Unter anoxischen Bedingungen wird Arsen (As) in Form von Arsenit vermeintlich vollständig über Schwefel(S)-Gruppen an natürliches organisches Material (NOM) gebunden. Laborexperimente zeigten, dass selbst unter oxischen Bedingungen die Halbwertszeit mehr als 300 Tage betrug, damit sogar größer war als die von Arsenit an Eisen(Fe)(III)-Oxyhydroxiden. Global betrachtet heißt das, dass z.B. Moore, die reich an Organik und Sulfid sind, wichtige quantitative As-Senken sind. Allerdings wurden alle mechanistischen Studien bisher so durchgeführt, dass Arsenit einem zuvor gebildeten S(-II)-NOM zugegeben wurde. In einem System, das As(III), S(-II) und NOM enthält, spielt aber auch die As(III)-S(-II)-Komplexierung in Lösung unter Bildung von Thioarseniten ((H2AsIIIS-IInO3-n)-, n=1-3) und Thioarsenaten ((HAsVS-IInO4-n)2-, n=1-4) eine Rolle. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Kinetik der Thioarsen-Spezies-Bildung in Lösung schneller ist als die Sorption von As(III) und S(-II) an NOM und dass daher Thioarsen-Spezies das Ausmaß und die Kinetik der As-Sorption an Organik bestimmen. Auch die kompetitive Sorption an gleichzeitig auftretenden (meta)stabilen Fe-Mineralen wird vom bekannten Verhalten von Arsenit abweichen. Aufgrund ihrer Instabilität und einem Mangel an reinen Standards, ist über das Sorptionsverhalten von Thioarseniten bislang nichts bekannt. Für Thioarsenate gibt es keine Information zum Bindungsverhalten an NOM, aber es ist bekannt, dass die Sorption an verschiedenen Fe(III)-Mineralen geringer ist als die von Arsenit. Wir postulieren, dass Thioarsenate weniger und langsamer als Arsenit an S(-II)-NOM binden, da kovalente S-Bindungen in Thioarsenaten die Affinität für S(-II)-NOM Komplexierung verringern. An Fe(III)-NOM sollte die Bindung geringer sein in Analogie zur bekannten geringeren Affinität für Fe(III)-Minerale. Wir postulieren weiter, dass die Sulfidierung eine schnellere und größere As-Mobilisierung bewirkt als die zuvor untersuchte Oxidation, da abiotische Oxidation langsam ist, die As-S-Komplexierung in Lösung aber spontan und so As-Bindungen an NOM und Fe-Minerale schwächt. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir Batch-Experimente durchführen mit Mono- and Trithioarsenat-Standards und einem Arsenit-Sulfid Mix (der Thioarsenite enthält) bei pH 5, 7 und 9 an zwei ausgewählten NOMs (Federseemoor Torf und Elliott Soil Huminsäure; jeweils unbehandelt, S(-II)- und Fe(III)-komplexiert). Wir werden Sorptionsaffinität und -kinetik, sowie mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie Bindungsmechanismen bestimmen. Die Stabilität der (Thio)arsen-beladenen NOMs wird unter oxidierenden aber auch unter sulfidischen Bedingungen studiert und präferenzielle Bindung in binären Systemen (Kombinationen aus Fe-Oxyhydroxiden, Fe(III)-NOM, S(-II)-NOM und Fe-Sulfiden) untersucht. Ziel ist, As-Bindungsmechanismen in S(-II)-Fe(III)-NOM-Systemen besser zu verstehen, um vorhersagen zu können, unter welchen Bedingungen As Senken zu As Quellen werden können.
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.
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.
In this project, we will investigate the spatial heterogeneity of soil phosphorus (concentration of total P, P speciation) in soils with different P status with modern analytical (synchrotron-based X-ray spectroscopy and spectromicroscopy) and geostatistical methods at different scales (soil aggregates: (sub)micron to mm scale; particular regions of soil profiles (e.g. root channels, surrounding of stones): mm to dm scale; entire soil profiles: dm to m scale; selected patches of the forest stand: m to 5m scale). We expect that our results will provide new insights about spatial heterogeneity patterns of soil P concentration and P speciation in forest soils and their relevance for P availability and P nutritional status of Norway spruce and European beech.
Plant uptake of phosphate (P) in complex forest ecosystems relies to a great extent on microbial mineralization of P from organic and inorganic sources but the relative contributions of the microbial communities to P cycling and allocation in forest soils is not yet very well understood. Within this project we will focus on two interactions that could elucidate key processes of microbial P dynamics in forest sites. We want to clarify the importance of both fungal-fungal and bacterial-fungal interactions for P dynamics in forest soils that are transitioning from P acquiring (efficient mobilization of P from primary and secondary minerals) into P recycling systems (highly efficient cycling of P). We want to reveal furthermore the relative contributions of saprotrophic and ectomycorrhizal fungi to P cycling and allocation. Following a hierarchical approach we want to investigate: (I) the fungal-fungal interaction between saprotrophic and ectomycorrhizal fungi at the plot scale by a systematical exclusion of ectomycorrhizal fungi in the field; (II) elucidate the P dynamics in the mycosphere at the small scale (mm to cm scale) by the use of trenching experiments. (III) investigate the regulation of bacterial as well as fungal P cycling in a microcosm experiment and evaluate the particular microbial uptake, allocation and cycling of P in the mycosphere by the use of several chemical and microbiological approaches. The trenching experiments will be performed on the study sites: Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal, Mitterfels and Lüss in close proximity to beech trees (Fagus sylvatica L.). The microcosm experiment will be performed under controlled conditions in the lab.
