3 research outputs found
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
Menge, Verteilung und Zusammensetzung organischer Bodensubstanz auf OberflÀchen von Makroporen in Bt-Horizonten
In strukturierten Unterböden können die OberflĂ€chen von Makroporen (AggregatrĂ€nder und Bioporen) in Folge von prĂ€ferenzieller Verlagerung und Stabilisierungsprozessen mit organischer Bodensubstanz (OBS) angereichert sein. Menge, Verteilung und Zusammensetzung der OBS beeinflussen ĂŒber die physiko-chemischen OberflĂ€cheneigenschaften der Makroporen den prĂ€ferenziellen Transport und den Massentransfer zwischen FlieĂweg und Bodenmatrix. DarĂŒber hinaus fĂŒhrt eine rĂ€umlich diskrete Verteilung von OBS auf OberflĂ€chen von Makroporen zu - in Unterböden wenig erforschten - âhot spotsâ mit erhöhten Umsatzraten. Die Analyse der OBS-Zusammensetzung gestattet auĂerdem RĂŒckschlĂŒsse 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-OberflĂ€chen 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. FĂŒr 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 PorenfĂŒllungen. Die Kombination von 2D- und 3D-Daten zeigte Unterschiede in der rĂ€umlichen Verteilung von Corg bzw. OBS sowie von BN+NA in AbhĂ€ngigkeit der Makroporen-Typen und Standorte bzw. bodenbildenden Substrate. Die Ergebnisse tragen zur genaueren Beschreibung von Stoffumsetzungsprozessen und Stofftransporten in strukturierten Unterböden bei und ermöglichen darĂŒber hinaus SchlĂŒsse auf die Genese von Bt-Horizonten in Parabraunerden