Denitrifikation ist ein Schlüsselprozess, welcher Stickstoff (N) als N2 und NOx aus Böden wieder der Atmosphäre zuführt und damit den globalen N-Kreislauft schließt. Obgleich organische Bodensubstanz (OM) während der Denitrifikation als Elektronendonator fungiert, ist wenig über den Einfluss der Menge, Qualität sowie räumlicher und zeitlicher Zugänglichkeit der OM auf Denitrifikationsprozesse bekannt. Derartige Informationen sind jedoch für das Verständnis und die Vorhersage von 'hot-spot' und 'hot-moments' der Stickstoffemissionen aus Agrarböden von zentraler Bedeutung. Das vorliegende Projekt widmet sich Untersuchungen zum Einfluss der Herkunft und chemischen Zusammensetzung des organischen Materials auf Denitrifikationsprozesse. Insbesondere sollen die Auswirkungen spezifischer funktioneller OM-Fraktionen (gelöste, partikuläre und mineralassoziierte OM) auf den Beginn und das Ausmaß der Denitrifikation als auch auf die resultierenden Gasprodukte in definierten Inkubationsexperimenten untersucht werden. Durch Inkubation unterschiedlicher organischer Substrate als auch Bodenaggregatfraktionen sollen Denitrifikationsraten und minimale Sauerstoffkonzentrationen ermittelt sowie die Lokalisation der Denitrifikationsaktivitäten bestimmt werden. Die räumliche Verteilung der OM in Aggregaten wird dabei mittels Dünnschliffe und mikroskopischer Verfahren erfasst. Basierend auf den Eigenschaften der OM, welche aus der Elementaranalytik, 13C-NMR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie abgeleitet werden, und den Inkubationsexperimenten soll ein Qualitätsindex für die OM für die Implementierung in Denitrifikationsmodelle entwickelt werden.
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.
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.
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.
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.
Den Ausgangspunkt für RESOILIENCE bildet das Konzept der Resilienz als Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Managementstrategien. Vor diesem Hintergrund sollen die bislang völlig unbekannten Mechanismen der Resilienz und Resistenz von Bodentiergemeinschaften erforscht werden. Wesentliche Ziele sind: (1) die Eröffnung innovativer Wege zum wissenschaftlichen Verständnis struktureller und funktioneller Reaktionen der Bodenfauna auf Management-bedingte Störungen, und (2) die Analyse grundlegender Prozesse, welche die Strukturierung von Invertebratengemeinschaften unter den variablen Umweltbedingungen im Boden steuern. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Spektrum der Managementintensitäten, die auf den Grünlandflächen der DFG Biodiversitätsexploratorien auftreten. Dies bietet die einmalige Chance für eine großflächige Langzeituntersuchung, weil wir so die Ergebnisse unserer Freilanderfassungen aus den Jahren 2009 und 2011 mit den Ergebnissen einer erneuten Erfassung, die für das Jahr 2018 geplant ist, vergleichen können. Aufwändige Feld- und Mikrokosmos-Experimente zur gezielten Analyse wichtiger Aspekte der Erholung nach Bodenstörungen dienen der Spezifizierung, Generalisierung und Validierung der Befunde aus den Freilanduntersuchungen. Der für RESOILIENCE entwickelte konzeptionelle Rahmen basiert auf drei Bausteinen: Merkmalsbasierte Assembly Analyse, die Ergän-zung störungsbedingter Assembly-Prozesse um die zeitliche Dimension ('successional assembly') und Transient Population Dynamics. Die wesentlichen Messgrößen umfassen nahezu alle Taxa der Bodenfauna (überwiegend auf Artniveau), Struktur des Bodennahrungsnetzes, Isotopensignatur der Konsumenten, Bodenprozesse (z.B. Spurengasfreisetzung, C- und N-Umsatz) und mikrobielle Parameter (PLFA). Ein inhärentes Ziel ist es, die Möglichkeiten, die sich aus dem beispiellosen Datensatz von RESOILIENCE ergeben, für die Weiterentwicklung statistischer Verfahren und Messgrößen zur Analyse biologischer Erholungsprozesse im Boden zu nutzen.
Das Projekt, Biogeochemie der Denitrifikation, von Pflanzen-Boden-Inkubationsstudien zur ökosystemaren biogeochemischen Modellierung, fokussiert auf die Entwicklung und Anwendung von Pflanzen Boden Inkubationskammern, basierend auf der Helium (He)Gasflusstechnik, zur Identifizierung und Charakterisierung der Bedeutung von Pflanze-Mikroorganismen-Interaktionen in der Rhizosphäre im Zusammenhang mit denitrifikatorischen Stickstoffumsetzungen und Gasbildung (NO, N2O, N2). Unsere zentrale Hypothese ist, dass pflanzliche Photosynthese und Denitrifikation in der Rhizosphäre eng gekoppelt abläuft, mit Wurzelexudation als bestimmender Faktor. Experimente werden mit 3 DASIM-Böden und zwei Pflanzenarten (Weidelgrass und Weizen) durchgeführt, wobei eine Anzahl verschiedener Umweltbedingungen (Temperatur, Bodenfeuchte), Pflanzenentwicklungsstufen und Atmosphärenzusammensetzungen getestet werden. In enger Kooperation mit den anderen Mitgliedern der Forschergruppe werden zudem die Dynamiken von Wurzelexudation sowie zentrale mikrobielle Umsetzungsprozesse erfasst, Stickstoffbilanzen erstellt und Methodenvergleiche durchgeführt. Die Resultaten der eigenen experimentellen Arbeiten sowie der der anderen involvierten Forschungsgruppenmitglieder werden für die Weiterentwicklung des Denitrifikations-.sowie des Bodenphysikmoduls des biogeochemischen Modells LandscapeDNDC genutzt.
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.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 141 |
| Land | 19 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 134 |
| Gesetzestext | 1 |
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| License | Count |
|---|---|
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| Language | Count |
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| Topic | Count |
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| Boden | 159 |
| Lebewesen und Lebensräume | 159 |
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