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Eignung von ziegelreichen Recycling-Baustoffen für Tragschichten ohne Bindemittel

Der Anteil an Ziegel in einem RC-Baustoff ist nach den TL RC-ToB 95 begrenzt. Die Trennung in hart- und weichgebrannte Ziegel - auch in Mischung mit weiteren Baustoffkomponenten z. B. Mörtel und Putz - sowie auch die Höhe der Grenzwerte sind noch nicht ausreichend abgesichert. Mit dieser Forschungsarbeit soll geklärt werden, inwieweit sich höhere Anteile an Ziegelbruch auf die Qualität einer ToB auswirken. In Laborversuchen werden getrennt die Eigenschaften der hart- und weichgebrannten Ziegel und auch des Mörtels und Putzes im Hinblick auf den Frostwiderstand, die Schlagfestigkeit sowie die Porosität ermittelt. In RC-Gemischen werden die Auswirkungen unterschiedlicher Anteile der Ziegel bzw. des Mörtel/Putzes, insbesondere die Frostempfindlichkeit, das Tragverhalten sowie die Wasserdurchlässigkeit untersucht. Im Rahmen der Arbeit sollen auch die bisherigen praktischen Erfahrungen mit ziegelreichen RC-Baustoffen erfasst werden. Als Ergebnis sind ggf. Vorschläge für modifizierte Anforderungen an die stoffliche Zusammenstellung für RC-Baustoffe zu erarbeiten.

Untersuchung ueber den Einfluss des Mikroklimas an Bauwerksoberflaechen und dadurch bedingten Feuchtigkeitstransport in anorganischen, poroesen, insbesondere inhomogenen Baustoffen im Hinblick auf Korrosion

Die Bestaendigkeit poroeser Baustoffe, die der Witterung und Atmosphaere sowie anderen korrosiven Einfluessen, wie z.B. bei Stahlbetonbruecken dem Einfluss von Streusalzen, ausgesetzt sind, wird massgebend von der Struktur des Stoffes und der Feuchtigkeitsaufnahme bzw. -abgabe bestimmt. Das Eindringen aggressiver Stoffe haengt nicht nur vom momentanen Feuchtigkeitsgehalt in den Poren des Baustoffs ab, sondern offenbar auch von instationaerem Wassertransport, der durch Aenderungen, vor allem der Feuchtigkeit in der Umgebung der Bauteiloberflaechen hervorgerufen wird. Bei Baustoffen, die hinsichtlich Diffusionswiderstand und thermodynamischem Verhalten aus unterschiedlichen Stoffen aufgebaut sind (Beispiel: Beton, Stahl- und Spannbeton, mit Kunststoffen beschichtete poroese Stoffe), ist eine theoretische Betrachtung dieser Vorgaenge im Mikrogefuege kaum moeglich. Mit der Mikrowellenmesstechnik sollen die Wassergehaltsaenderungen und damit der Wassertransport bei Einwirkung verschiedener Umgebungsbedingungen untersucht werden, um die Ablaeufe bei Korrosionsvorgaengen genauer verstehen bzw. Massnahmen fuer besseren Korrosionsschutz ableiten zu koennen.

Physikalische Stabilisierung der organischen Substanz durch Entstehung hydrophober Grenzflächen auf Aggregaten und Primärpartikeln

