WMS Dienst)

Als Filter- und Pufferfunktion von Böden wird deren Vermögen bezeichnet, Schadstoffe zu binden, abzubauen oder zurückzuhalten. Es handelt sich um eine grundlegende Funktion des Bodens als Ausgleichsmedium für stoffliche Einwirkungen. Das Bodenbewertungsinstrument Sachsen (2022) dient als methodische Grundlage für die Bewertung der Bodenkarte Dresden (2024). Haupteingangsparameter sind die Kationenaustauschkapazität und Luftkapazität.

Filter- und Pufferfunktion des Bodens (WFS Dienst)

Als Filter- und Pufferfunktion von Böden wird deren Vermögen bezeichnet, Schadstoffe zu binden, abzubauen oder zurückzuhalten. Es handelt sich um eine grundlegende Funktion des Bodens als Ausgleichsmedium für stoffliche Einwirkungen. Das Bodenbewertungsinstrument Sachsen (2022) dient als methodische Grundlage für die Bewertung der Bodenkarte Dresden (2024). Haupteingangsparameter sind die Kationenaustauschkapazität und Luftkapazität.

Bodenkarte (BK 50)

Die Bodenkarte 1 : 50 000 wurde im Rahmen der Bodenbestandsaufnahme vom LGRB erstellt und ist Teil des Projekts "Integrierte geowissenschaftliche Landesaufnahme" (GeoLa). Ziel ist es, eine nach einheitlichen Methoden fachlich abgestimmte blattschnittfreie Datenbasis für die gesamte Landesfläche aufzubauen. Als bodenkundliche Informationsgrundlage ist sie vor allem für den mittleren Planungsmaßstab 1 : 50 000 geeignet. Der Geodatensatz enthält umfangreiche Attribute, die teilweise im zugehörigen Dienst (https://services.lgrb-bw.de/ms/lgrb_geola_bod?REQUEST=GetCapabilities&SERVICE=WMS&VERSION=1.3.0) als separate Layer visualisiert sind. Der Dienst ist in das Berichtsystem BRSWeb mit den nachfolgenden Layern eingebunden: - Bodenkundliche Einheiten (BK50) - Feldkapazität (BK50) - Nutzbare Feldkapazität (BK50) - Luftkapazität (BK50) - Erodierbarkeit (K-Faktor) (BK50) - Wasserdurchlässigkeit (BK50) - Potenzielle Kationenaustauschkapazität (BK50) - Natürliche Bodenfruchtbarkeit (BK50) - Standort für naturnahe Vegetation (BK50) - Ausgleichskörper im Wasserkreislauf unter landwirtschaftlicher Nutzung (BK50) - Ausgleichskörper im Wasserkreislauf unter Wald (BK50) - Filter und Puffer für Schadstoffe unter landwirtschaftlicher Nutzung (BK50) - Filter und Puffer für Schadstoffe unter Wald (BK50) - Gesamtbewertung unter (BK50)landwirtschaftlicher Nutzung (BK50) - Gesamtbewertung unter Wald (BK50) - Archivfunktion - Suchraumkarte für Böden als Archive der Natur- und Kulturgeschichte von Baden-Württemberg (eigenständiger Datensatz) - Grabbarkeit bis 1 m Tiefe (BK50)

Übertragbarkeit von Modellen des Maschinellen Lernens in der digitalen Bodenkartierung

