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Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Nanopartikel und Kolloide als Vektoren von P-Verlusten und -Umverteilungen/Verlagerungen im Zuge der Entwicklung von Waldökosystemen

Hintergrund: Obwohl Nanopartikel und Kolloide (NPC) als Vektoren für P-Verluste und P-Neuverteilungen in Waldsystemen fungieren, fehlen grundsätzlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen steuernden Umweltfaktoren und dem Schicksal, Transport und der zusammensetzung von NPC und ihrer P-Beladung. Wir postulieren, dass hydrologisch bedingte NPC-Verluste und -umverteilungen eine dreifache Gefahr für das langfristige biogeochemische Recycling von P in Waldökosystemen und damit die Ökosystemernährung darstellen. Projektziel: Aufklärung der Bedeutung und Steuerung von NPC-Verlusten und -umverteilungen für die langfristige Effizienz des P-Recycling in Waldökosystemen. Projekt-Hypothesen: Mobile Kolloide in Waldökosystemen entstammen hauptsächlich dem organischen Oberboden (alle WPs), (ii) Laterale Flüsse vom kolloidalen P während Starkregenereignissen begrenzen langfristig die maximale P-Wiederverwertungseffizienz von Waldökosystemen (WP1), (iii) P ist überwiegend mit organischen Kolloiden assoziiert und größtenteils bioverfügbar, was eine weitere Limitierung der P-Wiederverwertung im Wald darstellt (WP2), (iv) Die Kolloidverlagerung in Wäldern führt zu P-reichen und P-armen Stellen (laterale Umverteilung) bzw. zu einem P-Transfer aus oberflächennahen organischen Horizonten zum mineralischen Unterboden und damit zu einer P-Festlegung in diesem Horizont (WP3), und (v) Abnehmende atmosphärische Einträge von organischen Säuren und Kalkung erhöhen den pH Wert und reduzieren das austauschbare bzw. gelöste Al3+ im Waldoberboden, was die Mobilisierung bzw. den Verlust von kolloidalem P fördert (WP4). Methodik: Wir werden die Konzentration und Zusammensetzung von Kolloiden in den Wasserproben i) aus den Streulysimetern, ii) aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitte (trenches) und iii) aus den Oberläufen von Bächen an den Versuchsstandorten in Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal und Mitterfels bestimmen. Die Kolloide werden mittels Feld Fluss Fraktionierung fraktioniert bzw. isoliert und in Kombination mit ICP-MS, TOC und TN Analyse, sowie TEM gekoppelt mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert. Aufgaben/Arbeitspakete: WP1: Entnahme von Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitten (trenches) (mit Puhlmann/Weiler und Julich/Feger). Entsprechend unserer Hypothese sollte die Gesamtmenge von NPCs aus präferenziellen Fließwegen, dem lateralen Fluss und den Oberläufen der freigesetzten Menge aus der organischen Bodenoberschicht gleich sein. WP2: Untersuchung der Bioverfügbarkeit der NPC aus dem 'interflow' und den Oberläufen durch Inkubationsexperimente mit Enzymen um Phosphatester und Inositol-Phosphate nachzuweisen (mit Kaiser/Hagedorn/Niklaus). (Text gekürzt)

