Die Hauptzielsetzung dieses interdisziplinären Verbundprojektes besteht in der Untersuchung der physikochemischen und mechanischen Eigenschaften und der daraus resultierenden Erosionsneigung von vulkanischen Ascheböden in Südchile in Abhängigkeit von Alter, Entwicklungszustand und Nutzungsform der Böden. Aschenböden stellen in vielerlei Hinsicht wie Porosität, Verdichtbarkeit, Erosionsverhalten, Kornform, Benetzbarkeit, Dynamik der Bodenentwicklung Extremstandorte dar. Gemessen an der Verbreitung und der wirtschaftlichen Bedeutung dieser Böden liegen zwar einige bodenphysikalische und chemische Daten vor, doch können diese Erkenntnisse bisher kaum in allgemeine Kategorien übertragen und auch nicht hinsichtlich der räumlichen Vernetzung und Relevanz bewertet werden. Daher werden mit dem vorliegenden methodischen Ansatz an 12 Catenen mit je 2 Profilen signifikante physikalische Parameter zur Kennzeichnung des physikochemischen, mechanischen und hydraulischen Verhaltens dieser Böden identifiziert und bewertet (siehe Abb.1 im Anhang). Auf diese Weise soll die besondere Bedeutung physikalischer Parameter für die Materialumlagerungen von Ascheböden erfasst werden. Der Erkenntnisgewinn liegt folglich einerseits im verbesserten Prozessverständnis über chilenische Aschenböden, andererseits sollen aber auch die entwickelten und geprüften Methoden auf Aschenböden allgemein übertragbar sein. Damit würde zusätzlich ein wichtiger Beitrag zur Standardisierung der Methoden für Aschenböden im weltweiten Maßstab geleistet werden. Die Interaktion zwischen physikalischen und mechanischen Eigenschaften und deren Ausprägung in Landschaften zu quantifizieren sind Ziel dieses Antrags.
Den Ausgangspunkt für RESOILIENCE bildet das Konzept der Resilienz als Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Managementstrategien. Vor diesem Hintergrund sollen die bislang völlig unbekannten Mechanismen der Resilienz und Resistenz von Bodentiergemeinschaften erforscht werden. Wesentliche Ziele sind: (1) die Eröffnung innovativer Wege zum wissenschaftlichen Verständnis struktureller und funktioneller Reaktionen der Bodenfauna auf Management-bedingte Störungen, und (2) die Analyse grundlegender Prozesse, welche die Strukturierung von Invertebratengemeinschaften unter den variablen Umweltbedingungen im Boden steuern. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Spektrum der Managementintensitäten, die auf den Grünlandflächen der DFG Biodiversitätsexploratorien auftreten. Dies bietet die einmalige Chance für eine großflächige Langzeituntersuchung, weil wir so die Ergebnisse unserer Freilanderfassungen aus den Jahren 2009 und 2011 mit den Ergebnissen einer erneuten Erfassung, die für das Jahr 2018 geplant ist, vergleichen können. Aufwändige Feld- und Mikrokosmos-Experimente zur gezielten Analyse wichtiger Aspekte der Erholung nach Bodenstörungen dienen der Spezifizierung, Generalisierung und Validierung der Befunde aus den Freilanduntersuchungen. Der für RESOILIENCE entwickelte konzeptionelle Rahmen basiert auf drei Bausteinen: Merkmalsbasierte Assembly Analyse, die Ergän-zung störungsbedingter Assembly-Prozesse um die zeitliche Dimension ('successional assembly') und Transient Population Dynamics. Die wesentlichen Messgrößen umfassen nahezu alle Taxa der Bodenfauna (überwiegend auf Artniveau), Struktur des Bodennahrungsnetzes, Isotopensignatur der Konsumenten, Bodenprozesse (z.B. Spurengasfreisetzung, C- und N-Umsatz) und mikrobielle Parameter (PLFA). Ein inhärentes Ziel ist es, die Möglichkeiten, die sich aus dem beispiellosen Datensatz von RESOILIENCE ergeben, für die Weiterentwicklung statistischer Verfahren und Messgrößen zur Analyse biologischer Erholungsprozesse im Boden zu nutzen.
Die 7 m langen Rhizotron-Röhren an zwei Standorten in Selhausen werden für quasi nicht-invasives Monitoring auf der Plot-Ebene von Wurzelwachstum und Bodenprozessen mittels Minirhizotron-Kameras, GPR Antennen und einem NMR Slim-line Tool genutzt. Die mathematische Beschreibung kleinskaliger Heterogenität, die durch die einzelnen Wurzeln hervorgerufen werden, wird auf der Plot-Ebene durch effektive Parameter und Beziehungen zwischen Bodenwasserverfügbarkeit, Wurzelwasseraufnahme und dem Zustand des Pflanzenbestandes landwirtschaftlicher Nutzpflanzen ersetzt. Diese werden im Landoberflächenmodell CLM implementiert.
