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Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Ackerbau (Oktober - April)

Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen des Ackerbaus im Winter, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Oktober bis April. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

Säurepuffervermögen KAKeff (Forst) 1:25.000

Die Auswertungskarte „Säurepuffervermögen KAKeff (Forst) 1:25.000“ zeigt für jede als Forst nutzungsdifferenzierte Legendeneinheiten der Übersichtsbodenkarte 1:25.000 (ÜBK25) das mittlere Säurepuffervermögen bei Effektiver Kationenaustauschkapazität. Die Berechnung ist angelehnt an „Umweltministerium Baden-Württemberg (1995): Bewertung von Böden nach ihrer Leistungsfähigkeit, Leitfaden für Planungen und Gestattungsverfahren, Luft, Boden, Abfall“, Heft 31, S. 25, Anlage 4, klassifiziert nach Krapp (2006) (unveröffentlicht). Jeder Bodenhorizont ist einer Horizontgruppe (Auflage, Oberboden, Unterboden und Untergrund) nach „LABO Bund/Länder Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz, Hintergrundwerte für anorganische und organische Stoffe in Böden (2017)“ zugeordnet. Bei Bedarf ist eine Auswertung der Kennwerte auf Horizontgruppenebene möglich. Die Bewertungskarte liefert Hinweise auf versauerungsgefährdete Standorte, an denen Maßnahmen zur Verbesserung des Basenvorrats sinnvoll sein können.

HGW50: Substratgruppe Oberboden

Hintergrundwerte beschreiben die typischen Konzentrationen eines Stoffes oder einer Stoffgruppe im Boden. Bei den meisten anorganischen Stoffen wird der natürliche (geogene) Grundgehalt maßgeblich durch das Ausgangssubstrat der Bodenbildung bestimmt. Zusätzlich beeinflussen anthropogene Einträge die Stoffgehalte, wobei das Verhältnis zwischen geogenem und anthropogenem Anteil je nach Element stark variiert. Hintergrundwerte werden daher substrat-, nutzungs,- und horizontbezogenen aufgestellt. Die Hintergrundwerte werden hier auf den Geometrien der BFD50 über die Zuordnung zu Substratgruppen dargestellt. Dabei wird zwischen den Gehalten im Oberboden, Unterboden und Untergrund unterschieden, sodass 3 Layer zur Verfügung stehen. In jeder dieser Darstellung werden die Hintergrundwerte der anorganischen Elemente für das ausgewählte Polygon als Pop-up für die jeweilige Substratgruppe ausgelöst. Die Hintergrundwerte können anschließend, nach Nutzungsart gegliedert (falls für diese Substratgruppe verfügbar), per Klick auf die entsprechende Schaltfläche als Datentabellen aufgerufen werden. Es werden der Median (P50, mittlerer Hintergrundgehalt), das 90. Perzentil (P90, Obergrenze des typischen Hintergrundgehalts), sowie die Perzentile P10, P25, P75 und der Stichprobenumfang (Anzahl) als statistische Kenngrößen aufgeführt. Da ein Stichprobenumfang von mindestens 20 als Voraussetzung für statistisch belastbare Aussagen gilt, werden Stichproben mit n < 10 nicht angezeigt. Stichproben mit einer Größe von 10 bis < 20 werden kursiv gekennzeichnet und sind ausschließlich als unverbindliche Information zu verstehen. Alle Angaben erfolgen in mg/kg und sind auf maximal zwei Nachkommastellen begrenzt.

Messung und Modellierung der N2O- und N2-Bildung durch Denitrifikation in der Drainzone zur standortspezifischen Abschätzung des Nitratabbaus in der ungesättigten Sickerwasserzone unterhalb des Wurzelraumes

Das Ziel dieses Verbundvorhabens ist die quantitative Bestimmung der Minderung von Nitrateinträgen in das Grundwasser durch den Abbau von Nitrat zu N2O und N2 durch Denitrifikation in der Drainzone. Dazu wird die Denitrifikation in Proben aus der Drainzone in Abhängigkeit wichtiger Bodeneigenschaften gemessen und ein Modell entwickelt und parametrisiert. Dazu werden typische Standorte in Deutschland mit unterschiedlich mächtigen Drainzonen untersucht. Die modellhafte Beschreibung wird auch eine standortspezifische Bewertung des Nitratabbaus ermöglichen. Damit wird das Verbundvorhaben unsere Kenntnisse über den Nitratabbau und die N2O und N2 Produktion im Unterboden, speziell aus der Drainzone erweitern und damit die Grundlage zu einem Landmanagement legen, das die Umsätze von Nitrat in dieser Zone berücksichtigt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Nanopartikel und Kolloide als Vektoren von P-Verlusten und -Umverteilungen/Verlagerungen im Zuge der Entwicklung von Waldökosystemen