Projekt Waldkalkung

Zweck der Waldkalkungen ist, der zum Teil tief reichenden Versauerung der Waldböden entgegenzuwirken. Die fortschreitende Versauerung der Böden geht mit erheblichen Schädigungen des Ökosystems Wald einher. So werden mit sinkenden pH-Werten (Säuregradmesser) das giftige Aluminium und Schwermetalle ausgewaschen, die die Wurzeln der Bäume schädigen und ins Grundwasser verlagert werden. Auch Nährstoffe werden dem Boden entzogen und stehen damit den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung. Durch die Kalkungsmaßnahmen werden die Waldböden sozusagen mit einer Schutzhülle aus Kalk bedeckt. Der Kalk soll die über die Niederschläge eingetragenen Säuremengen in den obersten Bodenschichten über einen gewissen Zeitabschnitt neutralisieren, um damit den Bodenzustand zu stabilisieren und ggfs. auch wieder zu verbessern. Die Kalkung dient zudem auch dem Grundwasser- und damit letztlich dem Trinkwasserschutz. Besonders kalkungsbedürftig sind die Waldflächen der Buntsandsteingebiete im Saarland, da deren Böden von Natur aus ein nur geringes Pufferungsvermögen gegenüber Säureeinträgen aufweisen. Den Kalkungsmaßnahmen vorausgegangen waren bodenchemische Analysen durch das Landesamt für Umwelt und Arbeitsschutz (LUA), um zuverlässige Aussagen über den Bodenzustand zu erhalten. Im Anschluss an die Kompensationskalkung wird es weitere Untersuchungen im Sinne einer Wirkungskontrolle geben. Von der Kalkung ausgeschlossen werden einerseits aus Naturschutzgründen sensible Flächen (z.B. Naturschutzgebiete, Naturwaldzellen u.ä.). Anderseits werden Verkehrsflächen und siedlungsnahe Flächen ausgeschlossen. Die Kompensationskalkung erfolgt ausschließlich in der vegetationsarmen Zeit, da nur dann sichergestellt ist, dass eine möglichst große Kalkmenge den Boden auch erreicht. Ausgebracht wird der Magnesiumkalk per Hubschrauber. Bei einer Menge von etwa 3 Tonnen pro Hektar können so pro Tag zwischen 60 und 75 Hektar Wald behandelt werden.

Nitratauswaschung unter aufgeforsteten Flächen und Untersuchungen zum Zustand der Versauerung in der Tiefe im Wasserschutzgebiet Thülsfeld

Die Aufforstung von ehemals ackerbaulich genutzten Flächen in den Grundwasser-Einzugsgebieten des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) wird als eine Maßnahme gesehen, die Emissionen aus der ackerbaulichen Bodennutzung dauerhaft zu vermindern. Dies betrifft vor allem Stickstoff in der Form von Nitrat aber auch die Hauptnährstoffe Phosphor und Kalium und die Begleitionen Chlorid und Sulfat. Bei der Anpflanzung von jungen Baumbeständen besteht anfangs nur eine geringer Stickstoffbedarf. Die Stickstoffvorräte des Bodens würden somit noch mehrere Jahre mit ihrem mobilisierten Nitratmengen das Grundwasser belasten. Deshalb muß gleichzeitig, neben der Anpflanzung der Baumbestände, ein Unterwuchs angepflanzt werden, der den überschüssigen Stickstoff des ehemaligen Ackerbodens verwertet. Zu dieser Vorgehensweise hatte sich der OOWV vor einigen Jahren bei der Umwandlung von Ackerflächen entschlossen. Ziel des Projektes ist es, in Sinne einer Erfolgskontrolle, die Entwicklung der Qualität des Sickerwassers unter den aufgeforsteten Flächen zu untersuchen. Dabei soll der Zustand der ungesättigten Zone bis in den Bereich des Kapillarsaumes berücksichtigt werden. Verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von negativen Entwicklungen, wie z.B. Aushagerung vor der Aufforstung oder Kalkung, werden diskutiert.