Die Literatur der letzten Jahre weist immer stärker darauf hin, dass Böden mit Benetzungshemmungen weiter als bisher angenommen weltweit verbreitet sind. Bereits geringe Anteile von organischer Substanz (SOM) können dabei in erheblicher Weise die Benetzbarkeit von Aggregaten oder Primärpartikeln von gut benetzbaren Oberflächen bis hin zu extremer Wasserabweisung verändern. Allgemein wird angenommen, dass Hydrophobie über mehrere Mechanismen die Abbaubarkeit von organischer Substanz und damit deren Stabilität beeinflussen kann. Daher kann der Grad der Hydrophobie als ein Indikatior der biologischer Abbaubarkeit von SOM verwendet werden. Weiterhin haben Benetzungshemmungen einen erheblichen Einfluß auf physikalische Prozesse in Böden. Extreme Benetzungshemmung führt häufig zu starkem Oberflächenabfluß und Erosion oder zu schnellem Auswaschen oberflächlich eingetragener Stoffe aus der Wurzelzone. Kenntnisse über das Benetzungsverhalten von Böden sind ebenfalls dann von Bedeutung, wenn generell das gleichzeitige Auftreten sehr feuchter und sehr trockener Zonen im Boden analysiert werden soll. Entsprechende Feuchtegradienten führen zu einem sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Milieu in den entsprechenden Feuchte- und Trockenzonen, die wahrscheinlich erheblichen Einfluß auf die mikrobiellen Prozesse im Boden haben. Das Vorhaben beeinhaltet drei wesentliche Ziele: Erstens soll die Benetzbarkeit von Aggregatoberflächen und von Primarpartikeln der Böden des Schwerpunktprogramms bestimmt werden. Mittels Messung des Kontaktwinkels, der Oberflächenenergien und der Oberflächenladung soll eine möglichst vollständige Kennzeichnung erfolgen. In einem zweiten Abschnitt sollen Untersuchungen der Bodenlösung erfolgen. Es ist beabsichtigt, die Oberflächenspannung zu messen sowie den Einfluß der Bodenlösung auf die Grenzflächeneigenschaften von Bodenpartikeln und Modelloberflächen, etwa Quarzglasoberflächen, zu erfassen. Schließlich sollen die Ergebnisse zu den Oberflächeneigenschaften gemeinsam mit den Resultaten anderer Projektteilnehmer kombiniert oder ergänzt werden

Research group (FOR) 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons, Hydrogeodäsie - CRNS Tiefenskalierung durch Kombination nichtinvasiver Messverfahren mit unterschiedlicher Integrationstiefe

Die Dynamik der Wasserspeicherung im Untergrund hat Einfluss auf Abflussbildung, Grundwasserneubildung, Wasserverfügbarkeit sowie Wasser- und Energieflüsse zwischen Boden und Atmosphäre. Im Gegensatz zu punktskaligen Messungen des Wassergehalts in der ungesättigten Zone mit Feuchtesensoren bietet Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS) den Vorteil einer integrativen Messung auf der Feldskala. CRNS-Messungen sind jedoch auf wenige Dezimeter im Oberboden beschränkt, sodass die oben genannten Prozesse nicht ausreichend erfasst werden können. Daher ist es wichtig, die Entwicklung von Verfahren zur Skalierung der CRNS Beobachtungen in größere Tiefen voranzutreiben. Das Ziel des Moduls Hydrogeodäsie in der Forschergruppe Cosmic Sense ist die Extrapolation der CRNS Bodenfeuchte in die Wurzelzone mit Hilfe verschiedener Verfahren der Tiefenskalierung. Wir kombinieren hierzu CRNS mit zwei anderen nichtinvasiven Beobachtungsverfahren, die über einen ähnlichen horizontalen Messbereich (etwa 100 m) aber andere Integrationstiefen verfügen: GNSS Reflektometrie mit einer Integrationstiefe von wenigen Zentimetern und terrestrische Gravimetrie, die über die gesamte vadose Zone integriert. Die Untersuchungsgebiete werden dazu mit allen drei Techniken (CNRS, GNSS-R und Gravimetrie) instrumentiert. Über die Kombination dieser Beobachtungen erstellen wir einen einzigartigen Datensatz: tiefenaufgelöste Bodenfeuchte auf der Feldskala. Der zeitvariable funktionelle Zusammenhang zwischen den Beobachtungen in unterschiedlichen Tiefen wird analysiert und geeignete Ansätze zur Tiefenskalierung der Bodenfeuchte werden getestet und entwickelt. Wir erwarten somit auch einen wichtigen Beitrag für die Extrapolation fernerkundlicher Daten der Bodenfeuchte in größere Tiefen leisten zu können. Mit unserem umfassenden Beobachtungsansatz zielen wir auf ein besseres Verständnis von Wasserflüssen zwischen Grundwasser, Boden und Atmosphäre ab. Des Weiteren trägt das Projekt zu einer Weiterentwicklung verschiedener neuartiger nichtinvasiver Bodenfeuchte-Messverfahren bei. Das Modul Hydrogeodäsie trägt zu den drei übergeordneten Zielen der Forschergruppe wie folgt bei: (1) Herausforderungen der CRNS Messtechnik, hier die variable Integrationstiefe, werden über komplementäre, tiefenaufgelöste Beobachtungsdaten in Zusammenarbeit mit dem Modul Neutronensimulation weiterentwickelt, (2) repräsentative Bodenfeuchtedaten für die Wurzelzone werden über die neu erstellten Verfahren zur Tiefenskalierung und mit hydrologischen Modellen in Kooperation mit den Modulen Grundwasserneubildung und Hydrologische Modellierung ermittelt, (3) Dynamiken einzelner Wasserspeicher werden mit über CRNS hinausgehenden Beobachtungsdaten erfasst: einerseits die oberflächliche Bodenfeuchte und Schneehöhe mit GNSS-R in Kooperation mit den Modulen Fernerkundung und Grundwasserneubildung und andererseits die Variationen der Gesamtwasserspeicherung mit Gravimetrie.

