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Ausprägung ausgewählter Funktionen von Böden in der Aue innerhalb der Kulisse der Hochwasserrisikogebiete

Auen sind weite Uferlandschaften an Flüssen und gelten als Zentren der Artenvielfalt. Die verschiedenen Bodensubstrate in grundwasserbeeinflussten Böden in der Aue bieten eine hohe Standort- und Lebensraumvielfalt für Pflanzen, Tiere und Bodenorganismen. Böden in der Aue übernehmen wichtige Funktionen im Landschaftshaushalt. Sie sind bedeutsame Wasserspeicher und fungieren als Sediment- und Nährstoffsenke in der Landschaft. Außerdem enthalten sie mehr organischen Kohlenstoff als Land- oder Mineralböden. Aus diesen Gründen sind solche Böden in der Aue im Land Brandenburg besonders schutzwürdig. Es wurden folgende Funktionen von Böden in der Aue bewertet • Kohlenstoffvorräte • Standorttypische Ausprägung und daraus die potenzielle Schutzwürdigkeit der Böden abgeleitet. Die Schutzwürdigkeit definiert sich im Bodenschutz über den Grad der Funktionserfüllung eines Bodens. Erfüllt ein Boden diese in besonderem Maße, so ist er besonders schutzwürdig. Diese Definition unterscheidet sich von anderen fachlichen Sichtweisen auf die Schutzwürdigkeit. Flächen, die nach der Einordnung sehr gering oder gering schutzwürdig sind, sind aus Bodenschutzsicht nicht per se Böden, die nicht schützenswert sind. Vielmehr erfüllen diese Böden zum Zeitpunkt der Bewertung die Bodenfunktionen nicht in besonderem Maße bzw. nur sehr eingeschränkt. Auen sind weite Uferlandschaften an Flüssen und gelten als Zentren der Artenvielfalt. Die verschiedenen Bodensubstrate in grundwasserbeeinflussten Böden in der Aue bieten eine hohe Standort- und Lebensraumvielfalt für Pflanzen, Tiere und Bodenorganismen. Böden in der Aue übernehmen wichtige Funktionen im Landschaftshaushalt. Sie sind bedeutsame Wasserspeicher und fungieren als Sediment- und Nährstoffsenke in der Landschaft. Außerdem enthalten sie mehr organischen Kohlenstoff als Land- oder Mineralböden. Aus diesen Gründen sind solche Böden in der Aue im Land Brandenburg besonders schutzwürdig. Es wurden folgende Funktionen von Böden in der Aue bewertet • Kohlenstoffvorräte • Standorttypische Ausprägung und daraus die potenzielle Schutzwürdigkeit der Böden abgeleitet. Die Schutzwürdigkeit definiert sich im Bodenschutz über den Grad der Funktionserfüllung eines Bodens. Erfüllt ein Boden diese in besonderem Maße, so ist er besonders schutzwürdig. Diese Definition unterscheidet sich von anderen fachlichen Sichtweisen auf die Schutzwürdigkeit. Flächen, die nach der Einordnung sehr gering oder gering schutzwürdig sind, sind aus Bodenschutzsicht nicht per se Böden, die nicht schützenswert sind. Vielmehr erfüllen diese Böden zum Zeitpunkt der Bewertung die Bodenfunktionen nicht in besonderem Maße bzw. nur sehr eingeschränkt.

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.

Sediment characteristics in the muddy region in southeast of the island of Helgoland (North Sea)

Sediment were sampled on expedition HE625 of the R/V Heincke in July 2023 at 50 stations spread evenly over the muddy sediment region in southeast of the island of Helgoland (southeastern North Sea). At each station, two replicate samples were taken with a van Veen grab with a sampling area of 0.1 m² and a penetration depth of 10 cm. A subsample of the upper 6 cm of sediment was taken using a coring tube from the second grab with a diameter of 4.5 cm. The grain-size distribution was determined based on laser-diffraction granulometry using a CILAS 1180L particle size analyzer. Another sub-sample of 40 g of sediment were dried, weighed, and incinerated at 500 °C for five hours to estimate the organic content (%) as weight loss on combustion. Sediment variables included organic carbon content (OC), sediment composition (percentages of sand, silt, and clay), grain size (d10, d50, d90), and statistical measures of sediment grain size distribution (skewness, sorting, kurtosis).

