Changes in soil and vegetation properties under different land uses in Northern Scandinavia

We studied changes in vegetation, soil microbiology and soil properties during a 3 years study in a Fennoscandia tundra. The test sites were located at the border between Norway and Finland, a region which is divided by a fence to different areas of land use by reindeer herding. The Norwegian site acts as winter pasture only, the Finnish site is under use all the year. Due to shifts of the fence some years ago, an area of recover was found. Reindeer grazing and trampling changed not only vegetation cover, mainly from lichen heaths in Norway to grass and shrub land at the Finnish side. This had also consequences on soil properties, the microbial community and soil respiration. Differences in these items, however, are not directly to changes in vegetation cover; more dangerous are trampled and probably highly grazed spots which show barren soils. Main effect to soil respiration is temperature, which shows significant higher levels at the Finnish side, which leads to higher evaporation, thus lower moisture and thereof reduced microbial activity

Untersuchungen zu den Kriechvorgängen in dem Einzugsgebiet Hühnerwasser

Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Modellierung wurden Hangbewegungen des künstlichen Einzugsgebietes Hühnerwasser untersucht. Labormessungen wurden an gestörten und ungestörten proben durchgeführt, um die hydraulischen und mechanischen Bodenkennwerte zu bestimmen. Die gemessen Parameter wurde in einer Finite-Elemente-Berechnung verwendet, um Kriechprozesse und Spannungsverteilungen zu simulieren. Die Vorbelastungswerte deuten auf eine sehr geringe bis geringe Bodenstabilität hin. Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit zeigte eine ausgeprägte Anisotropie wobei die horizontale Leitfähigkeit größer als die vertikale war. Die ersten Ergebnisse der Modellierung zeigten kleine Bewegungen im Bereich von einigen mm bis wenigen cm. Standsicherheitsberechnungen zeigten dass z.Z. nicht mit Massenversatz zu rechnen ist. Dennoch können Kriechbewegungen langfristig einen Einfluss auf das Porensystem und damit die Entwicklung der Bodenstruktur haben

Wirkung von Düngesalzen auf rheologische Stabilitätsparameter

Zur Erfassung des Einflusses von Nährsalzen auf die Mikrobodenstruktur wurden rheologische Messungen an schluffigen Proben mit einem Platte-Platte-Rheometer im Oszillationsmodus durchgeführt. Die daraus abgeleiteten rheologischen Stabilitätsparameter zeigten Unterschiede hinsichtlich der Kationenart und des Begleitanions der Salze. Bezüglich des Kations wirkte Kalium stabilisierend, während Natrium destabilisierte. Höhere Natriumkonzentrationen führten allerdings wieder zu einem Ausgleich. Magnesiumchlorid zeigte keinen Einfluss, während Magnesiumsulfat die Struktur verschlechterte. Als Begleitanion wiesen Chloridanionen gegenüber Sulfatanionen generell höhere Werte und damit eine höhere Bodenstabilität auf. Versuche mit ungedüngtem Material von zwei Langzeitdüngeversuchen zeigten darüber hinaus den Einfluss des Tonanteils. Je höher dieser war, umso stärker kam der stabilisierende Einfluss von Kalium zum Tragen

Soil aeration and redox potential as function of pore connectivity unravelled by X-ray microtomography imaging

Platinum (Pt)-tipped electrodes are frequently employed to measure the soil redox potential (EH). Thereby, the timely transition from reducing towards oxidising soil conditions is one of the most important biogeochemical changes that can occur in soil. This condition is mainly linked to the air-filled pore volume (ε) and pore geometries. However, even when the Pt electrodes are located in close vicinity to each other, EH readings behave non-uniformly, presumably due to the millimetre scaled heterogeneity of pore spaces controlling oxygen (O2) availability and transport. In this study, we examined the ε distribution and pore connectivity in the close vicinity of a Pt electrode during an artificial evaporation experiment using an undisturbed soil sample (Ah-horizon, Calcaric Gleysol). We combined physio-chemical methods with non-destructive X-ray computed microtomography (μCT) and 3D-image analysis. μCT scans were conducted at three-time points, that is, reducing conditions with EH < −100 mV (CT-1), the transition from reducing towards oxidising conditions with an EH increase > 5 mV h−1 (CT-2), and oxidising conditions with EH > 300 mV (CT-3). We observed that the shift from reducing towards oxidising conditions took place at an air-filled porosity (εCT) of ~0.03 cm3 cm−3, which matches very with gravimetrically calculated data obtained by tensiometry of ε ~0.05 cm3 cm−3. Besides the relation of EH and ε, image analysis revealed that a connected εCT (εCT_conn) of ~0.02 cm3 cm−3 is needed to enable enhanced O2 diffusion from the soil surface towards the Pt surface and facilitate a straightforward EH response. We conclude that εCT_conn is a critical parameter to assess aeration processes in temporarily water-saturated soils to characterise a switch in redox conditions. Highlights: Usually, soil redox dynamics are related to the air-filled porosity (εCT) but here its connected portion (εCT_conn) was found more relevant. 3D X-ray computed microtomography imaging close to a redox electrode enabled us to understand the soil aeration process. Connected εCT (εCT_conn) of ~0.02 cm3 cm−3 facilitated oxidising soil conditions. εCT_conn is a critical parameter to assess the aeration process in temporarily water-saturated soils. © 2021 The Authors. European Journal of Soil Science published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of British Society of Soil Science

