Forschungsprojekte

Synergetische Nutzung mobiler und laborbasierter spektroskopischer Verfahren (Vis-NIR, Labor- und hand-held MIR, hyperspektrale Framekamera) zur optimierten Bestimmung von zeitlich und räumlich variablen Bodeneigenschaften

(DFG, 2018-2020)

Für Untersuchungen des Bewirtschaftungseinflusses (z.B. Düngungen oder Bodenbearbeitungen) auf die Bodenfruchtbarkeit eignen sich Gesamtgehalte an bodenbürtigem organischen Kohlenstoff (SOC), Stickstoff (N) und Phosphor (P) nur eingeschränkt; deutlich sensitiver reagieren insbesondere SOC- und N- Fraktionen sowie bodenbiologische Kenngrößen. Eine hohe räumliche und zeitliche Stichprobendichte kann aber nur über nicht-destruktive Verfahren realisiert werden. Untersucht wird, inwiefern die Genauigkeit spektroskopischer Verfahren zur Bestimmung geeigneter Bodenkenngrößen (SOC, N, pH, SOC- und N-Fraktionen, P, Schwefel, Kalium, Eisen, Kationenaustauschkapazität, Bodentextur und mikrobielles und heißwasserlösliches C und N) durch die Kombination von nicht-abbildender Messung im nahen und mittleren Infrarotbereich (Vis-NIR und MIR) mit abbildender Hyperspektraltechnik optimiert werden kann. Dabei steht neben der Laborskala die Feldskala (on-site Erhebung) im Vordergrund, was aufgrund instrumenteller Neuentwicklungen (portables MIR, portable hyperspektrale Framekamera) möglich ist. Der MIR-Bereich erscheint für die Detektion essenziell, da in diesem Spektralbereich Grundschwingungen von chemischen Gruppen erfasst werden können (anders als der NIR-Spektralbereich, in dem lediglich Ober- und Kombinationsschwingungen gemessen werden). Für acht Ackerstandorte unterschiedlicher Textur in unterschiedlichen Regionen Deutschlands soll daher für Oberböden und Bodenprofile untersucht werden, welche Schätzgenauigkeiten im Labor und im Vergleich dazu auf der Basis von on-site Messungen für die Bodenkenngrößen aus der kombinierten Anwendung der unterschiedlichen spektroskopischen Techniken realisiert werden können. Dazu gehören methodische Optimierungen im Bereich der multivariaten Kalibration wie die Anwendung verschiedener Kalibrationstechniken (z.B. PLSR, Support Vector Machines, Random Forest), Verfahren der Spektralvariablenselektion, die Definition lokaler Kalibrationssets oder auch das Spiking zur lokalen Anpassung von Kalibrationsmodellen. Die genannten Verfahren werden nach Optimierung an existierenden Datensätzen validiert. Zudem wird systematisch untersucht, ob und inwiefern Störgrößen wie unterschiedliche Rauigkeiten der Bodenoberfläche und verschiedene Wassergehalte kompensiert werden können. Existierende Boden-Spektralbibliotheken (LUCAS, ICRAF-ISRIC) werden ausgewertet, um Schätzmodelle mit geeigneten Proben zu etablieren bzw. zu optimieren. Detailliert analysiert werden die spektralen Wirkmechanismen, die zur Vorhersage der untersuchten Konstituenten relevant sind (z.B. durch 2D-Korrelationsspektroskopie), um unter anderem die Frage der direkten oder indirekten Korrelation der einzelnen Bodengrößen mit Spektraldaten zu beantworten, da dies entscheidend ist für die grundsätzliche Generalisierbarkeit der jeweiligen Schätzmodelle.

