Quantification of small-scale physicochemical and microbiological properties of intact macropore surfaces in structured soils
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die quantitative Beschreibung der kleinräumigen physiko-chemischen (1-1) und mikrobiologischen (1-2) Eigenschaften von intakten Gefüge- und Fließwegoberflächen in Bt-Horizonten von Parabraunerden aus Löss und Geschiebemergel. 1. Die Quantifizierung der flächenhaften Verteilung von Corg-Gehalten und Kationenaustauschkapazität (KAK) auf Gefügeoberflächen erfolgte mit Hilfe von DRIFT Spektroskopie bzw. DRIFT Mapping sowie durch Kalibrierung dieser Spektren mit ergänzenden Messungen am Material abgeschälter Kutane. Die Verteilung hoher Corg-Gehalte und KAK korrespondiert mit der Verbreitung von organo-mineralischen Kutanen (‚Tonhäutchen‘) und Porenverfüllungen (‚Pinholes‘), und ist damit Gefügetyp-spezifisch. Die erhaltenen Daten wurden als Grundlage für eine Volumen-bezogene Quantifizierung von Corg und KAK für Bt-Horizonte verwendet. 2. Weitere Eigenschaften der OBS auf Gefügeoberflächen wurden durch die Kombination von DRIFT Spektroskopie und Py-FIMS Daten charakterisiert. Das Auffinden von Black Carbon ähnlichen, stabilen OBS Komponenten in Rissen-Kutanen und Pinholes war unerwartet und deutet auf eine Differenzierung des Stofftransportes als der Stoffumsatzprozesse zwischen Bioporen und Rissen in strukturierten Böden hin. 3. Die Tonminerale von intakten Gefügeoberflächen wurden mit Röntgen-Diffraktometrie grundsätzlich charakterisiert, allerdings ließen sich keine Gefügetyp-spezifischen Unterschiede in der Zusammensetzung belegen. 4. Große, für den präferenziellen Fluss besonders relevante Makroporen wurden mit Hilfe von Röntgen-Computertomographie und Farbtracer-Verlagerungsexperimenten charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede zwischen Löss-Bt und Geschiebemergel-Bt hinsichtlich der Zusammensetzung und Größenverteilung der Makroporen. Aufgrund von technischen Problemen (Software, Zeitressourcen von Kooperationspartnern) verzögerten sich die Arbeiten. 5. Nach Lösung dieser Probleme wurde zunächst die Methodik zur Differenzierung von Makroporentypen anhand ihrer Poren-Geometrien erarbeitet. Auf dieser Grundlage und unter Verwendung von XRCT-Daten großer Bodenzylinder sowie der Arbeiten zur zweidimensionalen (flächenbezogenen) Corg- und KAK-Verteilung wurden die Corg- und KAK-Werte für Bodenvolumina quantifiziert. Hierbei konnten Makroporentypspezifische und Makroporengrößen-abhängige Effekte gezeigt werden. 6. Für die Abschätzung der Relevanz von präferenziellen Fließwegen bezüglich Stoffverlagerungsund Umsetzungsprozessen unter Feldbedingungen wurden Tracer-Versuche durchgeführt. Diese zeigten Standort-, Tracer- und Makroporentyp-spezifische Unterschiede hinsichtlich Verlagerung und Sorption. 7. Für die Flächen- und Volumen-bezogene Quantifizierung physiko-chemischer Eigenschaften mussten Standard-Methoden entwickelt werden. Dies betraf in erster Linie die Anpassung auf kleine Probenvolumina und Verfahren zur Abschätzung und Verringerung spektraler Störungen. 8. Mikrobielle Eigenschaften von Gefügeoberflächen wurden mit Standard-Enzymtests und PLFA-Analysen sowie mit Zymografie beschrieben. Hierbei zeigten sich Standort- und Gefügetypspezifische Unterschiede in Enzymaktivitäten und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften. Entgegen der ursprünglichen Planung konnte die Zymographie-Technik nicht auf intakten Gefügeoberflächen angewendet werden, da sich die Oberflächenrauigkeit als zu groß und technisch nicht beherrschbar erwies. Alternativ erfolgten Messungen an großen Bodenzylindern, die eine Vielzahl von Makroporen umfassten. Allerdings konnten nur wenige Makroporen als ‚hot spots‘ identifiziert werden.
Publications
- 2015. Droplet infiltration and organic matter composition of intact crack and biopore surfaces from clay-illuvial horizons. J. Plant Nutr. Soil Sci. 178:250–260
Leue, M., Gerke, H.H., Godow, S.C.
(See online at https://doi.org/10.1002/jpln.201400209) - 2016. Analyzing organic matter composition at intact biopore and crack surfaces by combining DRIFT spectroscopy and Pyrolysis-Field Ionization Mass Spectrometry. J. Plant Nutr. Soil Sci. 179:5–17
Leue, M., Eckhardt, K.-U., Ellerbrock, R.H., Gerke, H.H., Leinweber, P.
(See online at https://doi.org/10.1002/jpln.201400620) - 2016. Roughness of biopores and cracks in Bt-horizons assessed by confocal laser scanning microscopy. J. Plant Nutr. Soil Sci., 179:529–536
Leue, M. & Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1002/jpln.201600016) - 2017. Spatial distribution of Organic Matter Compounds at Intact Macropore Surfaces Predicted by DRIFT Spectroscopy. Vadose Zone Journal 16 (9)
Leue, M., Eckhardt, K.-U., Gerke, H.H., Ellerbrock, R.H., Leinweber, P.
(See online at https://doi.org/10.2136/vzj2017.05.0111) - 2018. Coupling of interfacial soil properties and bio-hydrological processes: The Flow Cell Concept. Ecohydrology
Krueger, J., Heitkötter, J., Leue, M., Schlüter, S., Vogel, H.-J., Marschner, B., Bachmann, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/eco.2024) - 2018. Two-dimensional distribution of soil organic carbon at intact macropore surfaces in Bt-horizons. Soil Till. Res. 176:1–9
Leue, M., Wohld, A., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.still.2017.10.002) - 2019. Determining mm-scale maps of cation exchange capacity at macropore surfaces in Bt-horizons. Vadose Zone J
Leue, M., Beck-Broichsitter, S., Felde, V.J.M.N.L., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.2136/vzj2018.08.0162) - 2019. Separation of soil macropore types in 3D X-ray CT-images based on pore geometry characteristics. Vadose Zone J
Leue, M., Uteau-Puschmann, D., Peth, S., Nellesen, J., Kodešová, R., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.2136/vzj2018.09.0170)
