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Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Vorkommen und Auswirkungen von Mikroplastik auf Bodenpilze und Prozesse entlang von Landnutzungsgradienten

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.

Soil colour spectra of prehistoric pit fillings as a new analytical tool to measure changing soil characteristics over time on a regional scale

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.

Schwefeldynamik in Sumpfreisböden

Kenntnisse über S-Bindungsformen und deren Flüsse in terrestrischen Ackerböden können nicht auf Sumpfreisböden übertragen werden, da nach deren Überflutung anaerobe Verhältnisse vorherrschen. Ergebnisse über die Bedeutung der einzelnen S-Fraktionen für die S-Nachlieferung in Sumpfreisböden und somit der S-Versorgung von Reis liegen kaum vor bzw. sind aufgrund des Trocknens der Bodenproben vor der Analyse nicht aussagefähig. Weiterhin wurde seither nicht berücksichtigt, dass in unmittelbarer Wurzelnähe von Reispflanzen im Gegensatz zum Restboden aerobe Verhältnisse vorherrschen. Aus diesem Grund soll in zwei typischen chinesischen Sumpfreisböden nach Dotierung mit 35S der Einbau des zugeführten Schwefels in definierte S-Fraktionen (SO42- in der Bodenlösung, adsorbiertes SO42-, FeS, FeS2, Sulfatester, Kohlenstoff gebundener S, Biomasse S) erfasst und in einer Zeitreihenuntersuchung Flüsse zwischen ihnen abgebildet werden. Dabei gilt es, zwischen der oberflächennahen aeroben Zone und der darunter liegenden anaeroben Zone bzw. dem wurzelnahen und wurzelfernen Boden zu differenzieren. Da Reisstroh häufig nach der Ernte in den Boden eingearbeitet wird, soll dessen Mineralisierungsverhalten mittels Einsatz von 35S markiertem Reisstroh untersucht werden. Des weiteren soll in speziellen Versuchsgefäßen, die das Gewinnen von Bodenproben in definierten Abständen von der Wurzeloberfläche erlauben, die Dynamik anorganischer und organischer S-Fraktionen in der Rhizosphäre erfasst werden.

Feldstudien zu den sedimentologischen und geomorphologischen Auswirkungen starker Tsunamiereignisse im Westen der Insel Zypern

Da trotz zahlreicher historischer Berichte über zerstörerische Tsunamis(Seebebenwellen) im Mittelmeergebiet bis auf kleine Schotterreste des durch Instrumentenbeobachtungen abgesicherten Amorgostsunamis von 1956 bisher keine auch nur annähernd vollständige Analyse der sedimentologischen und geomorphologischen Folgen eines solchen Ereignisses großer Augenblicksleistung vorliegt, sollen die neu entdeckten Ablagerungen und Formen im Westen Zyperns diesbezüglich beispielhaft dokumentiert werden. Reichweite des Wellen-run up, Transportkapazität und Qualität und Quantität der geomorphologischen Wirksamkeit im Vergleich zu ständig aktiven küstenmorphologischen Prozessen sind zu erfassen. Neben der Suche nach absolut datierbarem Material wie begrabenen Boden- und Vegetationsresten oder aufgeworfenen Mollusken und Trottoirbruchstücken sollen auch die nachträglichen Verwitterungs- und sonstigen Umbildungsprozesse wie Überformung durch Tafonierung und Verkarstung, Bodenbildung und Verschüttung vom Hang bzw. junge Formenbildung an durch das Wellenereignis veränderten Kliffen oder Stränden bei der Identifizierung des Alters der Tsunami mit einbezogen werden.

Verteilung und Stabilität des Kohlenstoffs beim Abbau von 14C-markiertem Weizenstroh in den verschiedenen Kompartimenten eines Bodens mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung

Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.

