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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 (Ïpc), 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: Ïpc, Cc and Cs were significantly higher in loam as compared to sand, whereas the factor genotype proved to be negligible. Over time, Ïpc 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 (Κm) 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
Challenges in imaging and predictive modeling of rhizosphere processes
Background Plant-soil interaction is central to human food production and ecosystem function. Thus, it is essential to not only understand, but also to develop predictive mathematical models which can be used to assess how climate and soil management practices will affect these interactions. Scope In this paper we review the current developments in structural and chemical imaging of rhizosphere processes within the context of multiscale mathematical image based modeling. We outline areas that need more research and areas which would benefit from more detailed understanding. Conclusions We conclude that the combination of structural and chemical imaging with modeling is an incredibly powerful tool which is fundamental for understanding how plant roots interact with soil. We emphasize the need for more researchers to be attracted to this area that is so fertile for future discoveries. Finally, model building must go hand in hand with experiments. In particular, there is a real need to integrate rhizosphere structural and chemical imaging with modeling for better understanding of the rhizosphere processes leading to models which explicitly account for pore scale processes
How does particulate organic matter (POM) swelling affect soil -water interactions and soil structural stability on different scales?
Particulate organic matter (POM), root mucilage and synthetic polymers are swellable polymeric substances (âhydrogelsâ) which form a three-dimensional polymer network between soil particles. On the one hand, hydrogels can alter soil hydrological properties via their strong influence on water holding capacity and soil wettability. On the other hand, it has been recently shown that the presence of swollen hydrogel structures between soil particles can significantly contribute to soil structural stability. However, until now, only model polymer hydrogels have been used, and the findings still need to be transferred to soils which contain natural swellable organic substances. In this study, we investigated how the swelling of different POM fractions in soil contributes to soil-water-hydrogel interactions and to soil structural stability on different scales. We assumed that the swelling of easily available inter-aggregate POM (frPOM) and occluded intra-aggregate POM (iPOM) differ in their contribution to soil structural stability. For this purpose, we investigated the structural stability and soil-water interactions of a silty sand soil in a 2x2 nested design comprising tilled and non-tilled as well as compost-fertilized and non-fertilized sub-treatments. POM fractions were isolated by soil density fractionation and subsequently characterized for their swelling and water binding properties. Soil-water interactions in terms of water distribution and water mobility were assessed by one- and two-dimensional 1H-NMR relaxometry and pulsed-field-gradient (PFG) NMR. Results from 1HâNMR measurements were linked with soil structural stability measurements conducted on the micro- and macroscale using soil rheology, wet sieving and crushing tests. On the micro- and macroscale, soil structural stability was higher for compost-fertilized samples than for non-fertilized with different effects of tillage. This was especially related to the presence of frPOM- and iPOM-associated water which revealed a significantly higher viscosity than mineral pore water. On the microscale, frPOM showed the highest contribution to soil structural stability, whereas iPOM predominantly stabilized the soil structure on the macroscale. The relationships suggest that the spatial location and hence the swellability of organic structures in soil could explain the nature of hydrogel-induced soil structural stability
Auswirkungen intensivierter Landnutzung entlang eines Stadt-Land Gradienten der indischen Megastadt Bangalore auf den Bodenwasserhaushalt und Wassernutzungseffizienzen