Maschinelle Lernmodelle haben große Erfolge beim Lernen komplexer Muster wie zum Beispiel die räumliche Verbreitung von Bodeneigenschaften gezeigt, die es erlauben Vorhersagen über nicht erfasste Bereiche zu treffen. Die Fähigkeit, das Gelernte auf andere Gebiete anzuwenden ist dagegen wenig entwickelt und bislang können die Modelle nur sehr eingeschränkt auf Bereiche außerhalb der unmittelbaren Lernumgebung übertragen werden. Ähnlich empirischen Regressionen gelten die Regelwerke, z.B. bei Entscheidungsbaumverfahren wie Random Forest, nur für den von Trainingsdaten abgedeckten Wertebereich. Für jedes weitere Gebiet werden erneut möglichst hochwertige und umfangreiche Trainingsdaten benötigt. Fortschritte im Bereich des Deep Learning (DL), z.B. Convolutional Neural Networks, des Transfer Learnings und kombinierte Ansätze im Bereich Feature Selection (FS) bieten hier erweiterte Möglichkeiten, um die Dimensionalität gerade bei kleineren Datensätzen einzuschränken, die Überanpassung an die Trainingsdaten zu minimieren und die Übertragung auf angrenzende Gebiete zu verbessern. Im vorliegenden Antrag nehmen wir diese Entwicklungen auf und versuchen Bodeneigenschaften auch für Bereiche außerhalb der Lernumgebung vorherzusagen. Dazu erstellen wir zunächst mit Umweltfaktoren eine gebietsspezifische Parametrisierung maschineller Lernmodelle anhand von geomorphometrischen, geologischen, landschaftsökologischen und klimatischen Parametern. Welche Parameter dies im Einzelnen sind und wie sie untereinander im Verhältnis stehen, wird exemplarisch für verschiedene Testdatensätze in Deutschland (humides Klima) und im Iran (semi-arid bis arides Klima) durch die Kombination von Methoden des DL und der FS berechnet. Im Folgeschritt werden die mit den ausgewählten Parametern der Umweltfaktoren und den Bodenprofildaten trainierten Modelle auf nicht trainierte Gebiete übertragen und an unabhängigen Bodendaten validiert. Die nicht trainierten Gebiete werden anhand von Distanz- und Ähnlichkeitsmaßen hinsichtlich ihrer Vergleichbarkeit mit den ursprünglichen Trainingsgebieten charakterisiert, um die Transferleistung der maschinellen Lernmodelle zu beurteilen. Abschließend ist vorgesehen, für die unbekannten Gebiete schrittweise Trainingsdaten zuzufügen, um die Entwicklung der Vorhersagegenauigkeit zu quantifizieren und die Transfereigenschaften verschiedener ML-Verfahren zu beurteilen. Als Trainingsdaten dienen LUCAS-Daten für Deutschland und Bodenprofildaten aus der nationalen SPDB Datenbank für den Iran. Die Umweltparameter werden aus Satellitendaten, digitalen Höhenmodellen, Weltklimadaten sowie Landnutzungskarten und geologischen Kartenwerken abgeleitet. Bodeneigenschaften sind Bodenkohlenstoffgehalt, Bodentextur, Carbonatgehalt und Kationenaustauschkapazität. Es werden 12 maschinelle Lernverfahren vergleichend angewendet.

Evaluation of effective parameters to describe wetting, adhesion and, sorption phenomena on biogeochemical interfaces

Nearly all processes in soils take place at biogeochemical interfaces. Until now, specific interfacial parameters which are able to link the chemical surface structure with physical interactions in the liquid phase (wettability, sorption) are still missing. Our hypothesis is that thermodynamically defined surface parameters like the contact angle and surface free energy components (dispersive and acid-base components) may be appropriate as effective parameters, complementary to soil properties like pH, texture or cation exchange capacity. To relate effective parameters to chemical structure, the contact angle relevant interphase will be analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy. Knowledge of effective parameters should allow to detect relevant modifications of the interfaces or to explain interactions between surfaces and pore water (liquid penetration dynamics), solutes (pesticides) or dispersed particles (colloids). We will apply a thermodynamically-based concept to quantify the transition from hydrophilic to hydrophobic wetting systems. The significance of this transition i.e. on pore liquid distribution and geometry (film thickness and fragmentation), will be analyzed with confocal laser scanning microscopy. Modification of natural and model soils by chemical treatment and cation exchange will ensure a wide range of parameter variation.