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Sozial-ökologische Systeme im Spannungsfeld Indischer Stadt-Land-Gradienten: Funktionen, Skalen und Übergangsdynamiken. Teilprojekt A01: Intensivierungseffekte auf Stoffflüsse in Rural-Urbanen Anbausystemen

(DFG, 2016-2019)

Land, Wasser und Arbeit sind die wichtigsten ertragsbegrenzenden Ressourcen für die landwirtschaftliche Produktion entlang des Land-Stadt-Gradienten von Bangalore. Dies hat zum weitgehenden Ersatz des Regenfeldbaus durch intensiv bewässerte Gemüseproduktion geführt. Die Folgen solcher Veränderungen der traditionellen indischen Anbausysteme auf die Nährstoffdynamik und die Bodenfruchtbarkeit sind bisher weitgehend unbekannt. Dieses Projekt befasst sich mit den transformationsbedingten Änderungen in der Intensität der landwirtschaftlichen Produktionssysteme auf der Mikro- (Versuchsparzelle) und Meso-Ebene (Feld und Betrieb). Analysiert werden horizontale und vertikale Flüsse von Nährstoffen (Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K) und Schwefel (S)) und Kohlenstoff (C), der Umsatz von bodenbürtigem C und N in verschiedenen Pools in Feld- und Laborexperimenten, deren Auswirkungen auf die Nährstoff- und Wassernutzungseffizienz unter Regenfeldbau und bewässerten Bedingungen auf der Forschungsstation unseres indischen Kooperationspartners UASB, sowie auf 72 ausgewählten bäuerlichen Feldern. Das Vorhaben trägt zu den Gesamtzielen von FOR2432 bei, indem räumlich explizite Daten über die Auswirkungen von intensivierungsbedingten Landnutzungsänderungen für die wichtigsten Ackerkulturen erhoben werden. Zudem sollen die Wirkungen auf die wichtigsten chemischen Bodenparameter (Pools von C, N, P, K und S), die pflanzliche Erzeugung und die Ökosystemdienstleistungen geprüft werden. Damit wird auch eine Kalibrierung und Validierung von Modellen zu längerfristigen Veränderungen dieser Parameter ermöglicht. Dazu werden wir die Aufnahme und dem Umsatz von C, N, P, K und S einschließlich gasförmiger (N2O, NH3, CO2) und auswaschungsbedingter Verluste (NO3-, gelöster organischer C, organisches P und SO4[2-]) untersuchen. Die photoakustische Spektroskopie und Gaschromatographie sowie der Einsatz von Anionen-/Kationenaustauschern und Mikro-Lysimetern, erfolgen in engem Austausch mit dem Teilprojekt A02 (bodenhydrologische Untersuchungen) sowie C01 und C02 (Erhebung multi-spektraler Signaturen). Der Einsatz von 15N im Feldexperiment ermöglicht es, das Umsetzungsgeschehen des zugesetzten Dünger-N zu verfolgen. Die Daten werden dazu verwendet, das DNDC Modell zu parametrieren. Hochauflösende Luftaufnahmen und Hexakopter-gestützte, multispektrale Scans der Biomassenoberfläche erlauben in Zusammenarbeit mit C01 ein zerstörungsfreies Monitoring der Wachstumsverläufe der untersuchten Pflanzen unter Berücksichtigung kleinräumiger Variabilität auf der Station und auf kleinbäuerlichen Feldern sowie das Sammeln von Bestandessignaturen aus mittlerer Höhe. Das Projekt trägt zudem dazu bei, den Ertragswert landwirtschaftlicher Flächen genauer abschätzen zu können, der eine wesentliche Entscheidungsgröße eines Landwirts dafür ist, die pflanzliche Erzeugung entweder zu intensivieren oder aufzugeben.