Hintergrund: Obwohl Nanopartikel und Kolloide (NPC) als Vektoren für P-Verluste und P-Neuverteilungen in Waldsystemen fungieren, fehlen grundsätzlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen steuernden Umweltfaktoren und dem Schicksal, Transport und der zusammensetzung von NPC und ihrer P-Beladung. Wir postulieren, dass hydrologisch bedingte NPC-Verluste und -umverteilungen eine dreifache Gefahr für das langfristige biogeochemische Recycling von P in Waldökosystemen und damit die Ökosystemernährung darstellen. Projektziel: Aufklärung der Bedeutung und Steuerung von NPC-Verlusten und -umverteilungen für die langfristige Effizienz des P-Recycling in Waldökosystemen. Projekt-Hypothesen: Mobile Kolloide in Waldökosystemen entstammen hauptsächlich dem organischen Oberboden (alle WPs), (ii) Laterale Flüsse vom kolloidalen P während Starkregenereignissen begrenzen langfristig die maximale P-Wiederverwertungseffizienz von Waldökosystemen (WP1), (iii) P ist überwiegend mit organischen Kolloiden assoziiert und größtenteils bioverfügbar, was eine weitere Limitierung der P-Wiederverwertung im Wald darstellt (WP2), (iv) Die Kolloidverlagerung in Wäldern führt zu P-reichen und P-armen Stellen (laterale Umverteilung) bzw. zu einem P-Transfer aus oberflächennahen organischen Horizonten zum mineralischen Unterboden und damit zu einer P-Festlegung in diesem Horizont (WP3), und (v) Abnehmende atmosphärische Einträge von organischen Säuren und Kalkung erhöhen den pH Wert und reduzieren das austauschbare bzw. gelöste Al3+ im Waldoberboden, was die Mobilisierung bzw. den Verlust von kolloidalem P fördert (WP4). Methodik: Wir werden die Konzentration und Zusammensetzung von Kolloiden in den Wasserproben i) aus den Streulysimetern, ii) aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitte (trenches) und iii) aus den Oberläufen von Bächen an den Versuchsstandorten in Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal und Mitterfels bestimmen. Die Kolloide werden mittels Feld Fluss Fraktionierung fraktioniert bzw. isoliert und in Kombination mit ICP-MS, TOC und TN Analyse, sowie TEM gekoppelt mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert. Aufgaben/Arbeitspakete: WP1: Entnahme von Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitten (trenches) (mit Puhlmann/Weiler und Julich/Feger). Entsprechend unserer Hypothese sollte die Gesamtmenge von NPCs aus präferenziellen Fließwegen, dem lateralen Fluss und den Oberläufen der freigesetzten Menge aus der organischen Bodenoberschicht gleich sein. WP2: Untersuchung der Bioverfügbarkeit der NPC aus dem 'interflow' und den Oberläufen durch Inkubationsexperimente mit Enzymen um Phosphatester und Inositol-Phosphate nachzuweisen (mit Kaiser/Hagedorn/Niklaus). (Text gekürzt)

Forschergruppe (FOR) 1320: Crop Sequence and Nutrient Acquisition from the Subsoil, Plant induced weathering of minerals in the subsoil - release of 'non-exchangeable' potassium from 2:1 layer minerals (TransMinK)

The proposal addresses the potential of subsoil to contribute to K nutrition of crops. More specifically we will address the processes controlling release of K from interlayer of 2:1 clay minerals as this is expected to be the dominant K fraction in the subsoil. While it has been shown in the past that this so called 'non-exchangeable' K can be released due to root activity, there are controversial results concerning the role of soil solution K concentration in the rhizosphere required to trigger the process. Likewise little information is available about the concentration dynamics of other cations (NH4, Ca) in the rhizosphere and their impact on K release and vermiculitization supposed to be associated with this process. Model studies with substrate from the central field trial will be conducted in compartment systems equipped with micro suction cups. The measurement of dynamic changes of soil solution composition with increasing distance from the root surface will be combined with investigations of changes in mineralogy by XRD, TEM and SEM-EDX. Changes of mineralogy as a result of plant induced K release from interlayer will also be studied on bulk soil and rhizosphere samples collected within the central field and the central microcosm experiment and with mineral bags exposed in the field during a cropping cycle. Finally, X-ray CT will be used to access changes in soil texture, i.e. clay distribution around roots and the temporal spread of roots in biopores which is a prerequisite for K uptake from such structures.

Assessment and Prediction of the Mechanical Impact on the Subsoil by the Installation of Gas Pipelines in Agricultural Soils

Heavy machinery used for the construction or transport gas pipelines can cause severe and persistent subsoil compaction of agricultural land, depending on various factors among which soil wetness plays a key role. In this project, several field experiments were carried out to investigate the stress propagation under heavy construction machines (40 t and more) during operation on selected plot areas under controlled moisture conditions, to assess the resulting mechanical deformation of the subsoil and to investigate changes of soil properties in particular infiltration patterns of a dye tracer analyzed by computer image analysis. In the laboratory , oedometric compressibility and other properties, in particular bulk density and coarse porosity, of soil samples taken before and after the impact by the machines were determined and compared to measurements of control samples. Furthermore, we investigated the moisture-dependence of the precompression stress by a series of oedometer tests and also performed some shear tests for the purpose of model parameter estimation. Using only a priori parameter values determined from such independent soil tests or just best estimates, the critical-state soil-mechanical model CRISP was used to interpret the results. As far as field observations were available they agreed well with the model simulations. The results lend support to the hypothesis that preconsolidation stress provides a suitable criterion to protect soils against overloading. However, the moisture-dependence of this parameter needs to be better known. Given that homogeneity of the experimental field sites had been a prime criterion of selection, spatial variability between trafficked and untrafficked test plots was still surprisingly large and limiting the detectability of compaction effects more than anticipated.

