Tropical mountainous environments support smallholder agriculture and other ecosystem services for ca. 70% of the population, mainly due to favourable climatic conditions. Such healthy landscapes are vital in reaching the global sustainable development goals (SDGs) to end poverty (SDG 1), promote sustainable agriculture to achieve food security & improved nutrition (SDG 2) and carbon sequestration (SDG 13). Presently, short-term needs in terms of food security are not fully achieved, partly due to a decline in soil health. In this situation, smallholder farmers have adapted indigenous agroforestry systems on small farms to generate adequate food. Under such adaptive measures, priorities to enhance soil fertility can be a challenging practice. So far, there is a paucity of data on the potential of smallholder indigenous agroforestry systems with respect to soil fertility and carbon stocks. We investigated smallholder farm plots on the footridges of Mt. Kilimanjaro, NE Tanzania with Nitisols developed on volcanic bedrock to improve the knowledge base for management and restoration strategies of indigenous agroforestry systems. We focused on plots with historical cropping multilayer patterns to evaluate their effect on soil health. Four cropping patterns, i.e., old agroforestry (AFO), young agroforestry (AFY), grass fallow (AFG) and short-season monocrop maize (AFM) in the Kihamba agroforestry system were studied. Soil samples were collected from the plots at a depth of 0 - 40 cm for the laboratory. Mean total N, P, % organic C, base cations, acidity and micronutrients were analysed as indicators of soil fertility. Soil C stocks were calculated using C concentrations, soil depth, and bulk density. A one-way ANOVA test was conducted using R software to test the significance between variables. Results show that the highest amount of TN is found under AFO, followed by AFY, AFM and AFG. The amount of base cations, and micronutrients follow the trend AFO>AFY>AFM>AFG. The findings further reveal that there is a significant difference in soil organic C stocks among the cropping patterns. The results show that the agroforestry system has the potential for soil fertility and SOC sequestration. Implications of the results on AGF management and restoration strategies for improved soil health are discussed.

Keywords: Soil Health, Carbon Stocks, Smallholder Agroforestry systems, Mt. Kilimanjaro, Tanzania

In the light of climate changes, soil tillage and nutrient mining as business as usual have resulted in soil organic carbon loss at a rate equivalent to 10 % of the total fossil fuel emissions for Europe as a whole. Therefore, there is an urgent need to have a paradigm shift from extensive to recourse-efficient agriculture that is based on sustainable agricultural practices. Calculations of carbon content within terrestrial ecosystems and changes in carbon accumulation/sequestration as a result of human activities are the first step towards a better presentation of the role of these ecosystems.
Organically farming plot surrounded by a forest was studied for the dynamic of accumulation of organic carbon depending on the distance from the forest line. Sequential soil respiration measurements were performed in order to obtain potentially mineralizable carbon content (PMC) and the rate of mineralization of OC. Samples were taken from the forest soil, 1 m, 5 m and 10 m from the forest line. Amount of PMC was linear to the distance from the forest line. The parameters studied were compared with the plots with conventinal farming. As expected the amount of PMC in the forest soil was the highest (2872.5 mg C per kg soil) with the lowest rate of mineralization, followed by the 1 m, 5 m and 10 m from forest line. While the control plot cultivated as business as usual showed the lowest PMC of 552.7 mg C per kg soil with the highest rate of mineralization. Management practices can either increase or decrease soil organic matter content. Leaving crop residue on the soil surface, reducing or eliminating tillage, using cover crops, or other methods that add organic matter control mineralization/sequestration of SOC.

Formation of soil organic matter (SOM) occurs through input of litter that is partially transformed and translocated by soil (micro)organisms and environmental components (e.g., fire and percolating water). However, it is still unclear how more SOM can be sequestered. We hypothesize that SOM forms at ecosystem scales through pulses and patches of disturbance. Namely, disturbance alters SOM stocks when disrupted components of soil-forming factors—e.g., fauna, trees, deadwood, boulders, canopy gaps, gullies—cause change in inputs, transformation, translocation or losses of SOM to differ. For example, when windthrow induces a pulse of deadwood, SOM stocks increase if rates of deadwood transformation and translocation into soil are higher than CO2 losses to the atmosphere. Resulting patches of SOM persist unless heterotrophs adapt to the new conditions or another disturbance occurs. When soil-forming factors and disturbances move within ecosystems, converging patches of SOM may homogenize most of the original patchiness.

Persistent markers sensitive to biological, resource and environmental disturbances would provide evidence of patchy SOM formation. Promising markers are lignin-derived phenolic compounds due to their ubiquity in litter and soil, differences between plant species and litter type, affinity for various minerals and multiple biotic and abiotic transformation pathways. Lignin-derived phenolic compounds indicate that wood-derived organic matter is bioturbated into mineral soil next to woody debris, and distinct lignin-derived phenolic compounds can indicate whether deadwood underwent white or brown rot. Lignin-derived phenolic compounds of other disturbance and degradation pathways are still unknown. For instance, lignin can be degraded by ultraviolet and visible light, a process known as photo-degradation, the products of which may differ from those of biological degradation. As such, lignin-derived markers could serve as means to evaluate the persistence and resilience of SOM to future disturbance and to elucidate what ecological mechanisms sequester more SOM.

Vor Einführung des Mineraldüngers zu Beginn des 20 Jh. war die Plaggenwirtschaft eine weitverbreitete Bewirtschaftungsform auf sandigen Böden in Nordwesteuropa. Dazu wurden sog. Soden (Teile des Oberbodens einschließlich der oberen Zentimeter des Mineralbodens, der organischen Bodensubstanz (OBS) und lebender Pflanzen) aus naheliegenden Wäldern, Heide- oder Graslandschaften abgestochen und als Einstreu im Stall verwendet. Durch die Mischung mit tierischen Exkrementen entstand ein organischer Dünger, welcher durch Pflügen in den Boden der angrenzenden Felder eingemischt wurde. Der kontinuierliche Materialauftrag führte im Laufe der Jahrhunderte zur Entwicklung eines bis zu 1 m mächtigen „Esch“-Horizontes. Noch heute, mehr als 100 Jahre nach dem Ende der Plaggenwirtschaft, sind diese Böden stark mit OBS angereichert. Der Gehalt an OBS ist in Plaggeneschen bis zu dreimal höher als in vergleichbaren sandigen Böden ohne Plaggenhistorie. Daher sind Plaggenesche zum einen ein wichtiger Speicher von organischem Kohlenstoff und zum anderen zeigen sie das Potential von Böden zur langfristigen Speicherung von organischer Substanz. Aus Inkubationsexperimenten ist bekannt, dass die OBS in Plaggeneschen langsamer zersetzt wird als die von vergleichbaren landwirtschaftlichen Sandböden ohne Plaggenbewirtschaftung. Jedoch ist noch unklar, welche Mechanismen für die hohe Stabilität der OBS in Plaggenböden verantwortlich sind. Eine Hypothese geht davon aus, dass Unterschiede in der Zersetzbarkeit der Ausgangvegetation der verwendeten Plaggen (Heide- oder Grassoden) eine entscheidende Rolle für die Bildung stabiler OBS in Plaggenböden spielt.

Um den Einfluss der Vegetation auf die Bildung von stabiler OBS in Plaggeneschen zu untersuchen, simulierten wir die Entstehung eines Plaggenbodens unter Verwendung von Haferstroh (Avena sativa) und 13C markierter Heidestreu (Calluna vulgaris) unter Einmischung tierischer Exkremente. In einem Langzeitinkubationsexperiment wurde die CO2 Produktion sowie die Isotopensignatur in Abhängigkeit der verwendeten Streu gemessen. In einem zweiten Inkubationsversuch wurden an zwei Plaggenböden und zwei Referenzböden (ohne Plaggenhistorie) die CO2 Produktion und deren Radiokarbongehalt, sowie der Radiokarbongehalt der Bodenhorizonte bestimmt. Dies ermöglicht Aussagen zur Stabilität der OBS in Plaggenböden und zum Beitrag des alten Kohlenstoffs aus der Zeit der Plaggenbewirtschaftung zu rezenten Umsatzprozessen in Plaggenböden.