LLUR: Partikulärer organischer Kohlenstoff (POC)

POC Probenahmen des LLUR im STopP-Synthese Gebiet

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.

Klärung der Rolle von natürlichem organischem Material für Methan-produzierende und -verbrauchende mikrobielle Prozesse in nördlichen Moorgebieten

Torfgebiete sind die größten Speicher für organischen Kohlenstoff auf der Erde. 80% der weltweiten Torfgebiete befinden sich auf der nördlichen Hemisphäre; daher stellen die nördlichen Torfgebiete die wichtigste natürliche Quelle für Treibhausgase (GHG) wie CH4 und CO2 dar. CH4 ist von besonderer Bedeutung, da es im Vergleich zu CO2 etwa 28-mal klimaschädlicher ist. Die Menge des von Mooren freigesetzten CH4 wird durch aerobe und anaerobe mikrobielle Prozesse bestimmt. Ein wenig untersuchter Teil des CH4-Kreislaufs in nördlichen Torfgebieten sind anaerobe CH4-oxidierende Prozesse (AOM). Insbesondere die erst kürzlich entdeckten AOM-Prozesse, die an die Reduktion organischer Elektronenakzeptoren wie natürlichem organischem Material (NOM) gekoppelt sind (NOM-abhängige AOM, NOM-AOM), wurden in diesen Gebieten noch nie untersucht, obwohl erhebliche Mengen an NOM und CH4-Emissionen in Torfgebieten parallel existieren. Deshalb möchten wir in diesem Projekt die Rolle von NOM für die CH4-Emissionen in die Atmosphäre über verschiedene Mechanismen der CH4-Produktion und der CH4-Oxidation bestimmen. Untersucht werden dabei NOM-Fraktionen, die in Stordalen (Abisko, Schweden), einem Modellstandort für von Permafrost betroffene nördliche Torfgebiete, vorhanden sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der gelösten und partikulären Fraktionen von NOM (DOM und POM) für die Stimulierung oder Reduktion der Bildung und des Verbrauchs von CH4 in Mooren und kollabierenden Permafrost-Palsa-Gebieten zu untersuchen. Diese Standorte enthalten große Mengen an organischer Substanz und zeigen gleichzeitig erhebliche CH4-Emissionen. Im Arbeitspaket 1 (WP1) wird Torf vom Probenahmestandort entnommen und geochemische Parameter im Feld gemessen. Der beprobte Torf wird zur Isolierung von DOM- und POM-Fraktionen verwendet, um eine eingehende physikochemische Charakterisierung mit modernsten Analysetechniken durchzuführen, incl. DOC-/TOC-Messungen, FTIR und Messungen der Elektronenaustauschkapazität. Im WP2 werden Isotopen-Tracer-Experimente in Mikrokosmen durchgeführt, die mit Torf versetzt und mit isoliertem DOM oder POM angereichert sind, um deren Rolle bei der Stimulierung oder Unterdrückung der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese sowie der Oxidation von CH4 durch NOM-AOM zu bestimmen. In WP3 werden die Identität und die relative Häufigkeit der Mikroorganismen, die an den untersuchten CH4-Cycling-Prozessen beteiligt sind, sowie die beteiligten funktionellen Gene mit Hilfe von DNA- und RNA-basierten molekularen Techniken wie 16S-Sequenzierung und Quantifizierung von Transkripten der Gene der Methanogenese und Methanotrophie analysiert. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass NOM in Permafrostgebieten je nach seinen Eigenschaften sowohl zur Emission von CH4 beitragen als auch diese abschwächen kann.

Modellierung des Verbleibs von organischem Kohlenstoff und Mikroverunreinigungen in biologisch-aktiven Aktivkohlefiltern

