Development of mechanical soil stability in an initial homogeneous loam and sand planted with two maize (Zea mays L.) genotypes with contrasting root hair attributes under in-situ field conditions

Purpose: Soil structure evolving from physical and biological processes is closely related to soil mechanical characteristics and texture. We studied the influence of substrate and genotype on the initial development of mechanical traits, differences between depths, and changes over the course of two years in the field. Methods: Plots were homogeneously filled with a loam and a sand and planted with two maize (Zea mays L.) genotypes (wild type (WT) and rth3 mutant) with contrasting root hair attributes. Undisturbed soil cores were taken in 2019 and 2020 at 14 and 34 cm depth. Confined uniaxial compression tests were performed to determine pre-compression stress (σpc), compressibility (Cc, Cs) and elasticity index (EI). Mechanical energy was calculated based on penetration resistance (PR) tests with a penetrometer needle resembling root geometries. Results: σpc, Cc and Cs were significantly higher in loam as compared to sand, whereas the factor genotype proved to be negligible. Over time, σpc increased and Cc decreased in loam from 2019 to 2020 and Cs declined in both substrates. Higher mechanical energies were observed in loam and partially in WT. Required energy was higher at 14 cm than at 34 cm depth and decreased from 2019 to 2020 in sand. Airdry sand samples required four times as much energy than those at matric potential (Ψm) of -50 kPa. Conclusion: For the development of the mechanical traits examined texture proved to be the dominating factor and changes in soil stability could be observed within a short period of time

Auswirkungen intensivierter Landnutzung entlang eines Stadt-Land Gradienten der indischen Megastadt Bangalore auf den Bodenwasserhaushalt und Wassernutzungseffizienzen

Wasser ist ein stark limitierender Faktor für die landwirtschaftliche Produktion im ländlich-urbanen Raum von Bangalore/Indien. Im Zuge der Urbanisierung ist dort mit einem Wandel hin zu leistungsfähigeren landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsweisen (intensivere Bewässerung, verstärkter Düngemitteleinsatz) zu rechnen, der die bereits knappen Boden- und Wasserressourcen in Zukunft zunehmend belastet. Dieser Konflikt erfordert konservierende Bewirtschaftungsmaßnahmen, z.B. die Implementierung von effizienteren Bewässerungstechniken oder die Optimierung der Bodenbewirtschaftung. Im Rahmen der DFG-Forschergruppe 2432: Social-Ecological Systems in the Indian Rural-Urban Interface - Functions, Scales, and Dynamics of Transition untersuchen wir in einem Teilprojekt die Auswirkungen des durch die Urbanisierung hervorgerufenen landwirtschaftlichen Wandels auf den Bodenwasserhaushalt. Dies erfolgt durch eine räumlich-explizite Analyse bodenhydrologischer und -physikalischer Parameter entlang einer Transekte, die einen Urbanisierungsgradienten (kurz RUI) widerspiegelt, sowie anhand von gemeinsamen Feldexperimenten auf der Forschungsstation der UAS (University of Agricultural Sciences) Bangalore mit unterschiedlichen Bewirtschaftungsvarianten. Dazu werden an ungestörten Bodenproben und mit Feldmessungen Wassergehalte und Transportfunktionen, mechanische Stabilitätskenngrößen zur Beurteilung der Bodenstruktur und Durchwurzelbarkeit, sowie in-situ Wasser- und Wärmeflüsse durch den Aufbau eines Bodenmonitorings gemessen. Entlang des RUI wird in Zusammenarbeit mit Projektpartnern anhand ausgewählter Farmen untersucht wie sich der Bodenwasserhaushalt und der daran gekoppelte Ertrag bei verschiedenen Bewirtschaftungsvarianten (bewässert vs. unbewässert kombiniert mit Monokultur vs. Polykultur) in den verschiedenen Stadien der Urbanisierung bei gleichzeitiger Betrachtung der Nutzungseffizienz der eingesetzten Ressourcen entwickelt. Darüberhinaus wird mit einem mehrfaktoriellen Feldversuch auf der Forschungsstation der UAS die Wassernutzungseffizienz bei einem bewässerten und unbewässerten Anbausysteme mit unterschiedlichen Stickstoffgaben untersucht. Dazu wird mit Hilfe bodenphysikalischer Kenngrößen und der in-situ Monitoringdaten zum Wasser- und Wärmehaushalt ein Wasserhaushaltsmodell (HYDRUS) parametrisiert/validiert und für verschiedene Szenario-Analysen genutzt. In dem Posterbeitrag soll das Projekt vorgestellt und erste Ergebnisse präsentiert werden