Bewirtschaftungsabhängige Verteilung und Stabilisierung von organischem Kohlenstoff innerhalb von Makroaggregaten aus Ackerböden

Das Speicherpotenzial von Ackerböden für organischen Kohlenstoff (Corg) wird maßgebend von der Bodenbewirtschaftung beeinflusst, die direkt in Strukturbildungsprozesse eingreift und daran gekoppelte Kohlenstoffumsätze in Form von Verlusten (CO2-Emissionen) oder längerfristigen Einlagerungen mitsteuert. Inwieweit organischer Kohlenstoff innerhalb von Aggregaten physikalisch vor mikrobiellem Abbau durch eine entsprechende Bodenbewirtschaftung geschützt werden kann, wurde an Makroaggregaten verschiedener Größenklassen (von 5 bis 25mm Aggregatdurchmesser) untersucht, die aufgrund ihrer geringen Stabilität als besonders anfällig gegenüber bodenbearbeitenden Eingriffen gelten. Hierzu wurden Einzelaggregate aus bewirtschafteten Ackerböden (Parabraunerden aus Löss und Geschiebemergel) in drei konzentrische Schichten gleicher Trockenmasseanteile (%) separiert, die den äußeren, mittleren und inneren Aggregatbereich repräsentieren. Neben dem Corg-Gehalt wurde die mechanische Stabilität der einzelnen Schichten anhand von Abrasionskräften bestimmt, die beim Abschälen der Aggregate von außen nach innen benötigt werden. In Abhängigkeit der Bewirtschaftungsvariante und Aggregatgrößenklasse treten dabei Unterschiede in der Corg-Verteilung auf, wobei die Ausprägung von C-Gradienten vom Aggregatrand ins Aggregatinnere variiert. In Bezug auf die lokale mechanische Stabilität von Aggregaten sind Rückschlüsse auf das physikalische Corg- Stabilisierungspotenzial möglich, die aber noch eine intensivere Betrachtung von strukturdynamischen Prozessen für die Kohlenstoffumsätze in Ackerböden erforder

Microplastics effects on wettability, pore sizes and saturated hydraulic conductivity of a loess topsoil

Environmental contamination with microplastics (MP, 0.1 µm – 5 mm diameter) potentially threatens various soil functions and agricultural production. In this study we evaluated the effects of MP on physical soil parameters (saturated hydraulic conductivity, water retention and water repellency) at MP concentrations (0.5 to 2 % w/w) that have been reported for farmland soils. Polyethylene terephthalate (PET) and polystyrene (PS) of three sizes ranging between 0.5 and 3 mm diameter, were mixed with loess topsoil material from an agriculturally used Luvisol. Results show that increasing MP concentration decreased the saturated hydraulic conductivity (ksat) compared to the control soil (without MP), irrespective of MP type. The highest reduction of ksat was found for the highest concentration (2 %) and the largest size MP (approx. 3 mm diameter). Compared to the control, MP addition significantly decreased soil water retention with increasing concentration. In contrast, air capacity was increased with MP addition where strongest effect was found for largest PET particles at the highest concentration. Soil water repellency (measured as Wilhelmy Plate contact angles) was increased at a concentration of 2 % and for MP sizes > 1 mm, while no effect was observed for lower concentrations and smaller MP. In conclusion, MP type, size, and concentration did affect key soil physical parameters, likely to negatively influence plant growth in contaminated soils

Redoxtrons – An experimental system to study redox processes within the capillary fringe