Non-destructive characterization and monitoring of root structure and function at the rhizotron and field scale using spectral electrical impedance tomography (ImpTom)

This subproject aims at the development of spectral electrical impedance tomography (EIT) as a non-destructive tool for the imaging, characterization and monitoring of root structure and function in the subsoil at the field scale. The approach takes advantage of the capacitive properties of the soil-root interface associated with induced electrical polarization processes at the root membrane. These give rise to a characteristic electrical signature (impedance spectrum), which is measurable in an imaging framework using EIT. In the first project phase, the methodology is developed by means of controlled rhizotron experiments in the laboratory. The goal is to establish quantitative relationships between characteristics of the measured impedance spectra and parameters describing root system morphology, root growth and activity in dependence on root type, soil type and structure (with/without biopores), as well as ambient conditions. Parallel to this work, sophisticated EIT inversion algorithms, which take the natural characteristics of root system architecture into account when solving the inherent inverse problem, will be developed and tested in numerical experiments. Thus the project will provide an understanding of electrical impedance spectra in terms of root structure and function, as well as specifically adapted EIT inversion algorithms for the imaging and monitoring of root dynamics. The method will be applied at the field scale (central field trial in Klein-Altendorf), where non-destructive tools for the imaging and monitoring of subsoil root dynamics are strongly desired, but at present still lacking.

Test battery for the effect determination of chemicals in soils: Suitability of test systems with mycorrhizal fungi for the risk assessment

Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) are recognized as important providers of ecosystem services, supporting soil health and key soil functions. Their ecological relevance and sensitivity to chemicals led the European Food Safety Authority (EFSA) indicate AMF as a potential group of non-target test organisms for future Ecological Risk Assessment schemes (ERA) for Plant Protection Products (PPPs). However, AMF sensitivity to chemicals is poorly understood and the impact of contaminants on the AMF life cycle, including on spore viability (AMF pre-symbiotic phase), root colonization and subsequent production of spores and soil mycelium (AMF symbiotic phase), are of growing concern due to the crucial importance of these microorganisms on soil ecosystems.The ERAMYC project included an extensive literature review on the effects of organic chemicals on the pre-symbiotic and symbiotic phases of the AMF life cycle which guided the development and refinement of test protocols for AMF testing for risk assessment. A series of laboratory experiments, including the use of different test methodologies, AMF species, host plants, test soils and test substances, culminated on the production of test protocols which were submitted to ring tests, with the objective of drafting a new OECD test guideline for AMF pre-symbiotic and symbiotic phase testing.Despite the steps given towards standardization of AMF testing, the tested methods within this project showed high variability of the estimated endpoints and a low number of valid data sets resulting from the ring test experiments. AMF intra-specific genetic variation and the technical knowledge needed for the measurement of AMF parameters (e.g. root colonization and hyphae measurements) could be the main factors contributing to the high variability of the results.Data produced in the ERAMYC project constitutes an undeniable contribution for the standardization of methods based on AMF colonization and highlights the current insufficiency of ERA of PPPs in European Union to protect this group of microorganisms in terrestrial systems.

Bodenkennwerte (bundesweit) aus der Bodenübersichtskarte 1:200.000 - Effektive Durchwurzelungstiefe (Unterboden) (Datensatz)

Der Datensatz enthält Informationen zur effektiven Durchwurzelungstiefe (=effektiver Wurzelraum (We), in dm) bezogen auf den Unterboden der Böden in Deutschland. Grundlage für die Erstellung des Datensatzes ist die deutschlandweit harmonisiert verfügbare Bodenübersichtskarte im Maßstab 1:200.000 (BÜK 200), bereitgestellt von der BGR (2021). Es handelt sich um Mittelwerte, die landnutzungsspezifisch aus den in der BÜK200 vorliegenden Profilen eines BÜK-Polygons abgeleitet wurden. Die Daten sind keine absolut gültigen Ergebnisse, sondern stehen im Kontext der methodischen Annahmen bei der Erstellung und Verarbeitung der Ausgangsdaten. Die Ableitung des Bodenkennwertes erfolgte auf Grundlage der Bodenkundlichen Kartieranleitung (KA5; Ad-hoc-AG Boden (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung (KA 5). Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden der geologischen Landesämter und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe der BRD, Hannover.). Eine grundsätzliche Beschreibung des methodischen Vorgehens findet sich in (Veröffentlichung Abschlussbericht). Diese Kenngröße wird aktuell für die Weiterentwicklung der Wasserhaushaltsmodellierung mit dem Modell LARSIM (der BfG) verwendet.

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