Kalkung/Düngung

a) Bodenschutzkalkung: Wiederholte flächige Ausbringung (Flug-, Blasegeräte, manuell) magnesiumreicher Karbonatkalke auf den Waldboden zum Schutz des Bodens (Kompensation eingetragener und gespeicherter Säure), seiner Bestockung (Ernährung, Benadlung, Vitalität) und waldbürtiger Gewässer (Transfer von Schwermetallen und Säure) - Einzelflächenplanung, Flächen-, Mengen-, Qualitätskontrolle durch Forstbezirke - Fachberatung, Gesamtflächenplanung, Ausschreibung, Zuschlagserteilung durch Geschäftsleitung des SBS b) Meliorationskalkung: Einmalige partielle Ausbringung (Pflanzplatz, Pflanzstreifen) und Einarbeitung (Lochbohrer, Fräse, manuell) magnesiumreicher Karbonatkalke in saure, basenarme Waldböden bei Begründung einer neuen Waldgeneration aus edaphisch anspruchsvollen Baumarten (Laubhölzer, Weißtanne), um deren Aufwachsen sowie den Anflug von Sukzessions-Baumarten zu sichern bzw. zu fördern. - Flächenplanung, Flächen-, Mengen-, Qualitätskontrolle durch Forstbezirke - Fachberatung durch Geschäftsleitung des SBS c) Düngung: Ausbringung von Mineraldüngern (Mengen- und/oder Spurenelemente) zur Behebung von diagnostizierten Ernährungsdefiziten und/oder -disharmonien - Flächenplanung, Flächen-, Mengen-, Qualitätskontrolle durch Forstbezirke - Fachberatung durch Geschäftsleitung des SBS Es werden Versuche bzw. Untersuchungen zur Wirkung von Bodenschutz- und Meliorationskalkungen auf Humus, Boden, Bodenwasser, Bodenvegetation, Kronen- und Ernährungszustand von Waldökosystemen durchgeführt (Meliorationskalkungen im Rahmen von Waldumbauversuchen, Bodenschutzkalkungen unter Praxisbedingungen).

Bodenrestauration beim Umbau von Fichte in Buche

Um eine nachhaltige forstwirtschaftliche Nutzung bei gleichzeitiger Sicherung der Schutz- und Erholungsfunktionen des Waldes zu gewaehrleisten, muessen die Reglerfunktionen des Waldbodens erhalten bzw. wiederhergestellt werden (Waldbodenrestauration). Das Spektrum der moeglichen Waldbodenrestaurationsmassnahmen laesst sich idealtypisch den drei Gruppen 'chemisch-technische Waldbodenrestauration', 'chemische Waldbodenrestauration' und 'biologische Waldbodenrestauration' zuordnen. Es wird ein Restaurationskonzept untersucht, das auf biologischen Prozessen aufbaut (Foerderung grosskroniger, vitaler Baeume mit leicht zersetzlicher Streu und intensiver Tiefendurchwurzelung, Erziehung strukturreicher Bestaende, Umbau von Nadelholzreinbestaenden in laubbaumreiche Bestockungen, Verbesserung des Humuszustandes und Verteilung von Basen ueber die Wurzel- und Blattstreu eingebrachter Laubbaeume) und diese, soweit erforderlich, baumarten- und standortabhaengig mit technischen (Pflanzloch/Pflanzstreifen-/Saatbettmeliorationen) und chemischen Mitteln (wiederholte Bodenschutzkalkungen auf versauerungsgefaehrdeten Standorten, ggf. ergaenzt durch die kleinflaechige, am Einzelbestand orientierte Ausbringung von Mangelnaehrelementen) unterstuetzt. Besonderer Untersuchungsbedarf besteht insbesondere im Hinblick auf die Frage, unter welchen Bedingungen plaetzeweise Bodenmeliorationen (z.B. in Pflanzloechern, Saatplaetzen oder Pflanzstreifen) in Ergaenzung der Oberflaechenkalkungen notwendig sind. Zu ueberpruefen ist, in welchem Umfang kleinflaechige Meliorationen (Pflanzloch, Pflanzstreifen, Saatbett) die Biomasseproduktion der eingebrachten Laubbaeume (und damit den gewuenschten Effekt) erhoehen und die Wurzelbiomasse und vor allem deren Tiefenverteilung beeinflussen. Untersuchungsbedarf besteht weiterhin im Hinblick auf die Frage, ob es so gelingt, eine ausreichende Phosphor-, Kalium- oder Spurenelementversorgung von anspruchsvolleren (Laub-)Baeumen dauerhaft zu erreichen. Desgleichen muessen die oekosystemaren Auswirkungen der Einbringungstechniken untersucht werden.

