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Analytical data from stepped thermal analysis of agricultural soils in Saxony

The continuous agricultural soil monitoring program (BDF) by the Saxon State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) is operational since 1995, collecting and analysing samples periodically from 60 monitoring sites across Saxony, Germany. Stepped thermal analysis allows for the fast and cost-effective determination of different carbon fractions of ground soil samples. This dataset reports the analysis of 902 archive samples from the Soil Monitoring Program of the State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) collected between 1995 and 2023, and 462 samples collected during a sampling campaign in September 2023. We report the thermal soil carbon fractions TOC400, ROC (ROC600), and TIC900 measured in air-dried and ground samples according to DIN19539 / DIN EN 17505 using an Elementar soliTOC cube. This dataset is part of a mid-infrared soil spectral library for agricultural soils in Saxony, Germany.

Diffuse reflectance spectra of agricultural soils in Saxony

The continuous agricultural soil monitoring program (BDF) by the Saxon State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) is operational since 1995, collecting and analysing samples periodically from 60 monitoring sites across Saxony, Germany. Mid-Infrared Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (mid-DRIFTS) is a promising analysis technique that allows for the determination of several soil properties simultaneously using chemometric models. For the calibration of such models, a Soil Spectral Library (SSL) including both soil spectra and analytical reference data is required. This dataset consists of soil spectra of 902 archive samples from the Soil Monitoring Program of the State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG), which were collected between 1995 and 2023, as well as soil spectra of 462 samples collected during an intensive sampling campaign in September 2023. Mid-IR spectra were recorded from 7500 cm⁻¹ to 400 cm⁻¹ at a resolution of 1 cm⁻¹ from air-dried and ground fine soil samples, using a Bruker Alpha II DRIFT with 32 device-internal replicate scans and averaging the spectra of four sample replicates. This dataset is part of a mid-infrared soil spectral library for agricultural soils in Saxony, Germany.

SaxSSL: A mid-infrared Soil Spectral Library for the agricultural soils of Saxony, Germany

This dataset presents a mid-Infrared Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (mid-DRIFTS) Soil Spectral Library (SSL) for agricultural soils in Saxony, Germany. The SSL was developed using archive soil samples from the Soil Monitoring Program of the State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG). A total of 123 physicochemical soil properties (with varying availability) are included in the presented dataset, covering soil organic carbon, total nitrogen, various total and extractable elemental contents, soil pH, cation exchange capacity, particle size distribution, bulk density and soil water retention. In addition to archive samples, the dataset includes supplementary soil samples collected during an intensive sampling campaign in September 2023, which also incorporates soil physical properties data. Mid-IR spectra were recorded from 7500 cm-1 to 400 cm⁻¹, using a Bruker Alpha II DRIFT. All samples were (re-) analysed using stepped thermal analysis according to DIN 19539 / DIN EN17505. The presented SSL was built as part of the LfULG project FuE 42-Z771/2 and constitutes the foundation for integrating quantitative mid-DRIFTS as an analytical tool in Saxony's agricultural soil monitoring program.