Analyse der räumlichen Variabilität von Makroporenstrukturen in Lössböden anhand geostatistischer Auswertungen von 3D-Röntgen-CT Bildern

Eigenschaften von Porennetzwerken (z.B. Konnektivität und Tortuosität) und deren Funktionen (z.B. Transport von Sauerstoff und Wasser) sind von großer Bedeutung für das Pflanzenwachstum. Die unterschiedliche und sich überlagernde Genese von Porenräumen in Böden, z.B. durch Wurzeln und Regenwürmer entstandene Bioporen oder Quellungs- und Schrumpfungsrisse, führen zu äußerst komplexen und räumlich heterogenen dreidimensionalen Porenraumstrukturen, die mit einfachen Parametern wie Porositäten oder Porengrößenverteilungen nur unzureichend beschrieben sind. Vor dem Hintergrund, dass moderne bildgebende Technologien wie die Röntgen-Computertomographie zunehmend zur Analyse und Quantifizierung von Porenraumeigenschaften und ihrer Beziehung zu Bodenfunktionen zum Einsatz kommen, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der bildanalytischen Auswertung der generierten Datensätze. Dabei ist eine genauere Beschreibung der räumlichen Heterogenität und die getrennte Auswertung von unterschiedlich entstandenen Porenräumen (abiotisch versus biotisch) von Interesse, um deren relativen Beitrag zu porenskaligen Prozessen (Austauschvorgänge an Poren/Matrix-Grenzflächen, Transportfunktionen, etc.) besser quantifizieren zu können.  In dieser Studie wurden Bodenmonolithe (Ø 20 cm, 70 cm Höhe) aus einem Feldversuch in der Nähe von Bonn (NRW, Deutschland) verwendet. Die Bodenmonolithe wurden aus dem Unterboden (45 - 105 cm) eines Versuches mit unterschiedlicher Wurzelausprägung durch Vorfrüchte entnommen und mit einem industriellen Röntgen-CT gescannt. Mittels 3D-Bildanalyse und geostatistischer Methoden wurden quantitative und qualitative Parameter des Porenraums untersucht. Dabei konnten Unterschiede in der Bodenstruktur, in Abhängigkeit der Wurzelsysteme der Vorfrüchte, festgestellt werden. Insbesondere konnte die Häufigkeit, Größenverteilung und Raumverteilung (randomisiert, gruppiert, etc.) der Porenstrukturen festgestellt werden. Weiter konnten   Anisotropieeigenschaften und Hauptorientierungsrichtungen der Makroporen ermittelt werden. Anhand dieser morphologischen Information war es möglich die Makroporen in Bioporen (hauptsächlich Wurzelpfade und Regenwurmgänge) und abiotische Strukturporen (hauptsächlich durch quellen und schrumpfen) zu unterteilen. Aufgrund der unterschiedlichen Wurzelausprägung in den untersuchten Proben, zeigten sich Unterschiede in diesen Porenkategorien. Inwieweit sich diese Porenkategorien  funktionell unterscheiden und welchen Einfluss sie jeweils auf den Wasser-, Gas- und Nährstoffhaushalt von Böden haben soll diskutiert werden