Spatiotemporal characterisation of the soil redox status within the capillary fringe (CF) is a challenging task. Air-filled porosities (ε), oxygen concentration (O2) and soil redox potential (EH) are interrelated soil variables within active biogeochemical domains such as the CF. We investigated the impact of water table (WT) rise and drainage in an undisturbed topsoil and subsoil sample taken from a Calcaric Gleysol for a period of 46 days. We merged 1D (EH and matric potential) and 2D (O2) systems to monitor at high spatiotemporal resolution redox dynamics within self-constructed redoxtron housings and complemented the data set by a 3D pore network characterization using X-ray microtomography (X-ray μCT). Depletion of O2 was faster in the organic matter- and clay-rich aggregated topsoil and the CF extended >10 cm above the artificial WT. The homogeneous and less-aggregated subsoil extended only 4 cm above the WT as indicated by ε–O2–EH data during saturation. After drainage, 2D O2 imaging revealed a fast aeration towards the lower depths of the topsoil, which agrees with the connected ε derived by X-ray μCT (εCT_conn) of 14.9% of the total porosity. However, small-scaled anoxic domains with O2 saturation <5% were apparent even after lowering the WT (down to 0.25 cm2 in size) for 23 days. These domains remained a nucleus for reducing soil conditions (EH < −100 mV), which made it challenging to characterise the soil redox status in the CF. In contrast, the subsoil aeration reached O2 saturation after 8 days for the complete soil volume. Values of εCT_conn around zero in the subsoil highlighted that soil aeration was independent of this parameter suggesting that other variables such as microbial activity must be considered when predicting the soil redox status from ε alone. The use of redoxtrons in combination with localised redox-measurements and image based pore space analysis resulted in a better 2D/3D characterisation of the pore system and related O2 transport properties. This allowed us to analyse the distribution and activity of microbiological niches highly associated with the spatiotemporal variable redox dynamics in soil environments

Beweidungsinduzierte Änderungen des Wasserhaushaltes in der Inneren Mongolei, VR China

Steigende Beweidungsintensitäten in der Inneren Mongolei haben in den letzten Jahrzehnten zu einer fortschreitenden Degradation des Steppenbodens geführt. Beweidung und Tiertritt haben nachhaltige Auswirkungen auf den Bodenwasserhaushalt u. a. durch die Veränderung der Wasserleitfähigkeitsfunktion, seiner Tensor-komponenten und von Poreneigenschaften. Ziel dieser Untersuchung war die Darstellung der Auswirkung unterschiedlicher Beweidungs- intensitäten auf Kenngrößen des Bodenwasserhaushaltes

LCKW Kontamination von Boden als poröses, ungesättigtes Medium: Ein bodenphysikalisches Sanierungskonzept

Ungesättigte Perkolationsversuche wurden an ungestörten, vertikal wie horizontal entnommenen Stechzylinderproben eines ausgewählten Kontaminationsstandortes (ehem. Biesterfeld, Itzehoe, Schleswig-Holstein) unter Laborbedingungen durchgeführt. Zu den untersuchten Kontaminanten zählen insbesondere Derivate des Ethylens, die als so genannte „dense non aqueous phase liquids“ (DNAPL; dt.: Schwerephase) definiert werden; im Einzelnen handelt es sich um Tetrachlorethylen (Per), Trichlorethylen (Tri), cis-1,2-Dichlorethylen (Cis) und gasförmiges, extrem flüchtiges Vinylchlorid (VC). Die Bildung der jeweiligen Derivate, d.h. der Vorgang der Dechlorierung obliegt Faktoren wie die der Wassersättigung, dem Sauerstoffgehalt sowie der Verfügbarkeit von eiweißreichen Nährstoffen (Melasse, Olivenöl-Emulsion) für Bakterien, die in der Lage sind, die genannten Stoffe abzubauen. Die ungesättigte Perkolation wurde bei konstanter Saugspannung, die stufenweise erhöht wurde, durchgeführt. Als Perkolate bzw. Nährlösung dienten destilliertes Wasser, eine Melasse-NPK-Lösung und eine Mikroemulsion. Zur Kontrolle des Ethylen-Abbaus in den Proben, wurden sowohl Headspaceproben aus der Festphase als auch Eluate hinsichtlich der LCKW-Konzentration untersucht. Die gewonnenen Daten wurden des Weiteren dazu verwendet, eine Modellierung des Konzeptes mit Hilfe von Hydrus-2D für in situ-Bedingungen vorzunehmen. Das austauschbare Porenvolumen ist abhängig von der Textur, der Porengrößenverteilung und der Lagerungsdichte. Die mikrobielle Aktivität, die unter anaeroben, methanogenen Bedingungen am höchsten ist, wird hauptsächlich durch die physikochemischen Eigenschaften der Perkolate (Oberflächenspannung, Viskosität) beeinflusst. Das Ziel dieses Projektes ist es, (i) Porengrößeneffekte herauszustellen, (ii) damit einhergehend die Zugänglichkeit kontaminierter Porenbereichen für Bakterien und (iii) Boden als ungesättigtes Medium in bestehende Sanierungsverfahren zu integrieren