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Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

(DFG, 2013-2016)

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment “freeze-drying” will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

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Optimierung der Einsatzfähigkeit der Infrarot-Reflexionsspektroskopie in der Bodenökologie: Bestimmung der Zusammensetzung und Stabilität der organischen Bodensubstanz und Vorhersagen in offenen Populationen

(DFG, 2013-2016)

Reflexions-Infrarotspektroskopie im nahen (NIRS) und mittleren Infrarotbereich (MIRS) weist ein hohes Potential zur Bestimmung bodenchemischer und -biologischer Charakteristika auf, aber hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit und des Verständnisses der zugrundeliegenden Beziehungen herrscht noch Forschungsbedarf. Projektziele sind: (i) Die Genauigkeit von NIRS und MIRS, den Gehalt an organischem C und N und die Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz vorherzusagen, soll optimiert werden. Hierbei wird die Population nach Bodentyp, Textur und mineralogischer Zusammensetzung klassifiziert. Teilproben werden chemisch oder thermisch oxidiert und ein modifiziertes PLS-Verfahren, ein genetischer Algorithmus, wird getestet. (ii) Allgemeine Beziehungen zwischen den Mengen an labilem, intermediärem und passivem C und N (zu erhalten aus Inkubationsexperimenten und Na2S2O8-Behandlungen) und den bedeutsamen Wellenlängen der NIRS- und MIRS-Kreuzvalidierungen sollen aus Spektren, die vor und nach den Inkubationen aufgenommen wurden, abgeleitet werden. (iii) Es soll die Vorhersagegüte von Bodenkonstituenten mittels NIRS und MIRS für offene Populationen ermittelt werden.

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Bedeutung der Stickstoff-Aufnahmepfade von Mikroorganismen im Boden

(DFG, 2011)

Bodenmikroorganismen können einfache organische Moleküle direkt aufnehmen und den überschüssigen Stickstoff als Ammonium ausscheiden, oder sie mineralisieren den organischen Stickstoff zuerst außerhalb der Zellen und nehmen ihn in der von Ammonium auf. Der Aufnahmeweg hat Auswirkungen auf die Konkurrenz zwischen Mikroorganismen und Pflanzen und wirkt sich daher direkt auf die Stickstoff Versorgung von Kulturpflanzen aus. Das Ziel des Projekts ist es, die Faktoren, welche die relative Bedeutung der beiden Aufnahmewege bestimmen, zu erforschen. Dazu sollen Laborstudien und ein Feldversuch durchgeführt werden. Im Feld sollen die zeitlichen Auswirkungen des Düneregimes, inklusive der Verwendung von mineralischen und organischen Düngern, sowie die Interaktionen mit Kulturpflanzen untersuchen werden.


Untersuchung und Optimierung der Bodenfruchtbarkeit in Nordchina: Modellierung der N-Dynamik

(ZFF, 2009)

Ziel des Vorhabens ist es, zu überprüfen, ob ExpertN zur Simulation der N-Dynamik in nordchinesischen Böden eingesetzt werden kann. Hierzu werden anhand von Mikrokosmenexperimenten Daten erhoben, die für die Kalibrierung des Modells ExpertN erforderlich sind, und Testsimulationen durchgeführt. Für die Mikrokosmenexperimente werden Bodenproben aus Nordchina sowie 15N-markierten Materialien (Kot, Harnstoff und Nitrat) verwendet. Für die Modellparameterisierung wichtige Daten bezüglich des Klimas werden aus Literaturquellen entnommen.

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Überprüfung der Eignung der Nah- und Mittelinfrarotspektroskopie zur Bestimmung von Modellpools und Isotopenverhältnissen

(ZFF, 2008)

Ziel des Projekts ist es, zu überprüfen, ob Pool-Größen und deren Umsatzraten sowie Isotopenverhältnisse mittels Nahinfarot- (NIRS) und Mittelinfrarotspektroskopie (MIRS) vorhergesagt werden können. Hierzu werden Böden, die in früheren Studien für Modellierungen der Dynamik der organischen Boden­substanz verwendet wurden, mittels NIRS und MIRS im feldfrischen und getrockneten Zustand untersucht. Anhand der Spektren erfolgen Kalibrationen und Vorher­sagen bezüglich der modellierten Poolgrößen und deren Umsatzraten. Die hierbei berücksichtigten Pools sind die der Modelle RothC, CANDY und DAISY. An Proben von verschiedenen forstlichen und landwirtschaftlichen Standorten unter C3- und C4-Vegetation wird die Eignung der NIRS und MIRS zur Abschätzung der 13C/12C- und 15N/14N-Isotopenverhältnisse im Bereich der natürlichen Häufigkeit quantifiziert.

