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Vorhaben: 'Einfluss von Trockenperioden und Dürren auf die Bodenbiodiversität befahrener Waldböden (insb. Rückegasse) und ihre Regenerationsfähigkeit'

Dynamics of soil structure and physical soil functions and their importance for the acquisition of nutrients from the subsoil

Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.

Zum Verständnis der Entstehung und Trajektorien von großem Hagel (LIFT)

Derzeitige radar-basierte Nowcastingverfahren basieren auf der Annahme, dass die zeitliche Entwicklung von Hagelereignissen in erster Linie durch Advektionsvorgänge gesteuert ist; die relevanten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und das Größenwachstum von Hagel entscheidend sind, bleiben dabei unberücksichtigt. In Verbindung mit der komplexen internen Struktur und Dynamik von Hagelstürmen ergeben sich daraus große Unsicherheiten bei der Vorhersage der Hagelgrößenverteilung und der von Hagel betroffenen Fläche am Boden. Das Ziel des Projekts LIFT (Large Hail Formation and Trajectories) ist es, die Hagelentstehung und Hageltrajektorien besser zu verstehen, um daraus als wichtige Komponenten eines physikalisch-basierten Nowcastings erstmals ein radar-basiertes Verfahren für das Hagelwachstums zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird im Rahmen von LIFT eine Messkampagne Süddeutschland durchgeführt, wo die größte Hagelwahrscheinlichkeit in Deutschland auf vielfältige Beobachtungssysteme trifft, die im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES mit einem dichten Netzwerk betrieben werden. Zum ersten Mal werden im Rahmen von LIFT moderne Radargeräte, In-situ Messgeräte, Fotogrammetrie und numerische Modellierung synergistisch kombiniert und ein umfassender Datensatz zur Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Hagelwachstums erstellt. Betroffene Bürger werden aktiv in die Messaktivitäten mit einbezogen und aufgerufen, Hagelkörnern einschließlich ihrer Haupteigenschaften in die WarnWetter App des DWD zu melden. Die Messkampagne mit ihrem mobilen und flexiblen Konzept beinhaltet die Anwendung neuer, innovativer Messtechniken, darunter Lagrangesche Trajektorien mittels kleiner Messsysteme, die in die Wolken eingebracht werden, und dronengesteuerte Luftbildaufnahmen zur Bestimmung der Hagelspektren. Aus Fernerkundungsdaten gewonnene Signaturen von Hagelereignissen liefern Informationen über die Charakteristika der Hagelereignisse und werden mittels numerischer Simulationen sorgfältig auf Messungenauigkeiten und Sensitivitäten bzgl. atmosphärischer Umgebungsvariablen evaluiert. Indikatoren für die Hagelentstehung und das Hagelwachstum werden aus Beobachtungsdaten und Simulationen identifiziert, und liefern die Grundlage für ein beobachtungs-basiertes Hagelwachstumsmodell. Schließlich wird dieses Multi-Parameter Hagelwachstumsmodell mit den bestimmten Hageltrajektorien und Schmelzprozessen kombiniert, um zu bestimmen, welche Prozesse am wichtigsten sind für das Nowcasting von Hagel. Das Projekt LIFT liefert damit einen wichtigen Betrag für zukünftige radar-basierte Hagelwarnsysteme mit einer verbesserten Vorhersagezeit und Vorhersagequalität.

Durchlaessigkeit von Boeden fuer Transurane und Schwermetalle

Aus der Atmosphäre in den Boden - wie Druckfluktuationen den Gastransport im Boden beeinflussen

