Das Projekt "Highly-resolved imaging in artificial and natural soils to yield dynamics and structure of interfaces from oxygen, pH and water content" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Erd- und Umweltwissenschaften durchgeführt. In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids, nutrients and pollutants. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scale. Soil structures such as aggregates, roots, layers, macropores and wettability differences occurring in natural soils enhance the patchiness of these distributions. At the same time the spatial distribution and temporal dynamics of these important parameters is difficult to access. By applying non-destructive measurements it is possible to overcome these limitations. Our non-invasive fluorescence imaging technique can directly quantity distribution and changes of oxygen and pH. Similarly, the water content distribution can be visualized in situ also by optical imaging, but more precisely by neutron radiography. By applying a combined approach we will clarify the formation and architecture of interfaces induces by oxygen consumption, pH changes and water distribution. We will map and model the effects of microbial and plant root respiration for restricted oxygen supply due to locally high water saturation, in natural as well as artificial soils. Further aspects will be biologically induced pH changes, influence on fate of chemicals, and oxygen delivery from trapped gas phase.
Das Projekt "Release of hexavalent chromium from ore processing residues and the potential of biochar for chromium immobilization in polluted soils" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Fachgruppe Geowissenschaften, Geographisches Institut durchgeführt. Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.
Das Projekt "Quantification of small-scale physicochemical properties of intact macropore surfaces in structured soils" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Bodenlandschaftsforschung durchgeführt. 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.
Das Projekt "IPSWaT - Modelling of flow and transport processes in fractured media - Numerical investigation of flow and transport in fractured porous media" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau durchgeführt. The comprehension and the physically correct description of the wetting-front behavior and moisture distribution in the saturated and unsaturated zone of fractured porous rocks are of a fundamental significance regarding several hydro-geological and geotechnical problems, such as the adequate assessment of water resources, contaminant migration in the vadose zone, drainage of water into underground openings, or slope stability. The main targets are to improve the understanding of the development as well as the spatial and temporal behavior of moisture distributions in fractured rocks and furthermore to enable a near-natural description of the process behavior. Of absolute necessity is an intensive cooperation between field and numerical work, also incorporating investigations on different scales, in order to achieve and complete the description of the complex, dynamic, scale-dependent and parameter-intensive system of above mentioned propagation and distribution processes i.e. multiphase flow in fractured porous media, as well as to allow for the prediction of future system states. The evaluation and advancement of theories and methods for the description and prediction of the wetting-front behavior in fractured rocks for a wide scale range will be allowed by the field applicative data. This is prerequisite for the development and evaluation of different predictive modeling tools. Numerical simulations will allow for the identification of parameters and processes controlling the spatial and temporal behavior of moisture distribution and wetting fronts.
Das Projekt "Identification of groundwater nitrogen point source contribution through combined distribute temperature sensing and in-situ UV photometry" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement, Professur für Landschafts-, Wasser- und Stoffhaushalt durchgeführt. Agriculture is the major contributor of nitrogen to ecosystems, both by organic and inorganic fertilizers. Percolation of nitrate to groundwater and further transport to surface waters is assumed to be one of the major pathways in the fate of this nitrogen. The quantification of groundwater and associated nitrate flux to streams is still challenging. In particular because we lack understanding of the spatial distribution and temporal variability of groundwater and associated NO3- fluxes. In this preliminary study we will focus on the identification and quantification of groundwater and associated nitrate fluxes by combining high resolution distributed fiber-optic temperature sensing (DTS) with in situ UV photometry (ProPS). DTS is a new technique that is capable to measure temperature over distances of km with a spatial resolution of ca1 m and an accuracy of 0.01 K. It has been applied successfully to identify and quantify sources of groundwater discharge to streams. ProPS is a submersible UV process photometer, which uses high precision spectral analyses to provide single substance concentrations, in our case NO3-, at minute intervals and a detection limit of less than 0.05 mg l-1 (ca.0.01 mg NO3--Nl-1). We will conduct field experiments using artificial point sources of lateral inflow to test DTS and ProPS based quantification approaches and estimate their uncertainty. The selected study area is the Schwingbach catchment in Hessen, Germany, which has a good monitoring infrastructure. Preliminary research on hydrological fluxes and field observations indicate that the catchment favors the intended study.
