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Aufnahme von Radionukliden durch Pflanzen aus dem Boden

Freisetzungen von Radionukliden aus Kernkraftwerkunfaellen (Harrisburg, Tschernobyl) haben gezeigt, wie notwendig Kenntnisse ihrer Verbreitung in unserer Umwelt sind. Durch nasse oder trockene Deposition gelangen die Radioisotope auf Pflanzen und Boden, werden von den Pflanzen via Wurzeln oder Blaetter aufgenommen und gelangen so in die menschliche Nahrungskette. Die Bestimmung von Transferfaktoren unter lokalen Bedingungen (Klima, Nahrungsmittelkonsum, Ernaehrungsgewohnheiten) sowie die Verteilung der Radionuklide in den Pflanzen (essbarer Anteil) sind sehr wichtig, aber lueckenhaft. Ferner fehlen Daten ueber Resuspensionsfaktoren und Abwitterungskonstanten. Die besten Rechenmodelle fuer die Abschaetzung des Transports von Radionukliden durch die Umwelt und die nachfolgende menschliche Strahlenbelastung nuetzen wenig, wenn die genauen Kenntnisse dieser Parameter und ihrer Wechselwirkung fehlen.

Satellitengestützte Echtzeitüberwachung und Risikoabschätzung des Waldzustandes, Teilvorhaben 1: Bodengestütztes Monitoring

Neue Ansätze in digitalem Wald-Monitoring, Aufbereitung und der digitalen Bereitstellung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Daten zu Wuchsleistung, Stress, und Waldschäden sind dringend erforderlich, um die Auswirkungen mehrerer und kombinierter Stressfaktoren auf das Funktionieren von Waldökosystemen und den damit verbundenen Ökosystemleistungen besser und auch schneller beurteilen zu können. Das Verbundvorhaben WALD-Puls setzt sich aus zwei integrierten Teilvorhaben zusammen. Ziel des ersten Teilvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines Wald-Monitoring Systems, das in Nahe-Echtzeit und räumlich verteilt boden- als auch satellitengestützte Daten sammelt und verknüpft, um dadurch die Risikoabschätzung zu verbessern und langfristige Projektionen zu unterstützen - von der Wurzel bis zur Krone - vom Einzelbaum zum Bestand - vom Bestand zum Waldökosystem. Ziel des zweiten Teilvorhabens ist den bereits bestehenden Waldzustandsmonitor (WZM) bzgl. der räumlichen Auflösung und der zeitlichen Latenz zu verbessern, zusätzliche Produkte einschließlich Frühwarnindikatoren bereitzustellen um darauf basierend ein deutschlandweites, digitales Waldzustandsmonitoring aufzubauen. Beide TVs sollen durch ein integratives Arbeitspaket schließlich miteinander verknüpft werden, um durch iterative Optimierung maximale Synergien zu erzielen. Den traditionellen Blick von unten in die Baumkronen wird in WALD-Puls um den informierten Blick von oben erweitert. Echtzeitdaten des Baumwachstums werden mit Satellitendaten verschnitten, ermöglichen eine flächenhafte, hochaufgelöste Risikobewertung und werden direkt über eine Web-Plattform und ein gekoppeltes, automatisiertes Frühwarnsystem (z.B. SMS) Waldbewirtschafter*innen und anderen Interessent*innen zur Verfügung gestellt.

Entsorgung komplexer industrieller Abwaesser ueber ein flaechenhaftes Verfahren (Wurzelraumentsorgung)

In der Textilveredelungsindustrie (Lohnveredelung) fallen hochbelastete, nach Menge und Zusammensetzung stark schwankende Abwaesser an. Ihre Klaerung erfordert robuste, Prozess-stabile Verfahren; technische Klaerverfahren sind durchweg ungeeignet. Flaechenhafte Abwasserbehandlung in Bodenkoerpern fuehrt zu guenstigeren Ergebnissen und ist auch oekonomisch tragbar. In der Ausfuehrungsform des Wurzelraumverhaltens nach Kickuth wird bei der Firma H. Windel in Bielefeld an der Intensivierung und Verdichtung von Land-Behandlungsverfahren gearbeitet.