Concentrations of heavy metals in European agricultural soils, Oct. 2020

This data set contains current and critical metal concentrations and its exceedances in topsoils, as well as data related to the current and critical metal inputs to and outputs from soils (uptake, accumulation and leaching) and the resulting exceedances of critical metal inputs. This data set has been compiled by the European Topic Centre on Urban, Land and Soil Systems (ETC/ULS) in the context of a study on metal and nutrient dynamics where the fate and dynamics of the most abundant heavy metals and nutrients in agricultural soils were investigated. The purpose of this study was to investigate the impacts of agricultural intensification in Europe, and to understand its environmental impact. Metal concentrations in soils were used from two consecutive Europe-wide geochemical surveys, sampled in 1998 (FOREGS survey) and 2009 (GEMAS survey). For land use, the 2010 Eurostat data were used. The metals included in this data set are cadmium (Cd), copper (Cu), lead (Pb) and zinc (Zn). The results on the fate of Nitrogen (N) and Phosphorus (P) are included in a separate dataset. Cu and Zn are minor nutrients but at high inputs, they may cause adverse impacts on soil biodiversity, whereas Cd and Pb are toxic metals that may lead to soil degradation, by both affecting soil biodiversity and food quality. Metal budgets based on spatially explicit input and output data were calculated using the INTEGRATOR model; approximately 40,000 so-called NCUs as unique combinations of soil type, administrative region, slope class and altitude class were used. Available critical limits for food, water and soil organisms, from different existing regulations and studies, were converted to soil property-dependent critical metal concentrations (soil-based quality standards), which were then used to calculate critical metal inputs. The results allow for the first time to identifying spatial hot spots for critical environmental impact of soil pollution for the four most abundant heavy metals. It thus informs policy processes important for planning and guiding sustainable agriculture and soil management. The work is methodologically novel, as it applies endpoint risk to thresholds in soils, and thus guides future impact studies. Updates with more recent land use and soil data are now possible. The description of the included model results and the reference report is provided under "lineage". The data set is provided as SHP and also in a GDB, the latter including as well the N and P concentrations. An Excel file "Metadata heavy metals nutrients.xlsx" with the attribute metadata is provided with the data set.

Physicochemical soil property data for archive samples of the Saxon agricultural soil monitoring program

The continuous agricultural soil monitoring program (BDF) by the Saxon State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) is operational since 1995, collecting and analysing samples periodically from 60 monitoring sites across Saxony, Germany. This dataset provides physicochemical soil property data for 920 archive samples available from the Saxon soil information system FIS Boden, including soil organic carbon, total nitrogen, various total and extractable elemental contents, soil pH, cation exchange capacity, and particle size distribution. Additional soil physical data (bulk density, soil water retention) have been merged from undisturbed sample data, resulting in a total of 123 variables, though with varying availability. This dataset provides the majority of reference data for the mid-infrared soil spectral library for agricultural soils in Saxony, Germany.

Environmental Determinants of Microbial Biopolymer Degraders in Agricultural Soil

The structural polysaccharides cellulose and chitin of plants, fungi, and arthropods are major components of organic matter in agricultural soils. These biopolymers are carbon sources of soil microbial communities linked to soil redox processes. Soil aggregates of waterunsaturated soil form natural boundaries of oxic conditions outside and oxygen-limited conditions inside. These biogeochemical interfaces lead to a highly heterogeneous oxygen distribution on a millimetre scale. The effects and mechanisms of the toxicity of herbicides on biopolymer degrading communities in such highly compartmentalized soils have not been resolved. The proposed study is a continuation of a project funded within Priority Program 1315 'Biogeochemical Interfaces in Soil'. The preceding project resolved phylogenetic identities of known and novel prokaryotes linked to cellulose degradation under both oxic and anoxic conditions, and demonstrated that the acidic herbicides Bentazon and MCPA impair microbial processes involved in cellulose degradation. The proposed project will (I) identify chitin-degrading prokaryotes, fungi, and protists that are active in oxic and anoxic microzones, (II) determine the tolerance of various cellulolytic and chitinolytic taxa to Bentazon and MCPA, (III) characterize key chitin-degraders, and (IV) will quantitatively assess oxygen distribution in during biopolymer degradation in an agricultural soil. Central methods will include stable isotope probing, analyses of 16S rRNA, 18S rRNA, and chitinase genes, HPLC, GC, and oxygen sensing via analysis of fluorescence dyes.