Carbon use efficiency (CUE) – the fundamental parameter of initial utilization of organic compounds by microorganisms – is intensively applied to quantify processes of the carbon (C) cycling from microbial cell to global scales. Microorganisms, however, use organic C mainly as the energy (E) source and not as element C pe se and consequently, the E use efficiency (EUE) is at least so important as the CUE.
In this review, we raised the importance of EUE by soil microorganisms. After short explanations of background and definitions of EUE, we focus on (i) E content in organic compounds as defined by nominal oxidation state of carbon (NOSC), (ii) present the approaches to assess EUE by soil microorganisms, (ii) explain similarities and differences between CUE and EUE, and finally (iv) discuss the mechanisms responsible for the lower EUE compared to CUE.
According to the NOSC of microbial biomass in soil (–0.52), its E content is –510 kJ mol–1 C. We provide the equation linking CUE and EUE considering the NOSC of microbial biomass and element composition of substrates utilized by microorganisms. The mean microbial EUE (0.32–0.35) is 15–22% lower than CUE (0.41) using glucose as a substrate. Based on the comparison of C and E utilization for cell growth and maintenance, as well as database of experimental CUE from various compounds, we clearly explained five mechanisms why EUE is lower than the CUE. The two main mechanisms are: (i) microbial recycling: C can be microbially recycled, whereas E is always utilized only once, and (ii) reduction of organic and inorganic compounds: E is used for reduction, which is ongoing without C utilization, thus the EUE is lower than the CUE.

Forest soils are crucial for many ecosystem services that rely on soil organic matter (SOM) stability. Carbon allocated to roots and released as exudates to the rhizosphere plays a key role in SOM stabilization. Under periodic drought, elevated root exudation and SOM accumulation have been reported. Yet, whether root exudates control SOM formation and stability in mature forests once the drought ends is largely unknown. We examined whether root exudates from P. abies and F. sylvatica trees relate to SOM formation and stability in soil depth profiles one year following five years of experimental drought (Kroof experiment, Germany). We collected root exudates throughout the rooting zone and combined the data with thermogravimetric analysis of SOM in the rhizosphere and non-rooted soil. We found that the rhizosphere of both species was characterized by stable SOM fractions that did not decrease post-drought, suggesting potential protection of SOM due to rhizodeposition and root exudates. In contrast, stable SOM fractions decreased relative to controls in non-rooted topsoil below P. abies, indicating a loss of stabilized SOM from drought-affected and re-wetted soil. Our measurements provide valuable insights into post-drought SOM formation and mechanisms of SOM stabilization in forest ecosystems under climate change.

Organic compounds are decomposed by soil microorganisms as a source of carbon (C), energy, and nutrients for microbial metabolic processes, resulting in either C storage or losses as CO2. The current challenge to increase C sequestration in soils entails the understanding of C turnover processes during the microbial decomposition of numerous organic compounds under environmental constraints such as nutrient and water availability.
We studied the effect of moisture and nutrient availability on the decomposition of cellulose, which is the most abundant polysaccharide in plant residues. We monitored the CO2 efflux from a fertilized and an unfertilized Haplic Cambisol at two water contents (pF 1.8 and 2.5). To account for substrate quality and quantity, we amended the soil with either regular or carboxymethyl cellulose (CMC) whereby the amount of added cellulose-C was related (10, 100, 400, 800, and 1600%) to the microbial biomass C (MBC) in the samples.
All implemented factors strongly affected the pattern of CO2 release. Microbial respiratory response in fertilized soil nonlinearly increased with substrate amount, showing a clear peak at the cellulose-C concentrations above 400% of MBC. At the peak point, CO2 efflux increased 1.8 and 2 times at 800 and 1600% of MBC, respectively, compared to 400% of MBC, therefore approaching saturation at concentrations above 800% of MBC. In the unfertilized soil amended with cellulose-C at the ratio of 10% and 100% of MBC, the respiration gradually increased by a factor of 1.3 and 2.9, respectively, compared to the non-amended soil. The effects of moisture increase from pF 2.5 to 1.8 and soil fertilization in the soil amended with 400% of MBC cellulose, were similar in terms of the pattern of CO2 emission curves, resulting in earlier, higher and narrower peak because of better nutrient access. However, fertilization affected cumulative CO2 release 1.5 times stronger than higher water availability during the intensive decomposition stage. In the long term, an increase in water content altered the dynamics of CO2 release, but it did not affect the cumulative CO2 amount. Finally, when amending the soil with CMC, the CO2 efflux was much weaker than that of the soil amended with regular cellulose at the same amount of 400% of MBC.
This study confirms the strong dependency of decomposition dynamics on substrate properties and soil conditions, which is based on complex regulatory mechanisms of energy and matter turnover in soil

Agroforestry systems are complex and diverse agroecosystems that combine the cultivation of woody plants with arable crops or grassland, with and without livestock. In the German agricultural sector agroforestry practices currently gain more and more recognition due to their provision of multiple ecosystem services and promising potential for climate change adaptation and mitigation. The perennial woody plants and lack of soil tillage in the tree strip zones can have a strong influence on the soil ecosystem. Soil quality indicators and related ecosystem services such as carbon sequestration, nutrient cycling, water storage and soil biodiversity are directly and indirectly influenced.
As the prevalence and importance of agroforestry systems in Germany increases, long-term soil monitoring is needed to allow for a better understanding of these influences for the temperate zone. Soil monitoring in agroforestry systems is often performed using a transect design with samples taken in the tree strips and the adjacent arable or grassland strips with various distances from the woody plants to the adjacent strip center. The transect method allows to address the within system heterogeneity of the tree strip zone and the adjacent strip. However, especially for alley cropping agroforestry systems, a standardized sampling design is missing. This compromises the comparability and integration of results from different studies and the overall system analysis.
As a contribution to enable comparability in future research, we propose a standardized soil sampling design for alley cropping agroforestry systems including the transect sampling method and a composite sample approach. The standardized design takes the complexity of agroforestry system designs into account addressing strip widths, woody plant density and species diversity. The design will be explained and further discussed by including examples of implementation from Gladbacherhof, the research farm of the University of Gießen, and three commercial farms of the citizens science program agroforst-monitoring, as part of the University of Münster.

Agricultural management systems are in transition amongst others through the promotion of renewable energy by legislations such as the renewable energy law (EEG) in Germany or the EU Green Deal. Biomass production as renewable energy source has been increased continuously. So far, maize is mostly used as feedstock in biogas plants. However, the production of maize as an energy crop has led to criticism due to an increased risk of water erosion and associated water body eutrophication. This problem is further aggravated through the increase in precipitation extremes due to climate change. Alternative strategies for biogas crop production are strongly required with permanent crops being of particular interest. Well-calibrated models are essential to make proficient statements about the erosion reduction potential of alternative biogas crops on erosion prone sites in order to support planting and political decisions. However, monitoring and quantifying water erosion of soil is labour and time consuming and therefore rarely conducted. A case study is presented that addresses the quantification of soil erosion under commercial conditions and thus gains experimental data to calibrate and validate soil erosion models for permanent bioenergy crops. The study starting in 2021 is conducted on two sites and compares in a randomized block design with three replicates conventional maize cultivation with a direct seeding management of maize and the permanent plant Silphium perfoliatum L. Preliminary results obtained during natural erosive rainfall events with EI30 intensities ranging from 8 N/h up to 73 N/h showed the expected erosion reduction of Silphium perfoliatum L. compared to conventional maize and maize with a direct seeding management. However, to calibrate soil erosion models, it is necessary to parameterise the underlying model equations. Artificial rainfall events were conducted at two growing stages to gain the data needed for parametrizing the physical based soil erosion model Erosion 3D.