Bodenmechanische Untersuchungen von Rückegassen in mit Fichten bestockten Forstökosystemen zur Einschätzung der Befahrbarkeit

Durch immer leistungsfähigere Holzrücke- und Erntemaschinen ist mit zunehmenden Belastungen von Böden innerhalb von Rückegassen zu rechnen. Die Kombination aus maschinenspezifischen Parametern (Häufigkeit der Überfahrten, Radlast, Kontaktfläche, Kontaktflächendruck und Triebradschlupf) beeinflussen zweierlei Aspekte. Einerseits kommt es zur Spurbildung, andererseits werden die Bodenstabilität und Bodenfunktionen des Ober- und Unterbodens stark verändert und dadurch die Befahrbarkeit von Rückegassen beeinträchtigt. Bodeneigenschaften und Fahrzeugkonfiguration bestimmen maßgeblich die Bodenbelastung und deren Auswirkungen auf die Funktionalität und Befahrbarkeit des Bodens. Auf einer mit Fichten bestockten Versuchsfläche (Parabraunerde aus Löß) bei Ebergötzen (Niedersachsen) wurden Befahrungsversuche mit einem Forwarder (Rottne F14 8WD) mit unterschiedlichen Maschinenkonfigurationen (Reifen, Traktionsbänder) und einer maximalen Beladung von 32,2 Mg durchgeführt. Bei Bodenwassergehalten nahe Feldkapazität wurden bestehende Rückegassen 1-, 4- und 8-fach sowie mit 20 % simuliertem Schlupf (Seilwinde) 4-fach überfahren. Es soll untersucht werden, ob Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften des Mineralbodens, insbesondere der Vorbelastung und der Scherparameter nach den Befahrungen auftreten und mit der Anzahl an Überfahrten korrelieren. Hierzu wurden ungestörte Bodenproben (236 cm³) aus 6-10 cm und 30-34 cm Tiefe entnommen und im Labor mit Ödometern und im direkten Scherversuch untersucht. Zusätzlich wurden in-situ Messungen des Mineralbodens mit einem leichten Scherflügel und einem Penetrologger durchgeführt. Erste Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung der Vorbelastung im Mineralboden von alten Rückegassen gegenüber unbefahrenem Mineralboden. Außerdem verringert sich die Luftleitfähigkeit erheblich. Die in-situ Messungen zeigen eine gute Anwendbarkeit zur Charakterisierung des Belastungszustands des Mineralbodens. Die bisher gewonnenen Ergebnisse und Kenntnisse über die Charakteristik von mechanisch unbelastetem Bodenmaterial und (mehrfach) mechanisch beanspruchtem Mineralboden werden gegenübergestellt und diskutiert

Ein neuer Ansatz für die Trockenseparierung von Mikroaggregaten mit unterschiedlicher Textur zur Messung der mechanischen Belastbarkeit und 3D-Porenstruktur