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Implementierung und Validierung der DFG-SPP Ergebnisse mit Hilfe einer Erweiterung des Rothamsted Carbon Models

(DFG, Ludwig & Flessa)

Modellierung der C-Sequestrierung in Böden ist notwendig für ein verbessertes Prozessverständnis und für Prognosen. Validierungen bestehender Modelle zeigten aber gravierende Abweichungen zu Messwerten, sofern keine adjustierbaren Parameter verwendet wurden, oder unplausibel niedrige C-Einträge. Aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen werden im beantragten Projektabschnitt folgende Themen für die Standorte Halle, Rotthalmünster und Bad Lauchstädt bearbeitet: (i) Erweiterung des Rothamsted Carbon Model; (ii) Regressionsanalyse zwischen den im SPP ermittelten Fraktionsgrößen bzw. Turnoverraten und den Modellergebnissen der Roth-C-Modellierungen und Einbeziehung der 14C-Daten in die Modellierung; und (iii) Durchführung der Modellierung der C-Speicherung für Unterböden der drei Standorte.

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Analyse der Stabilisierung der organischen Substanz in aggregierten Böden anhand der natürlichen 13C-Verteilung - C-Pools, Umsatzraten, Modellierung

(DFG, Flessa & Ludwig, 01.10.04-30.09.06)

Quantitative Kenntnisse über die Einbauraten von Streukohlenstoff in unterschiedlich stabile Fraktionen der organischen Bodensubstanz (SOM) sind eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Regulation der Stabilisierung des organischen Kohlenstoffs im Boden (SOC). Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten beiden Projektphasen werden im beantragten Projektabschnitt folgende Punkte bearbeitet: (i) unterschiedliche Verfahren zur Kennzeichnung stabiler SOM-Pools (Oxidationsverfahren, Hydrolyse mit Trifluoressigsäure und HCl, Verfahren zur Auflösung organomineralischer Assoziationen und "Black carbon"-Gewinnung) sollen anhand von 13C- und 14C-Analysen und den bestehenden Modellierungsergebnissen überprüft und optimiert werden; (ii) die SOC-Umsatzraten in Aggregatgrössenklassen unterschiedlicher Landnutzungsysteme in Inkubationsexperimenten sollen bestimmt und in Kooperation mit der AG Bachmann wird die Benetzbarkeit der Aggregatklassen ermittelt; (iii) bei Verwendung von 13C- und 15N-markierter Streu wird der Einfluss der Streuqualität und Pilzbiomasse für die Aggregatbildung und Stabilisierung der organischen Substanz im Zuge des Streuabbaus ermittelt, wobei in Kooperation mit AG Löhmannsröben die NIR-Laser-Spektrometrie zur 13CO2- und 12CO2-Bestimmung eingesetzt werden soll; (iv) die Modellierung der SOC-Dynamik soll unter Berücksichtigung obiger Ergebnisse und verbesserter Modellansätze (Fraktionierungskonzepte nach Six et al. (2002) und Skjemstad (2003)) ohne adjustierbare Parameter durchgeführt werden.

