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 (σpc), 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: σpc, Cc and Cs were significantly higher in loam as compared to sand, whereas the factor genotype proved to be negligible. Over time, σpc 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 (Ψm) 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 (“hydrogels”) 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 1H‑NMR 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 für die landwirtschaftliche Produktion im ländlich-urbanen Raum von Bangalore/Indien. Im Zuge der Urbanisierung ist dort mit einem Wandel hin zu leistungsfähigeren landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsweisen (intensivere Bewässerung, verstärkter Düngemitteleinsatz) zu rechnen, der die bereits knappen Boden- und Wasserressourcen in Zukunft zunehmend belastet. Dieser Konflikt erfordert konservierende Bewirtschaftungsmaßnahmen, z.B. die Implementierung von effizienteren Bewässerungstechniken 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 räumlich-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 Stabilitätskenngrößen zur Beurteilung der Bodenstruktur und Durchwurzelbarkeit, sowie in-situ Wasser- und Wärmeflüsse durch den Aufbau eines Bodenmonitorings gemessen. Entlang des RUI wird in Zusammenarbeit mit Projektpartnern anhand ausgewählter Farmen untersucht wie sich der Bodenwasserhaushalt und der daran gekoppelte Ertrag bei verschiedenen Bewirtschaftungsvarianten (bewässert vs. unbewässert kombiniert mit Monokultur vs. Polykultur) in den verschiedenen Stadien der Urbanisierung bei gleichzeitiger Betrachtung der Nutzungseffizienz der eingesetzten Ressourcen entwickelt. Darüberhinaus wird mit einem mehrfaktoriellen Feldversuch auf der Forschungsstation der UAS die Wassernutzungseffizienz bei einem bewässerten und unbewässerten Anbausysteme mit unterschiedlichen Stickstoffgaben untersucht. Dazu wird mit Hilfe bodenphysikalischer Kenngrößen und der in-situ Monitoringdaten zum Wasser- und Wärmehaushalt ein Wasserhaushaltsmodell (HYDRUS) parametrisiert/validiert und für verschiedene Szenario-Analysen genutzt. In dem Posterbeitrag soll das Projekt vorgestellt und erste Ergebnisse präsentiert werden

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

Bodenmechanische Untersuchungen von Rückegassen in mit Fichten bestockten Forstökosystemen zur Einschätzung der Befahrbarkeit

Durch immer leistungsfähigere Holzrücke- und Erntemaschinen ist mit zunehmenden Belastungen von Böden innerhalb von Rückegassen zu rechnen. Die Kombination aus maschinenspezifischen Parametern (Häufigkeit der Überfahrten, Radlast, Kontaktfläche, Kontaktflächendruck und Triebradschlupf) beeinflussen zweierlei Aspekte. Einerseits kommt es zur Spurbildung, andererseits werden die Bodenstabilität und Bodenfunktionen des Ober- und Unterbodens stark verändert und dadurch die Befahrbarkeit von Rückegassen beeinträchtigt. Bodeneigenschaften und Fahrzeugkonfiguration bestimmen maßgeblich die Bodenbelastung und deren Auswirkungen auf die Funktionalität und Befahrbarkeit des Bodens. Auf einer mit Fichten bestockten Versuchsfläche (Parabraunerde aus Löß) bei Ebergötzen (Niedersachsen) wurden Befahrungsversuche mit einem Forwarder (Rottne F14 8WD) mit unterschiedlichen Maschinenkonfigurationen (Reifen, Traktionsbänder) und einer maximalen Beladung von 32,2 Mg durchgeführt. Bei Bodenwassergehalten nahe Feldkapazität wurden bestehende Rückegassen 1-, 4- und 8-fach sowie mit 20 % simuliertem Schlupf (Seilwinde) 4-fach überfahren. Es soll untersucht werden, ob Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften des Mineralbodens, insbesondere der Vorbelastung und der Scherparameter nach den Befahrungen auftreten und mit der Anzahl an Überfahrten korrelieren. Hierzu wurden ungestörte Bodenproben (236 cm³) aus 6-10 cm und 30-34 cm Tiefe entnommen und im Labor mit Ödometern und im direkten Scherversuch untersucht. Zusätzlich wurden in-situ Messungen des Mineralbodens mit einem leichten Scherflügel und einem Penetrologger durchgeführt. Erste Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung der Vorbelastung im Mineralboden von alten Rückegassen gegenüber unbefahrenem Mineralboden. Außerdem verringert sich die Luftleitfähigkeit erheblich. Die in-situ Messungen zeigen eine gute Anwendbarkeit zur Charakterisierung des Belastungszustands des Mineralbodens. Die bisher gewonnenen Ergebnisse und Kenntnisse über die Charakteristik von mechanisch unbelastetem Bodenmaterial und (mehrfach) mechanisch beanspruchtem Mineralboden werden gegenübergestellt 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, $M_{20}$, multi-mode, intensity and deviation) measured at rest-frame $B$-band (corresponding to HST/WFC3 F125W at 1.4 $10^{10} M_{\odot}$) 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 $\sim$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