Die Bodenstruktur als Ausdruck der räumlichen Anordnung mineralischer und organischer Bodenbestandteile ist eine zentrale Charakteristik des Bodens. Sie steuert viele wichtige biologische, physikalische und geochemische Prozesse, wie die Rolle des Bodens als Kohlenstoffspeicher oder die Ausbildung bzw. Verteilung von Habitaten für Mikroorganismen. Die Bodenstruktur, deren einfachste Einheit die Aggregate bilden, befindet sich als labile Bodeneigenschaft in einem Zustand ständiger Veränderung. Die Eigenschaften der Aggregate werden durch viele Einflussfaktoren wie Textur, Alter, Quellung und Schrumpfung, sowie die biologische Aktivität gesteuert. Eines der Hauptprobleme bei der Untersuchung der Eigenschaften von Mikroaggregaten im Boden ist deren Separierung. Viele Separierungs-Methoden üben Spannungszustände aus, die die realen Bedingungen im Boden nur sehr bedingt abbilden. So werden z. B. bei Nasssiebungsverfahren hydraulische Spannungen erzeugt, die unter natürlichen Bedingungen nicht auftreten. Hierin liegt ein Risiko, dass Artefakte in den gewonnenen Aggregatfraktionen entstehen (z. B. durch Reaggregierung bei anschließender Trocknung) und die weitere Analyse von Eigenschaften dieser Aggregatfraktionen, bzw. deren Interpretation beeinflussen. Übergeordnetes Ziel unserer Untersuchungen ist die Erforschung der Genese von Mikroaggregaten und deren (Poren‑)Eigenschaften in Abhängigkeit von Texturunterschieden, sowie des Zusammenhangs von mikroskaligen Deformationsprozessen auf die Entwicklung der Bodenstruktur. Hierfür haben wir mit einem Verfahren der Trockenseparierung in drei Aggregatgrößen-Unterklassen (250-53, 53-20 und <20 µm) eine zuverlässige Methode zur Isolierung einzelner Mikroaggregate entwickelt, welche die Struktur der gewonnenen Aggregate selbst nicht beeinflusst. In einem nächsten Schritt wird die mechanische Belastbarkeit von Mikroaggregaten aus einer Toposequenz (mit unterschiedlichen Tongehalten) an einem Lastrahmen hochauflösend getestet, um die Hypothese zu überprüfen, dass die Stabilität mit abnehmender struktureller Entropie (d. h. zunehmendem Grad an Strukturierung) zunimmt. Des Weiteren wird die Geometrie des Porennetzwerkes der Mikroaggregate mit unterschiedlichen Tongehalten mittels hochauflösender Computertomographie untersucht, um diese später mit gemessenen Gas- und Wasserflüssen in Verbindung bringen zu können

Einfluss der Wurzel- und Regenwurmaktivität auf die Morphologie von Bioporen im Unterboden

Abstract Zugänglichkeit und Mobilisierung von Nährstoffressourcen aus dem Unterboden durch Bioporennetzwerke sind nach wie vor im Fokus aktueller Forschung [1][2][3]. Wichtig ist hierbei die Generierung von quantitativen Daten zu Eigenschaften der Rhizo-Drilosphäre und der Porenarchitektur. Um ein besseres Verständnis der 3D-Dynamik von Bioporen alspräferentielle Fließpfade undderen Effekt auf die Nährstoffaufnahme aus dem Untergrund zu erhalten, werden hoch aufgelöste dreidimensionale Rauminformationen benötigt. Mit der Röntgen-Mikrotomographie (μCT) und 3D-Bildanalyse wurden mikrostrukturelle Eigenschaften von Bioporennetzwerken, die durch Wurzeln und Regenwürmer erzeugt wurden, als Funktion des Abstandes von der Bioporenwandung bestimmt . Dazu wurden in 1 bis 10 mm Abstand die zugängliche Oberfläche, das Porenvolumen und die Porosität innerhalb der Rhizo-Drilosphäre quantifiziert. Erkenntnisse über den Einfluss der Bioporengenese auf die Porengeometrien und somit auf den potentiellen Gas- und Wasseraustausch zwischen dem Gesamtboden und der Rhizo-Drilosphäre führen wiederum zu einem besseren Verständnis über die Nährstoffzugänglichkeit und mikrobiologische Aktivität in den Bioporen

Einfluss von Befahrung mit Forstmaschinen auf den Bodenluft- und Wasserhaushalt von Lössboden in einem Fichtenbestand