Laser Scanning im Dienste der Landschaftsforschung

Das Lasescanning als neues Fernerkundungsverfahren um Zeugen traditionneller Kulturlandschaften zu dokumentieren Die bereits im Rahmen des Projektes 'Wölbäcker von Rastatt' gewonnenen Erfahrungen zum Einsatz des Laser Scanning wurden auch 2007 und 2008 weiter ergänzt und vor allem in breiten Kreisen potentieller Anwender im In- und Ausland vorgestellt. Wölbäcker sind Zeugen früherer Formen des Ackerbaus, die sich als wellenartige Folge von Furchen und Scheiteln ausdrücken. Ein größeres Vorkommen solcher Reste einer mittelalterlichen Flur ist bei Rastatt unter Wald noch gut erhalten. Zur genauen Dokumentation wurde dabei erstmals das Laser Scanning eingesetzt. Mit diesem Verfahren, das auf einer flächenhaften Abtastung der Erdoberfläche von einem Flugzeug aus basiert, können Reliefunterschiede im Dezimeterbereich, selbst unter Wald aufgezeigt und vermessen werden. Die Daten stammen aus flächendeckenden Befliegungen des Landesvermessungsamtes Baden-Württemberg. Weitere Gebiete wurden auch auf das Vorkommen von Wölbäckern untersucht. So konnten dank Laser auch in der Rheinaue bzw. in Lagen wo sie nicht vermutet wurden, solche Altfluren ausfindig gemacht werden. Zu den wesentlichen Beiträgen in den beiden letzten Jahren zählt auch der erfolgreiche Abschluß des EU-Vorhabens Culture 2000 in dem wir Partner aus vielen europäischen Ländern an unseren Erfahrungen mit der Lasertechnologie teilhaben lassen konnten. Die Kooperation mit Frankreich insbesondere mit der Denkmalpflege Elsaß führte ferner zur Konkretisierung gezielter Laserprospektionen von 8 verschiedenen archäologischen Stätten in der Rheinebene und in den Vogesen, an deren Auswertungen wir ebenfalls beratend beteiligt sind.

Wechselwirkungen zwischen Bodenorganismen und Maßnahmen ackerbaulicher Bodennutzung

Im Rahmen des SFB 192 der Universität Kiel zur 'Optimierung pflanzenbaulicher Produktionssysteme im Hinblick auf Leistung und Ökologische Effekte' im Teilprojekt B1 wurden 9 Jahre hindurch die Wechselwirkungen zwischen Bodenorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten, Regenwurmabundanzen und -biomassen und Fraßaktivitäten der Bodenfauna) und ackerbaulichen Maßnahmen (Pflugdrillsaat gegenüber Fräßsohlensaat, variierte mineralische und organische Düngung, variierter Fungizideinsatz) in Ackerböden einer Jungmoränenlandschaft untersucht. Seitens Elnser, Bode und Seese/Frahm wurden die Bodenorganismen, seitens Frey die Luft- und Nährstoffdynamik und seitens VICTORINO die Gefügedynamik und die Eigenschaften der Humuskörper seitens Beyer und Köbbemann studiert. Ziel des Vorhabens ist es, durch eine integrierende, rechnergestützte Auswertung aller Untersuchungsergebnisse die längerfristige Wirkung unterschiedlicher Bodenbearbeitung, mineralischer und organischer Düngung sowie unterschiedlichen Fungizideinsatzes auf die Bodenorganismen statistisch abgesichert aufzuarbeiten und zu klären. Gleichzeitig soll die Bedeutung der Mikroorganismen und Bodentiere für die Eigenschaften des Bodenhumus, für die Gefügebildung und für die Nährstoffmobilisierung aus organischer Bindung herausgestellt werden und zwar unter Berücksichtigung einer starken Bodenvariabilität.

Reaktionsvermögen von Wachstumsmodellen auf Fruchtfolgewirkungen, insbesondere auf die vorfruchtabhängige Variation des Stickstoffangebotes

