The importance of nutrient supply from the sub-soil for crop growth is not well understood and may vary depending on bio-pores, nutrient turnover rates and the crop specific root systems. Simulation modelling provides a means to consider the complexity of the processes involved to describe the nutrient dynamics of the plant-soil system in an integrated way. However, approaches that describe the dynamics of phosphorus and potassium in combination with soil water, soil carbon and nitrogen and specifically consider the sub-soil and the bio-pores herein are scarce. Accordingly, the main objective of SP 10 is to develop a field-scale cropping system model which describes nutrient (emphasis in the 1st phase of the project is on phosphorus) mobilization and nutrient fluxes from the sub-soil to the crops considering soil nutrient pools, the bio-pore system and the crop nutrient demand. A two step approach is followed in which results from controlled experiments on soil cores will be used to develop detailed process models of root development and nutrient acquisition. These are the basis for deriving simplified algorithms to be used in a cropping system model for the field scale. The latter model will be applied to assess, after thorough validation with data from long-term experiments, the contribution of nutrients from the sub-soil and bio-pores to the growth of different crops. The sub-project combines modelling activities with experimental measurements and has a strong integrating role within the collaborative project.
Plastik wurde in einer Vielzahl von Umweltkompartimenten nachgewiesen, überwiegend als Mikroplastik, d.h. Kunststoffteile kleiner als 5 mm. Erste Untersuchungen wurden in marinen und aquatischen Systemen durchgeführt; Böden sind hingegen erst kürzlich in Bezug auf Mikroplastik in den Fokus gerückt, wobei Daten zeigen, dass es sich um eine verbreitete Kontamination der Böden handelt, mit potenziellen Folgen für bodenphysikalische, -chemische und -biologische Parameter. Angesichts der Vielzahl von Eintragspfaden, zu denen Plastikmüll, Kompost, Ablagerung aus der Luft und Straßen gehören, ist davon auszugehen, dass Mikroplastik in Böden der Biodiversitäts-Exploratorien vorhanden ist. Unsere Forschung hat zwei Ziele: Erstens wollen wir wissen, ob Mikroplastik (Vorhandensein und/oder Typ) die Intensität der Landnutzung widerspiegeln kann. Dafür werden wir Böden aus allen 150 EPs im Grünland beproben und mit Extraktions- und Identifikationsmethoden (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie-Mikroskopie) auf Mikroplastikgehalt, -art und -zusammensetzung untersuchen. Wir können diese Daten dann mit Komponenten der Landnutzungsintensität (LUI) sowie mit Bodeneigenschaften verknüpfen. Zweitens wollen wir die Auswirkungen einer experimentellen Mikroplastik-Zugabe im Feld entlang des Landnutzungsgradienten testen. Wir werden dies mit dem Einsatz und der Wiederentnahme (nach einem Jahr) von kleinen Mesh-Beuteln mit Mikroplastik-kontaminiertem Boden angehen, die in allen VPs im Grünland vergraben werden (mit dem Boden der jeweiligen VPs). Wir verwende hierfür Polyesterfasern, von denen wir bereits wissen, dass sie klare und konsistente Auswirkungen auf bodenphysikalische Eigenschaften und Bodenprozesse haben. Unsere Messvariablen umfassen pilzbezogene Bodenprozesse (Zersetzung, Bodenaggregation) und Pilz-Lebensgemeinschaften, die mittels Illumina MiSeq Hochdurchsatzsequenzierung erfasst werden. Mit unserem Feldversuch wollen wir testen, wie sich Mikroplastik-Effekte zwischen Bodenart und Umweltkontext sowie der Intensität der Landnutzung unterscheiden. Alle experimentellen Objekte werden anschließend aus dem Feld entfernt, um sicherzustellen, dass es keine dauerhafte Kontamination der Exploratorien-Böden gibt. Da wir in diesem Bereich nur einen Mikroplastik-Typ verwenden werden und die Mikroplastik-Verschmutzung aber ein vielschichtiges Thema ist, werden wir auch ein komplementäres Laborexperiment durchführen, bei dem wir nur einen Bodentyp pro Exploratorium verwenden, aber zusätzlich zu den Mikrofasern eine Reihe von verschiedenen Mikroplastik-Typen testen. Insgesamt wird dieses Projekt Einblicke in die Verbreitung und Wirkung von Mikroplastik in Böden liefern, indem sie die einzigartige Fülle der für die Exploratorien verfügbaren Informationen nutzt und gleichzeitig eine neue Variable bietet, die für andere Forscher (z.B. in Syntheseprojekten), aber auch für Stakeholder von Interesse sein kann.
