Messsystem zur feldskaligen Bestimmung der Gasdiffusivität im Boden - PedoDiff

• Antragsteller: Dr. Detlef Lazik; Professor Dr. Stephan Peth, seit 6/2023
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470880829

Böden spielen im globalen Kreislauf von Treibhausgasen eine wesentliche Rolle. Der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre ist dabei von zentraler Bedeutung, aber in seiner räumlichen und zeitlichen Dynamik noch nicht hinreichend verstanden. Für die Messung der Gaskonzentration und die Bestimmung der Diffusivität von Böden (Ds) existieren etliche, kleinskalige Labor- und Feldmethoden. Aufgrund der räumlichen Heterogenität und der zeitlichen Dynamik der Bodenstruktur ist es aber kaum möglich, die Ergebnisse auf den Feldmaßstab zu übertragen. Zentraler Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung eines Systems zur Messung der Gasdiffusivität (PeDiM) in landwirtschaftlich genutzten Böden, das über lokale Heterogenitäten mittelt und Ds auf der Feldskala misst. Es wurde bereits gezeigt, dass Gaskonzentrationen in porösen Medien mittels schlauchförmiger, nichtporöser, gasselektiver Membranen gemessen werden können. Das zugrundeliegende Messprinzip beruht dabei auf der selektiven Diffusion einzelner Gaskomponenten der Bodenluft in eine Anordnung von Membranschläuchen, die in definierter Länge im Boden verlegt werden. Unser Projekt baut hierauf auf und ein in-situ Mess- und Monitoringsystem für Ds wird entwickelt. Folgende Schritte sind vorgesehen: i) Das neu entwickelte Messprinzip wird für die quasi-kontinuierliche Bestimmung von Ds für einen PeDiM-Prototypen im Labormaßstab umgesetzt. ii) Für einen präzisen Einbau des Messsystems im Feld wird ein Installationsgerät entwickelt, das Störungen des Bodens auf ein Minimum reduziert. iii) Der PeDiM-Prototyp wird in 2D- und 3D-Mesokosmen mit unterschiedlichen Substraten unter kontrollierten Bedingungen getestet. Parallele Ds-Messungen mit etablierten Messverfahren erlauben dabei die PeDiM-Konfiguration zu optimieren. vi) Optimierte PeDiM-Messysteme werden in einem Ackerboden eingebaut und Ds im Oberboden in einem mehrmonatigen Feldversuch gemessen. Die Ergebnisse werden im Zusammenhang mit wetterabhängigen Wassergehaltsänderungen und dynamischen Veränderungen der Bodenstruktur interpretiert. Der direkte Vergleich mit etablierten, kleinskaligen Labor- und Profilmessmethoden erlaubt Skaleneffekte experimentell zu untersuchen und nachzuweisen.Im Erfolgsfall steht ein innovatives, für die Langzeitbeobachtung ausgelegtes Mess- und Monitoringsystem zur Verfügung, das es zum ersten Mal erlaubt, quasi-kontinuierlich Ds im Feldmaßstab zu messen. Damit wird eine für Transportprozesse wesentliche Größe in Abhängigkeit atmosphärischer Randbedingungen auf einer Skala erfasst, die für die Interaktion von Boden und Atmosphäre relevant ist. Interessant für insbesondere landwirtschaftlich genutzte Böden ist dabei der völlig neue Zugang zur Beurteilung der zeitlichen Dynamik und Wechselwirkung zwischen Bodenstruktur und Ds. Ein kontinuierliches Monitoring von Ds erlaubt außerdem eine Kopplung von Treibhausgasemissionen mit Umsatzprozessen in Böden, was schließlich die Entwicklung von prognosefähigen Modellen unterstützt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jürgen Böttcher
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Nina Stoppe-Struck, bis 6/2023