Im Zuge der Mechanisierung der Holzernte erhöhten sich sowohl Leistung als auch Gewicht der Holzrücke- und Erntemaschinen. Die bei der Nutzung dieser Maschinen wirkenden Kontaktflächendrücke und Scherkräfte führen zu Verdichtung, Scherung und Knetung des Waldbodens und zu Spurbildung. Durch die damit einhergehende Beeinträchtigung von Bodenstabilität und Bodenfunktionen können sowohl die Befahrbarkeit als auch die Ökosystemfunktionen des Waldbodens negativ beeinflusst werden. In einem Großteil der europäischen forstwirtschaftlich genutzten Wälder wurde bereits ein hinreichend dichtes Netz an Rückegassen etabliert. Da bei der Versetzung alter Rückegassen auf unverdichtete Nachbarareale zwangsläufig Produktionsfläche verloren geht, wird deren Verortung als konserviert angesehen. Die Auswirkung der Holzernte auf bestehende Rückegassen ist dementsprechend von größerer praktischer Relevanz, als die Wirkung auf unbefahrene Waldböden. In einer mit Fichten (Picea abies L.) bestockten Versuchsfläche (Löss) bei Ebergötzen (Niedersachsen) wurden Befahrungsversuche mit einem Forwarder auf 40 bis 50 Jahre alten Rückegassen durchgeführt. Die Rückegassen wurden bis zum Erreichen der Feldkapazität künstlich bewässert und 1-, 4- und 8-fach sowie mit 20 % simuliertem Schlupf (Seilwinde) 4-fach jeweils mit maximaler Beladung (Gesamtgewicht 32,2 Mg) überfahren. Damit sollte die Hypothese getestet werden, dass durch die Befahrung Veränderungen in den hydrologischen Eigenschaften des Mineralbodens auftreten und dass diese mit der Überfahrtenhäufigkeit und dem Schlupf korrelieren. Für die Laboruntersuchungen wurden ungestörte Proben mit Stechzylindern (100 cm³) in 6-10 cm und 30-34 cm Tiefe vor und nach der Befahrung sowie aus einer benachbarten unbefahrenen Kontrollfläche entnommen. Zusätzlich wurden Sauerstoffdiffusion und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit in situ gemessen. Erste Ergebnisse zeigen eine signifikant niedrigere hydraulische Leitfähigkeit im Mineralboden von alten Rückegassen im Vergleich zu unbefahrenem Mineralboden. Die in situ Messmethoden Haubeninfiltrometer und Mini-Disc-Infiltrometer waren auf dem morphologisch stark heterogenen Waldboden nur bedingt anwendbar und zeigten keine schlüssigen Ergebnisse. Dagegen erwies sich die in situ Messung der Sauerstoffdiffusionsrate als vielversprechende Technik um befahrungsbedingte Änderungen der Bodenfunktionen abzubilden

Untersuchung der Wurzel-Boden Grenzfläche im Unterboden mit Hilfe der Röntgenstrahl Computertomographie und Endoskopie

Transportprozesse von Luft, Wasser und gelösten Stoffen haben erheblichen Einfluss in Hinblick auf die Erzeugung von Kulturpflanzen. Diese Transportprozesse wiederum, stehen in Abhängigkeit zu der Struktur des Bodens. Besonders für den Unterboden stellen Bioporen eine Möglichkeit als Wurzel-Boden Grenzfläche dar, die erheblich durch die Aktivität von Flora und Fauna beeinflusst wird. Mit X-ray CT, Bildauswertung und Endoskopie wurden mit Regenwürmern besetzte Bodensäulen untersucht. Es wurde der Frage nachgegangen, welchen Einfluss die Aktivität von Wurzeln und Regenwürmern auf die Wurzel-Boden Grenzfläche hat und inwiefern Eigenschaften und Charakteristik von Bioporen verändert werden. Es hat sich gezeigt, dass die vorhandenen Strukturen eines etablierten Biopore-Netzwerkes in hohem Maße wiederverwendet und somit in ihrer Struktur verändert wurden

Oxygen and redox potential gradients in the rhizosphere of alfalfa grown on a loamy soil

