Phosphorus (P) is an essential nutrient for living organisms. Whereas agriculture avoids P-limitation of primary production through continuous application of P fertilizers, forest ecosystems have developed highly efficient strategies to adapt to low P supply. A main hypothesis of the SPP 1685 is that P depletion of soils drives forest ecosystems from P acquiring system (efficient mobilization of P from the mineral phase) to P recycling systems (highly efficient cycling of P). Regarding P fluxes in soils and from soil to streamwater, this leads to the assumption that recycling systems may have developed strategies to minimize P losses. Further, not only the quantity but also the chemistry (P forms) of transported or accumulated P will differ between the ecosystems. In our project, we will therefore experimentally test the relevance of the two contrasting hypothetical nutritional strategies for P transport processes through the soil and into streamwater. As transport processes will occur especially during heavy rainfall events, when preferential flow pathways (PFPs) are connected, we will focus on identifying those subsurface transport paths. The chemical P fractionation in PFPs will be analyzed to draw conclusions on P accumulation and transport mechanism in soils differing in their availability of mineral bound P (SPP core sites). The second approach is an intensive streamwater monitoring to detect P losses from soil to water. The understanding of P transport processes and P fluxes at small catchment scale is fundamental for estimating the P exports of forest soils into streams. With a hydrological model we will simulate soil water fluxes and estimate P export fluxes for the different ecosystems based on these simulations.
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)
Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung von Betonrezepturen für Betonwaren und Betonfertigteilen mit erhöhtem Anteil an rezyklierten Gesteinskörnungen und dem Einsatz von RC-Zementen aus dem Gesamtprojekt. Dadurch soll der CO2-Footprint um bis zu 40% reduziert und zusätzlich sollen natürliche Ressourcen geschont werden. Die Innovationen liegen zum einen im Einsatz des RC-Zementes auf Basis von Belit-Klinker, die bisher nicht im Produktbereich eingesetzt werden. Außerdem neu ist die Anhebung des Anteils an rezyklierter Gesteinskörnung im Betonwarenbereich von 50% und im Betonfertigteilbereich von 25%. Durch eine intensive Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern sollen diese Themen bearbeitet werden, um die bisher vorhandenen Probleme vor allem beim Einsatz von rezyklierten Gesteinskörnungen zu lösen. Durch die Arbeiten des Projektpartners EHL können die Ergebnisse aller Projektpartner zusammengeführt und in realen Produkten in Werksversuchen getestet werden. Hier kommen die RC-Zemente vom KIT und Holcim zum Einsatz und die Zusatzmittel der Sika werden hinzugefügt. Durch die Laborarbeiten des LUH werden die Rezepturen entworfen und bei EHL weiter zuerst im Labor und anschließend im Werksversuch untersucht. Die Ergebnisverwertung soll im Erfolgsfall in den Werken von EHL erfolgen, indem schrittweise die Erkenntnisse zu neuen Rezepturen mit RC-Zementen und rezyklierten Gesteinskörnungen in unterschiedlichen Produkten eingesetzt werden. Dadurch würden natürliche Rohstoffreserven geschont und CO2-Emissionen reduziert.
Excessive nutrient input largely impacts community structure and functioning of stream ecosystems in Central Europe (eutrophication). Within this project, we aim to evaluate the eutrophication potential of stream ecosystems. As a first step to achieve this aim, main control mechanisms influencing stream eutrophication have to be identified. We will analyze the impact of soil nutritional status (especially phosphorus), soil storage capacity, and soil nutrient release as well as land use on periphyton-grazer interaction. Therefore, we will study the periphyton-grazer interaction in the running water of 4 small catchments that differ with respect to their nutritional status, speciation and release at a forest site and an pasture site. In the field survey we will study (1) The input of macro nutrients (P and N), (2) community structure and biomass of periphyton and grazers, (3) emergence and (4) complexity of the food web and compare the results among the catchments. The periphyton-grazer interaction along nutrient gradients will be studied in more detail using laboratory flumes. By the use of geostatistical and remote sensing techniques we will interpolate macro nutrient input, -speciation and seasonality for the different catchments and link this information to periphyton quantity and quality as well as to periphyton-grazer interaction.
Beton ist ein unverzichtbarer Baustoff, ohne den es nicht gelingt, systemrelevante Bauwerke in tragfähiger und dauerhafter Art und Weise zu errichten. Bei der Herstellung von Zement als Bindemittel werden jedoch große Mengen thermischer Energie benötigt und prozessbedingt erhebliche Mengen Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Der bisher maßgebliche verfolgte Ansatz, Zement anteilig durch Betonzusatzstoffe (z.B.Flugasche) auszutauschen, stößt jedoch aufgrund ihrer in Zukunft eher sinkenden Verfügbarkeit an seine Grenzen. Das Ziel dieses Forschungsantrags umfasst daher die Entwicklung eines neuartigen reaktiven Betonzusatzstoffs, der durch eine thermomechanische Aufbereitung aus rezykliertem Betonbruch gewonnen werden soll. Hierfür wird die gesamte Prozesskette von der Rohstoffverfügbarkeit über die prozesstechnischen Randbedingungen der Betonzusatzstoffherstellung im Labor sowie kurz- und langzeitige Bindemittel- und Betoneigenschaften, die Produkt- und Bauteilherstellung im Technikumsmaßstab bis hin zur Ökobilanzierung untersucht. Für die Betonherstellung streben wir einen reaktiven Betonzusatzstoff an, der Flugasche und andere Betonzusatzstoffe vollständig substituieren und ggf. übertreffen kann. Ziel ist ein k-Wert größer als 0,4. Bei Zement ist eine Hauptbestandteilreduktion des Klinkers von 35-50% Ziel des Forschungsprojektes. Hier soll ein CEM II/B und ein CEM II/C entwickelt werden.