Das Vorkommen von organischen Mikroverunreinigungen (OMP) in Gewässern ist aufgrund ihrer potenziellen Bedrohung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sehr kritisch. Kläranlagenabläufe sind eine der Hauptquellen für OMPs; deshalb werden derzeit neue rechtliche Rahmenbedingungen diskutiert und verschiedene Technologien zur Reduktion von OMPs untersucht. Granulierte Aktivkohlefilter (GAK) haben sich als geeignete Technologie zur Entfernung von OMP aus Kläranlagenabläufen etabliert. Neben der adsorptiven Entfernung sind GAK-Filter auch in der Lage, organische Stoffe und OMPs biologisch zu entfernen. Die Phänomene, die diesen adsorptiven und biologischen Abbau steuern, sowie die Synergien zwischen diesen beiden Mechanismen sind von großer Bedeutung, jedoch sind die Prozesse sehr komplex. Zum einen handelt es sich bei Abwässern um Multikomponentengemische, die schwer zu charakterisieren sind, und zum anderen sind die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen GAK, Biofilm, OMP und organischen Stoffen nur schwer experimentell zu erfassen. Mathematische Modelle sind ein leistungsfähiges Instrument zur Überwindung solcher experimentellen Hindernisse, zur Analyse verschiedener Szenarien und zur Unterstützung der Planung weiterer Experimente. Anhand von Versuchsdaten wurde ein erstes mathematisches Modell entwickelt, das die Entfernung von gelöstem organischem Kohlenstoff in einem biologisch aktiven GAK-Filter zufriedenstellend beschreiben kann. Dieses Projekt zielt darauf ab, dieses Modell zu verbessern und um neue Schlüsselmerkmale zu erweitern, die für eine weitere Anwendung erforderlich sind. Insbesondere sollen drei Hypothesen getestet werden: (i) Ist es möglich, die Porengrößenverteilung in das Modell aufzunehmen? Die Porengrößenverteilung ist ein Schlüsselparameter für die Charakterisierung der verschiedenen GAK-Typen, daher ist ihre Implementierung in das Modell unerlässlich. Die herkömmlichen Ansätze erfordern jedoch Parameter, die schwer zu bestimmen sind. (ii) Könnte eine mikrobielle Gemeinschaft, die den Stickstoffzyklus einschließt, die Qualität des Modells verbessern? Auf der Grundlage experimenteller Belege, die den biologischen Abbau von OMPs mit der Aktivität von Nitrifikanten in Verbindung bringen, zielt das Projekt darauf ab, co-metabolische Prozesse zu implementieren und ihre Auswirkungen auf die globalen Modellierungsergebnisse zu bewerten. (iii) Wie können einzelne OMPs in das Modell einbezogen und ihr Verhalten zufriedenstellend wiedergegeben werden? Die Vorhersage des Abbaus einzelner OMPs ist von großer Bedeutung. Daher werden exemplarisch vier OMPs in das Modell aufgenommen und als Stellvertreter für den Abbau weiterer OMPs verwendet. Da die mechanistische Beschreibung der OMPs sehr kompliziert werden kann, wird der Ansatz des mechanistischen Modells mit Methoden des maschinellen Lernens kombinieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1315: Biogeochemische Grenzflächen in Böden; Biogeochemical Interfaces in Soil, Importance of soil organic carbon and mineral particle size fractions for the fate of soil supplied organic chemicals and their microbial transformations

The biogeochemical interface (BGI) in this project is defined as the organo-mineral surface of soil particles colonized by microorganisms. In the preceding project it was demonstrated that the different soil particle size fractions were associated with specifically structured microbial communities, a characteristic amount of soil organic carbon, and a specific capacity for adsorption of the organic chemicals phenol and 2,4-dichlorophenol, respectively. While the diversity of the microbial community was responsive to fertilization-determined additional organic soil carbon in the larger particle size fractions, it was unaffected in clay. Stable isotope probing with 13C-labelled phenol and 2,4-dichlorophenol revealed that the soil organic carbon in the BGIs also affected the diversity of microorganisms involved in the degradation of these chemicals. All these results are yet only based on studying one soil with three organic carbon variants (Bad Lauchstädt) and only two organic compounds. The objective of this 2nd phase project is to apply the innovative technology developed in the 1st phase for studying the BGI processes with soil organic carbon variants from another soil (Ultuna, SPP 1315 site) and with the chiralic anilide Fungicide metalaxyl as an additional compound. This 2nd phase SPP 1315 project will also, in a collaborative effort with two other SPP 1315 partners, investigate (1) the importance of BGIs for the entantio-selective degradation of metalaxyl and (2) the role of soil microorganisms in the formation of bound residues, respectively. Furthermore, the project will utilize stable isotope probing and next-generation DNA sequencing to link the structural and functional diversity of the microbial communities responsible for metabolism of organic chemicals in the different BGIs determined by particle size fractions and soil organic carbon variants.

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