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

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

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

The effect of extracellular sugars extraction on the 3D-structure of biological soil crusts from different ecosystems

Biological soil crusts (BSCs) play important roles in the hydrological cycles of many different ecosystems around the world. In arid and semi-arid regions, they alter the availability and redistribution of water. Especially in early successional stage BSCs, this feature can be attributed to the presence and characteristics of extracellular polymeric substances (EPS) that are excreted by the crusts’ organisms. In a previous study, the extraction of EPS from BSCs of the SW United States lead to a significant change in their hydrological behavior, namely the sorptivity of water (Rossi et al. 2012). This was concluded to be the effect of a change in the pore structure of these crusts, which is why in this work we investigated the effect of the EPS-extraction on soil structure using 3D-computed micro-tomography (μCT). We studied different types of BSCs from Svalbard, Germany, Israel and South Africa with varying grain sizes and species compositions (from green algae to light and dark cyanobacterial crusts with and without lichens and/or mosses). Unlike other EPS-extraction methods, the one utilized here is aimed at removing the extracellular matrix from crust samples whilst acting non-destructively (Rossi et al. 2012). For every crust sample, we physically cut out a small piece (1cm) from a larger sample contained in Petri dish, and scanned it in a CT at a high resolution (voxel edge length: 7μm). After putting it back in the dish, approximately in the same former position, it was treated for EPS-extraction and then removed and scanned again in order to check for a possible effect of the EPS-extraction. Our results show that the utilized EPS-extraction method had varying extraction efficiencies: while in some cases the amount removed was barely significant, in other cases up to 50% of the total content was recovered. Notwithstanding, no difference in soil micro-structure could be detected, neither in total porosity, nor in the distribution of pore sizes, the tortuosity or the relationship of tortuosity vs. length of the pores. Although most of the variables we investigated showed a high variation, some of which likely due to slight changes in orientation of the scanned crust piece between the two scans (or the loss of large grains or micro-aggregates), our method was able to detect differences between the four different crusts, proving that it is suited for the investigation of the structure. Also the visual comparison of the crust before and after the treatment revealed no distinct patterns of change in the structure of the crusts. This leads us to conclude that the change in sorptivity is related more to a change of the physico-chemical properties (namely the hydrophobicity) of the very surface of the crust, rather than a change of the inner structure

The effect of extracellular sugars extraction on the 3D-structure of biological soil crusts from different ecosystems

The effect of extracellular sugars (EPS) extraction on the 3D-structure of biological soil crusts from different ecosystems is discussed, showing that the pores are not affected by the removal of EP