Wasserretentionsflächen von Agrarumwelt- und Klimamaßnahmen (AUKM)

Förderkulisse für die Agrarumweltmaßnahme für den Wasserrückhalt in der Landschaft, Teil II C der Richtlinie zur Förderung von Agrarumwelt- und Klimamaßnahmen zur Verbesserung des Klimaschutzes und der Wasserqualität auf landwirtschaftlich genutzten Flächen vom 24. Januar 2023. Zweck der Förderung ist die Wiederherstellung, Schaffung und Bereitstellung von Wasserretentionsflächen entlang von Gewässern bzw. innerhalb ausgewiesener Gewässereinzugsgebiete (z. B. auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Einzugsgebieten von Entwässerungsgräben). Auf den Wasserretentionsflächen kann sich Hochwasser ausbreiten und ansammeln, Niederschlagswasser im Boden zwischengespeichert und die Grundwasserneubildung durch langsamere Gebietsabflüsse unterstützt werden. Durch den Wasserrückhalt soll möglichst viel Wasser möglichst lange in der Fläche gehalten werden, um die Entstehung von Niedrig- und Hochwasserereignissen zu vermeiden und deren Auswirkungen zu vermindern. Die Wasserretentionsflächen leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel, insbesondere im Hinblick auf verändernden Niederschlagsereignisse und zunehmenden Trockenperioden (Niedrigwasservorsorge). Förderkulisse für die Agrarumweltmaßnahme für den Wasserrückhalt in der Landschaft, Teil II C der Richtlinie zur Förderung von Agrarumwelt- und Klimamaßnahmen zur Verbesserung des Klimaschutzes und der Wasserqualität auf landwirtschaftlich genutzten Flächen vom 24. Januar 2023. Zweck der Förderung ist die Wiederherstellung, Schaffung und Bereitstellung von Wasserretentionsflächen entlang von Gewässern bzw. innerhalb ausgewiesener Gewässereinzugsgebiete (z. B. auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Einzugsgebieten von Entwässerungsgräben). Auf den Wasserretentionsflächen kann sich Hochwasser ausbreiten und ansammeln, Niederschlagswasser im Boden zwischengespeichert und die Grundwasserneubildung durch langsamere Gebietsabflüsse unterstützt werden. Durch den Wasserrückhalt soll möglichst viel Wasser möglichst lange in der Fläche gehalten werden, um die Entstehung von Niedrig- und Hochwasserereignissen zu vermeiden und deren Auswirkungen zu vermindern. Die Wasserretentionsflächen leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel, insbesondere im Hinblick auf verändernden Niederschlagsereignisse und zunehmenden Trockenperioden (Niedrigwasservorsorge).