Monitoring von ausgewählten Almstandorten im Nationalpark Gesäuse hinsichtlich Boden und Phytodiversität unter dem Einfluss des Klimawandels (ALM-MONITOR)

Almen und Bergmähder nehmen in Österreich rund 362.562 ha (Grüner Bericht 2015) ein und haben somit in Österreich zumindest flächenmäßig eine relativ große Bedeutung. Der Alpenraum steht im Vergleich zu anderen Regionen Europas unter einem intensiveren Einfluss des Klimawandels. In der Regel ist in der Almregion die Temperatur der wachstumsbegrenzende Standortsfaktor. Sie beeinflusst sowohl die Stoffwechselvorgänge in den Pflanzen, als auch chemische, physikalische und biologische Prozesse im Boden. Ein Temperaturanstieg dürfte zu einer Veränderung der Artenzusammensetzung und mehr Wachstum führen, was folglich durch vermehrte Auftriebe sowie einer längeren Weideperiode zu einer intensiveren Almnutzung führen könnte. Dies hätte weitreichende Folgen für das Almökosystem. In den Jahren 2005-2007 wurden im Rahmen des EU Projektes 'AlterNET - Land abandonment and vegetation change in open landscapes: assessing biodiversity impacts and options for mitigation' auf allen Almen im Nationalpark Gesäuse Dauerbeobachtungsflächen eingerichtet und mit GPS verortet. Im Zuge dessen wurden 165 Vegetationsaufnahmen und Bodenuntersuchungen durchgeführt. Rund zehn Jahre später sollen nun erneut vegetations- und bodenkundliche Erhebungen durchgeführt werden (Vergleichsuntersuchung). Basierend auf den gewonnenen Daten können Änderungen in Böden, Vegetation und Artenzusammensetzung festgestellt und so mögliche Aussagen zum Einfluss des Klimawandels getroffen werden. Eine Abschätzung der Entwicklungstrends hinsichtlich Bewirtschaftung und Ihre Folgewirkungen kann abgeleitet werden. Zusätzlich sind durch einen Biotopvergleich Prognosen zu Folgeauswirkungen auf andere Standorte übertragbar.

INSPIRE: Organic Matter Content of Top-Soils in Germany 1:1,000,000 (BUEK1000-HUMUS-OB)

The map ”Organic Matter Content of Top-Soils in Germany 1:1,000,000 (INSPIRE)” highlights the results of a Germany-wide compilation of typical soil organic matter contents in top-soils differentiated according to groups of soil parent material, four climatic areas and the main land use. The evaluation is based on more than 9000 soil data profiles with information about Soil Organic Matter (SOM) from a period of about 20 years. The report 'The Organic Matter Content of Top-Soils in Germany', BGR Archive, No. 0127036 (in German) documents the methodology. To transform the organic matter content (of the original dataset HUMUS1000OB) into INSPIRE-relevant organic carbon content (CORG1000OB), we applied the van Bemmelen factor (1.724). According to the “Data Specification on Soil“ (D2.8.III.3_v3.0) and the “Guidelines for the use of Observations & Measurements and Sensor Web Enablement-related standards in INSPIRE“ (D2.9_v3.0) the content of the map “Organic Matter Content of Top-Soils in Germany 1:1,000,000“ is stored in a single INSPIRE-compliant GML file: buek1000-humus-ob_SoilDerivedObject.gml. The data has been transformed into the following INSPIRE-Feature Types (Spatial Object Types): “SoilDerivedObject“, “OM_Observation“ and “OM_Process“. The GML file together with a Readme.txt file is provided in ZIP format (BUEK1000-HUMUS-OB-INSPIRE.zip). The Readme.text file (German/English) contains detailed information on the GML file content. Data transformation was proceeded by using the INSPIRE Solution Pack for FME according to the INSPIRE requirements.