Zur Simulation von Fruchtfolgen - im einfachsten Fall ein Fruchtfolgeglied aus zwei aufeinanderfolgenden Nutzpflanzenbeständen - müssen mechanistische Wachstumsmodelle mit Modellen der vorfruchtabhängigen Stickstoffnachlieferung gekoppelt werden. Bisher wurden wenige derartige Modelle entwickelt und oft unzureichend validiert. Es ist jedoch aus pflanzenbaulichen und ökologischen Gründen notwendig, die fruchtfolgespezifischen N-Flüsse quantifizieren zu können. Während eines 6-monatigen Aufenthaltes am Department for Theoretical Production Ecology in Wageningen (NL) soll ein vom Antragsteller in Hohenheim entwickeltes Modell der N-Transformationsprozesse im Boden mit dort vorhandenen Wachstumsmodellen für Körnerfruchtbestände je einer Vor- und Nachfrucht verknüpft werden. Zur Kalibration und Validierung der resultierenden Modelle stehen mehrjährige Datensätze aus Feldversuchen in Hohenheim für unterschiedliche Fruchtfolgefelder zur Verfügung. Anschließend soll ein Vergleich zwischen diesen und einem in Wageningen entwickelten, weniger detaillierten Fruchtfolgemodell erfolgen. Das Wageninger Institut ist wegen der dort verfolgten originellen Wachstumsmodellierung unter Einbezug produktionstechnischer Maßnahmen für die gewählte Zielsetzung besonders geeignet.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Vergleichende Transkriptomanalyse und phänotypisches Monitoring von Trifolium pratense (Fabaceae) unter Landnutzungsaspekten (TRATSCH II)

Pflanzen passen sich mit erstaunlicher morphologischer Plastizität an Umweltveränderungen an, wie sie z.B. durch landwirtschaftliche Nutzung erzeugt werden. Die diesen morphologischen Veränderungen zugrundeliegenden molekulargenetischen Prozesse und hieraus resultierende Verschiebungen in genetischer Diversität sind jedoch größtenteils unbekannt. In dem hier beantragten Projekt wollen wir deshalb die molekulargenetischen Reaktionen auf Störungen und Umweltveränderungen untersuchen (Mahd und Düngung im Grünland). Rotklee (Trifolium pratense) ist als wertvoller Proteinlieferant eine der wichtigsten Nutzpflanzen im Grünland und trägt durch N2-Fixierung zur Reduktion der Stickstoffdüngung in Böden bei, sodass er die Ökobilanz landwirtschaftlich genutzter Grünlandflächen nachaltig verbessern kann. T. pratense findet sich auf allen Grünlandflächen der Biodiversitätsexploratorien und wir konnten in TRATSCH I zeigen, dass T. pratense (i) verschiedene morphologische Reaktionen auf Mahd zeigt. (ii) Wir identifizierten Mahd-spezifisch differenziell exprimierte Entwicklungskontrollgene und Gene, die standortspezifisch differenziell exprimiert werden, und (iii) etablierten ein mRNA-seq-Fingerprinting Protokoll. Mit diesem kann eine große Zahl an Individuen auf vielen Plots unter unterschiedlichen Landnutzungsbedingungen analysiert werden. Durch Korrelation mit diversen Umweltdaten können Effekte der Umwelt von denjenigen der Landnutzung unterschieden werden. Damit verknüpfen wir Landscape Genetics mit Landscape Genomics, um die Genomfunktionalität einzelner Arten im Umweltzusammenhang zu analysieren. In TRATSCH II beabsichtigen wir unsere Datenaufnahme auf alle Exploratorien auszudehnen, um die Störungs- und Umweltspezifität der exprimierten Transkriptom-Fingerprints in größerem Zusammenhang zu analysieren. Expressionsstudien und funktionelle Studien der Mahd-spezifischen Entwicklungskontrollgene werden Aufschluss darüber geben, wie Pflanzen auf molekulargenetischer Ebene die Veränderung des Morphotypus und das Nachwachsen nach der Mahd steuern. Um die Ökobilanz im Grünlandanbau zu optimieren, untersuchen wir experimentell verschiedene Anbauverfahren, um hohe Proteinerträge mit möglichst niedrigen Düngergaben zu erhalten. Ferner überprüfen wir die Hypothese, dass epigenetische Modifikationen für die Regulation der morphologischen Veränderungen mit verantwortlich sind durch temporäre und quantitative Analyse von Methylierungsmustern der genomischen Loci von Entwicklungskontrollgenen.

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