Neue Konzepte zur Erfassung des Bodenstrukturumsatzes mittels Strukturmarkierung und der Erfassung biochemischer Gradienten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Eva Lehndorff; Professor Dr. Robert Mikutta; Dr. Steffen Schlüter
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416883305

Bodenstruktur ist Ausdruck zahlreicher Interaktionen zwischen biotischen und abiotischen Einflussgrößen. Sie steuert viele Bodenfunktionen wie Stoffumsatz, Wasserretention und Biomasseproduktion. Bodenstruktur trägt dazu bei, dass organische Bodensubstanz vor mikrobiellem Abbau geschützt wird. Sie ist somit eine wichtige Steuergröße im globalen Kohlenstoffkreislauf. Bodenstruktur wird oft als statisch angesehen, ändert sich jedoch durch Bioturbation, Trocken-/Feuchtezyklen, Frost-/Tauzyklen und Bodenbearbeitung. Die Entwicklung von Konzepten den Kohlenstoffumsatz mit Bodenstrukturumsatz zu verknüpfen steht jedoch noch am Anfang, hauptsächlich weil geeignete Methoden zur Abschätzung von Strukturumsatzraten fehlen. Hauptziel dieses Projekts ist mittels neuer konzeptioneller Ansätze den Bodenstrukturumsatz unter natürlichen Bedingungen zu messen. Der erste Ansatz basiert auf der Markierung der Bodenstruktur. Bodenaggregate werden mit kleinen, inerten Granatpartikeln umhüllt, deren Umlagerung mittels Röntgen-Mikrotomographie (µCT) untersucht wird. Die Geschwindigkeit mit der eine Randomisierung hinsichtlich Partikel‒Poren-Distanzen erreicht wird, wird als Umsatzrate interpretiert. Der zweite Ansatz basiert auf der Erfassung mikroskaliger biochemischer Gradienten. Deren Ausbildung ist nur möglich, wenn die Bodenstrukturumsatz langsam ist. Schneller Strukturumsatz führt hingegen zur stetigen Neuausformung von Diffusionsmustern und Umverteilung von Bodenbestandteilen, was die Bildung biogeochemischer Gradienten verhindert. In diesem Projekt wird ausschließlich mit Bildgebungsverfahren gearbeitet, die einen umfassenden Blick auf die ungestörte Bodenstruktur ermöglichen. Zweidimensionale, mikroskopische und mikrospektroskopische Information (XPS, SEM-EDS, LA-IRMS) werden mit der drei-dimensionalen, physikalischen Struktur durch 2D-3D Bildregistrierung verschnitten. Dadurch lassen sich tatsächliche 3D-Diffusionspfade mit kleinräumigen Gradienten von Elementverhältnissen sowie Oxidationsstufen und Isotopenverhältnisse des Kohlenstoffs verknüpfen. Die Untersuchungen umfassen Labor- und Feldexperimente, die so gestaltet sind, dass abiotische (Austrocknung, Frost) von biotischen Einflüssen (mikrobielle Aktivität) auf den Strukturumsatz unabhängig voneinander untersuchen können. Langzeit-Vegetationswechselversuche mit bekannten Kohlenstoffumsatzenraten werden untersucht, um so den Strukturumsatz anhand der Ausprägung biochemischer Gradienten abzuschätzen. Wir versprechen uns von diesem Projekt neue Erkenntnisse bezüglich der Mechanismen natürlicher Bodenstrukturentwicklung, der sich aus ihr ergebenden Veränderungen von Porenraum und biochemischen Gradienten sowie ihrer Wechselwirkung mit dem Kohlenstoffkreislauf.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Klaus Kaiser; Professor Dr. Hans-Jörg Vogel