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Auswirkung von Nährstoffstrategien der Bäume und Kohlenstoffexsudation durch Wurzel-Mykorrhiza-Verbindungen auf den Umsatz der Humusauflage

Unterschiedliche Baumarten beeinflussen die Humusauflage von Waldböden hinsichtlich des Umsatz von Streueintrag und Zersetzungsraten. Die Stärke der Humusauflage nimmt zum Beispiel von Ahorn über Buche zur Fichte zu (Vesterdal et al. 2008). Diese drei Baumarten stehen im Zentrum der vorgeschlagenen Forschergruppe ‚FOREST FLOOR: Functioning, Dynamics, and Vulnerability in a Changing World‘. Die Dynamik der Humusauflagen wird über den Eintrag und der Qualität von Laubstreu und sowie über die Rhizodeposition gesteuert, zu der Wurzelexsudate, abgestoßene Wurzelzellen und die Absonderung der Mucilage gehören. Diese stellen wichtige Kohlenstoff- bzw. Nährstoffquellen für Pilze und Mikroorganismen der Rhizosphäre dar. Etwa 30 % der durch die Photosynthese synthetisierten Kohlenhydrate werden unterirdisch in die Rhizosphäre verlagert, d.h. zu den Baumwurzeln und ihren symbiotischen Mykorrhizapilzen und mikrobiellen Gemeinschaften. Zudem zeigen verschiedene Baumarten unterschiedliche Nährstoffnutzungsstrategien in Anpassung an die Nährstoffverfügbarkeit des Standorts, die sich in Unterschieden der Nährstoffspeicherung und Nährstoffaufnahmerate und Streuqualität wiederspiegeln. In dem vorliegenden Forschungsantrag P9 untersuchen wir die Hypothese, dass die Nährstoffnutzungsstrategien von Waldbäumen und insbesondere die C-Zusammensetzung der Wurzelexsudate einen starken Einfluss auf die Mykorrhiza-, Saprophyten- und mikrobielle Gemeinschaft haben, die sich folglich auf die Nährstoffverfügbarkeit und den Umsatz der Humusauflage auswirken. Ein zentrales Ziel ist die Erforschung der Zusammenhänge, wie und in welchem Ausmaß die Kohlenstoff Zusammensetzung der Wurzel Exsudate - d.h. das Verhältnis von Zuckern und organischen Säuren in den Exsudaten - den Umsatz der Humusauflage beeinflusst, indem sie die mikrobielle und pilzliche Zusammensetzung und in der Folge die Zersetzung von Organischer Materie des Bodens und Streu verändert. Das vorliegende Forschungsvorhaben wird für die Forschergruppe Informationen über die arten- und standortspezifische Blatt- und Streuqualität, die unterschiedlichen Strategien der Nährstoffnutzung und die Gehalte von Zuckern und organischen Säuren in den Wurzel Exsudaten von Bäumen erheben. Darüber hinaus wird die von den Bäumen vermittelte laterale Verteilung von Nährstoffen aus der Blattstreu in einem gemeinsamen 15N Markierungsexperiment untersucht (P2). Die Ergebnisse werden mit Informationen der mikrobiellen Gemeinschaft (P7) und den unterschiedlichen Mykorrhizatypen der Baumarten (P8) verknüpft und mit den Nährstoffaufnahmeraten in Abhängigkeit von der Nährstoffverfügbarkeit an den unterschiedlichen Standorten (P4) analysiert.