BFD5L_M100

Feldkapazität des Wurzelraums gemäß Bodenflächendaten Hessen 1:5000 für landwirtschaftliche Nutzflächen (BFD5L) - Die Feldkapazität (FK) bezeichnet den Wassergehalt eines natürlich gelagerten Bodens, der sich an einem Standort zwei bis drei Tage nach voller Wassersättigung gegen die Schwerkraft einstellt.

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Elucidating mechanisms of pesticide sorption and degradation by compound specific isotope analysis in conjunction with advanced mathematical transport modelling

Biogeochemical interfaces play a key role for retardation and elimination of organic pesticides: (i) as sorption medium for retention; (ii) by harbouring microorganisms that facilitate degradation. Tracing these processes under natural conditions in the absence of mass balances is difficult. Of particular concern are polar and anionic pesticides because they are highly mobile. This proposal aims to provide two important, new contributions towards a better process understanding, each focussed in one Ph.D. project:(1) Measurements of compound-specific 13C and 15N isotope fractionation to investigate pesticide sorption and degradation. We will for the first time (a) measure degradation-associated isotope fractionation for bentazone and MCPA, as a new approach to detecting their transformation in natural systems; (b) use the isotope effect between the neutral and anionic form of bentazone to characterize directly which form (neutral versus ionic) is preferentially retained at geochemical surfaces (pure minerals, artificial and natural soils).(2) Column studies in conjunction with cutting-edge mathematical modelling to assess the role of immobile water on sorption and degradation. We aim to test the hypotheses that (a) surface interactions of pesticides are more pronounced when more of the substances are present in immobile (= stagnant, near-surface) water, and (b) that this proportion is greater under unsaturated conditions. To this end, (i) tracer tests (3H, bromide) at different degrees of water content will quantify the proportions of mobile versus immobile water at different degrees of saturation; (ii) an advanced mathematical model including slow, irreversible sorption, and rapid sorption equilibrium in the immobile water zone will be developed to describe for the first time the influence of immobile water on pesticide sorption and degradation.

Bedeutung des Bodenwasserhaushalts und der Sauerstoffverfügbarkeit bei der Ausbildung von Humusformen in Wäldern

Die Humusform ist das Resultat der am Standort wirkenden Faktoren einschließlich der dort tätigen Bodenorganismen. Die Humusformenansprache kann daher als integrierende Methode zur Bewertung von Standorten herangezogen werden. Bisher ist nur für die terrestrischen Humusformen die Wechselbeziehung zwischen Morphologie und Standortfaktoren genauer charakterisiert. Systematische Untersuchungen zu Feucht- und Nasshumusformen fehlen. Die an Feucht- und Nassstandorten in der Regel erfolgende Akkumulation organischer Substanz ist nicht primär auf den (zeitweise) herrschenden Wasserüberschuss, sondern auf den damit einhergehenden Sauerstoffmangel zurückzuführen. Eine getrennte Betrachtung der beiden Parameter ist daher notwendig. An acht verschiedenen feuchten und nassen Waldstandorten in Nordrhein-Westfalen soll die Humusform makro- und mikromorphologisch beschrieben und mit wesentlichen Standortmerkmalen in Beziehung gesetzt werden. Des weiteren soll die Regenwurmzönose, als wichtiger Vertreter der Zersetzergemeinschaft, aufgenommen und ihre Wechselwirkungen mit den Standorteigenschaften und der Humusform untersucht werden. Um den Einfluss des Sauerstoffs unabhängig vom Wassergehalt auf die Profilmorphologie nachzuweisen, sollen Langzeitversuche durchgeführt werden. Über Diffusionsversuche im Labor soll außerdem die Bedeutung der Profilmorphologie für die Sauerstoffverfügbarkeit ermittelt werden.