Die Gemeinde Hohenthann weist die höchste Schweinemastdichte in Bayern auf, die Nitratkonzentrationen in den Brunnen der Region sind hoch mit steigender Tendenz.
Ziel eines Projektes des Bayerischen Landesamtes für Umwelt (LfU) war es, zu beurteilen, welche landwirtschaftlichen Praktiken in diesem Landschaftsraum grundwasserverträglich sind. Es wurden verschiedene Methoden zur Messung bzw. Abschätzung von Stickstoff- (N-)Überschüssen und N-Auswaschung verglichen.
Von 2018 bis 2022 wurden auf acht landwirtschaftlichen Schlägen N-Salden berechnet sowie mit Herbst-Nmin-Gehalten die potenzielle N-Auswaschung, mit Saugkerzen die Nitratkonzentration im Sickerwasser und mit Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) die N-Frachten in 1 m Tiefe bestimmt.
Pro Schlag und Jahr wurden bis zu 174 kg N/ha ausgewaschen, was einer Nitratkonzentration von 321 mg/L entspricht (Trinkwassergrenzwert: 50 mg/L).
Auf Schlägen mit überwiegend mineralischer Düngung war die N-Bilanz meist ausgeglichen. Durch Begrünung im Winterhalbjahr wurden N-Überschüsse aufgenommen und nur maximal 10 kg N/ha ausgewaschen.
Für zwei nach Naturland-Richtlinien bewirtschaftete Flächen ist die N-Zufuhr von außerhalb des Betriebs limitiert. N-Düngung erfolgte durch Wirtschaftsdünger und N-Fixierung. Dies führte zu ausgeglichenen N-Bilanzen und geringen N-Austrägen (meist unter 17 kg N/ha).
Auf vier Schlägen viehhaltender Betriebe wurde regelmäßig Wirtschaftsdünger ausgebracht. Die N-Bilanzen waren mit 56 – 95 kg N pro Jahr deutlich positiv, die N-Auswaschung vergleichbar. Wirtschaftsdünger wird zur Düngung nur z.T. angerechnet, bei regelmäßiger Gabe jedoch mittelfristig vollständig umweltwirksam. Häufig wurde nach der Getreideernte eine Zwischenfrucht, die N-Überschüsse aufnehmen und vor Auswaschung schützen soll, ausgesät und mit Gülle gedüngt (52 – 94 kg N/ha), sodass systematisch überdüngt wurde.
Die potenziellen bzw. gemessenen N-Austräge und N-Überschüsse lagen im Mittel mit 39 (N-Bilanz), 49 (Herbst-Nmin), 51 (Saugkerzen) bzw. 59 kg N/ha (SIA) in einer vergleichbaren Größenordnung. Dies entsprach einer Nitratkonzentration von 72 – 109 mg/L, die deutlich über dem Trinkwassergrenzwert lag.
Die derzeitige Praxis einzelner Betriebe ist mit dem Grundwasserschutz nicht vereinbar. Andere Betriebe (konventionell und ökologisch) praktizieren eine auskömmliche Landwirtschaft, die den Zielen des Grundwasserschutzes entspricht. Die wesentliche Steuergröße ist der Umgang mit Wirtschaftsdünger.

In Norwegen führt die Klimaveränderung zu steigenden Niederschlägen. In dem von Sommerungen dominierten Getreideanbau steigen dadurch die Notwendigkeit die Bodenbearbeitungsintensität zu reduzieren und eine ausreichende Bodenbedeckung im Winterhalbjahr zu gewärhrleisten, was mehr als 30% Stroh an der Bodenoberfläche voraussetzt.
Neue norwegische Versuche (Hafer, Avena sativa) mit unterschiedlicher Bodenbearbeitung (flache Stoppelbearbeitung mit oder ohne Pflugfurche (25 cm) im Herbst vs. reduzierte Bodenberabeitung oder Pflügen (12 cm) im Frühjahr) auf unterschiedlichen Bodentypen (Pseudogley, Ton und Schluffböden) zeigen, das eine angestrebte Bodenbedeckung von >30% nur zu erreichen ist, wenn auf eine Bodenbearbeitung im Herbst komplett verzichtet wird, wass in der Praxis für einige Herausforderungen sorgt. So bestätigen die Ergebnisse dieser Versuche, das eine abnehmende Bodenbearbeitungsinmensität für einen zunehmenden Unkrautdruck sorgt, in unserem Versuch vor allem einjahrigen Rispengras (poa annua) und Quecke (Elymus repens).
Die Ergebnisse zeigen weiterhin, das unter norwegischen Bedingungen die Strohrotte bei unzureichender Einarbeitung im Herbst erst im Frühjahr in Gang kommt. Nicht abgebaute Strohmengen stellen hohe Anforderungen an die Frühjahrsbestellung und beeinflussten in unseren Versuchen den Feldaufgang, das Pflanzenwachstum und unter feuchten Bedingungen auch die Erträge negativ. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, das sowohl eine Reduktion der Bodenbearbeitungsintensität (Schluff Standort +50- 75%, Ton Standort + 30% verglichen mit Pflügen im Herbst) als auch grosse nicht abgebaute Strohmengen die Menge an F. langsethiae DNA und Mykotoxin (HT 2-T toxin) im geernteten Korn erhöhen.
Um einerseits die Anforderungen an den Erosionschutz zu erfüllen und andererseits hohe Erträge von hoher Qualität zu gewährleisten, ist ein ganzheitliches Management nötig, wobei Strohmanagement, Frühjahrsbestellung und Pflanzenschutzmassnahmen eng aufeinander abzustimmen sind. Unsere Versuche zeigen das wenn dieses gelingt, es møglich ist auch unter norwegischen Anbauverhältnissen mit reduzierter Bodenbearbeitung hohe Erträge zu erreichen.

Pest suppression is one of the desirable functions of a healthy soil. Predatory Mesostigmata soil mites, with their high degree of omnivory, are one of the most remarkable groups performing this function. Only recently, it has been recognised that the bottom-up effect of the diet is important for these organisms´ fitness, which ultimately affects their performance as biocontrol agents of soil pests. In below-ground systems, free-living nematodes (FLN) are an important food source and provide essential nutrients such as omega 3 long-chain polyunsaturated fatty acids (ω3-LC PUFAs). Previous studies showed that numerous species of Mesostigmata prefer FLN and, in many cases, a nematode-based diet has a positive effect on mite performance. Here we assess the food quality of nematodes for the maintenance of predator fitness, i.e. development, reproduction and lipid content. We selected two mite species, different in size and morphology, collected from vegetable crops in Israel. The selected nematodes were five species of FLN, all collected from the same fields, and one species of phytoparasitic nematode. Depending on species and trophic group, nematodes show different fatty acid patterns and both mite species reflect the PUFA pattern of the diet. All nematode species were able to produce ω3-PUFA de novo, except the bacterial feeder Acrobeloides aff. bodenheimeri, which had the highest proportion of ω6-PUFA. Interestingly, the latter nematode, without ω3-LC PUFA, was the best diet for both mites. Macrocheles aff. scutatus, a medium-sized mite with a holodorsal shield and a width greater than 0.5 times the length, fed and developed on all nematodes except the entomophilious nematode Oscheius tipulae. Even it was able to complete its development feeding on the plant parasitic Meloidogyne incognita, its reproduction was almost zero. Protogamasellopsis zaheri, a small-medium-sized mite with a split dorsal shield and a body width less than 0.5 times the length, developed and reproduced with all nematodes, with M. incognita being an intermediate diet. Our results demonstrate that nematode species vary in their nutritional quality as prey and that food quality is predator species dependent, which will affect the biocontrol potential on nematode plant parasites. We hypothesise ω6-PUFA may play an important role in the reproductive and developmental parameters of some mesostigmatid mites; however, other factors such as nematode size and behavior may play an important role

Seit dem frühen Holozän hat sich die Obergrenze des Erica-Gürtels in den Bale-Bergen Südäthiopiens um 200 – 300 m nach unten verschoben, auf heute 3800 – 3900 m ü.NHN. Oberhalb, dem Sanetti-Plateau, kommt die dominante Art des Erica-Gürtels, Erica trimera, heute nur mehr in isolierten Restbeständen auf vorwiegend blockreichen Standorten bis zu 4200 m üNN vor. Dies wird auf (mikro)klimatische Verhältnisse zurückgeführt, jedoch könnten dazu auch verstärkte Feuernutzung und Überweidung beigetragen haben. Die vorherrschenden Böden lassen sich nach WRB (2022) als Vitric Andosole klassifizieren, außerdem kommen Chernic Skeletic Phaeozeme, Leptosole und Cambisole vor. Erica gedeiht nicht auf wasserbeeinflussten Böden. Zwischen der Höhenlage der Erica-Standorte und den NPK-Gehalten der Ericablätter besteht eine negative Korrelation, was auf Nährstoffmangel hinweisen könnte. Um dies besser zu verstehen, wurden Nährstoffanalysen an Erica-Blättern und Böden durchgeführt. Die Ergebnisse werden auf der DGB-Tagung präsentiert.