In the frame of the project microbial turnover processes of phosphorous shall be investigated in forest soils and drivers for the corresponding populations as well as their activity pattern shall be described. Furthermore microbial transport and uptake systems for phosphorous should be characterized to understand the competition between plants and microbes for phosphorous in more detail, in relation to the availability of phosphorous and other nutrients. Therefore it is planned to investigate different soil compartments with different nutrient amounts (litter layer - rhizosphere - bulk soil). To reach the described goal molecular metagenomic methods will be used to characterize the structure and function of microbial communities as well as to describe the regulation of selected important pathways. In addition quantitative real time PCR and enzymatic measurements will be used to describe the abundance and activity of the corresponding populations and to describe their relevance for P turnover in the different soil compartments under investigation. With this we hope to reconstruct mainly the microbial phosphorous cycle and give important data to improve the model development of P dynamics in forest soils.
Schwefel (S) ist ein essentielles Nährelement für Mikroorganismen und Pflanzen. Eine ausreichende S-Versorgung ist daher entscheidend für die Erhaltung von Ökosystemfunktionen und -produktivität. Ziel dieses Projekts ist es, zu testen, ob die Kombination aus Ökosystem (Grünland vs. Wald) und Landnutzungsintensität (d.h. Einträge und Export von S) mit unterschiedlichen Mechanismen des S-Recyclings in Böden gekoppelt ist, wodurch letztlich der Artenreichtum und die Artenzusammensetzung an den jeweiligen Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien beeinflusst wird. Im Speziellen nehmen wir an, dass (i) die S-Vorräte und die S-Verfügbarkeit für jedes Ökosystem durch die Landnutzungsintensität und die S-Speicherkapazität innerhalb des Bodenprofils bestimmt werden; dass (ii) Ökosysteme mit geringer Landnutzungsintensität durch ein intensiveres S-Recycling und damit auch eine höhere S-Nutzungseffizienz im Vergleich zu Standorten mit intensiver Bewirtschaftung gekennzeichnet sind; und dass (iii) eine Abnahme der Landnutzungsintensität in Grünlandböden zu einem effizienteren S-Recycling führen wird. Da für die Biodiversitäts-Exploratorien bisher nur wenige Daten zu Schwefel erhoben wurden, werden in diesem Projekt zunächst die aktuellen S-Vorräte und die S-Verfügbarkeit im Bodenprofil entlang der Landnutzungsgradienten bestimmt. Anschließend werden wir das mikrobielle S-Recycling und die Enzymaktivität sowie Isotopenverhältnisse (delta 34S und delta 18O-SO4) analysieren, um standortspezifische Unterschiede in der S-Nutzungseffizienz und dem S-Recycling zu identifizieren. Über die Dauer des Projekts werden wir weiterhin beobachten, wie sich diese Indikatoren für S-Verfügbarkeit und S-Recycling nach einer Landnutzungsänderung in Grünland verändern. In Zusammenarbeit mit anderen Partnern aus diesem Schwerpunktprogramm wird das Projekt somit zu einem besseren Verständnis beitragen, welche Faktoren die Biodiverisität an den Standorten der Exploratorien beeinflussen.