Ressourcenschonendes Bewässerungs- und Stickstoffdüngungsmanagement für Kartoffel und Winterweizen

Zielsetzung: Im Zuge des Klimawandels, insbesondere durch einen steigenden Verdunstungsanspruch bei gleichzeitig stagnierenden Niederschlagsmengen, steigen die Anforderungen der Landwirtschaft an Wasserressourcen für die Feldberegnung. Diese stoßen aber regional auf Einschränkungen, da das nachhaltig verfügbare Bewässerungswasser begrenzt ist und konkurrierende Nutzungsansprüche bestehen. Dadurch können optimale Wassergehalte im Boden für das Pflanzenwachstum nicht durchgehend gewährleistet werden. Aus diesem Grund sollte sich die mengenmäßige und zeitliche Verteilung der Bewässerungsgaben am zu erwartenden Ertragseffekt orientieren. Ziel ist es, ineffiziente Wassergaben, also solche ohne relevanten Mehrertrag oder ohne Beitrag zur Produktqualität, zu vermeiden. Ein enger Zusammenhang besteht zudem zwischen der Wasserversorgung, der Ertragsbildung und der Stickstoffnutzungseffizienz. Eine bedarfsgerechte Bewässerung steigert nicht nur die Effizienz der Stickstoffnutzung, sondern ermöglicht auch, das Wasserangebot bei der schlagbezogenen Abschätzung des Ertragspotenzials zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine gezieltere Düngung möglich, wodurch Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen vermieden werden können. Zur Entscheidungsunterstützung im Bereich der Beregnungssteuerung werden derzeit verschiedene methodische Ansätze genutzt, darunter Messungen des Wasserzustands in Boden und Pflanze sowie wasserhaushaltsbasierte Berechnungen. Diese Verfahren sind jedoch in der Praxis oft zu aufwändig, insbesondere bei einer einzelschlagbasierten Anwendung. Fernerkundliche Messverfahren bieten hier Vorteile, da sie leichter anwendbar sind, schlagbezogen repräsentativere Daten liefern und dadurch in der landwirtschaftlichen Beratungspraxis auf größere Akzeptanz stoßen können. Die bislang dominierenden Wasserhaushaltsberechnungen berücksichtigen allerdings keine Rückkopplungseffekte auf das Pflanzenwachstum und sind daher nicht in der Lage, mögliche Ertragswirkungen zu quantifizieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung gekoppelter Pflanzenwachstums- und Bodenwasserhaushaltsmodelle. Diese Modelle können Ertragseffekte in Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit besser abbilden, vorausgesetzt, es stehen hinreichend genaue Modelle zur Ertragsbildung der betreffenden Kulturen sowie präzise Felddaten für die Modellkalibrierung zur Verfügung. Ziel des Vorhabens ist es, ein Entscheidungsunterstützungssystem zur Optimierung von Bewässerung und Stickstoffdüngung für die Kulturen Kartoffel und Winterweizen zu entwickeln und in die landwirtschaftliche Beratungsplattform ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion) zu integrieren. Für Winterweizen kann dabei teilweise schon auf bestehenden Ansätzen aufgebaut werden. Auf Basis von Feldversuchen sollen Methoden und Modelle entwickelt oder weiterentwickelt werden, um, differenziert nach lokalem Boden- und Wetterregime, funktionale Zusammenhänge zwischen Bewässerungsmenge und -zeitpunkt sowie Ertragsbildung zu erfassen. Hieraus erfolgt dann die Entwicklung optimierter Düngungs- und Bewässerungsstrategien, wobei auch die Allokation knapper Ressourcen innerhalb der Fruchtfolge des Betriebs berücksichtigt wird. Nach der Implementierung soll das Entscheidungsunterstützungssystem in der Beratungspraxis etabliert und evaluiert werden.

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