When soils dry, water flow and nutrient diffusion cease as the hydraulic microenvironments vital for soil life become fragmented. To delay soil drying locally and related adverse effects, bacteria and plants modify their surroundings by releasing extracellular polymeric substances (EPS). As a result, the physical properties of hotspots like biological soil crusts or the rhizosphere differ from those of the surrounding bulk soil. Specifically, the presence of EPS delays evaporative soil drying. Despite the evidence of reduced evaporation from EPS-amended soils, the mechanisms controlling soil water content dynamics remain elusive. Thus, our study aimed to elucidate the potential of bacteria to modify their local environment when exposed to oscillations in soil water content induced by evaporative drying. We incubated sand microcosms with two contrasting strains of Bacillus subtilis for one week in a flow cabinet. At the end of the incubation period, local water loss was quantified and spatially resolved using time-series neutron radiography. Strain NCIB 3610, a complex biofilm producer steadily modified soil evaporation dynamics during the incubation period resulting in a substantial delay in soil drying due to hydraulic decoupling of the evaporation front from the soil surface. Evaporation dynamics remained largely unaltered in the microcosms inoculated with the domesticated strain 168 trp+ compared to the control treatment. The mechanism of hydraulic decoupling induced by NCIB 3610 was verified by estimates of diffusive fluxes and the position of the evaporation plane in the microcosm. Additionally, the role of polymeric substances in hydraulic decoupling was confirmed by an evaporation experiment using xanthan as an EPS analogue.

In den letzten Jahre erfolgte sowohl die Neubearbeitung der "Bodenkundlichen Kartieranleitung" als auch der "Arbeitshilfe für die Bodenansprache im vor und nachsorgenden Bodenschutz". Hierfür waren gleichermaßen umfangreiche gremienübergreifende Abstimmungen als auch die Beachtung der legislativen Entwicklung erforderlich.
2020 trat das Geologiedatengesetz (GeoDG) in Kraft. Das GeolDG regelt u. a. die staatliche geologische Landesaufnahme, zu der auch die bodenkundliche Landesaufnahme zählt, Aufgaben und Befugnisse der zuständigen Behörde, Informationsübernahme und -bereitstellung. Zur Informationsübernahme und -bereitstellung leisten Kartieranleitung und Arbeitshilfe einen Beitrag.
2021 wurde die Mantelverordnung, in der sowohl die Ersatzbaustoffverordnung als auch Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung direkt auf Kartieranleitung und Arbeitshilfe verweisen, verweisen.
Es gilt die Gesamtaktivitäten und Wechselwirkungen im Kontext darzustellen.

Eines der wesentlichen Ziele der AG Boden, als Gremium der Vertreter der staatlich geologischen Dienste, ist seither das Ziel, die bei Bund und Ländern laufenden Arbeiten zur Bereitstellung von Informationen über die Böden Deutschlands durch Entwicklung gemeinsamer Arbeitsanleitungen zu standardisieren und das Wissen über die Verbreitung und Eigenschaften der Böden in geeigneter Form analog oder digital verfügbar zu machen.
Als allgemein verfügbares kostenfreies Medium steht dafür das Internetportal Infogeo.de zur Verfügung. Die derzeitige Darstellung der bodenkundlichen Methoden entspricht in Struktur und Inhalt nicht mehr dem aktuellen Zeitgeist und Stand der Wissenschaft. Neue bodenkundliche Arbeitsfelder, wie z.B. die bodenkundliche Baubegleitung, sowie die kommende Neuauflage der bodenkundlichen Kartieranleitung machen eine Überarbeitung der Inhalte notwendig.
Der Vortrag stellt die Arbeitsergebnisse der Projektgruppe zur skalenabhängigen Methodenevaluierung vor. Hierbei stehen die Struktur und Verfügbarkeiten der landes-/ bundeseinheitlichen Methoden im Vordergrund. Weiterhin sollen Hinweise für die Vergleichbarkeit zur Verfügung gestellt werden.

Gegenwärtig ist die Diskussion zu klimabedingten Auswirkungen auf die Böden stark auf die organischen Böden und deren herausgehobenen Funktion als C-Senke bzw. Quelle fokussiert.
Aus Sicht der AG Boden handelt es sich hierbei zwar um einen Schwerpunkt, nicht aber um das insgesamt breitere Spektrum klimasensitiver Böden. Hierunter sollten alle Böden verstanden werden, die durch den Klimawandel in der Erfüllung ihrer Bodenfunktionen beeinflusst bzw. deren Zustand, Eigenschaften und Potentiale sich merklich verändern werden. Als Beispiele seien Änderungen der Produktionsfunktion, Wasserkapazität oder Erosionsgefährdung genannt. Eine gegründete Arbeitsgruppe „Bestimmung klimasensitiver Böden“ widmet sich den Schwerpunkten:
1. Entwicklung methodischer Kriterien zur Identifizierung klimasensitiver Böden und Regionalisierung auf Grundlage der BÜK 200 als publizierte digitale Karte.
2. Erstellung eines Berichts an den DK mit Beschreibung der aktuellen Situation auf Grundlage der BÜK 200 sowie gegebenenfalls Betrachtung und Beurteilung erforderlicher Maßnahmen hinsichtlich größermaßstäbiger Grundlagen

Erste Ergebnissen sollen in dem eingereichten Beitrag vorgestellt und diskutiert werden.

Um die Inanspruchnahme von Böden bei bundesweiten Vorhaben wie dem Netzausbau gezielt zu lenken und Beeinträchtigungen des Schutzgutes Boden zu minimieren, besteht Bedarf für eine kleinmaßstäbliche (1:500.000/ 1:200.000 / 1:100.000) länderübergreifende Bodenfunktionsbewertung (BFB). Bisher liegen seitens der staatlichen Verwaltung keine länderübergreifend abgestimmten BFB für diesen Maßstabsbereich vor. Zudem soll mit bundesweiten thematischen Kartendarstellungen auf Grundlage der BÜK200 Aufmerksamkeit und Akzeptanz geweckt werden, um dem Schutzgut Boden bessere Sichtbarkeit zu geben.
Die bundesweite Bewertung soll wie die bei den Bundesländern vorhandenen Bewertungen auf den Bodenfunktionen nach BBodSchG aufbauen, dabei wird sich auf die natürlichen Funktionen und die Archivfunktion beschränkt. Diese werden durch einzelne Teilfunktionen berücksichtigt, die mit einem Kriterium (berechnet aus Kennwerten, bzw. Bodenparametern) beschrieben werden. Ergänzend können auch Empfindlichkeiten von Böden hinzu genommen werden. Um die Bewertung deutschlandweit anwenden zu können, sollen die eingehenden Bodenparameter in der Datenbank der BÜK200 vorhanden sein. Neben der Bewertung der Boden(teil)funktionen bedarf es einer zusammenfassenden Bewertung. Dies dient unter anderem dazu Böden gemäß ihrer gesamtheitlichen Funktionserfüllung einzustufen. Eine Zusammenfassung ist auch notwendig, um bei der Abwägung mit anderen Schutzgüter Berücksichtigung zu finden.
In einem Vortrag sollen die Ergebnisse der Arbeit dargestellt werden und so die Möglichkeit zur Diskussion gegeben werden.

