Dusty-Gas-Modell und gelöster Gastrans­port bei zunehmender Wassersättigung: Indikatorwert der simulierten Bodenatmo­sphäre

Im Falle nicht-äquimolarer Gasflüsse oder ge­ringer Luftporenvolumina, wie sie typischer­weise in Böden nahe der Wassersättigung auftreten, erlaubt das Fick'sche Gesetz oft­mals keine adäquate Modellierung des Ga­stransportes. Das Dusty-Gas-Modell bildet die im Gasraum ablaufenden Prozesse der molekularen Diffusion, der Advektion und des Knudsen-Übergangsregimes umfassend ab. Unberücksichtigt bleibt jedoch der parallele Diffusionspfad durch das Bodenwasser. Des­sen Bedeutung haben wir für eine Multikom­ponentenatmosphäre durch eine Kombination des Dusty-Gas-Modell mit einem additiven Diffusionsterm in der wässrigen Phase für ein geometrisches Porenmodell quantifiziert. Ex­emplarische Modellierungen zeigen, dass in Bodenkompartimenten nahe der Wassersätti­gung sogar die einfache äquimolare Respira­tion zur erheblichen relativen Anreicherung von Inertgaskomponenten führen kann. We­gen des umfangreichen Parameterbedarfs er­scheint jedoch auch für die Zukunft eine Mo­dellierung konkreter Bodensituationen proble­matisch. Realistischer erscheint ein Monte-Carlo Ansatz um typische Konstellationen und ihr Signal in der Bodenatmosphäre zu identifizieren

2-dimensionale Muster des Gasdiffusionskoeffizienten, der CH4-Konsumption und der CO2 Produktion in einem Waldbodenprofil während einer niederschlagsfreien Phase

Diffusion stellt den dominierenden Gastransportprozess im Boden dar. Der Gasdiffusionskoeffizient im Boden (DS) ist ein wichtiger Parameter für die Belüftung des Bodens, und damit auch für das Wurzelwachstum und weitere mikrobielle Prozesse wie z. Bsp. die Methanoxidation. Bei Studien der Bodengasflüsse mit der Gradienten-Fluss-Methode wird allgemein die horizontale Homogenität des Bodens inklusive des DS angenommen. Diese Annahme trifft allerdings selbst in scheinbar homogenen Böden nicht zu. Räumliche Verteilungsmuster der Gasdiffusionskoeffizienten wurden bisher aber nur mit destruktiven Methoden untersucht. Wir entwickelten eine neue in situ Methode zur Bestimmung des 2-dimensionalen DS-Musters im Boden. Hierzu wurden 3 Tracer-Gase (SF6, CF4, C2H6) kontinuierlich an drei verschiedenen Stellen im Unterboden eingespeist und an den darüber liegenden Messstellen erfasst. Das 2 D Muster des DS zwischen den Messpunkten wurde durch inverse Modellierung mit einem Finite-Elemente-Programm (COMSOL) abgeleitet, und zeigte, dass die Annahme eines horizontal homogenen Bodenprofils auf diese Größenskala (~1m) nicht zulässig ist. Durch die simultane Messung der natürlichen CH4 Konzentration an den Messstellen war es in einem weiteren Schritt möglich, die CH4 Oxidation räumlich aufgelöst zu quantifizieren. Hierbei zeigte sich, dass die Aktivität methanotropher Organismen im Oberboden am höchsten ist, jedoch auch eine starke horizontale Variabilität aufweist. Über den Zeitraum der Untersuchung zeigte sich dass der Gasdiffusionskoeffizient und die Methanoxidationsraten im Boden mit dem Absinken der Bodenfeuchte anstiegen, und auch tiefere Bodenschichten mit der Zeit zur Methankonsumption beitrugen. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung von 2-dimensionalen DS-Mustern im Boden stellt somit eine Grundlage für das bessere Verständnis von räumlich variablen Gasumsatz- Prozessen im Boden dar