Wasser ist ein stark limitierender Faktor fĂŒr die landwirtschaftliche Produktion im lĂ€ndlich-urbanen Raum von Bangalore/Indien. Im Zuge der Urbanisierung ist dort mit einem Wandel hin zu leistungsfĂ€higeren landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsweisen (intensivere BewĂ€sserung, verstĂ€rkter DĂŒngemitteleinsatz) zu rechnen, der die bereits knappen Boden- und Wasserressourcen in Zukunft zunehmend belastet. Dieser Konflikt erfordert konservierende BewirtschaftungsmaĂnahmen, z.B. die Implementierung von effizienteren BewĂ€sserungstechniken 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 rĂ€umlich-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 StabilitĂ€tskenngröĂen zur Beurteilung der Bodenstruktur und Durchwurzelbarkeit, sowie in-situ Wasser- und WĂ€rmeflĂŒsse durch den Aufbau eines Bodenmonitorings gemessen. Entlang des RUI wird in Zusammenarbeit mit Projektpartnern anhand ausgewĂ€hlter Farmen untersucht wie sich der Bodenwasserhaushalt und der daran gekoppelte Ertrag bei verschiedenen Bewirtschaftungsvarianten (bewĂ€ssert vs. unbewĂ€ssert kombiniert mit Monokultur vs. Polykultur) in den verschiedenen Stadien der Urbanisierung bei gleichzeitiger Betrachtung der Nutzungseffizienz der eingesetzten Ressourcen entwickelt. DarĂŒberhinaus wird mit einem mehrfaktoriellen Feldversuch auf der Forschungsstation der UAS die Wassernutzungseffizienz bei einem bewĂ€sserten und unbewĂ€sserten Anbausysteme mit unterschiedlichen Stickstoffgaben untersucht. Dazu wird mit Hilfe bodenphysikalischer KenngröĂen und der in-situ Monitoringdaten zum Wasser- und WĂ€rmehaushalt ein Wasserhaushaltsmodell (HYDRUS) parametrisiert/validiert und fĂŒr verschiedene Szenario-Analysen genutzt. In dem Posterbeitrag soll das Projekt vorgestellt und erste Ergebnisse prĂ€sentiert werden
Analyse der rÀumlichen VariabilitÀt von Makroporenstrukturen in Lössböden anhand geostatistischer Auswertungen von 3D-Röntgen-CT Bildern
Eigenschaften von Porennetzwerken (z.B. KonnektivitĂ€t und TortuositĂ€t) und deren Funktionen (z.B. Transport von Sauerstoff und Wasser) sind von groĂer Bedeutung fĂŒr das Pflanzenwachstum. Die unterschiedliche und sich ĂŒberlagernde Genese von PorenrĂ€umen in Böden, z.B. durch Wurzeln und RegenwĂŒrmer entstandene Bioporen oder Quellungs- und Schrumpfungsrisse, fĂŒhren zu Ă€uĂerst komplexen und rĂ€umlich heterogenen dreidimensionalen Porenraumstrukturen, die mit einfachen Parametern wie PorositĂ€ten oder PorengröĂenverteilungen 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 vielfĂ€ltige Möglichkeiten der bildanalytischen Auswertung der generierten DatensĂ€tze. Dabei ist eine genauere Beschreibung der rĂ€umlichen HeterogenitĂ€t und die getrennte Auswertung von unterschiedlich entstandenen PorenrĂ€umen (abiotisch versus biotisch) von Interesse, um deren relativen Beitrag zu porenskaligen Prozessen (AustauschvorgĂ€nge an Poren/Matrix-GrenzflĂ€chen, Transportfunktionen, etc.) besser quantifizieren zu können. In dieser Studie wurden Bodenmonolithe (Ă 20 cm, 70 cm Höhe) aus einem Feldversuch in der NĂ€he von Bonn (NRW, Deutschland) verwendet. Die Bodenmonolithe wurden aus dem Unterboden (45 - 105 cm) eines Versuches mit unterschiedlicher WurzelausprĂ€gung durch VorfrĂŒchte 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 AbhĂ€ngigkeit der Wurzelsysteme der VorfrĂŒchte, festgestellt werden. Insbesondere konnte die HĂ€ufigkeit, GröĂenverteilung 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 (hauptsĂ€chlich Wurzelpfade und RegenwurmgĂ€nge) und abiotische Strukturporen (hauptsĂ€chlich durch quellen und schrumpfen) zu unterteilen. Aufgrund der unterschiedlichen WurzelausprĂ€gung 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 NĂ€hrstoffhaushalt von Böden haben soll diskutiert werden
Ein neuer Ansatz fĂŒr die Trockenseparierung von Mikroaggregaten mit unterschiedlicher Textur zur Messung der mechanischen Belastbarkeit und 3D-Porenstruktur
Die Bodenstruktur als Ausdruck der rĂ€umlichen 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 fĂŒr Mikroorganismen. Die Bodenstruktur, deren einfachste Einheit die Aggregate bilden, befindet sich als labile Bodeneigenschaft in einem Zustand stĂ€ndiger VerĂ€nderung. Die Eigenschaften der Aggregate werden durch viele Einflussfaktoren wie Textur, Alter, Quellung und Schrumpfung, sowie die biologische AktivitĂ€t gesteuert. Eines der Hauptprobleme bei der Untersuchung der Eigenschaften von Mikroaggregaten im Boden ist deren Separierung. Viele Separierungs-Methoden ĂŒben SpannungszustĂ€nde aus, die die realen Bedingungen im Boden nur sehr bedingt abbilden. So werden z. B. bei Nasssiebungsverfahren hydraulische Spannungen erzeugt, die unter natĂŒrlichen Bedingungen nicht auftreten. Hierin liegt ein Risiko, dass Artefakte in den gewonnenen Aggregatfraktionen entstehen (z. B. durch Reaggregierung bei anschlieĂender Trocknung) und die weitere Analyse von Eigenschaften dieser Aggregatfraktionen, bzw. deren Interpretation beeinflussen.