Die zusätzliche Speicherung von Bodenkohlenstoff ist als Klimaschutzmaßnahme zur Reduzierungatmosphärischen CO2 anerkannt. Der Fokus von Forschung und Praxis lag bisher auf der reduzierten oderkonservierenden Bodenbearbeitung, obwohl deren Effekte auf die Kohlenstoffvorräte für Böden meist marginal sind. Bislang wurde die Option der Humusvergrabung - das Einbringen von Kohlenstoff in tiefereBodenhorizonte - als Maßnahme zu Erhöhung der Kohlenstoffvorräte nicht berücksichtigt und ist kaumuntersucht. Zusätzlich sind die Prozesse und Mechanismen der langfristigen Stabilisierung und Speicherungvon Kohlenstoff in Unterböden unzureichend verstanden. Bodennutzung hat zu allen Zeiten auch zur Humusvergrabung geführt. Seit dem 12. Jahrhundert war Ackerbau in Form von Wölbäckern weit verbreitet. Durch das wendende Pflügen zur Mitte eines Ackerschlags entstanden Kämme unter denen fossile Ap-Horizonte vergraben wurden. Seit Erfindung des Dampfpflugs war es möglich, immer tiefer zu pflügen. Das Tiefpflügen wurde zur Melioration von Podsolen, Parabraunerden und später auch Mooren eingesetzt. In den 1960er Jahren wurden in Norddeutschland dutzende landwirtschaftliche Versuche zum Tiefpflügen angelegt.
Die Untersuchungsgebiete liegen in den alpinen bis nivalen Höhenstufen der Nördlichen Kalkalpen. Dort existieren auf verkarsteten Kalken (CaCO3-Gehalte größer 96 Prozent) unterschiedliche Entwicklungsstufen der humusreichen Rendzina (A-C-bzw. O-C Profile) sowie verbraunte und braune Bodentypen (A-B-C-Profile). Alle Böden, besonders die braunen Varianten, weisen allochthone Glimmer, Silikate und Schwerminerale auf. So wird der Einfluß von Flugstäuben auf die Solumbildung evident. Aus diesem Sachverhalt resultieren als Forschungsschwerpunkte die rezente Flugstaubdynamik und die dadurch beeinflußte Bodengenese auf Kalkstein. Im Rahmen des geplanten Projekts ergeben sich folgende Kernfragen: 1. Wie sind die Flugstäube durch die beeinflußten Böden in den einzelnen Höhenstufen verbreitet? Welche Geofaktoren steuern die räumliche Verteilung? 2. Wieviel Flugstaub wird rezent (Größenordnung, (mm/a) eingetragen? Welche Hauptliefergebiete gibt es? Wie korrelieren Staubmenge und Solummächtigkeit? 3. Wie verändern die Stäube die Böden? Welchen Anteil haben autochthone Terrae fuscae, allochthone Braunerden und Mischformen? Welche Divergenzen und Konvergenzen der Bodenbildung gibt es in den einzelnen Untersuchungsgebieten? Gibt es Anhaltspunkte für mögliche Bildungszeiträume eine Alterseinstufung der Böden?
Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.
In Amazonien dominieren nährstoffarme Oxisole und Ultisole, die nur schwer nachhaltig nutzbar sind. Innerhalb dieser Bodenlandschaft kommen allerdings aufgrund langandauernder anthropogener Nutzung durch präkolumbische Indianer tiefhumose, nachhaltig bewirtschaftbare Böden vor. Unsere bisherigen Untersuchungen belegen, dass die hohen und stabilen Humusvorräte dieser Böden maßgeblich auf pyrogenen Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ungeklärt ist bisher die Herkunft ihrer hohen Nährstoffgehalte (bes. N, P, Ca, Mg). Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es deshalb, durch die kleinräumige Analyse von Biomarkern und ihrer Stabilisotopenverhältnisse sowie von P-Bindungsformen Hinweise auf die Terra Preta-Genese zu bekommen. Insbesondere soll zwischen dem Eintrag menschlicher und tierischer Exkremente sowie zwischen aquatischer und terrestrischer Biomasse unterschieden werden. Von den Ergebnissen der Untersuchungen erwarte ich gezielte Aussagen über die Anreicherung der Terra Preta-Böden mit Nährstoffen sowie die Heterogenität der Eintragspfade.
In diesem Forschungsvorhaben wird eine umfassende pedologische Untersuchung der initialen Marschböden Spiekeroogs vorgeschlagen. Zum einen soll der Frage nachgegangen werden, welche Prozesse die von der Regel abweichenden Merkmale in diesen Böden hervorrufen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse sollen darüber hinaus weitere Erkenntnisse zu ehemaligen Bildungsbedingungen von Marschböden erzielt werden. Denn auch für die Brackmarschen kann ein relativ langsamer Sedimentzuwachs angenommen werden und somit im Gegensatz zu den bisherigen Auffassungen (Müller, 1954; Brümmer, 1968; Giani, 1983) eine Entwicklung aus kalkhaltigen Sedimenten, die aber bereits in der geo-pedogenen Phase entkalkten. Neben neuen Aspekten und Kenntnissen in der Diskussion über die Marschengenese werden wesentlich verbesserte Vorschläge zur Klassifikation erwartet.
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