Biokohle

Zurzeit ist die 'Biokohle' in aller Munde, und diese wird als Wunderstoff zur Steigerung und Stabilisierung der Bodenqualität angesehen. Eigene Modellversuche mit drei verschiedenen Böden ergaben, dass die Kohlen, bis auf eine Hydro-Thermal-Kohle (HTC) aus Eichenästen, recht stabil im Boden sind und dass diese dazu beitragen können, den Kohlenstoff im Boden zu sequenzieren. Die vielfach geäußerte Vorstellung, dass eine Biokohleapplikation die spezifische Adsorption von Phosphat reduziert, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht bestätigen. Auf drei Standorten wird die Wirkung von Biokohle aus Holzhackschnitzel-Siebresten auf einer Löss-Parabraunerde in Rauischholzhausen, einem Sandboden in Groß-Gerau und einem Alluvium in Gießen in Feldversuchen geprüft. Die Versuche begannen im Frühjahr 2012 bzw. im Herbst 2012. Es hat den Anschein, dass die Biokohle die N-Effizienz zu Silomais aus der Löss-Parabraunerde zu fördern scheint, da die Erträge in den Varianten mit Biokohle über denen ohne Biokohle lagen. Auf dem Sandboden und auch auf dem Alluvium förderet die Biokohleapplikation weder von 15 noch von 30 t/ha den Ertrag von Körnermais, Winterweizen oder Sommergerste. Die Wassernutzung wurde auf dem Sandboden nicht durch Biokohle gefördert. Verbessert wurde aber die Nitratretention durch Biokohle. Um diese Mechanismen von Biokohle besser zu verstehen, untersucht Christian Koch in seiner von der Deutschen Bundesstiftung-Umwelt (DBU) geförderten Promotion, inwieweit durch verschiedene Herstellungstemperaturen die Eigenschaften von Biokohlen aus Fichtenrestholz, Landschaftspflegeheu und Nusshäutchen von Haselnuss beeinflusst werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Karbonisierungstemperatur die Sorption von Huminsäuren beeinflusst. Dagegen haben die Karbonisierungstemperaturen keinen Einfluss auf die von uns durchgeführten Versuche zur Nitratretention und Kationenaustauschkapazität (= Bariumsorption).

Skalierung von Sorptionsisothermen und physikochemischen Bodeneigenschaften zur Quantifizierung der feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden

Die adsorptive Bindung reaktiver Stoffe steuert deren Mobilität und Auswaschungsgefährdung in Böden und wird meist durch Sorptionsisothermen quantifiziert. Diese werden an punktuell entnommenen Bodenproben gemessen und weisen meist eine große Variabilität auf. Aufgrund dieser Variabilität können viele Fragestellungen auf der Feldskala nur unzuverlässig beantwortet werden. Ziel des Projekts ist es, eine wesentlich verbesserte Methodik für das upscaling der adsorptiven Bindung reaktiver Stoffe am Beispiel ausgewählter Schwermetalle zu entwickeln. Die Methodik beruht auf der Berechnung von Skalierungsfaktoren, die den linearen Variabilitätsanteil der Sorption erfassen. Kernhypothesen des Antrags sind, dass diese Skalierungsfaktoren für Sorptionsisothermen verschiedener Schwermetalle eng korreliert sind und dass sie weiterhin eng mit physikochemischen Bodeneigenschaften (Kationenoder Anionenaustauschkapazität) korrelieren. Daraus resultiert als wesentliche Innovation, dass nur wenige Messungen zur lokalen Stoffadsorption und zu physikochemischen Bodeneigenschaften erforderlich sind, um feldskalige Aussagen zur Schwermetallbindung und -mobilität machen zu können. Die Entwicklung der Methodik sowie die Prüfung ihrer Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen sollen für eine Auswahl verbreiteter Böden durchgeführt werden.

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