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Multiscale analysis of dust emissions from agricultural soils in La Pampa, Argentina

Applicant Dr. Roger Funk
Subject Area Soil Sciences
Term from 2015 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 262628189
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Das Ziel des Projektes bestand darin, Feinstaubemissionen von landwirtschaftlich genutzten Böden detaillierter als bisher zu beschreiben. Obwohl Winderosion einen wichtigen Prozess der Bodenbildung als auch der Zerstörung von Böden in den ariden und semiariden Gebieten der Welt darstellt, sind Feldexperimente zur Ermittlung von Ursachen und Wirkungen relativ rar. Dabei beeinflussen die damit verbundenen Staubemissionen die physikalischen und chemischen Prozesse in der Atmosphäre wesentlich stärker als Wüstenstaub, wirken sich negativ auf die Luftqualität benachbarter Siedlungen aus, und beeinträchtigen weit entfernte Ökosysteme durch den Eintrag von Nährstoffen oder Pflanzenschutzmitteln. Frühere Messkampagnen waren eher auf eine Quantifizierung der Bodenverluste fixiert, inzwischen stehen aber verstärkt die qualitativen Aspekte der Staubemissionen im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. In unseren Feldversuchen konnten wir die starke räumliche Heterogenität der Prozesse nachweisen. Abtrags- und Depositionsbereiche liegen unmittelbar nebeneinander, nur durch geringfügige Höhenunterschiede gekennzeichnet. In deren Ergebnis kommt es zu einer Zunahme der Bodenheterogenität, da sich die sandigen Depositionen deutlich vom Ausgangsmaterial unterscheiden. Wir haben dies als Struktur-Prozess-Struktur-Komplex definiert, da sich aus den vorhandenen Strukturen durch den Prozess der Winderosion neue Strukturen entwickeln, die die Ausgangslage stark verändern und zu einer erhöhten Anfälligkeit führen. Neben diesen On-site-Effekten wurden die horizontalen und vertikalen Flüsse von Feinstaub untersucht, welche dem Ferntransport unterliegen. Wir konnten zeigen, dass die Feinstaub-Fraktionen PM10, PM2.5 und PM1.0 sehr unterschiedlich von der Windgeschwindigkeit beeinflusst werden und dass die generelle Ableitbarkeit des Anteils feinerer Fraktionen (PM2.5 und PM1.0) aus der PM10- Fraktion nicht korrekt ist, da das Verhältnis von der Messhöhe und der Windgeschwindigkeit abhängt. Die Windkanaluntersuchungen erbrachten detaillierte Einblicke in die höhenabhängige Sortierung mineralischer und organischer Bestandteile verschiedener Böden während der Winderosion. Neben der partikelgrößenabhängigen Sortierung erfolgt auch eine der chemischen Komponenten, die wir mittels FTIR-Spektroskopie über die funktionellen Gruppen nachweisen konnten. Quartz (Si-O) verbleibt bodennah und auf der Fläche, während die Tonpartikel (O-H) mit dem Feinstaub ausgeweht werden. Über die funktionellen Gruppen der organischen Substanz (C-H, C=O, C=C, C-O) lassen sich Rückschlüsse über den Bindungs- oder Abbauzustand ziehen. So zeigte sich, dass sandige Böden aufgrund der geringen Bindung mit den Staubemissionen besonders frische organische Substanz verlieren, während es bei bindigeren Böden Aggregate sind, die mehr oder wenigen dem Ausgangsboden entsprechen. Bei den Elementen zeigte sich, dass Ca und Mg vorwiegend bodennah im Saltationsmaterial transportiert wird, während C und N sich in der Staubfraktion anreichern. Konzentrationen und Anreicherungen von P wurden in einer extra Studie untersucht. Hier konnte für P ein Anreicherungsfaktor von 5.5 für den Feinstaub nachgewiesen werden, der sich weit verbreiten kann.

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