Quantitative Erfassung und Simulation von Wasserflüssen und Wasseraufnahme im Wurzelraum mittels kombinierter 3D-Bildgebung und 3D-Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rainer Helmig; Professor Dr. Sascha E. Oswald; Dr. Christian Tötzke
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396368046

Die Wasseraufnahme der Wurzel ist abhängig von den hydraulischen Eigenschaften ihrer direkten Bodenumgebung, der Rhizosphäre. Diese wiederum wird durch das komplexe Wechselspiel mit der Wurzel und den assoziierten Mikroorganismen in ihren strukturellen und hydraulischen Eigenschaften modifiziert. Eine Verbesserung der Wurzel-Boden Interaktion stellt einen bedeutsamen Aspekt bei der Produktion von Kulturpflanzen dar und erfordert ein tieferes Verständnis dafür, wie sich die Wechselbeziehung von Boden und Wurzel auf die Wasser- und Nährstoffaufnahme auswirkt. Nichtinvasive Bildgebungsverfahren können experimentellen Zugang zur Rhizosphäre verschaffen, während der Einsatz moderner Modellierungsverfahren die Berechnung dreidimensionaler Transportvorgänge ermöglicht. Die Kombination beider Ansätze wird heute als Schlüssel für das Verständnis der komplexen und dynamischen Wurzel-Boden Interaktion betrachtet. Ziel dieses Projektes ist die Erfassung komplementärer 3D-Bildinformation über Wurzelarchitektur, dynamischer Wasserverteilung und Mikrostruktur der Rhizosphäre sowie die anschließende Integration in ein 3D-Transportmodell, welches die Wasserflüsse durch die Rhizosphäre inklusive der Wasseraufnahme detailliert beschreibt. Der Einsatz eines neuartigen ultraschnellen Neutronentomographie-Verfahrens erlaubt es, Wasserflüsse im Boden und in die Wurzel zeitaufgelöst in 3D zu erfassen, was bislang technisch nur in 2D möglich war. Des Weiteren werden wurzelinduzierte Veränderungen der hydraulischen Bodeneigenschaft in unmittelbarer Wurzelnähe mit Hilfe eines speziellen hochauflösenden Neutronendetektorsystems untersucht. So ist es möglich, den Einfluss von Wurzelexudaten auf die Wassergradienten an der Wurzel-Boden-Grenzfläche mit stark verbesserter Ortsauflösung zu analysieren. Zusätzlich werden 3D Röntgen- und Neutronenmessungen kombiniert, um simultanen Zugang zu Wurzelarchitektur, Wasserverteilung und Mikrostruktur des Bodens zu erlangen. Dabei wird das hydraulische Verhalten der Rhizosphäre mit den beobachteten Besonderheiten der Mikrostruktur des Bodens in Beziehung gesetzt. Die Ergebnisse der Bildgebungsexperimente einschließlich der 3D Wurzelgeometrie werden in das numerische Transportmodell DuMux transferiert, wodurch das Modell direkt mit realen Wassergehaltsdaten verglichen werden kann und andererseits die berechneten Wasserflüsse und Wurzelaufnahmen eine vollständigere Interpretation der 3D-Experimente erlauben. Zusammengefasst bedeutet dies, dass wir zeitaufgelöste 3D-Information für ein komplettes, im Boden gewachsenes Wurzelsystems direkt in ein transientes 3D-Simulationsmodell überführen, welches den Wassertransport im Boden, die Aufnahme durch die Wurzel sowie den Transport innerhalb der Wurzel berechnet. Dieser anspruchsvolle Ansatz berücksichtigt erstmals umfassend die dynamische und dreidimensionale hydraulische Natur der Rhizosphäre und ist ein dringend notwendiger Schritt zum tieferen Verständnis der Boden-Wurzel-Interaktion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Nikolay Kardjilov; Dr. Ingo Manke