Gasaustausch findet in der Atmosphäre primär durch turbulenten und laminaren Fluss statt. Im Boden dagegen spielt advektiver Gastransport eine untergeordnete Rolle, stattdessen dominiert Diffusion die Transportprozesse. Trotz der Unterschiedlichkeit und scheinbaren Unabhängigkeit dieser Prozesse wurde während Freilanduntersuchungen ein Anstieg von Gastransportraten im Boden um mehrere 10 % während Phasen starken Windes beobachtet. Dieser Anstieg ist auf wind-induzierte Druckfluktuationen zurückzuführen, die sich in das luftgefüllte Porensystem des Bodens fortpflanzen und zu einem minimal oszillierenden Luftmassenfluss führen (Pressure-pumping Effekt). Durch den oszillierenden Charakter des Luftmassenflusses ist der direkte Beitrag zum Gastransport sehr gering. Die damit einhergehende Dispersion führt jedoch zu einem Anstieg der effektiven Gastransportrate entgegen des Konzentrationsgradienten. Wird der Pressure-pumping (PP) Effekt bei der Bestimmung von Gasflüssen mit der Gradienten- und Kammermethode nicht berücksichtigt, kann dies zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung von Bodengasflüssen führen. Insbesondere für das langfristige Monitoring von treibhausrelevanten Gasflüssen stellen diese Unsicherheiten ein zentrales Problem dar. Wir stellen vier Hypothesen auf:(H1) Der PP-Effekt ist abhängig von Bodeneigenschaften.(H2) Die Ausprägung von Luftdruckfluktuationen ist abhängig von der Rauigkeit verschiedener Landnutzungen (Wald, Grasland, landwirtschaftliche Kulturen, Stadt)(H3) Kammermessungen werden durch Luftdruckfluktuationen beeinflusst.(H4) Der Austausch und Umsatz von Methan in Böden von Mittelgebirgswäldern wird durch den PP-Effekt verstärkt. Die Hypothesen 1, 3 und 4 werden mittels Laboruntersuchungen von Proben verschiedener Böden und Bodenfeuchtebedingungen überprüft. Die Hypothese 2 wird durch Freilandmessungen an verschiedenen Standorten überprüft. Ziele des Vorhabens sind: (Z1) Modelle zu entwickeln, die die Quantifizierung des Einflusses der Bodenstruktur auf den PP-Effekt ermöglichen, (Z2) den Effekt der Oberflächenrauigkeit auf Luftdruckschwankungen zu quantifizieren, (Z3) Schwellenwerte zu definieren, die die Bestimmung von Standorten mit ausgeprägtem PP-Effekt ermöglichen, (Z4) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für Kammermessungen zu entwickeln, (Z5) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für die Gradienten Methode zu entwickeln, (Z6) den Einfluss des PP-Effekts auf die Methanaufnahme von Böden in Mittelgebirgswäldern zu bestimmen. Ein besseres Verständnis des bisher nur unzureichend untersuchten PP-Effekts wird wesentlich dazu beitragen, die Verlässlichkeit und Präzision von Messungen von Bodengasflüssen zu steigern, die die Grundlage für weitergehende Forschung darstellen.

Optimalität und Selbstorganisation bei Fließprozessen im Grund- und Bodenwasser

Fließwege in Böden und porösen Gesteinen sind durch eine starke Heterogenität auf allen Skalen geprägt. Diese Heterogenität beeinflusst sowohl die Eigenschaften des Bodens oder Gesteins als Wasserspeicher als auch den Transport gelöster Stoffe. Obwohl kaum Zweifel an der Bedeutung dieser mehrskaligen Heterogenität bestehen, ist deren Integration in numerische Boden- und Grundwasserfließmodelle nach wie vor eine große Herausforderung. Einerseits ist die räumliche Struktur der Heterogenität und ihrer Abhängigkeit von den Boden- und Gesteinseigenschaften noch immer nicht hinreichend genau bekannt, und andererseits würde eine Abdeckung eines ausreichend großen Skalenbereichs den numerischen Aufwand stark erhöhen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Idee, statistische Eigenschaften von Fließmustern aus Prinzipien der Optimalität abzuleiten, zumindest für zwei natürliche System als tragfähig erwiesen, und zwar für Flussnetzwerke an der Erdoberfläche und für den Blutkreislauf. Vor einiger Zeit wurde vom Antragsteller ein theoretisches Konzept entwickelt, um eine optimale räumliche Verteilung von Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit im Sinne einer Minimierung der Energiedissipation abzuleiten. Allerdings ist die Forschung diesbezüglich noch immer auf dem Niveau eines theoretischen Konzepts, welches im Wesentlichen auf Relationen zwischen Porosität, Leitfähigkeit und Fließrate (Darcy-Geschwindigkeit) beschränkt ist. Die Validierung des theoretischen Konzepts, seine Weiterentwicklung für die Anwendung auf realistische Szenarien und die Überführung in entsprechende 'lumped parameter' Modelle sind die Hauptziele des Forschungsvorhabens. Die Validierung wird sowohl auf Basis der statistischen Verteilung der Einzugsgebietsgrößen gegenüber Daten von mittleren Quellschüttungen als auch auf Basis von Schüttungskurven einzelner Quellen erfolgen. Die Erweiterungen bzw. Verallgemeinerungen des ursprünglichen generischen Modells werden horizontale und geneigte Aquifere in Boussinesq-Näherung und echte 3D Modelle umfassen. 'Lumped paramter' Modelle sind für alle Varianten geplant, um die Ansätze schließlich mit angemessenem numerischen Aufwand anwendbar zu machen.