Modellierung der CH4 und N2O Spurengasemissionen aus Reisanbaugebieten in China

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein prozessorientiertes Modell zur Beschreibung von biogeochemischen Stoffumsetzungen in landwirtschaftlich genutzten Böden derart weiterentwickelt werden, daß es zur Prognose von CH4- und N2O-Spurengasemissionen aus dem Reisanbau eingesetzt werden kann. Insbesondere soll die numerische Beschreibung der in der CH4- und N2O-Produktion und Konsumption involvierten mikrobiologischen Prozesse Methanogenese, Methan-Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation und deren Abhängigkeit von Änderungen des Redoxpotentials im Boden implementiert bzw. verbessert werden. Zudem sollen die verschiedenen Mechanismen, die zur Emission von Spurengasen aus dem Reisanbau beitragen (Diffusion, Gasblasenbildung bei Überstauung, Pflanzentransport) sowie die Auswirkung von radialen Sauerstoffverlusten der Reiswurzeln auf die mikrobiologischen Prozesse in einer durch Anaerobiosis dominierten Umgebung in das Modell implementiert werden.

Grundlagen der Phytoremediation von Mikroplastik aus Böden und Sedimenten

Forschungsthema: Die Beschreibung der Anreicherungen von Mikroplastik (MP) an und in Pflanzenwurzeln lässt hoffen, dass das für Umweltschadstoffe etablierte Prinzip der Phytoremediation zur Entfernung von MP aus der Umwelt genutzt werden kann. Jedoch sind die zur Gestaltung der Technologie notwendigen Grundlagen nur ansatzweise untersucht und verstanden. Daher wollen wir als Voraussetzung für die Entwicklung von Phytoremediationsverfahren die Grundlagen der Wirkung von MP auf Bodenqualität und -prozesse an der Schnittstelle von Vegetation und Gewässerdynamik am Beispiel von Flussauen untersuchen. Ziel des Projekts ist ein Verständnis von Prozessen in Böden und Sedimenten, die durch Anreicherung von MP an und in Vegetationsbeständen verändert werden. Dies umfasst am Beispiel ausgewählter Flussauen einer stark anthropogen beeinflussten Bundeswasserstraße (Elbe) im Vergleich zum einzigen erhaltenen Wildflusssystem Europas, der Vjosa, die Einflüsse von MP auf Kohlenstoffumsatz, räumliche und zeitliche Verteilung und Verhaltensdynamik von MP in Flussauen sowie die Bedeutung von Pflanzen für eine Entfernung von MP, einschließlich der dafür notwendigen Adaption, Entwicklung und Optimierung erforderlicher Analysemethoden.

Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Sonderforschungsbereich Transregio 32 (SFB TRR): Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation; Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems: Monitoring, Modelling and Data Assimilation, Teilprojekt B04: 3D integrative Modellierung und Upscaling der Wurzelwasseraufnahme

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.

Spatial heterogeneity and substrate availability as limiting factors for subsoil C-turnover

In subsoils, organic matter (SOM) concentrations and microbial densities are much lower than in topsoils and most likely highly heterogeneously distributed. We therefore hypothesize, that the spatial separation between consumers (microorganisms) and their substrates (SOM) is an important limiting factor for carbon turnover in subsoils. Further, we expect microbial activity to occur mainly in few hot spots, such as the rhizosphere or flow paths where fresh substrate inputs are rapidly mineralized. In a first step, the spatial distribution of enzyme and microbial activities in top- and subsoils will be determined in order to identify hot spots and relate this to apparent 14C age, SOM composition, microbial community composition and soil properties, as determined by the other projects within the research unit. In a further step it will be determined, if microbial activity and SOM turnover is limited by substrate availability in spatially distinct soil microsites. By relating this data to root distribution and preferential flow paths we will contribute to the understanding of stabilizing and destabilizing processes of subsoil organic matter. As it is unclear, at which spatial scale these differentiating processes are effective, the analysis of spatial variability will cover the dm to the mm scale. As spatial segregation between consumers and substrates will depend on the pore and aggregate architecture of the soil, the role of the physical integrity of these structures on SOM turnover will also be investigated in laboratory experiments.

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