Inorganic X-ray amorphous materials (iXAMs) are ubiquitous in soils, relevant for numerous environmental processes, but are notoriously difficult to quantify and characterize. To test for the accuracy and precision of iXAM quantification in soil using powder X-ray diffraction (PXRD), we prepared four mineral mixtures containing quartz, carbonates, feldspars, and clay minerals in different proportions and amended them with 0–70 wt.% iXAMs (ferrihydrite and opal A, equal share by weight). We quantified these iXAMs in mineral mixtures by analyzing PXRD data using the Rietveld method. We also evaluated the optimal way of PXRD sample preparation (spray drying and conventional) based on the accuracy and precision of iXAMs content as obtained by the internal standard method in Rietveld analysis. The mineral mixtures were also analyzed by X-ray fluorescence (XRF) spectrometry, and mass balance calculations on Rietveld and XRF data were carried out to estimate the chemical composition of iXAMs in mineral mixtures. Both sample preparation methods showed no significant difference in determined iXAM contents and yielded accurate results with an absolute error of ±2 wt.% for nominal iXAM contents. However, the precision of iXAM content quantification of samples prepared by spray drying was better than that of conventionally prepared samples. The accuracy and precision of iXAM content determination depends largely on the elimination of preferred orientation effects, either physically by spray drying or by using spherical harmonics models for samples prepared conventionally. Therefore, spray drying prior to PXRD and Rietveld analysis provides a major advantage in the determination of iXAM content and quantitative phase analysis of soils by effectively eliminating preferred orientation effects prevalent for feldspars and clay minerals. Our results also imply that the chemical composition of soil iXAMs can be accurately assessed by mass balance calculations. Prerequisites are the accurate determination of crystalline mineral phases using the Rietveld method and well-founded estimates of their chemical composition. The results of this research serve as a framework for future PXRD studies on iXAMs in soils and related materials.

Hydrophobe organische Chemikalien (HOC), wie halogenierte aromatische Kohlenwasserstoffe, können in der Umwelt sehr persistent sein und zu negativen Effekten für Menschen und andere Biota führen. Für die Bewertung ihres Umweltverhaltens und Risikos sind Sorptionsprozesse hoch relevant. In diesem Zusammenhang werden vor allem die Wechselwirkungen zwischen HOC und organischer Substanz intensiv untersucht. Eine nennenswerte Adsorption von HOC kann jedoch auch an Mineralphasen stattfinden (Böhm et al. 2022).
Zur weiteren mechanistischen Aufklärung der HOC–Mineral-Interaktionen wurden in der vorliegenden Arbeit Adsorptionsexperimente mit verschiedenen HOC–Mineral-Systemen durchgeführt, für die fünf halogenierte Benzole (log KOW 2,6–6,5) als HOC-Vertreter und 20 smektitreiche Bentonite als Mineralphasen eingesetzt wurden.
Die Experimente zeigten einen großen wechselseitigen Einfluss der Charakteristika von HOC und Tonmineralen auf das Ausmaß der Adsorption. Die ermittelten Fest–Flüssig-Adsorptionskoeffizienten Kd variierten für spezifische HOC–Mineral-Interaktionen über mehrere Größenordnungen. Dabei spielte die Hydrophobizität der HOC eine relevante Rolle für die Höhe der Adsorption, jedoch in geringerem Maße als die Mineraleigenschaften. Exemplarisch lässt sich dies am Bsp. von zwei ausgewählten HOC (log KOW 2,6 und 5,6) verdeutlichen, deren Adsorption mineralabhängig bei Substanz A (log Kd 1,8–2,5) um bis zu Faktor 5, bei Substanz B (log Kd 2,1–4,0) jedoch um bis zu Faktor 90 variiert.
Die Einordnung der Ergebnisse erfolgt vor dem Hintergrund weiterer HOC-Charakteristika sowie beeinflussender Parameter der Tonminerale wie spezifischer Oberfläche, Ladungsdichte, Kationenaustauschkapazität und Kationenbelegung. Eine Interpretation der Sorptionsprozesse findet auf Grundlage durchgeführter Molekularsimulationen statt.
Die Ergebnisse zeigen den großen Einfluss spezifischer HOC–Mineral-Interaktionen für die Abschätzung des Verteilungsverhaltens von HOC. Darüber hinaus verdeutlichen die Ergebnisse den generellen Einfluss von Mineralen auf die Adsorption von HOC und ihre Bedeutung für den Verbleib von HOC in der Umwelt, z. B. bei langfristigen Quelle/Senke-Phänomenen in Böden und Sedimenten.

Böhm L, Grančič P, Scholtzová E, Heyde BJ, Düring R-A, Siemens J, Gerzabek MH, Tunega D. 2022. Adsorption of the hydrophobic organic pollutant hexachlorobenzene to phyllosilicate minerals. Environmental Science and Pollution Research. https://doi.org/10.1007/s11356-022-24818-4

Organic matter is an important component of soils that contributes to manifold aspects of soil reactivity, fertility, and physics. The molecular structure of soil organic matter (SOM), however, remains largely elusive. Ultrahigh resolution mass spectrometry (like FT-ICR-MS) has contributed new impulses to the study of molecular properties of the soluble fraction of soil organic matter, i.e., dissolved organic matter (DOM) via electrospray ionization (ESI), but remains “blind” to the much larger non-soluble fraction of SOM. Traditionally, this problem was tackled by employing more potent solvents, such as alkaline extractants. Alternative ionization sources such as laser desorption ionization (LDI) have shown promising results to extend the analytical window of FT-ICR-MS and to achieve a more complete insight into SOM chemistry through direct analysis of soil surfaces. This also reduces the risk of structural changes by avoiding extraction steps. We here present outcomes of such parallel analyses of soluble and non-soluble SOM fractions based on a set of arable topsoils from long-term experiments under no fertilization and farmyard manure fertilization regimes. Additionally, soil DOM (water extracts), reference DOM samples (Suwannee River Fulvic Acid, SRFA), model compounds (syringic acid, sinapic acid, syringaldehyde, vanillic acid and tannic acid) and model mineral phases (goethite, illite, quartz sand) were used to study potentials and limitations of the LDI method. Sensitivity and matrix effects were assessed by dilution series and mixing of DOM with reference mineral phases, whereas conditions for intact ionization were assessed with model compounds. Direct analysis of soil particles was conducted and compared to aqueous DOM extracts considering molecular trends in e.g., aromaticity or nominal oxidation state. In general, ESI ionized a very different fraction of the SOM mixture, being more polar and more saturated, while LDI yielded rather low-to-mid polar, less saturated ions. Besides clear differences in directly analyzed soil particles and DOM, molecular trends such as aromaticity or nominal oxidation state corresponded well. Our results therefore suggest that direct analysis of soil particles is a fast, reproducible, sensitive and less labor-intense alternative to routine DOM analyses employing FTMS detection. However, for a maximum molecular insight, a combination of both ionization methods is recommended.

Mineral-induced stabilization is an important control of organic matter turnover in soils. However, it is still unknown i) how strongly does a molecule bind to a mineral surface and ii) how much energy is required to convert this formerly stabilized organic matter into a (dissolved) substrate. In order to address these questions, we developed an isothermal titration calorimetric method to assess the thermodynamics of the interaction between low molecular weight organic compounds and model soil minerals. We have selected organic acids which differ in polarity and degree of oxidation and have used kaolinite, illite and goethite as model minerals . The presentation will outline isothermal titration calorimetry as a method for assessing sorption reactions and relate the derived thermodynamic parameters, i.e. sorption enthalpy (H) and Gibbs free energy (G), of the sorption of low molecular organic weight compounds to their (de)sorbability and sorption hysteresis.