LAPRO2009_Wald_Landwirtschaft - LAPRO2009 - Durchführung von Erosionsschutzmaßnahmen in Schwerpunkträumen der Bodenerosion auf landwirtschaftlichen Nutzflächen

Der Kartendienst (WMS-Gruppe) stellt die Geodaten aus dem Landschaftsprogramm Saarland die Themenkarte Wald und Landwirtschaft dar.:Zusammenhängende erosionsverdächtige Bereiche (> 40 ha) mit teilweise erkennbaren Erosionsereignissen werden als Schwerpunkträume aktueller Bodenerosion bezeichnet. Hier hat die Durchführung erosionsmindernder Maßnahmen oberste Priorität. Im Rahmen der kommunalen Landschaftsplanung sind die erosionsverdächtigen Bereiche räumlich weiter zu konkretisieren. Erosionsmindernde Maßnahmen sind in erster Linie in ackerbaulich genutzten Schwerpunkträumen aktueller Bodenerosion durchzuführen. Umfang und Art der Maßnahmen sind auf die jeweilige Problemsituation vor Ort und die Betriebsstrukturen abzustimmen. Maßnahmen, die auf eine Verringerung der Bodenerosion durch Wasser abzielen, müssen stets eine Verbesserung und Pflege der Bodenstruktur und damit des Wasseraufnahmevermögens des Bodens bewirken. Hierunter fallen Maßnahmen wie, z.B. das Belassen der Ernterückstände an der Ackeroberfläche, die Aufweitung der Fruchtfolge und bodenschonende Bearbeitungsverfahren. Gleichzeitig kann die erosionswirksame Hanglänge durch hangparallele lineare Strukturen reduziert werden, so dass auch die Anlage von Grünlandstreifen oder Hecken zentrale Maßnahmen für den Boden- schutz darstellen. Bei sehr stark erosionsgefährdeten Böden kann die Umwandlung der Ackerfläche in Dauergrünland als wirksamster Erosionsschutz erforderlich werden. (siehe auch Landschaftsprogramm Saarland, Kapitel 2.4.2)

LAPRO2009_Arten_Biotope - LAPRO2009 - Entwicklung von strukturanreichernden Erosionsschutzmaßnahmen