Ăbergeordnetes Ziel unserer Untersuchungen ist die Erforschung der Genese von Mikroaggregaten und deren (Porenâ)Eigenschaften in AbhĂ€ngigkeit von Texturunterschieden, sowie des Zusammenhangs von mikroskaligen Deformationsprozessen auf die Entwicklung der Bodenstruktur. HierfĂŒr haben wir mit einem Verfahren der Trockenseparierung in drei AggregatgröĂen-Unterklassen (250-53, 53-20 und <20 ”m) eine zuverlĂ€ssige Methode zur Isolierung einzelner Mikroaggregate entwickelt, welche die Struktur der gewonnenen Aggregate selbst nicht beeinflusst. In einem nĂ€chsten Schritt wird die mechanische Belastbarkeit von Mikroaggregaten aus einer Toposequenz (mit unterschiedlichen Tongehalten) an einem Lastrahmen hochauflösend getestet, um die Hypothese zu ĂŒberprĂŒfen, dass die StabilitĂ€t 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 spĂ€ter mit gemessenen Gas- und WasserflĂŒssen in Verbindung bringen zu können
Bodenmechanische Untersuchungen von RĂŒckegassen in mit Fichten bestockten Forstökosystemen zur EinschĂ€tzung der Befahrbarkeit
Durch immer leistungsfĂ€higere HolzrĂŒcke- und Erntemaschinen ist mit zunehmenden Belastungen von Böden innerhalb von RĂŒckegassen zu rechnen. Die Kombination aus maschinenspezifischen Parametern (HĂ€ufigkeit der Ăberfahrten, Radlast, KontaktflĂ€che, KontaktflĂ€chendruck und Triebradschlupf) beeinflussen zweierlei Aspekte. Einerseits kommt es zur Spurbildung, andererseits werden die BodenstabilitĂ€t und Bodenfunktionen des Ober- und Unterbodens stark verĂ€ndert und dadurch die Befahrbarkeit von RĂŒckegassen beeintrĂ€chtigt. Bodeneigenschaften und Fahrzeugkonfiguration bestimmen maĂgeblich die Bodenbelastung und deren Auswirkungen auf die FunktionalitĂ€t und Befahrbarkeit des Bodens.
Auf einer mit Fichten bestockten VersuchsflĂ€che (Parabraunerde aus LöĂ) bei Ebergötzen (Niedersachsen) wurden Befahrungsversuche mit einem Forwarder (Rottne F14 8WD) mit unterschiedlichen Maschinenkonfigurationen (Reifen, TraktionsbĂ€nder) und einer maximalen Beladung von 32,2 Mg durchgefĂŒhrt. Bei Bodenwassergehalten nahe FeldkapazitĂ€t wurden bestehende RĂŒckegassen 1-, 4- und 8-fach sowie mit 20 % simuliertem Schlupf (Seilwinde) 4-fach ĂŒberfahren. Es soll untersucht werden, ob VerĂ€nderungen in den mechanischen Eigenschaften des Mineralbodens, insbesondere der Vorbelastung und der Scherparameter nach den Befahrungen auftreten und mit der Anzahl an Ăberfahrten korrelieren. Hierzu wurden ungestörte Bodenproben (236 cmÂł) aus 6-10 cm und 30-34 cm Tiefe entnommen und im Labor mit Ădometern und im direkten Scherversuch untersucht. ZusĂ€tzlich wurden in-situ Messungen des Mineralbodens mit einem leichten ScherflĂŒgel und einem Penetrologger durchgefĂŒhrt.
Erste Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung der Vorbelastung im Mineralboden von alten RĂŒckegassen gegenĂŒber unbefahrenem Mineralboden. AuĂerdem verringert sich die LuftleitfĂ€higkeit erheblich. Die in-situ Messungen zeigen eine gute Anwendbarkeit zur Charakterisierung des Belastungszustands des Mineralbodens. Die bisher gewonnenen Ergebnisse und Kenntnisse ĂŒber die Charakteristik von mechanisch unbelastetem Bodenmaterial und (mehrfach) mechanisch beanspruchtem Mineralboden werden gegenĂŒbergestellt und diskutiert
Beyond Spheroids and Discs: Classifications of CANDELS Galaxy Structure at 1.4 < z < 2 via Principal Component Analysis
Important but rare and subtle processes driving galaxy morphology and
star-formation may be missed by traditional spiral, elliptical, irregular or
S\'ersic bulge/disk classifications. To overcome this limitation, we use a
principal component analysis of non-parametric morphological indicators
(concentration, asymmetry, Gini coefficient, , multi-mode, intensity
and deviation) measured at rest-frame -band (corresponding to HST/WFC3 F125W
at 1.4 ) galaxy morphologies. Principal component analysis (PCA) quantifies
the correlations between these morphological indicators and determines the
relative importance of each. The first three principal components (PCs) capture
75 per cent of the variance inherent to our sample. We interpret the
first principal component (PC) as bulge strength, the second PC as dominated by
concentration and the third PC as dominated by asymmetry. Both PC1 and PC2
correlate with the visual appearance of a central bulge and predict galaxy
quiescence. PC1 is a better predictor of quenching than stellar mass, as as
good as other structural indicators (S\'ersic-n or compactness). We divide the
PCA results into groups using an agglomerative hierarchical clustering method.
Unlike S\'ersic, this classification scheme separates compact galaxies from
larger, smooth proto-elliptical systems, and star-forming disk-dominated clumpy
galaxies from star-forming bulge-dominated asymmetric galaxies. Distinguishing
between these galaxy structural types in a quantitative manner is an important
step towards understanding the connections between morphology, galaxy assembly
and star-formation.Comment: 31 pages, 24 figures, accepted for publication in MNRA
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