Forest soils are considered sinks for atmospheric C. Many studies revealed that tree species and their mycorrhizal association affect forest floor and topsoil organic C (OC) and total N, while the knowledge of their effect on subsoil OC and N is still scarce. We will present results of a study in which we aimed to identify (1) tree species and mycorrhizal association effects on forest floor, topsoil (0–30 cm) and subsoil (30–80 cm) OC and N stocks and vertical distribution and (2) drivers for soil OC and N distribution. For that, we sampled forest floor, topsoil and subsoil under four broadleaved tree species, namely European beech (Fagus sylvatica L.), pedunculate oak (Quercus robur L.), sycamore maple (Acer pseudoplatanus L.) and European ash (Fraxinus excelsior L.) in four Danish common garden experiments along a gradient in soil texture and determined OC and N stocks. Total N (forest floor + soil) was higher under oak than beech, while total OC was unaffected by species. Forest floor C and N were higher under oak and beech, both ectomycorrhizal species (ECM), compared to under maple and ash, which are both arbuscular mycorrhizal species (AM). Relatively more OC and N were transferred to the topsoil under AM than ECM species, and this could be explained by greater endogeic earthworm biomass in AM species. In contrast, a higher proportion of OC was stored under ECM than AM species in the subsoil, and here OC correlated negatively with anecic earthworms. Subsoil N was highest under oak. Concluding, tree species and in particular their mycorrhizal association affected the vertical distribution of soil OC and N. Tree species differences in topsoil OC and N were not mirrored in the subsoil, and this highlights the need to address the subsoil in future studies on AM- versus ECM-mediated soil OC and N stocks.

Totholz kann einen Beitrag zur Anreicherung von organischem Kohlenstoff in Böden leisten. Wenig untersucht ist die Standortabhängigkeit dieser Speicherfunktion. Hierbei meint
der Standortbegriff jene Faktoren, die Einfluss auf das Zer – und Freisetzungsgeschehen des Totholzes bzw. des Verbleibs des Kohlenstoffes nehmen. Neben bodenkundlichen Faktoren (pH, Wärmehaushalt etc.) werden im Projekt TotC/Livewood zusätzlich biotische Faktoren erhoben, die erstgenannte modifizieren (Baumarten, Bestandesdichte etc.). Letztere sind auch als mögliche anthropogene Steuerungsgrößen von Belang. Auf Grundlage eines Datensatzes von 20 Messplots (je 3 bis 4 Totholzstämmen) wird die Anreicherung von organischem Kohlenstoff und deren Abhängigkeit von oben genannten Faktoren betrachtet. Hierzu werden volumengetreue Bodenproben (Stamm/Kontrolle) bis 30 bzw. 60 cm Tiefe entnommen. Es wird der Gehalt an organischem Kohlenstoff analysiert und hieraus der Vorrat bestimmt. Die Analyse erfolgt quantitativ (Stamm – Kontrolle) und qualitativ (Dichtefraktionierung-> Stabilität/Vulnerabilität). Ergänzend werden weitere bodenchemische Parameter (BS, KAK etc.) betrachtet. Die bisherigen Auswertungen zeigen erhöhte C - Gehalte am Stamm, insbesondere oberhalb von hangparallel liegendem Totholz. Dies lässt neben der Freisetzung aus der Holzbiomasse auch auf eine erosionsmindernde/stauende Wirkung schließen. Aus Untersuchungen des Projektpartners FVA – BW sind erhöhte Konzentrationen von organischem Kohlenstoff, im Sickerwasser (DOC) unter Totholz bekannt. Beide Sachverhalte passen mit einer Erhöhung der leichten Fraktion im Ober- und der schweren Fraktion im Unterboden zusammen. Abnehmende Strahlungsintensität, als Produkt aus Exposition, Hangneigung und Kronenschlussgrad hat einen positiven Effekt auf den Gesamt-Boden-C-Speicher. Gleichzeitig scheint eine dichtere Bestockung, vermutlich durch höhere Streumengen den Totholzeffekt anteilig zu vermindern. Auf Grundlage der Ergebnisse sollen Vorrangflächen, auf denen das Belassen von Totholz einen positiven Effekt auf die Mitigation der Treibhausgasbelastung haben kann identifiziert werden. Die Untersuchung der Kohlenstoffpools kann die Bilanzierung des Ökosystemspeichers gegenüber anderen Nutzungsketten schärfen.

Der Einfluss der forstlichen Bewirtschaftung auf Biodiversität und Kohlenstoffspeicherung in Wäldern wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Aktuelle Studien zeigen, dass die Bestandesstruktur in Wäldern viele Ökosystemfunktionen und auch die Diversität verschiedener taxonomischer Gruppen prägt. Wie stark diese Beziehungen von Standorteigenschaften (z.B. Waldentwicklungsphase, Bodentyp) beeinflusst werden und sich auf die Kohlenstoffspeicherung in der organischen Auflage und im Mineralboden auswirken, ist bisher kaum erforscht.
Für die Untersuchungen wurden vier in NRW und bundesweit flächenmäßig bedeutsame Standorttypen ausgewählt: 1) Buchenwälder (stark) saurer Standorte, 2) Buchenwälder (mäßig) nährstoffreicher Standorte, 3) Eichen-Hainbuchenwälder wechselfeuchter Standorte und 4) Eichen-Mischwälder bodensaurer Standorte. In jedem Untersuchungsgebiet wurden 50 Probekreise (engerer Probekreis 1000 m²) entlang eines Nutzungsgradienten (Bestockung (standortheimisch / standortfremd), Totholz (natürlich / geerntet)) angelegt, um sowohl die ober- (Vögel, Pflanzen, Moose, Flechten, Käfer) als auch unterirdische Diversität (Collembolen, Regenwürmer, Mikrobielle Biomasse, Nährstoffumsätze) sowie die Humusformen und Kohlenstoffvorräte zu erfassen.
Fokus der Präsentation liegt auf den aktuellen Auswertungen zu den Interakationen zwischen Standorttyp (1, 2) und Nutzungsintensität auf Biodiversität und Kohlenstoffvorräte in den Böden (Humusauflage und Mineralboden 0-60 cm).

Projekthomepage
http://bico2.de/

Zur Weiterentwicklung von Monitoringverfahren für die Bewertung bodenökologischer Eigenschaften in Feuchtwäldern kann die Indikatorfunktion von Humusformen einen wichtigen Beitrag leisten. Im Projekt BioFeuchtHumus werden insbesondere die Feuchthumusformen (aerohydromorphe Humusformen) betrachtet. Diese treten u.a. im atlantisch geprägten Münsterland in Eichenmischwäldern mit darunterliegendem Pseudogley auf und reagieren durch ihre Abhängigkeit vom Niederschlag und der Evapotranspiration besonders sensitiv auf Klimaveränderungen. Auf den ausgesuchten Waldflächen im südlichen Münsterland werden im Projekt BioFeuchtHumus Messungen zur Bodenwasserspannung und -temperatur direkt an der Grenze von Mineralboden und Auflagehorizonten durchgeführt, um den Wassereinfluss in der organischen Auflage zu erfassen. Dazu sind Bodenfeuchtesensoren (Tensiomarks) an 8 Mikrostandorten in drei verschiedenen Tiefen installiert worden. In den Ergebnissen wird deutlich, dass Feuchthumusformen im Münsterland auftreten und eindeutige Klassifizierungsmerkmale herausgearbeitet werden können. Außerdem wird sichtbar, dass die Bodenwasserspannung im Jahresverlauf schwankt. Vor allem in den Wintermonaten sind die Standorte bis in die organische Auflage wassergesättigt (pF = 0). In den Sommermonaten August und September erreichen die Standorte pF-Werte von bis zu 4,2. Durch die Zusammenhänge zwischen Humusform und den gemessenen Bodenparametern pF, Corg, Nt und pH lässt sich die Entwicklung der Feuchtwälder unter veränderten Klimabedingungen flächenhaft darstellen. Somit können die zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels auf den Bodenwasserhaushalt und auf die Verbreitungsmuster von Feuchthumusformen besser vorhergesagt werden. Dies wird zudem Aufschluss über die zukünftige Funktionalität der heutigen Feuchtwald-Ökosysteme geben, was für die forstliche Praxis bezüglich notwendiger und sinnvoller Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel von großer Bedeutung ist.

