Effekte des Ringschneidereinsatzes zur pfluglosen Boden-bearbeitung auf physikalische Eigenschaften sandiger Böden

Organic farming on sandy soils in Brandenburg is especially vulnerable to climate change impacts like drought and heavy rainfall. Reduced tillage is considered as one possible adaptation measure. For technical implementation the ring cutter allowing shallow non-inversion tillage with overall root-cutting is under investigation. Its effects on soil bulk density, soil organic matter content, root mass and soil water retention as well as the yield of winter rye were quantified. Results from the spring showed a significant accumulation of organic matter in the tilled top layer and both a significant increase of bulk density and a significant decrease of root mass in the non-tilled lower topsoil. Water retention in the non-tilled layer was reduced. The yield of winter rye was 27 % lower. Due to a compaction the non-tilled layer of the soil was less penetrable by roots. The showed results of only one date do not allow reasoning to a whole tillage system. In the present case it is recommended to loosen the compacted non-tilled layer with additional non-inversion tillage

Neutronenradiographische Untersuchungen der kleinräumig heterogenen Wasserbewegung in kohlehaltigen Kippböden

Böden, die sich aus Abraum des Braunkohletagebaus entwickeln, weisen u.a. durch Sedimentmischungen eine starke Heterogenität auf. Die Wasserbewegung in diesen Kippböden ist komplex; sie scheint vornehmlich entlang von präferentiellen Fließbahnen statt zu finden. Um diese Fließbahnen experimentell zu erfassen und zu quantifizieren wurden Fließexperimente an ungestört entnommen Bodenproben durchgeführt, und mit Hilfe der Neutronen-radiographie (PSI Villingen) visualisiert. Exemplarisch werden Infiltrationsvorgänge an vier 2D-Radiographiesequenzen bei zwei verschiedenen Wasserspannungen gezeigt. Des Weiteren wurde ein Multistep-In-Outflow-Experiment durchgeführt um 3D-Wasserverteilungen während der stationären Phasen zu visualisieren, installierte Tensiometer zeichneten den Verlauf der Wasserspannungen während der instationären Phasen auf. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den Versuchsbedingungen nahe Wassersätti-gung die Wasserbewegung vornehmlich in der Sand-Kohlestaub-Matrix stattfindet. Die porösen kohligen Fragmente werden dabei teilweise umflossen

3D-räumliche Beschreibung initialer Sedimentumverteilung in einem künstlichen Einzugsgebiet

Die räumliche Verteilung des Ausgangsmaterials stellt neben dessen Zusammensetzung eine zentrale Anfangsbedingung für die Entwicklung von Böden dar. In sich neu entwickelnden Systemen können allerdings Prozesse der Sedimentumlagerung innerhalb kurzer Zeiträume eine wesentliche Veränderung dieser Bedingungen bewirken. Erosion und Sedimentation führen so zur räumlichen Differenzierung einer (Boden-) Landschaft in Regionen verschiedener Ausgangsbedingungen und Entwicklungsalter. Grundlage für die Untersuchung von Boden-Landschaftsentwicklung ist es daher, die initiale Sedimentverteilung unter Beachtung erster Umverteilungsprozesse raumzeitlich zu quantifizieren. Ziel dieser Studie war es, in einem dreidimensionalen (3D) Modell den initialen Sedimentkörper eines künstlichen Wassereinzugsgebiets sowie seine ersten Entwicklungsphasen zu beschreiben und zu bilanzieren. Im Folgenden werden die dafür entwickelte Methodik sowie erste Ergebnisse vorgestellt

Bilanzierung der Sedimentmassen eines künstlichen Wassereinzugsgebiets mit einem 3D- Strukturmodell

Im SFB TR 38 wird ein ca. 6 ha großes künstliches Wassereinzugsgebiet untersucht, das der ungelenkten Sukzession überlassen ist. Um die Beziehungen zwischen Strukturen und Prozessen während der initialen Phasen der Ökosystementwicklung besser verstehen zu können, sollen 3D räumlich differenzierte Bilanzen der Sedimente als der Festphase des porösen Bodenkörpers erstellt werden. Ziel dieser Studie ist eine quantitative Bilanzierung der räumlich-zeitlichen Dynamik des Festkörpers als Folge von z.B. erosiven Massenbewegungen sowie eine Analyse der Wechselbeziehungen zwischen Verlagerungen und Sedimenteigenschaften. Die Basis der Untersuchung bildet die Auswertung digitaler Modelle der Oberflächenstrukturen im Initialzustand sowie in späteren Entwicklungsphasen des Ökosystems. Aus digitalen Geländemodellen der Oberfläche sowie der Untergrenze des Einzugsgebiets wurde in der 3D-GIS Software GOCAD ein 3D-Gittermodell der initialen räumlichen Strukturen des Wassereinzugsgebiets konstruiert. Bodenphysikalische und –chemische Parameter wurden auf das digitale Modell übertragen und räumlich interpoliert. Die aus photogrammetrischer Luftbildauswertung und Laserscanning fortlaufend gewonnenen Oberflächeninformationen werden genutzt, um Entwicklungszustände im 3D Modell darzustellen. Aus topographischer Information und Texturdaten werden Geländekennwerte und hydrologische Parameter ermittelt. Volumenänderungen werden in räumlicher und zeitlicher Auflösung erfasst, um durch die Kombination mit Sedimenteigenschaften die Veränderungen der festen Bodenphase quantitativ zu ermitteln. Korrelationen zwischen Sedimenteigenschaften, Geländeparametern und Prozessen der Massenverlagerung werden untersucht. Durch diese integrative Betrachtung der Strukturen und Prozesse im 3D-Modell können im Einzugsgebiet Prozessräume unterschiedlicher Dynamik im Hinblick auf Sedimentverlagerung und Pedogenese charakterisiert werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass zwischen westlichem und östlichem Teil des Einzugsgebiets sowohl bezüglich der Sedimenteigenschaften als auch hinsichtlich der Erosionsdynamik Unterschiede bestehen. Eine wechselseitige Abhängigkeit von Sedimentstrukturen und Prozessen der Oberflächenentwicklung kann daher angenommen werden