Carbon, water and nutrient dynamics in vascular plant- vs. Sphagnum-dominated bog ecosystems in southern Patagonia

In bog ecosystems, vegetation controls key processes such as the retention of carbon, water and nutrients. In northern hemispherical bogs, a shift from Sphagnum- to vascular plant-dominated vegetation is often traced back to Climate Change and increased anthropogenic nitrogen deposition and coincides with substantially reduced capacities in carbon, water and nutrient retention. In southern Patagonia, bogs dominated by Sphagnum and vascular plants coexist since millennia under similar environmental settings. Thus, South Patagonian bogs may serve as ideal examples for the long-term effect of vascular plant invasion on carbon, water and nutrient balances of bog ecosystems. The contemporary balances of carbon and water of both a bog dominated by Sphagnum and vascular plants are determined by CO2- H2O and CH4 flux measurements and an estimation of lateral water losses as well as losses via dissolved organic and inorganic carbon compounds. The high time resolution of simultaneous eddy covariance measurements of CO2 and H2O in both bog types and the strong interaction between climatic variables and the physiology of bog plants allow for direct comparisons of carbon and water fluxes during cold, warm, dry, wet, cloudy or sunny periods. By the combination with leaf-scale measurements of gas exchange and fluorescence, plant-physiological controls of photosynthesis and transpiration can be identified. Long-term peat accumulation rates will be determined by carbon density and age-depth profiles including a characterization of peat humification characteristics. A reciprocal transplantation experiment with incorporated shading, liming and labeled N addition treatments is conducted to explore driving factors affecting competition between Sphagnum and vascular plants as well as the interactions between CO2-, CH4-, and water fluxes and decisive plant functional traits affecting key processes for carbon sequestration and nutrient cycling. Decomposition rates and driving below ground processes are analyzed with a litter bag field experiment and an incubation experiment in the laboratory.

Untersuchung zur Bestimmung des Stoffaustrags mit dem Sickerwasser in Waldoekosystemen

Ergaenzung von Stoffeintragsmessungen durch Luftverunreinigungen auf zwei Versuchsflaechen des Pilotprojektes 'Saure Niederschlaege'. Erstellung einer mehrjaehrigen Fluessebilanz. Auswirkungen einer Kalkung auf den Stoffaustrag.

Regenerative Reinigung organisch und anorganisch kontaminierter Feststoffe durch Oxidation

In diesem Vorhaben werden die Einsatzmoeglichkeiten von in der Wassertechnologie gaengigen Oxidationsverfahren, speziell der Ozonung, im Bereich der Reinigung von Feststoffen untersucht. Dabei standen bisher in erster Linie organisch kontaminierte Boeden von ehemaligen Gaswerksstandorten im Mittelpunkt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl bei einer in-situ- als auch einer ex-situ-Behandlung eine ueber 95prozentige Elimination der Schadstoffklasse der PAK moeglich ist. Der Ozonbedarf betraegt dabei im Falle einer in-situ -Anwendung etwa 5 g Ozon je g organisch gebundenem Kohlenstoff. Durch die Einstellung geeigneter Reaktionsbedingungen, was jedoch nur ex-situ moeglich ist, laesst sich dieser Verbrauch auf 3,5 g/g reduzieren. In einer Parallelreaktion werden ferner die natuerlichen Huminstoffe und auch sulfidische Mineralphasen des Bodens umgesetzt. Dabei kommt es auf gering gepufferten Boeden zu einer Versauerung, der durch eine Kalkung entgegengewirkt werden kann. Von den organischen Oxidationsprodukten wurden nahzu 100 Verbindungen identifiziert. Diese sollen in einer nachfolgenden biologischen Behandlung vollstaendig mineralisiert und der Boden so fuer einen Wiedereinbau konditioniert werden.