Weiterführende Poster (die auch angemeldet werden):
-Untersuchungen der Anneliden-Fauna (Regenwürmer und Kleinringelwürmer) von Feuchthumusformen im Münsterland
-Vorkommen von Feucht- und Nasshumusformen in der Westfälischen Bucht und im Niederrheinischen Tiefland
-Feuchthumusformen und Bodenvegetation in Waldökosystemen im Münsterland

Projektlink „BioFeuchtHumus“ in Kooperation mit dem Landesbetrieb Wald & Holz, NRW gefördert durch den Waldklimafonds, FNR https://www.waldklimafonds.de/index.php?id=13913&fkz=2219WK41A4

The thermodynamic perspective on soil systems gets more and more in the research focus and has the potential to take us a substantial step toward a mechanistic understanding of soil organic matter (SOM) turnover and stabilization. An integral part of new bioenergetic concepts and models is the energy content of SOM, but its determination particularly in mineral soils is challenging. Differential scanning calorimetry combined with thermogravimetry (DSC-TG) represents one of the most promising techniques to do so, where the heat of combustion is linked to mass losses from sample material during the combustion using a temperature ramp from 50 to 1000°C. DSC curves are usually integrated in the range from 180-600°C and related to the respective mass loss given by TG to obtain the quantity of energy from SOM.
In a previous comparative study in which we applied bomb calorimetry and DSC-TG to the same soil sample set representing a turnover gradient of SOM, contrasting energy contents were determined with both methods. The study indicated that the commonly applied DSC-TG procedure is more suitable for mineral soil samples but somehow too simplified and needs to be adjusted. One reason could be that the DSC-TG signal represents the sum of endothermic and exothermic reactions of all soil compounds (incl. soil minerals) that are thermally reactive in this temperature range. Thus, it is questionable whether the integrated exothermic DSC-TG signal from 180-600°C can be entirely assigned to SOM without considering thermal reactions of soil mineral components.
To check this, we designed an experiment, where we determined the energy content of an organic substrate (cellulose) and soil minerals (quartz sand, quartz silt, goethite, illite, montmorillonite) 1) individually, 2) intensively mixed in dry state and 3) intensively mixed after several wetting-drying cycles. Furthermore, the minerals were mixed to create an artificial soil with a silt loam texture to mimic a more complex soil system, which was then analyzed in combination with cellulose. Building on this we want to develop a procedure for the accurate measurement of energy contents of SOM in (mineral) soils by DSC-TG by considering the contribution of mineral oxidation and the effect of organo-mineral associations to the energetic signatures derived from the thermograms.

Soil microbial communities are the main catalyst of the carbon (C) cycle in the soil, playing a key role in the degradation of organic compounds. The fluxes of C driven by the microorganisms are always coupled with the release of heat via the law of Hess. Several models show that the simultaneous measurement of respiration (CO2 evolution rate) and heat production rate, called calorespirometry (CR), can provide information about the fate of degraded organic substances or SOM [1][2]. CR was already established in soil sciences, but the current approach still has several limitations (low CO2 partial pressure, small sample size mimicking large soil systems, oxygen limitations, indirect CO2 measurements, and low sample throughput).
In order to overcome these limitations, we combined a conventional soil respirometer with perfectly matched calorimetric measuring units and compared our new calorespirometric approach with the current approach in CR. In the latter, both (metabolic heat and respiration) are measured calorimetrically, and for the CO2 evolution, the calorimetric ampoules are equipped with NaOH-solution (CO2 trap), and the adsorption heat is measured. In the new approach, the metabolic heat is measured calorimetrically, while the CO2 released is measured conductometrically using a KOH-solution (CO2 trap). The two approaches have complementary advantages, the current shows a higher sensitivity for the calorimetric measurements and has a stable baseline and a clear offset, the new one allows continuous CO2 measurements, larger sample sizes, higher sample throughput, and prevents oxygen limitation. Despite the differences, both approaches have in common the calorespirometric ratio, an important parameter to evaluate the microbial metabolic pathways and the SOM dynamics.

[1] Wadsö L. and Hansen L.D., Calorespirometry of terrestrial organisms and ecosystems, Methods 76 (2015) 11–19
[2] Chakrawal A. et al., Quantifying microbial metabolism in soils using calorespirometry – A bioenergetics perspective, Soil Biology and Biochemistry 148 (2020) 107945

The turnover and stabilization of soil organic matter (SOM) is the key to highly productive agriculture and to climate change mitigation. The pathways of matter and energy use by soil microorganisms are controlled by their functional traits and interactions. We present the concept of a novel data-driven bioenergetic soil organic matter model and shed light on integrating ecological trait-based ecological frameworks with process-based models. The model links SOM thermodynamics with key microbial traits, corresponding substrate-specific degradation pathways and extracellular enzymatic depolymerization processes. Carbon and energy flows will be quantitatively traced by modeling mass fractions of specific C source pools, C isotopologues and thermodynamic properties (degree of reduction) as dynamic state variables. The model uses functional microbial pools (generalists, specialists and stress tolerators) with specific trait trade-offs to reflect microbial life and growth strategies in line with current ecological theory. We use microbial transition state theory to reflect microbial growth kinetics and test this approach compared to empirical Monod kinetics. Resource use (i.e., enzyme synthesis) is modeled assuming that microbes are naturally selected to maximize their reproductive success (i.e., growth rate). Using a case study, we further demonstrate the applicability of a constraint-based model conditioning method for simulating microbial SOM processing. Based on this, we explain how constraint-based model conditioning could be used to parameterize bioenergetic models for predicting SOM stabilization in agroecosystems.

Microorganisms in soil require carbon and energy from the decomposition of organic matter to satisfy both their growth and maintenance requirements. Investigations of the coupling between these matter and energy fluxes and its dependence on environmental conditions and the microbial community are a promising way to develop mechanistic descriptions of soil systems. While such a thermodynamic perspective has been leveraged to some extent in studies of the growth metabolism of populations after substrate addition, less is known about the bioenergetics of microbial dormancy and maintenance and the transition between inactive and active states. This is despite the fact that inactive biomass accounts for a large fraction of the total microbial biomass found in natural soils, with the dynamic emergence from and return to dormancy representing a central process for the survival and proliferation of microbes in this system.
Here, we review conceptual frameworks and quantitative models of microbial activity and maintenance and derive their bioenergetic implications. Specifically, we focus on analyzing the consequences of such non-growth processes for the overall energy and mass balance using a combination of theoretical considerations and dynamic modeling. Our analysis shows that the choice of particular representations of microbial activity and maintenance has a distinct effect on the predicted ratio of heat release to CO2 release (Calorespirometric Ratio, CR) in both growing and non-growing populations, which can be measured experimentally. While the inactive fraction dominates in the absence of organic substrates, it also impacts the growth dynamics after batch input of substrate, as the net metabolic reactions carried out by microbes strongly depend on the conversions between inactive and active biomass. The effect on CR is most pronounced during the lag and retardation phases of growth when microbial activity is low. We illustrate these findings by simulating the CR dynamics of aerobic growth after batch input of glucose.
The results contribute to the development of our limited understanding of the carbon and energy balance associated with the activity state of the microbial biomass in soils and highlight the need for careful consideration when interpreting experimental observations based on models of dormancy and maintenance. Our conclusions will provide helpful guidelines for emerging studies aiming to illuminate the general bioenergetics of soil systems.

Die Düngeverordnung wurde 2020 erneut novelliert um den Anforderungen der Europäischen Nitratrichtlinie gerecht zu werden. Um so früh wie möglich Aussagen über die Maßnahmenwirkung treffen zu können, wurde 2016 das Demonstrationsvorhaben "Indikatoren zur Früherkennung von Nitratbelastungen im Boden unter Pflanzenbau" initiiert. Unter anderem wurde der Herbst-Nmin im Zeitraum von 2017 bis 2020 aufinsgesamt 576 Testflächen von 48 Betrieben in fünf Bundesländern untersucht und mit Bewirtschaftungsdaten sowie Standortfaktoren verknüpft. Ziel dieser Studie war es, die bedeutendsten Faktoren zu ermitteln, welche die Höhe des Herbst-Nmin bestimmen. Dazu wurden 25 Faktoren hinsichtlich der Zielvariable Herbst-Nmin mit einem Random-Forest-Algorithmus klassifiziert.
Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem die angebaute Hauptkultur entscheidend für die Höhe des Herbst-Nmin-Gehalts im Boden ist. Dabei zeigten sich vor allem solche Kulturarten als problematisch, welche z.B. hohen Ertrags- und Qualitätserwartungen unterliegen, wiederholt einer intensiven Bodenbearbeitung bedürfen, häufig im Herbst gedüngt werden und/oder zu hohen Anteilen stickstoffreiche Ernterückstände hinterlassen. Neben der Hauptkultur sind die standortspezifischen Voraussetzungen, insbesondere der Bodentyp und die Niederschlagsmenge im Herbst entscheidend.
Mit Hilfe des umfangreichen Datensatzes und der angewandten Auswertungsmethode ist es erstmals für Deutschland möglich, die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduktion von Nitratfrachten gezielt unter Praxisbedingungen zu bewerten.