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Überprüfung und Optimierung der Spektroskopie im nahen und mittleren Infrarotbereich zur Bestimmung der Zusammensetzung, Eigenschaften und Umsetzbarkeit organischer Abfälle und der organischen Bodensubstanz

 (DFG, Ludwig, 01.08.04-31.07.06)

Projektkurzbeschreibung: Quantitative Kenntnisse über die Zusammensetzung, Eigenschaften und Umsetzbarkeit organischer Abfälle (Komposte und Klärschlamme) und der organischen Bodensubstanz (OBS) sind für eine nachhaltige Landnutzung bedeutsam. Analytische Methoden und Experimente hierzu sind häufig kosten- und arbeitsintensiv, während Modellberechnungen nicht allgemein akzeptiert sind. Ziel ist es, die Eignung der Spektroskopie im nahen (NIRS) und mittleren Infrarotbereich (MIRS) zur Bestimmung der Zusammensetzung, Eigenschaften und Umsetzbarkeit organischer Abfälle  und der OBS zu überprüfen und Optimierungen durchzuführen.

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Erfassung der Umsetzung und Stabilisierung der organischen Substanz in Böden anhand der natürlichen 13C-Verteilung

(DFG, Flessa, Ludwig & Beese, 01.10.02 - 30.09.04)

Projektkurzbeschreibung: Quantitative Kenntnisse über die Einbauraten von Streukohlenstoff in unterschiedlich stabile Fraktionen der organischen Bodensubstanz (SOM) sind eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Regulation der Stabilisierung organischer Substanz in Böden. Die Bestimmung der Bildungs- und Umsatzraten unterschiedlich stabiler Fraktionen der organischen Bodensubstanz im Zuge des Streuabbaus setzt voraus, dass der Ursprung des organischen Kohlenstoffs in den Fraktionen zurückverfolgt werden kann. Ziel dieses Projektes ist es, die langfristigen Umsatz- und Stabilisierungsraten von maisbürtigem Kohlenstoff in den Böden der Maismonokulturflächen (seit 1961) des Dauerversuches "ewiger Roggen" zu erfassen. Die Analyse erfolgt anhand der natürlichen 13C-Verteilung in unterschiedlichen Fraktionen (physikalische Fraktionierung, Extraktionen, Pyrolyse) der organischen Bodensubstanz. In Inkubationsversuchen wird die Bedeutung der unterschiedlich alten SOM-Vorräte (maisbürtig bzw. vor 1961 gebildet) als Substrat für die DOC-Produktion und die Bodenrespiration quantifiziert. Weiterhin soll der Einfluss mineralischer Nährstoffzufuhr auf die Umsatz- und Stabilisierungsraten von Maisstreu erfasst werden. Die Ergebnisse werden zur Modellierung der Dynamik der C-Umsetzungsprozesse mit dem Rothamsted C-Modell eingesetzt.

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Optimierung der Verfahren zur Quellstärkenbestimmung am Beispiel von Aschen und Schlacken. Überprüfung von bestehenden Computermodellen für ungesättigte Böden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die Sickerwasserprognose

(BMBF, Beese & Ludwig, 01.05.01 - 30.04.04)

Projektkurzbeschreibung: Das Verhalten oberflächennah abgelagerter, gering kontaminierter "Abfälle zur Verwertung" in oder auf Böden sowie der Transport der gelösten Reaktionsprodukte wird durch komplexe Wechelwirkungen mit diesem Umweltmedium geprägt. Die Projektziele beinhalten eine Optimierung der Verfahren zur Ermittlung der Quellstärken am Beispiel diverser Schlacken der Metallherstellung und Aschen. Die potentielle Quellstärke soll in modifizierten Batchexperimenten bei Anwendung verschiedener Wasser-Feststoff-Kontaktzeiten, Dränungszeiten und Extraktionslösungen ermittelt werden. Die effektive Quellstärke soll in Kurz-Säulen-Fließexperimenten mit Fließunterbrechungen bestimmt werden. Weitere Ziele beinhalten die Überprüfung der Anwendbarkeit des Modells PHREEQC2 für die Ermittlung der potentiellen und effektiven Quellstärke unterschiedlicher "Abfälle zur Verwertung" und die Überprüfung des Modells PHREEQC2 für die Sickerwasserprognose an repräsentativen Bodensäulen unterschiedlicher Texturen und pH-Pufferbereiche.

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