Demonstrationsbetriebe Integrierter Pflanzenbau, Demonstrationsbetriebe Integrierter Pflanzenbau (MuD IPB), Modellregion Brandenburg, LBV

Land- und Ernährungswirtschaft sind wichtige Pfeiler der Wirtschaft des Flächenlandes Brandenburg. Jedoch stellen die natürlichen Standortbedingungen die Landwirtschaft, und besonders den Pflanzenbau, in der Region vor besondere Herausforderungen. Diese bestehen darin, für die schwierigen und immer herausfordernd werdenden natürlichen Bedingungen vielfältige und exakt auf den Standort abgestimmte Bewirtschaftungsformen zu finden und umzusetzen, mit denen Umwelt, Klima und Biodiversität geschützt werden und die landwirtschaftlichen Betriebe ein angemessenes Einkommen erzielen können. Im Rahmen des Vorhabens wird ein Maßnahmekonzept verbunden mit einem Transferkonzept in und mit landwirtschaftlichen Betrieben in ganz Brandenburg umgesetzt. Das Maßnahmekonzept für neue Verfahren des integrierten Pflanzenbaus umfasst verschiedene Handlungsfelder der Ackerbaustrategie: - Kulturpflanzendiversität: den Anbau von Körnerleguminosen (Kichererbsen, Linsen) und Faserpflanzen zur Mehrfachnutzung (Hanf, Durchwachsene Silphie), - Digitalisierung: ein sensorbasiertes Nährstoff- und Humus-Monitoring, die präzise Düngung und den präzisen Pflanzenschutz, - Düngung: die präzise Kalkung und präzise N-Düngung, - Pflanzenschutz: die mechanische Beikrautregulierung durch Hacken und Striegeln und den präzisen Pflanzenschutz. Die Maßnahmen stehen untereinander in Verbindung und tragen auch zu den Handlungsfeldern Biodiversität und Klimaanpassung bei. Neben Synergien zwischen den Maßnahmen können auch Zielkonflikte auftreten, die in diesem Vorhaben begleitend ebenfalls adressiert werden sollen.

Demonstrationsbetriebe Integrierter Pflanzenbau, Demonstrationsbetriebe Integrierter Pflanzenbau (MuD IPB), Modellregion Brandenburg, ATB

Land- und Ernährungswirtschaft sind wichtige Pfeiler der Wirtschaft des Flächenlandes Brandenburg. Jedoch stellen die natürlichen Standortbedingungen die Landwirtschaft, und besonders den Pflanzenbau, in der Region vor besondere Herausforderungen. Diese bestehen darin, für die schwierigen und immer herausfordernder werdenden natürlichen Bedingungen vielfältige und exakt auf den Standort abgestimmte Bewirtschaftungsformen zu finden und umzusetzen, mit denen Umwelt, Klima und Biodiversität geschützt werden und die landwirtschaftlichen Betriebe ein angemessenes Einkommen erzielen können. Im Rahmen des Vorhabens wird ein Maßnahmekonzept verbunden mit einem Transferkonzept in und mit landwirtschaftlichen Betrieben in ganz Brandenburg umgesetzt. Das Maßnahmekonzept für neue Verfahren des integrierten Pflanzenbaus umfasst verschiedene Handlungsfelder der Ackerbaustrategie: - Kulturpflanzendiversität: den Anbau von Körnerleguminosen (Kichererbsen, Linsen) und Faserpflanzen zur Mehrfachnutzung (Hanf, Durchwachsene Silphie), - Digitalisierung: ein sensorbasiertes Nährstoff- und Humus-Monitoring, die präzise Düngung und den präzisen Pflanzenschutz, - Düngung: die präzise Kalkung und präzise N-Düngung, - Pflanzenschutz: die mechanische Beikrautregulierung durch Hacken und Striegeln und den präzisen Pflanzenschutz. Die Maßnahmen stehen untereinander in Verbindung und tragen auch zu den Handlungsfeldern Biodiversität und Klimaanpassung bei. Neben Synergien zwischen den Maßnahmen können auch Zielkonflikte auftreten, die in diesem Vorhaben begleitend ebenfalls adressiert werden sollen.

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