© 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. Oxygen (O2) supply and the related redox potential (EH) are important parameters for interactions between roots and microorganisms in the rhizosphere. Rhizosphere extension in terms of the spatial distribution of O2 concentration and EH is poorly documented under aerobic soil conditions. We investigated how far O2 consumption of roots and microorganisms in the rhizosphere is replenished by O2 diffusion as a function of water/air-filled porosity. Oxygen concentration and EH in the rhizosphere were monitored at a mm-scale by means of electroreductive Clark-type sensors and miniaturized EH electrodes under various matric potential ranges. Respiratory activity of roots and microorganisms was calculated from O2 profiles and diffusion coefficients. pH profiles were determined in thin soil layers sliced near the root surface. Gradients of O2 concentration and the extent of anoxic zones depended on the respiratory activity near the root surface. Matric potential, reflecting air-filled porosity, was found to be the most important factor affecting O2 transport in the rhizosphere. Under water-saturated conditions and near field capacity up to -200 hPa, O2 transport was limited, causing a decline in oxygen partial pressures (pO2) to values between 0 and 3 kPa at the root surface. Aerobic respiration increased by a factor of 100 when comparing the saturated with the driest status. At an air-filled porosity of 9% to 12%, diffusion of O2 increased considerably. This was confirmed by EH around 300 mV under aerated conditions, while EH decreased to 100 mV on the root surface under near water-saturated conditions. Gradients of pO2 and pH from the root surface indicated an extent of the rhizosphere effect of 10-20 mm. In contrast, EH gradients were observed from 0 to 2 mm from the root surface. We conclude that the rhizosphere extent differs for various parameters (pH, Eh, pO2) and is strongly dependent on soil moisture. Copyrigh

Menge, Verteilung und Zusammensetzung organischer Bodensubstanz auf Oberflächen von Makroporen in Bt-Horizonten

In strukturierten Unterböden können die Oberflächen von Makroporen (Aggregatränder und Bioporen) in Folge von präferenzieller Verlagerung und Stabilisierungsprozessen mit organischer Bodensubstanz (OBS) angereichert sein. Menge, Verteilung und Zusammensetzung der OBS beeinflussen über die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften der Makroporen den präferenziellen Transport und den Massentransfer zwischen Fließweg und Bodenmatrix. Darüber hinaus führt eine räumlich diskrete Verteilung von OBS auf Oberflächen von Makroporen zu - in Unterböden wenig erforschten - „hot spots“ mit erhöhten Umsatzraten. Die Analyse der OBS-Zusammensetzung gestattet außerdem Rückschlüsse auf die Landnutzung, so deutet z.B. das Auftreten von Benzonitril und Naphtalen (BN+NA) auf Biomasse-Verbrennung hin. Ziel der Arbeit war die Quantifizierung von organischem Kohlenstoff (Corg) und BN+NA auf intakten Makroporen-Oberflächen in Bt-Horizonten von Parabraunerden aus Löss und Geschiebemergel. Die zweidimensionale (2D), mm-skalige Verteilung von Corg und BN+NA auf verschiedenen Makroporen-Typen wurde mittels Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform (DRIFT) Spektroskopie in Kombination mit Corg-Messungen und Pyrolyse-Feldionisation Massenspektrometrie (Py-FIMS) quantitativ beschrieben. Für eine Horizont-bezogene Quantifizierung wurden die Porenverteilungen und Porenraum-Geometrien mit Röntgen-Computertomographie (CT) dreidimensional (3D) analysiert. Erhöhte Gehalte an Corg- und BN+NA korrelierten mit dem Auftreten von Ton-haltigen Kutanen und Porenfüllungen. Die Kombination von 2D- und 3D-Daten zeigte Unterschiede in der räumlichen Verteilung von Corg bzw. OBS sowie von BN+NA in Abhängigkeit der Makroporen-Typen und Standorte bzw. bodenbildenden Substrate. Die Ergebnisse tragen zur genaueren Beschreibung von Stoffumsetzungsprozessen und Stofftransporten in strukturierten Unterböden bei und ermöglichen darüber hinaus Schlüsse auf die Genese von Bt-Horizonten in Parabraunerden