Das Projekt "Entwicklung in der Bodennutzung im Nordschwarzwald mit besonderer Beruecksichtigung der Waldflaechenentwicklung seit 1780 mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Forstwissenschaftliche Fakultät, Institut für Forstpolitik, Arbeitsbereich Forstgeschichte durchgeführt. Das gegenwaertige Gesicht der Kulturlandschaft Nordschwarzwald wurde in der Vergangenheit durch verschiedene Entwicklungsprozesse gepraegt. Die Einflussnahme des Menschen und die Dynamik der damit einhergehenden Veraenderungen im Landschaftschild werden nur deutlich, wenn sie ueber eine laengere Zeitspanne in einer Retrospektive betrachtet werden. Im Rahmen eines Projektes des Arbeitsbereiches Forstgeschichte erfolgt eine Dokumentation und Analyse der Bodennutzungsentwicklung des Nordschwarzwaldes seit der 2. Haelfte des 18 Jhds durch Einsatz der (GIS-Software ARC-INFO, mit der historische Daten wie Karten und Plaene digital erhoben werden koennen. Das 200.000 ha grosse Untersuchungsgebiet umfasst den gesamten Naturraum Nordschwarzwald. Als Datenressource diente historisches Kartenmaterial unterschiedlicher Provenienzen, das den qualitativen Anforderungen einer digitalen Auswertung entspricht und eine Differenzierung nach den 4 Bodennutzungsarten Wald, Feld, Siedlung und Bloesse (Oedflaeche) zulaesst. Grundlage der Studie ist die gesamte digitale Erhebung der aktuellen Bodennutzungsverteilung anhand der topographischen Karten im Massstab 1:25000. Ueber ein 2 ha- Punktraster wurde die Bodennutzung in den Zeitabschnitten 1770-1818 und 1850-1870 erhoben. Diese zeitliche Determination wurde anhand des vorgefundenen Kartenmaterials vorgenommen.. Die Raum-Zeit Analyse der Bodennutzungsaenderung erfolgte durch ein Overlay der historischen Bodennutzungszustaende mit der aktuellen Bodennutzungsverteilung. Diese vereinigte Datenebene erlaubt eine gemarkungsscharfe Auswertung des Datenmaterials in Datenbanken und eine Visiualisierung in kartographischer Form. Ueber verschiedene Selektionsoptionen koennen saemtliche Veraenderungsprozesse diachronisch abgerufen und lokalisiert werden und im Sinne eines Landschaftsmonitorings festgehalten werden. Somit wird ein Ueberblick ueber den Umfang der Bodennutzungsveraenderungen und deren raeumlichen Verteilung fuer einen 250 jaehrigen Zeitraum gewonnen. Die erfassten Entwicklungen und Tendenzen stehen als agreggierte Informationen fuer die Beteiligten in Politik und Planung zur Verfuegung. Forsthistorische Informationen koennen fuer aktuelle Fragen erschlossen und sinnvoll genutzt werden. Der Zeitbogen, der von der Geschichte zur Gegenwart gespannt wird, zeigt deutlich, in welchen Dimensionen wir denken muessen, um das Oekosystem Wald als Ganzes zu erhalten. Zugleich gilt es, sich darueber ein Bild zu machen, welche Ausmasse Inanspruchnahmen der Landschaft durch den Menschen annehmen koennen.
Das Projekt "Europaeische Oekosysteme 1989-1998: Quantitative Analyse unter Verwendung von Satellitenfernerkundungsdaten - Teilprojekt: Daten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie, Institut für Weltraumwissenschaften durchgeführt. Erstes Ziel dieses Projektes ist es, ein vorliegendes Satellitenarchiv mit hoher zeitlicher und raeumlicher Aufloesung fuer die Periode 1989 - 1998 dafuer zu nutzen, um das zeitliche und raeumliche Muster von oekosystemaren Zustandsindikatoren zu untersuchen. Es wird erwartet, dass sich hieraus fuer einen grossen Teil Europas ableiten laesst wie die Vegetation auf wechselnde Umweltbedingungen (z.B. Witterungsfluktuationen) im Hinblick auf Phaenologie und Kohlenstoffluss reagiert. Das zweite Ziel ist die Untersuchung des Zusammenhanges zwischen den oben genannten Groessen und den Schwankungen der atmosphaerischen Bedingungen, sowie der Landnutzung. Beide Ziele sollen erreicht werden, indem ein vorhandenes Archiv von Satellitendaten erstmalig in grossem Massstab mit vorhandenen Simulationsmodellen des Oekosystemverhaltens gekoppelt wird. Zu den verwendeten Modellen gehoeren Modelle des Refklektanzverhaltens an der Vegetationsoberflaeche, sowie verschiedene Oekosystemmodelle.