Flugstaubeintrag und seine Wirkung auf die Bodenbildung im waldfreien Karst der Nördlichen Kalkalpen

Die Untersuchungsgebiete liegen in den alpinen bis nivalen Höhenstufen der Nördlichen Kalkalpen. Dort existieren auf verkarsteten Kalken (CaCO3-Gehalte größer 96 Prozent) unterschiedliche Entwicklungsstufen der humusreichen Rendzina (A-C-bzw. O-C Profile) sowie verbraunte und braune Bodentypen (A-B-C-Profile). Alle Böden, besonders die braunen Varianten, weisen allochthone Glimmer, Silikate und Schwerminerale auf. So wird der Einfluß von Flugstäuben auf die Solumbildung evident. Aus diesem Sachverhalt resultieren als Forschungsschwerpunkte die rezente Flugstaubdynamik und die dadurch beeinflußte Bodengenese auf Kalkstein. Im Rahmen des geplanten Projekts ergeben sich folgende Kernfragen: 1. Wie sind die Flugstäube durch die beeinflußten Böden in den einzelnen Höhenstufen verbreitet? Welche Geofaktoren steuern die räumliche Verteilung? 2. Wieviel Flugstaub wird rezent (Größenordnung, (mm/a) eingetragen? Welche Hauptliefergebiete gibt es? Wie korrelieren Staubmenge und Solummächtigkeit? 3. Wie verändern die Stäube die Böden? Welchen Anteil haben autochthone Terrae fuscae, allochthone Braunerden und Mischformen? Welche Divergenzen und Konvergenzen der Bodenbildung gibt es in den einzelnen Untersuchungsgebieten? Gibt es Anhaltspunkte für mögliche Bildungszeiträume eine Alterseinstufung der Böden?

From architecture to function: Elucidating the formation and structure of soil microaggregates - a key to understand organic carbon turnover in soils? - Archfunk; Elucidating the role of surface topography and properties for the formation and stability of soil nano- and micro-aggregates by atomic force microscopy

Formation and stability of soil micro-aggregates depend on the forces which are acting between the individual building blocks and in consequence on type, size and properties of the respective adjacent surfaces. While the interaction forces are the result of the superposition of short-range chemical forces and long-range van-der-Waals, electrostatic, magnetic dipole and capillary forces, the total contact surface is a function of the size, primary shape, roughness and larger-scale irregularities. By employ-ing atomic force microscopy (AFM), we will explore the role of topography, adhesion, elasticity and hardness for the formation of soil micro-aggregates and their stability against external stress. Special consideration will be put on the role of extracellular polymeric substances as glue between mineral particles and as a substance causing significant surface alteration. The objectives are to (i) identify and quantify the surface properties which control the stability of aggregates, (ii) to explain their for-mation and stability by the analysis of the interaction forces and contacting surface topography, and (iii) to link these results to the chemical information obtained by the bundle partners. Due to the spatial resolution available by AFM, we will provide information on the nano- to the (sub-)micron scale on tip-surface interactions as well as 'chemical' forces employing functionalized tips. Our mapping strategy is based on a hierarchic image acquisition approach which comprises the analysis of regions-of-interest of progressively smaller scales. Using classical and spatial statistics, the surface properties will be evaluated and the spatial patterns will be achieved. Spatial correlation will be used to match the AFM data with the chemical data obtained by the consortium. Upscaling is intended based on mathe-matical coarse graining approaches.

Prozesse der Lößbildung und Landschaftsgenese im Pleiser Hügelland nahe Bonn

Das Vorhaben soll sedimentologische, diagenetische, Umlagerungs- und Formungs-Prozesse der z.T. mächtigen Lößbedeckung des Pleiser Hügellandes unter wechselnden Umweltbedingungen in verschiedenen Zeitscheiben des letzten Glazials rekonstruieren. Materialherkunft und äolische Formung einerseits und erosiv-dendative Überformung andererseits, sowie deren zeitliche Einordnung stehen im Vordergrund; hingegen wird die Modellierung von aktuellen und subrezenten Stoffumsätzen in Teilprojekten des SFB 350 (B13, B15) bearbeitet. Geomorphologische, boden- und sedimentologische, isotopengeochemische und feinstratigraphische Untersuchungen sowie Lumineszenz-Datierungen (TL,OSL) stellen das methodische Inventar. Die Profilaufnahmen und Probennahmen sind abhängig von der erwarteten einzigartigen Aufschlußsituation entlang der ICE-Trasse Köln-Frankfurt. Die Untersuchung soll auch anthropogeographische und geoarchäologische Aspekte der Relief- und Sedimentbildung einbeziehen.

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