Die Stabilisierung von organischer Sustanz (OM) und von Nährstoffen im Boden ist an ihre Bindung an Minerale gekoppelt. Mineraloberflächen, im weiteren auch Mineralosphäre genannt, sind Zonen, in denen das Aufeinandertreffen von reaktiven Oberflächen und Bodenmikroorganismen zu komplexen biogeochemische Prozessen und Wechselwirkungen führt. Das Wechselspiel von mikrobieller Besiedlung sowie Sorption bzw. Freisetzung von organischer Substanz und Nährstoffen hat unmittelbare Auswirkungen auf die Speicherung und Verfügbarkeit von Kohlenstoff und Nährstoffen. Die Richtungen und Rückkopplungen der aufgrund von Umwelteinflüssen und Ökosystemfaktoren ablaufenden Entwicklungen sind nur unzureichend verstanden. Mit dem vorgeschlagenen Projekt nutzen wir die einmalige Gelegenheit, dass auf allen Versuchsflächen der Biodiversitäts-Exploratorien frische, unverwitterte Minerale (Illit, ein Tonmineral, und Goethit, ein Eisenoxid) seit 2015 den natürlichen Bodenbedingungen ausgesetzt sind. Auf diesen, durch unterschiedliche Eigenschaften gekennzeichneten Mineraloberflächen, planen wir eine koordinierte, interdisziplinäre Untersuchung der Auswirkungen von Landnutzung und Biodiversität auf die Veränderungen von mikrobiellen Gemeinschaften, der organischen Substanz und von Nährstoffen. Wir vermuten, dass sowohl Art und Intensität der Landnutzung als auch die Biodiversität Einfluss nehmen auf: (1) die Akkumulation und Zusammensetzung mineral-assoziierter organischer Substanz, (2) den Beitrag von Pflanzen und Mikroorganismen zur mineral-assoziierten organischen Substanz, (3) die Zusammensetzung der sich etablierenden mikrobiellen Gemeinschaften, (4) die Stabilität der mineral-assoziierten organischen Substanz, (5) die Nährstoffakkumulation in der Mineralosphäre sowie (6) die Eigenschaften der Mineralosphäre als Funktion der Bodentiefe. Diese Aspekte werden an den exponierten Mineralen sowie in dem sie umgebenden Boden untersucht. Dazu nutzen wir eine Reihe komplementärer, moderner Methoden aus den Bereichen Mineralogie, Biogeochemie, Mikrobiologie und Mikrobieller Ökologie. Folgende Eigenschaften sollen an den Mineralen zu untersucht werden: Oberflächeneigenschaften und der Nährstoffakkumulation, Radiokohlenstoffalter, chemische Zusammensetzung und Stabilität der mineral-assoziierten organischer Substanz, Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, und Enzymaktivitäten. Unser gemeinschaftlicher Forschungsansatz wird erstmalig detaillierte und umfassende Einblicke in die sich unter unterschiedlichen Umweltbedingungen unter Grünland und Wald entwickelnden Mineralosphären ermöglichen.
This subproject will assess net-fluxes of CH4 and N2O as well as soil CO2 emissions from flooded and non-flooded rice as well as maize grown in different rotations and under different management practices. SP5 will encompass two research tasks, (i) automated chamber measurements and (ii) soil gas concentration measurements of different crop rotations. In total 36 automated chambers will be placed in two large field blocks (18 chambers each) divided into fields representing three crop-rotations: R-WET (rice flooded - rice flooded), R-MIX (rice flooded - rice non-flooded), M-MIX (maize - rice flooded) experiencing three differ-ent crop management practices: a control with no fertilizer application (zero-N), site specific nutrient management (site-spec) and conventional fertilizer application (conv). In the fields of conventional fertilization SP5 will also conduct soil concentration measurements of CO2, N2O and CH4 for identification of the main production and/ or consumption horizons which may differ between the three crop rotation systems which will allow identification of the dominating processes responsible for GHG exchange with the atmosphere. Emissions of different greenhouse gases together with data on biomass production/ yields (conducted by IRRI) will be aggregated to compile the total GHG exchange of different crop rotations and management practices. Thus, the data obtained in SP5 will create a sound basis for projecting the environmental consequences of different land use options in rice-based systems with respect to the net GHG exchange. Moreover, data obtained in SP5 will be linked in particular with results from C and N process studies of SP1-SP4 and will form a sound base for further development, testing and valida-tion of the process based model applied in SP6/ 7.
Existing models of soil organic matter (SOM) formation consider plant material as the main source of SOM. Recent results from nuclear magnetic resonance analyses of SOM and from own incubation studies, however, show that microbial residues also contribute to a large extent to SOM formation. Scanning electron microscopy showed that the soil mineral sur-faces are covered by numerous small patchy fragments (100 - 500 nm) deriving from microbial cell wall residues. We will study the formation and fate of these patchy fragments as continuously produced interfaces in artificial soil systems (quartz, montmorillonite, iron oxides, bacteria and carbon sources). We will quantify the relative contributions of different types of soil organisms to patchy fragment formation and elucidate the effect of redox con-ditions and iron mineralogy on the formation and turnover of patchy fragments. The develop-ment of patchy fragments during pedogenesis will be followed by studying soil samples from a chronosequence in the forefield of the retreating Damma glacier. We will characterize chemical and physical properties of the patchy fragments by nanothermal analysis and microscale condensation experiments in an environmental scanning electron microscope. The results will help understanding the processes at and characteristics of biogeochemical interfaces.
Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.
Im GLA wurden Grafik und Inhalt der Bodenkarte von Nordrhein-Westfalen 1 : 50 000 EDV-technisch verfuegbar gemacht. Das Kartenblatt wurde per Hand von Dritten von der zweifachen Vergroesserung der Druckvorlage vektoriell digitalisiert. Die Legende wurde im GLA unter Anwendung eines bodenkundlichen Datenschluessels in normierte Kuerzel uebersetzt. Diese Uebersetzung ist auf numerische Weiterverarbeitung im Rechner ausgelegt. Sie bietet die einheitliche, vergleichbare und autorisierte Grundlage fuer Auszuege und Auswertungen des Datenbestandes. Die Ergebnisse der Bearbeitungen koennen als Plots ausgegeben bzw. als digitale Datensaetze an Dritte kostenpflichtig weitergegeben werden. Standardmaessige Auswertungen sind Karten bzw. Tabellen der effektiven Durchwurzelungstiefe, der nutzbaren Feldkapazitaet, der Feuchtestufe, der Kationenaustauschkapazitaet, der Wasserdurchlaessigkeit und des Kapillaraufstiegs. Spezielle Auswertungen stehen zu den Themen Sickerwasser, Austauschhaeufigkeit und Grundwasserbelastung durch Schwermetallionen zur Verfuegung. Es ist moeglich, die Auswertungskarten auf den ALK-GIAP zu uebertragen und dort mit kartographischen Routinen zu bearbeiten. Es wurde eine Verfahrensdatei fuer die Bodenkarte geschrieben, die eine druckkartenaehnliche Ausgabe auf dem HP-Design-jet ermoeglicht. Die gesamte digitale Bodenkarte 1 : 50 000 liegt auf einem PC vor. Der Speicherbedarf liegt bei etwa 80 MB fuer die Graphik und etwa 20 MB fuer die Legende. Bisher wurden ueber 500 TDM und 1O Arbeitsjahre von 2 Mitarbeitern in Aufbau und Auswertung investiert. Fuer 60 von 72 Vollblaettern ist die Bearbeitung abgeschlossen. Der gesamte Datenbestand der BK 50 DIG kann in BIS Dritter ueberfuehrt werden. Das Konzept fuer die digitale Bereitstellung und Bearbeitung dieser Bodenkarte ist so ausgelegt, dass es auch auf die grossmassstaebigen Karten der land- und forstwirtschaftlichen Standortkartierung sowie der Stadtbodenkartierung uebertragen werden kann.
Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.
Prehistoric pits are filled with ancient topsoil material, which has been preserved there over millennia. A characteristic of these pit fillings is that their colour is different depending on the time the soil material was relocated. Soil colour is the result of soil forming processes and soil properties, and it could therefore indicate the soil characteristics present during that specific period. To the best of our knowledge, no investigation analysed and explained the reasons for these soil colour changes over time. The proposed project will investigate soil parameters from pit fillings of different archaeological periods in the loess area of the Lower Rhine Basin (NW-Germany). It aims to implement the measurement of colour spectra as a novel analytical tool for the rapid analyses of a high number of soil samples: the main goal is to relate highresolution colour data measured by a spectrophotometer to soil parameters that were analysed by conventional pedogenic methods and by mid infrared spectroscopy (MIRS), with a main focus on charred organic matter (BPCAs). This tool would enable us to quantify the variation of soil properties over a timescale of several millennia, during different prehistoric periods at regional scale and for loess soils in general. Detailed information concerning changing soil properties on a regional scale is necessary to determine past soil quality and it helps to increase our understanding of prehistoric soil cultivation practices. Furthermore, these information could also help to increase our understanding about agricultural systems in different archaeological periods.
Tonschieferboeden mit hohem Steingehalt (Qualitaetsweinbergslagen der Mosel) sind sehr wasserdurchlaessig. Der Naehrstoffaustrag waehrend der Vegetationszeit wird quantitativ und qualitativ gemessen. Sickerwasseruntersuchungen auf: pH, Haertegrad, Nitratstickstoff, P4O10, K2O, Mg, Ca, SO4, Cl und die ganze Palette der Schwermetalle. Versuchsvarianten: Kontrolle (mineralische Duengung und Stallmist), Klaerschlamm, Rindenkompost und Begruenung. Analysen nach LUFA-Methoden. Versuch laeuft seit 1977 Fruehjahr. Bisher interessante Ergebnisse. Versuchsziel: Mineralisierungsrate von Naehrstoffen aus der organischen Substanz.
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