Ein 3D Modell zur Darstellung der Initialstruktur eines künstlichen Einzugsgebietes

Die Internstrukturen eines künstlich geschaffenen Einzugsgebiets werden in einem digitalen 3D Modell dargestellt mit dem Ziel der Analyse von Strukturen und Quantifizierung von Massen. Es werden weitere Ansätze vorgestellt, wie die wesentlichen internen Bauelemente des Einzugsgebiets digital rekonstruiert werden können

Analyse von Wechselwirkungen zwischen Infiltration und Abfluss in Abhängigkeit von Oberflächenstrukturen mit einem komplexen Beregnungsexperiment

Unser Forschungsprojekt zielt auf die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Iniltration und Oberflächenabfluss vor allem unter dem Aspekt der Strukturdynamik während der initialen Boden- und Ökosystementwicklung. Es wurde ein komplexes Beregnungsexperiment realisiert, mit dem sich sowohl Infiltration als auch Flüusse im und auf dem Boden sowie die Entwicklung von Strukturen im Feldversuch gleichzeitig beobachten und quantifzieren lassen. Ein Regensimulator mit zentraler FullJet-Düse erzeugt eine Niederschlagsintensität von ca. 120mm/h. Die Tropfenspektren und Fallgeschwindigkeiten entsprechen denen natürlicher Starkregen. Ein Laser-Distrometer erfasst das Tropfenspektrum; eine Digitalkamera zeichnet das Regenereignis auf; Tensiometer registrieren den Potentialverlauf im Boden und die Abflussmengen und Sedimentfrachten werden im Zeitverlauf erfasst. Oberflächenstrukturen und Bodenproben werden vor und nach dem Ereignis vermessen bzw. entnommen. Im Feldexperiment mit sandigem quartärem geschüttetem Sediment konnten alle Komponenten im zeitlichen Ablauf erfasst werden. Die Änderung der Fließpfade an der Oberfläche korrespondierte direkt mit einer Änderung in der Abussrate

Modellierung der strukturellen Heterogenität in einem künstlichen Wassereinzugsgebiet und Ableitung von hydraulischen Eigenschaften mittels Pedotransferfunktionen.

Wir präsentieren ein prozessbasiertes Strukturgenerator-Modell mit dem Ziel, exemplarisch die Strukturen und heterogenen Sedimentverteilungen eines künstlichen Einzugsgebiets möglichst realistisch abzubilden. Dieses Strukturmodell dient als Basis für eine räumlich verteilte hydrologische Modellierung von Wassereinzugsgebieten

Simulated preferential water flow and solute transport in shrinking soils

We present follow-up work to previous work extending the classical rigid (RGD) approach formerly proposed by Gerke and van Genuchten, to account for shrinking effects (SHR) in modeling water flow and solute transport in dualpermeability porous media. In this study we considered three SHR scenarios, assuming that aggregate shrinkage may change either: (i) the hydraulic properties of the two pore domains, (ii) their relative fractions, or (iii) both hydraulic properties and fractions of the two domains. The objective was to compare simulation results obtained under the RGD and the SHR assumptions to illustrate the impact of matrix volume changes on water storage, water fluxes, and solute concentrations during an infiltration process bringing an initially dry soil to saturation and a drainage process starting from an initially saturated soil. For an infiltration process, the simulated wetting front and the solute concentration propagation velocity, as well as the water fluxes and water and solute exchange rates, for the three SHR scenarios significantly deviated from the RGD. By contrast, relatively similar water content profiles evolved under all scenarios during drying. Overall, compared to the RGD approach, the effect of changing the hydraulic properties and the weight of the two domains according to the shrinkage behavior of the soil aggregates induced a much more rapid response in terms of water fluxes and solute travel times, as well as a larger and deeper water and solute transfer from the fractures to the matrix during wetting processes

Spatial Distribution of Mucilage in the Rhizosphere Measured With Infrared Spectroscopy

Mucilage is receiving increasing attention because of its putative effects on plant growth, but so far no method is available to measure its spatial distribution in the rhizosphere. We tested whether the C-H signal related to mucilage fatty acids is detectable by infrared spectroscopy and if this method can be used to determine the spatial distribution of mucilage in the rhizosphere. Maize plants were grown in rhizoboxes filled with soil free of organic matter. Infrared measurements were carried out along transects perpendicular as well as axially to the root channels. The perpendicular gradients of the C-H proportions showed a decrease of C-H with increasing distance: 0.8 mm apart from the root center the C-H signals achieved a level near zero. The measured concentrations of mucilage were comparable with results obtained in previous studies, which encourages the use of infrared spectroscopy to quantitatively image mucilage in the rhizosphere