Mikrodialyse zur Messung des diffusiv verfügbaren Phosphats

Da die Verfügbarkeit von P hauptsächlich durch die Fixierung limitiert wird, findet man Phosphat in der Bodenlösung meist nur in sehr geringen Konzentrationen. Eine Strategie der Pflanzen könnte es daher sein, organische Säuren wie Citrat abzugeben um Phosphat zu desorbieren. Inwieweit eine solche Mobilisierungsstrategie funktioniert, ist jedoch entscheidend davon abhängig wie P in Abhängigkeit von der Bodenstruktur verteilt ist. Eine Methode, die kleinräumige Messungen ermöglicht und die natürliche Bodenstruktur nur minimal beeinflusst, ist die Mikrodialyse, eine etablierte Methode aus der Pharmakokinetik. Sie basiert auf einem diffusiven Stofffluss durch eine semipermeable Membran. Durch ihre miniaturisierte Bauweise wird auch der Chemismus der Bodenlösung nur kleinsträumig beeinflusst. Existierende Studien zur Mikrodialyse in Böden beschränken sich auf Stickstoffspezies und Schwermetalle. Theorie und erste experimentelle Erfahrungen zur Mikrodialyse im Bezug auf Boden-P stellen wir hier vor. Trotz erheblicher methodischer Herausforderungen durch sehr geringe Konzentrationen im Dialysat, kleine Probevolumina oder Interaktion zwischen Bodenlösung und Membran, erweist sich die Mikrodialyse auch für Phosphat als wertvolle komplementäre Methode zur Aufklärung von Prozessen der Nährstoffnachlieferung und -verfügbarkeit. So erlaubt das Verfahren bei Anwendung einer verlängerten Dialysezeit erstmals auch die Quantifizierung der diffusiven Nachlieferung. Die Messungen wurden dabei mit einem finite Differenzen Diffusionsmodell auf Plausibilität überprüft. Außerdem erlaubt die Mikrodialyse mittels Retrodiffusion auch die Abgabe von Stoffen an die Bodenlösung und damit die modellhafte Simulation von Rhizosphärenprozessen. So konnte durch Retrodiffusion von Citrat die Nachlieferung von Phosphat erhöht werden. Abschließend wird diskutiert, inwieweit für Mikrodialyse von Phosphat ein standardisiertes Messprotokoll entwickelt werden kann

Gasdiffusion in Böden: Bedeutung räumlicher Variabilität und Anisotropie

In Gashaushaltsmodellen stammen die verwendeten Werte für die Gasdurchlässigkeit meist von gemittelten Messwerten oder aus empirischen Transferfunktionen. Reale Böden können jedoch eine Anisotropie sowie eine deutliche räumliche Heterogenität aufweisen. Inwiefern die Berücksichtigung dieser Eigenschaften in einem zweidimensionalen Modell zur Berechnung einer stationäre Gleichgewichtseinstellung für die Sauerstoffverteilung unter verdichteten Fahrspur-bereichen die Ergebnisse beeinflusst und welche Schlussfolgerungen sich hieraus ableiten lassen, soll anhand einiger Beispiele gezeigt werden

3-D-Rekonstruktion der Wurzelraumbelüftung von Eichen: Nachweis und Wirkung anisotroper Gasdiffusionskoeffizienten

Für eine modellhafte Rekonstruktion der Wurzelraumbelüftung mittels Gasdiffussionskoeffizienten als Kenngröße der Bodenstruktur ist ein Aspekt die Klärung anisotroper Muster, da diese eine erhebliche Relevanz auf die Gasflüsse hätten. Bei einem Vergleich der Luftkapazität sowie der relativen Gasdiffusivitäten (Ds/D0) bei pF 1,8 von vertikal und horizontal entnommenen Stechzylindern weisen die Messwerte in allen Tiefenstufen eine Anisotropie des Ds/D0 um mindestens den Faktor 2 auf. Da dieser Effekte sowohl im Oberboden als auch im Unterboden auftritt, kann dies als unabhängiges, universelles Phänomen angesehen werden

Verfälschung von Bodenrespirationsmessungen durch CO2-Vorratsänderungen: Ausmaß und Faktoren