Hydrologische Fließwege bilden die kritische Verbindung zwischen der Quelle der P Mobilisierung und des P Exports zu den Flüssen. Die Prozesse der P Mobilisierung auf der Standortskale ist vergleichsweise gut verstanden, jedoch ist die Kenntnis des P Transportes in Hängen und Einzugsgebieten durch die Komplexität der Transport-Skalen und Fließprozesse begrenzt. In Hängen können große P Flüsse zum dynamischen P Export beitragen, da P oft in schnellen Fließwegen transportiert wird, insbesondere in bewaldeten Systemen wo präferentielle Fließwege häufig auftreten. Ein adäquates Prozesswissen der Hanghydrologischen Dynamik ist daher wichtig um die P Transport Dynamik zu beurteilen und vorherzusagen. Jedoch wurden bisher solche Studien fast ausschließlich in Einzugsgebieten mit landwirtschaftlicher Nutzung durchgeführt. In dieser experimentellen und modellierungs-basierten Studie über hanghydrologische Prozesse und Phosphortransport werden wir die Auswirkungen der Abflussprozesse auf den P-Transport in bewaldeten Hängen entlang des grundlegenden Hypothesen des SPP untersuchen. Wir werden die Auswirkungen unterschiedlicher Fließwege und Verweilzeiten auf den P Transport und den damit verbundenen hydrologischen Bedingungen untersuchen. Die Hypothese wird getestet, dass die P-Signaturen im Abfluss im Zusammenhang stehen mit den bodenökologischen P-Gradienten und dass die P-Signaturen durch die Verweilzeiten des Wassers im Hang bestimmt werden, die insbesondere durch präferentielle Fließwege bei Niederschlagsereignissen dominiert werden. Diese Hypothesen werden an den vier SPP Standorte im Gebirge mit einem innovativen, kontinuierliche Monitoring-System für unterirdische Hangabflüsse und P-Transport bei hoher zeitlicher Auflösung untersucht. Event-basierte und kontinuierliche Probenahmen für die verschiedenen P Spezies, stabile Wasserisotope und andere geogene Tracer in Niederschlag, Abfluss und Grundwasser werden es uns ermöglichen, Verweilzeiten von Wasser mit den P Flüsse und P Transportprozessen zu verknüpften. Schließlich werden wir ein prozessorientierten hydrologischen Hang-Modell weiterentwickeln um die verschiedenen Fließ-und Transportwege zu simulieren, um die Dynamik von Abfluss und P Transport zwischen der Hang- und Einzugsgebietsskala zu verknüpfen. Die Modellierung wird sich darauf fokussieren die Altersverteilung von Wasser und die bevorzugte Fließwege die durch 'hot spots' bei der Infiltration und P Mobilisierung entstehen in bewaldeten Hängen adäquat darzustellen.
Die Kontamination von Ökosystemen durch Mikroplastik (MP) wurde bislang vor allem für aquatische Systeme beschrieben. Inzwischen ist allerdings bekannt, dass auch Böden davon betroffen sind. Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, ein grundlegendes mechanistisches Verständnis von Verhalten und Transport von MP-Partikeln in Böden in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kunststoffe zu erlangen. In dieser Phase des SFBs konzentrieren wir uns auf die Modellsysteme 'Durchflusszelle', 'Bodensäule' und 'Bodenkasten' und untersuchen die Teilaspekte (I) Transport von MP in porösen Medien und Böden, (II) Transport, Erosion und Deposition von MP an Bodenoberflächen und (III) Detektion, Quantifizierung und Visualisierung von MP in Böden. In (I) und (III) berücksichtigen wir zudem die Rolle von Bodenorganismen für Transport und Verteilung von MP-Partikeln in Böden. Das in diesem Teilprojekt gewonnene mechanistische Verständnis zum Verhalten und Transport von MP-Partikeln ist für eine wissenschaftlich fundierte Bewertung der Umweltrisiken von MP existierender Massenkunststoffe im Ökosystem Boden unerlässlich.
Die Forschung im Teilantrag P4 befasst sich mit den Einflüssen von Kulturpflanzen auf Prozesse und Raten der Denitrifikation in landwirtschaftlichen Böden. Diese Effekte konzentrieren sich auf Aktivitäten von Wurzeln, die erheblichen Einfluss auf die Bedingungen für Prozesse, Raten und Organismen der Denitrifikation ausüben. Die Wirkungen der Pflanzen werden systematisch nach vier Gruppen analysiert: Rhizodeposition, Stickstoffaufnahme durch Wurzeln, Wasseraufnahme und Wirkungen residualer Biomasse im Nach-Erntezeitraum. Da diese Wirkungen z.T. massive Verschiebungen in der Verfügbarkeit und im Verhältnis der Substrate verursachen, wird in die Stöchiometrie der Denitrifkationsprozesse eingegriffen, was u.a. zu Veränderungen im Verhältnis von N2O zu N2-Emissionen führt. Dies hat große Umweltrelevanz. In systematisch angelegten Mesokosmen-Versuchen mit Pflanzen sollen die genannten Wirkgruppen isoliert betrachtet werden. Neben der klassischen Online- und manuellen Spurengasanalytik werden 15N- und 13C-Markierungs- und Isotopomeransätze verwendet, um Gasflussraten und Produktstöchiometrie quantitativ zu erfassen und Pflanzenprozessen zuzuordnen. Angestrebt wird auch, die aus Isotopomeranalysen abgeleiteten Erkenntnisse zu verantwortlichen Organismen in Zusammenarbeit mit P2 zu verifizieren. Die Studien fließen in die Prozessparametrisierung der verschiedenen Modellebenen ein.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 141 |
| Land | 19 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 135 |
| Gesetzestext | 1 |
| Text | 15 |
| unbekannt | 7 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 9 |
| offen | 149 |
| unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 98 |
| Englisch | 85 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 1 |
| Dokument | 15 |
| Keine | 98 |
| Unbekannt | 1 |
| Webseite | 56 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 159 |
| Lebewesen und Lebensräume | 159 |
| Luft | 110 |
| Mensch und Umwelt | 159 |
| Wasser | 112 |
| Weitere | 158 |