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.
Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.
For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.
norganische Funktionsmaterialien spielen innerhalb der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, etwa im Bereich der Informationstechnik oder der Energieerzeugung und -speicherung, eine zentrale Rolle. Dabei sind komplex strukturierte multifunktionelle Materialien auf rein anorganischer Basis sowie im Verbund mit organischen Anteilen zur Weiterentwicklung dieser Technologien von wesentlicher Bedeutung. Die Erzeugung solcher Materialien mit definierter Struktur und Stöchiometrie über die konventionelle Prozesstechnik, die in der Regel bei erhöhten Temperaturen und/oder Drücken sowie unter erheblichem verfahrenstechnischen Aufwand abläuft, stößt hierbei jedoch an ihre Grenzen. Demgemäß ist die Suche nach neuen Verfahren, die eine Generierung von diesen Materialien bei Umgebungsbedingungen und mit reduziertem prozesstechnischen Aufwand ermöglichen, derzeit Gegenstand weltweiter Forschungsanstrengungen. Für die Bildung von komplex strukturierten anorganischen Festkörpern bei Umgebungsbedingungen liefert die belebte Natur eindrucksvolle Beispiele. So entstehen durch Biomineralisationsprozesse Stoffe wie etwa Calciumphosphat oder -carbonat, deren Bildung genetisch determiniert ist und durch die Wechselwirkung mit Biomolekülen gesteuert wird, wobei unter anderem Selbstorganisationsprozesse eine Rolle spielen. Die hierdurch entstehenden anorganischen Materialien besitzen multifunktionelle Eigenschaften, wobei deren Eigenschaftsspektrum durch den Einbau von bioorganischen Komponenten erweitert wird. Wenngleich viele technisch relevante Materialien bei diesen natürlichen Prozessen keine Rolle spielen, ergeben sich hieraus unmittelbar aussichtsreiche Perspektiven zur Generierung neuer anorganischer Funktionsmaterialien durch spezifische molekulare Interaktionen zwischen bioorganischen und anorganischen Stoffen. Das Hauptziel dieses Schwerpunktprogramms ist daher die Übertragung von Prinzipien der Biomineralisation auf die Generierung von anorganischen Funktionsmaterialien und von deren Hybriden mit bioorganischen Anteilen. Zur Erreichung dieses Ziels werden Arbeiten durchgeführt (1) zur In-vitro- und In-vivo-Synthese anorganischer Funktionsmaterialien und deren Hybride mit bioorganischen Molekülen in Form von Schichten oder 3D-Strukturen, (2) zur Charakterisierung der Bildungsprozesse und der Struktur der Materialien sowie (3) zur Bestimmung und zum Design von deren physikalischen und chemischen Eigenschaften. Diese experimentellen Untersuchungen werden weiterhin durch Arbeiten zur Modellierung der Materialbildung, -struktur und -eigenschaften begleitet.
Die Vorhersage der Kohlenstoff(C)bilanz von Wäldern bei geänderten Klimabedingungen ist eine komplexe Aufgabe. Es bedarf des Verständnisses des Abbaus der organischen Substanz (SOM) im Boden wie etwa der Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit und der Substratqualität für Bodenmikroorganismen. Für eine Abschätzung der künftigen C-Speicherung in Waldökosystemen ist die Kenntnis der langfristigen Entwicklung des organischen Boden-Kohlenstoffvorrats entscheidend. Erhöhte Bodentemperaturen ermöglichen den Bodenmikroorganismen die organische Substanz schneller abzubauen. Das führt zu einer erhöhten Freisetzung von Bodenkohlenstoff in Form von CO2 (Bodenatmung). Sobald der leicht abbaubare Bodenkohlenstoff verbraucht ist, kann sich der temperaturbedingte Anstieg der Bodenatmung längerfristig wieder abschwächen. Die Rolle der Bodenmikroorganismen in diesem Zusammenhang ist noch nicht geklärt. So würde eine Verschiebung von einer bakterien-dominierten Gemeinschaft zu einer pilz-dominierten Gemeinschaft den Umsatz schwer abbaubaren organischen Materials fördern und den Effekt einer Erwärmung auf die CO2-Emission verstärken. Andererseits kann die physiologische Anpassung von Mikroorganismen an geänderte Umweltbedingungen den Temperatureffekt abschwächen. Eine weitere Unsicherheit ist die mikrobielle Aktivität im Winter und die damit verbundene CO2-Ausgasung aus dem Boden. Gerade in wenig produktiven Bergwäldern stellt die winterliche CO2-Emission einen beträchtlichen Teil des C-Flusses des ganzen Jahres dar. Neben der Bodentemperatur wirken sich auch Veränderungen der Niederschlagsmenge bzw. der zeitlichen Verteilung des Niederschlags unmittelbar auf den Bodenkohlenstoff-Umsatz aus. Klimasimulationen sagen für das Untersuchungsgebiet trockenere Sommer, mehr Niederschlag im Winter und eine Verlängerung der Schneedeckendauer vorher. Diese Effekte könnten den stimulierenden Effekt des Temperaturanstieges auf die Bodenatmung abschwächen. In unserer Studie soll ein bereits bestehendes Bodenerwärmungsexperiment adaptiert werden um die CO2-Emissionen aus dem Boden unter verschiedenen Niederschlagsszenarien auf Kontrollflächen und Erwärmungsflächen zu messen. Während der Vegetationsperiode beträgt die Temperaturerhöhung auf den Erwärmungsflächen konstante 3 C. Mit einer Dachkonstruktion soll im Sommer temporär eine Dürreperiode erzeugt werden. Erhöhter Niederschlag im Spätwinter wird durch Schneezugabe auf die Versuchsflächen simuliert. Die bestehende Versuchsanordnung ermöglicht die Unterscheidung zwischen autotropher und heterotropher Bodenatmung. Die Organismen, die für die heterotrophe Atmung zuständig sind, werden mit molekularen Methoden der Mikrobiologie untersucht. Die Ergebnisse des Experiments werden zeigen, ob die Böden von Bergwäldern in einer wärmeren Umwelt eine potentielle Quelle oder doch eine Senke von C sind. usw.