Die mit Kammermethoden gemessene CO2 Emissionen entsprechen der aktuellen Bodenrespiration nur unter der Prämisse eines gleichbleibenden CO2 Vorrats im Bodenporenvolumen. Inwiefern diese Annahme eine stationärenCO2 Speichers gerechtfertigt ist wurde am Beispiel eines gut belüfteten kalkhaltigen Boden mit tief liegendem Grundwasserspiegel untersucht. Während 6 Monaten wurden Profile der CO2 Konzentration und der Bodenfeuchte sowie ein umfangreicher meteorologischer Datensatz zeitlich hochaufgelöst erfasst. Als Faktoren, die zu starken Vorratsänderungen führten, konnten Grundwasserstandsänderungen, starke Turbulenzen und Niederschläge identifiziert werden. Die CO2 Vorratsänderungsrate betrug in ca. 20% der Zeit mehr als 15% der modellierten Respiration, in Einzelfällen erreichte sie 50% der erwartbaren Respiration und ist somit nicht vernachlässigbar

Die Bodenlösung – Monitor für den Boden oder für die Methode ihrer Gewinnung?

Die mit 5 verschiedenen Gewinnungsmethoden (Saugkerze, D-Lösung, Gleichgewichts-Bodenlösung, 1:2 Extrakt und Gleichgewichts-Bodenporenlösung) an 10 Waldstandorten in Deutschland erhaltenen Bodenlösungen zeigen in den meisten Fällen eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung. Als Hypothesen zur Erklärung der Unterschiede werden die Zugabe von Wasser, unterschiedliche Störung der Bodenstruktur und verschiedene Wasserspannung der gewonnenen Lösung geprüft. Allerdings wirken sich diese methodischen Unterschiede auf die einzelnen Inhaltsstoffe und an den einzelnen Standorten unterschiedlich aus. In einigen Fällen können die Unterschiede nicht interpretiert werden

Ungleichgewichte der CO2 Verteilung in Bodenaggregaten: Quantifizierung und ökologische Bedeutung

In carbonatischen und mäßig sauren silikatischen Böden wird der Ionengehalt des Bodenwassers maßgeblich durch den CO2 Partialdruck (pCO2) beeinflusst. Deshalb ist die kleinräumige Verteilung von CO2 bei der Interpretation der Bodenlösungschemie von besonderem Interesse. Mit einem trimodalen Gasdiffusionsmodell, bestehend aus luftgefüllten Makroporen sowie luft- und wassergefüllten Intraaggregatporen wird gezeigt, dass der maximale pCO2 in einem aeroben Bodenaggregat den pCO2 in der umgebenden Makropore um höchstens 1 kPa übertreffen dürfte. Die Überprüfung dieser Annahmen durch punktförmige Messung von pCO2 in Bodenaggregaten ist problematisch. Die über das H2O-CaCO3-CO2 Gleichgewichtsmodell abgeschätzten pCO2 Werte in einem carbonatischen Boden lagen größtenteils in dem vom Modell vorhergesagten Bereich

Gastransport im Wurzelraum als 3-D-Phänomen: Eine Fallstudie zur Wurzelverteilung von Eichen

Es ist bekannt, dass ein durch Bodenverdichtung- und verformung gestörter Waldboden geringere Feinwurzeldichten als ein vergleichbarer, aber ungestörter Boden aufweist (Gaertig et al., 2002). Die genauen belüftungsrelevanten Parameter und deren Zusammenspiel sind bislang jedoch nicht eingehend auf kleinräumiger Ebene untersucht worden. Ein 3D- Modell für die Identifizierung und Bewertung der möglichen Belüftungswege zu den Wurzeln und der Zusammenhänge mit anderen Parametern wie z.B. Gasverbrauch und -produktion befindet sich noch in der Entwicklung. Eine vereinfachte 1D-Betrachtungsweise gibt jedoch schon erste Hinweise: Sowohl die lokale Trockenraum-dichte als auch der durchschnittliche vertikale Belüftungsweg sind in einer bestimmten Bodentiefe mit der Feinwurzel-dichte korreliert. Der Einfluss der Durchlässigkeit des Oberbodens allein stellt sich dagegen als geringer dar