Das Projekt "PedoScale - Hyper-scale digital soil mapping and soil formation analysis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eberhard Karls Universität Tübingen, Fachbereich Geowissenschaften, Abteilung Bodenkunde und Geomorphologie durchgeführt. In pedology, soilscapes are characterised by a typical spatial and taxonomic relation between the soils, as well as by the relation between the soils and other landform and landscape characteristics. These landscape characteristics as driving forces for soil formation show local, regional and supra-regional components. It is therefore important to gather and incorporate information about the soil forming factors not only from a specific sampling point, but also from its larger spatial surroundings for reasonable descriptions of the complex soil-landscape relations. Therefore, multi- or hyper-scale approaches are required, which however, are rarely reported in literature. Moreover, most studies are lacking any interpretations and concepts for the description of soil formation, although these are most crucial for describing and understanding the complex environmental processes and interactions of landscapes and soils.The aim of this project is to develop a new hyper-scale mapping approach as well as a new theoretical concept for its pedologic interpretation. Under the overarching goal of a new spatially contextualized soil formation theory the objective of the project is to achieve more holistic descriptions of soil and environmental formation but also the optimization of spatial prediction models for estimating soil properties functions and threats. This is urgently needed in order to meet the increasing global demand for accurate and high-resolution soil information to estimate and handle the impacts of global climate change, population growth, food security, and bio energy.The framework, which will be developed, applied, tested and validated for several landscapes around the world in this project, focuses on determining the influence of local, regional and supra-regional landscape surface shape on soil formation in terms of hyper-scale digital terrain analysis and tries to reveal the interactions of relief with other environmental covariates on different spatial scales. The objectives are (i) to develop a new hyper-scale terrain analysis method, (ii) to apply, develop and/or adapt specific data analysis and data mining approaches to derive the information required for pedological interpretations and as an integrative part (iii) to develop a new theoretical framework for soil formation analysis. This will provide a) information on the specific influence of local to supra-regional parts of environmental covariates on soil formation, b) approaches to visualize the geomorphic systems interacting with other covariates and jointly influence soil formation, c) approaches to derive information on the interactions between different geomorphic features and scales, as well as d) information on the complex interactions between geomorphic and other environmental covariates at different scales to derive better knowledge about the spatial distribution as well as the genesis of one of our most important environmental resources - soil.
Das Projekt "Ein reduziertes Zirkulationsmodell zur Bestimmung von raeumlichen Mustern zu Klimaszenarienrechnungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock durchgeführt. Die dreidimensionalen Klimamodelle ergeben eine sehr zufriedenstellende Beschreibung des gegenwaertigen Klimas, und der anthropogene Einfluss eines moeglichen Klimawandels konnte mit guter Sicherheit bestimmt werden. Aus rechentechnischen Gruenden koennen viele verschiedene Klimaszenarien gegenwaertig nur mit sehr vereinfachenden Modellen analysiert werden, die keine Aussagen zu raeumlichen Mustern zulassen. Ergebnisse ueber raeumliche Muster duerften aber kuenftig sehr wichtig sein fuer Wirtschaft und Politik. Das Vorhaben schlaegt die Entwicklung eines reduzierten Zirkulationsmodells vor, das Aussagen zu Mustern des Klimawandels zulaesst. Voraussetzung fuer diese Frage ist die Verfuegbarkeit von sehr langen Zeitreihen von Klimamodellsimulationen, die genutzt werden zur empirischen Anpassung eines Zirkulationsmodells. Die Schliessung des Modells wird mit neuen Ansaetzen empirisch durchgefuehrt. Der anthropogen bedingte zusaetzliche Antrieb wird dem reduzierten Modell ueberlagert oder ebenfalls empirisch angepasst. Das Ergebnis des Vorhabens ist ein Zirkulationsmodell, das raeumliche Muster verschiedener 'CO2'-Szenarien bei vertretbarem numerischen Aufwand ergibt.
Das Projekt "Vorschlaege zur Weiterentwicklung des Systems waldbestockter Naturschutzgebiete im Freistaat Sachsen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Allgemeine Ökologie und Umweltschutz, Professur für Biodiversität und Naturschutz durchgeführt. Es werden das bestehende System waldbestockter Naturschutzgebiete Sachsens einer Analyse unterzogen und Vorschlaege zu seiner Weiterentwicklung mit dem Ziel unterbreitet, alle in Sachsen vorkommenden natuerlichen Waldgesellschaften im Schutzgebietssystem zu dokumentieren. Mit der kartographischen Darstellung aller in Sachsen vorkommenden Vegetationslandschaften - dem Entwurf einer vorlaeufigen Karte der potentiellen natuerlichen Vegetation wurde das raeumliche Bezugssystem fuer die Ermittlung der Praesens und Repraesentanz der Waldgesellschaften im Schutzgebietssystem geschaffen. Die Einschaetzung der Repraesentanz erfolgte hinsichtlich Anzahl, Flaeche und raeumlicher Verteilung naturnaher Bestaende von Waldgesellschaften. Zum Abbau vorhandener Defizite in der Repraesentanz wurden Richtwerte berechnet sowie Dringlichkeitsstufen definiert und daraus Vorschlaege fuer eine Erweiterung des bestehenden Schutzgebietssystems abgeleitet.
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