Der Kartendienst (WMS-Gruppe) stellt die Geodaten aus dem Landschaftsprogramm Saarland dar-Themenkarte_Arten-Biotope und Lebensraumverbund:Zusammenhängende erosionsverdächtige Bereiche (> 40 ha) mit teilweise erkennbaren Erosionsereignissen werden als Schwerpunkträume aktueller Bodenerosion bezeichnet. Hier hat die Durchführung erosionsmindernder Maßnahmen oberste Priorität. Im Rahmen der kommunalen Landschaftsplanung sind die erosionsverdächtigen Bereiche räumlich weiter zu konkretisieren. Erosionsmindernde Maßnahmen sind in erster Linie in ackerbaulich genutzten Schwerpunkträumen aktueller Bodenerosion durchzuführen. Umfang und Art der Maßnahmen sind auf die jeweilige Problemsituation vor Ort und die Betriebsstrukturen abzustimmen. Maßnahmen, die auf eine Verringerung der Bodenerosion durch Wasser abzielen, müssen stets eine Verbesserung und Pflege der Bodenstruktur und damit des Wasseraufnahmevermögens des Bodens bewirken. Hierunter fallen Maßnahmen wie, z.B. das Belassen der Ernterückstände an der Ackeroberfläche, die Aufweitung der Fruchtfolge und bodenschonende Bearbeitungsverfahren. Gleichzeitig kann die erosionswirksame Hanglänge durch hangparallele lineare Strukturen reduziert werden, so dass auch die Anlage von Grünlandstreifen oder Hecken zentrale Maßnahmen für den Bodenschutz darstellen. Bei sehr stark erosionsgefährdeten Böden kann die Umwandlung der Ackerfläche in Dauergrünland als wirksamster Erosionsschutz erforderlich werden. (siehe auch Landschaftsprogramm Saarland, Kapitel 2.4.2)

LAPRO2009_Klima_Boden_Grundwasser - LAPRO2009 - Durchführung von Erosionsschutzmaßnahmen in Schwerpunkträumen der Bodenerosion auf landwirtschaftlichen Nutzflächen

Der Kartendienst (WMS-Gruppe) stellt die Geodaten aus dem Landschaftsprogramm Saarland die Themenkarte Klima-Boden-Grundwasser dar.:Zusammenhängende erosionsverdächtige Bereiche (> 40 ha) mit teilweise erkennbaren Erosionsereignissen werden als Schwerpunkträume aktueller Bodenerosion bezeichnet. Hier hat die Durchführung erosionsmindernder Maßnahmen oberste Priorität. Im Rahmen der kommunalen Landschaftsplanung sind die erosionsverdächtigen Bereiche räumlich weiter zu konkretisieren. Erosionsmindernde Maßnahmen sind in erster Linie in ackerbaulich genutzten Schwerpunkträumen aktueller Bodenerosion durchzuführen. Umfang und Art der Maßnahmen sind auf die jeweilige Problemsituation vor Ort und die Betriebsstrukturen abzustimmen. Maßnahmen, die auf eine Verringerung der Bodenerosion durch Wasser abzielen, müssen stets eine Verbesserung und Pflege der Bodenstruktur und damit des Wasseraufnahmevermögens des Bodens bewirken. Hierunter fallen Maßnahmen wie, z.B. das Belassen der Ernterückstände an der Ackeroberfläche, die Aufweitung der Fruchtfolge und bodenschonende Bearbeitungsverfahren. Gleichzeitig kann die erosionswirksame Hanglänge durch hangparallele lineare Strukturen reduziert werden, so dass auch die Anlage von Grünlandstreifen oder Hecken zentrale Maßnahmen für den Boden- schutz darstellen. Bei sehr stark erosionsgefährdeten Böden kann die Umwandlung der Ackerfläche in Dauergrünland als wirksamster Erosionsschutz erforderlich werden. (siehe auch Landschaftsprogramm Saarland, Kapitel 2.4.2)

The role of soil fauna for plant performance and ecosystem functioning in a plant diversity gradient

The soil fauna affects soil structure, nutrient mineralization, decomposition processes, and the activity and composition of the microbial community in soil. These effects likely also modify plant performance, plant competition and the use of plant tissue by above-ground herbivores. The proposed project investigates effects of earthworms and soil insects on the above-ground system in grassland communities of different diversity. Earthworm and soil insect density is manipulated in experimental plots differing in plant diversity. The manipulations include the combined exclusion of below-ground insects and above-ground herbivores. It is expected that the response of the above-ground plant and animal community to manipulations of soil animal populations depends on plant species, plant diversity and plant functional group. The differential response is expected to propagate into the herbivore system thereby affecting the structure of the above-ground animal community.

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