Die Förderung des Vorhabens erfolgt aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Gefördert über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE), Förderkennzeichen 2820ABS001.

Diffuse Stickstoff(N)verluste aus der Landwirtschaft sind ein wichtiger Faktor für regional hohe Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Veränderungen der Nitratfrachten können aufgrund der oft langen Transportwege nicht kurzfristig und verursachergerecht im Grundwasser erfasst werden. Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene Ansätze zur direkten Bewertung des Stickstoffauswaschungspotenzials aus der Landwirtschaft auf Feld- und Betriebsebene untersucht: N-Feldbilanzen, N-Betriebsbilanzen, mineralische Stickstoffgehalte in der Wurzelzone im Frühjahr, zur Ernte und im Herbst (Nmin, 0-90 cm) und Nitrat(NO3)konzentrationen im Bodenwasser des Unterbodens (120-300 cm). Die Frühindikatoren wurden in fünf Testregionen in Deutschland von der Ernte 2017 bis zum Frühjahr 2021 auf 48 Betrieben mit Schwerpunkt Ackerbau auf insgesamt 576 Testparzellen untersucht. Damit wurde eine Vielzahl von Bodentypen und Witterungsbedingungen abgedeckt. Die Frühindikatoren lieferten für einzelne Testflächen oft widersprüchliche Aussagen. Es gab nur schwache Korrelationen zwischen den Indikatoren. Die zu verschiedenen Zeitpunkten erhobenen Nmin-Werte korrelierten stark, was die
hohe Reproduzierbarkeit der Messungen zeigt. Diese wurde durch eine detailliert definierte Probenahmestrategie erreicht. Die hohen Korrelationen zeigen auch, dass die Nmin-Werte stark von den Bodeneigenschaften bestimmt werden. Zwischen Herbst-Nmin-Werten und NO3-Konzentrationen im Unterboden gab es eine signifikante, jedoch geringe Korrelation. Diese erhöhte sich deutlich bei der Mittelung der Daten über den Untersuchungszeitraum von vier Jahren. Die N-Feldbilanzen korrelierten nicht mit den Nmin-Werten oder den NO3-Konzentrationen im Unterboden. Diese widersprüchlichen Ergebnisse zwischen den Indikatoren sind auf die komplexen Wechselwirkungen von bodenklimatischen Faktoren und landwirtschaftlichen Bewirtschaftungspraktiken zurückzuführen. Während jeder Indikator für sich wichtige Aspekte zur Überwachung der Nitratauswaschung beiträgt, liefern die Indikatoren einzeln keine ausreichenden Informationen. Daher wird die gleichzeitige Beobachtung mehrerer Indikatoren empfohlen, um das Nitratauswaschungspotenzial in Richtung Grundwasser zu überwachen und den Einfluss von Bewirtschaftungs- und Standortfaktoren zu bewerten.

Diese Arbeit wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) durch die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) unter FK 2815MD001 und FK 2820ABS001 gefördert.

Die Gefährdung der Böden durch Wassererosion auf ackerbaulich genutzten Flächen stellt weltweit eine der größten Herausforderungen im Bodenschutz dar. Die genaue Identifikation von Gefahrenbereichen auf kleineren Maßstabsebenen ist dabei insbesondere auf politischer Ebene relevant zur Entwicklung von Schutzmaßnahmenkonzepten und Strategien. Hierfür wird Infolge ihrer einfachen Handhabbarkeit und Robustheit die ABAG (Allgemeine Bodenabtragsgleichung) herangezogen, die zu den an den meist genutzten Modellen weltweit gehört.
Der K-Faktor innerhalb der ABAG spiegelt dabei die natürliche Erodierbarkeit des Oberbodens wider und berechnet sich aus einer größeren Anzahl an Parametern (Bodentextur, Skelettgehalt, organische Bodensubstanz, Steingehalt, Aggregierung, Infiltrationskapazität). Die räumliche Bereitstellung dieser Informationen ist für die genaue Bestimmung des K-Faktors kritisch. Hingegen ist die Datenverfügbarkeit dieser Bodeninformationen auf regionaler Skala limitiert und auf wenige Datensätze beschränkt, die große Unterschiede in der räumlichen Auflösung und dem erforderlichen Informationsgehalt (verfügbare Parameter) aufweisen. Trotz des hohen Unsicherheitspotenzial der Bodendatensätze bei regionalen Gefährdungsabschätzung der Wassererosion gibt es kaum Studien, die abgeleitete K-Faktoren validieren und Unsicherheiten angeben.
Ziel der vorliegenden Studie ist es daher eine räumliche und quantitative Evaluierung deutschlandweit flächenhaft verfügbarer Datensätze (LUCAS-Soil, Bodenübersichtskarte 1:200.000 und 1:1.000.000) für die Modellierung des K-Faktors sowie des Gesamtabtrags vorzunehmen. Für die Validierung werden genaue Bodeninformationen von 2253 Ackerbodenprofilen aus der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE-LW) mit genauen Koordinaten verwendet.
Die Ergebnisse offenbaren signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Datensätzen hinsichtlich der deutschlandweiten Bewertung der K-Faktoren und somit des Bodenabtrags. Sowohl der LUCAS-Bodendatensatz als auch die BÜK1000 überschätzen teilweise deutlich die durchschnittlichen K-Faktoren der BZE-LW. Zudem lassen sich anhand der Residuen sämtlicher getesteter Datensätze räumliche Muster identifizieren, in denen die K-Faktoren der BZE-LW sowohl stark über- als auch unterschätzt werden. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die räumliche Modellierung der Bodenerosionsgefährdung und auf die Identifizierung von Risikoreichen. Die Ergebnisse verdeutlichen somit, dass die Auswahl des Datensatzes auf regionaler Ebene eine entscheidende Rolle spielen kann. Es wird deutlich, dass detaillierte Informationen, insbesondere zur Bodentextur (z. B. Feinstsand), erforderlich sind, um die Abschätzung der Bodenerodierbarkeit und folglich die Bewertung der Bodenerosionsgefährdung auf regionaler Ebene zu verbessern.

Gas exchange in the soil is determined by the size of air-filled pores and their connectivity. Root mucilage, which has the properties of a hydrogel, can partially reduce air-filled pore connectivity and thus reduce gas diffusivity. However, it remains unclear to what extent mucilage affects soil pore tortuosity. The aim of this study is to gain a better understanding of gas diffusion processes in the rhizosphere by explaining the geometric alterations of the soil pore space induced by mucilage drying.

We quantified oxygen diffusion through a soil-mucilage mixture at different water contents during a wetting-drying cycle using a diffusion chamber experiment. For this purpose, we mixed soil of varying particle sizes with various amounts of mucilage. Soils were initially saturated and gas diffusion was measured at progressive drying stages. Subsequently, measurements were repeated during soil rewetting. In addition, we used X-ray CT imaging to visualize the distribution of air in the pore space and used scanning electron microscopy to visualize mucilage bridges in the dry soil samples.

Mucilage decreased the gas diffusion coefficient depending on soil texture and mucilage concentration. Electron microscopy showed that during drying mucilage forms filaments and interconnected structures throughout the pore space. We conclude that exudation of mucilage modifies gas diffusion across the rhizosphere.

In Böden ist ein weitaus breiteres Größen- und Materialspektrum – das "totale mobile Inventar" (TMI) – mobil*. Wie neben gelösten und kolloidalen Substanzen auch partikuläre Frachten >0,45 µm im Sickerwasser ungestörter Böden schwanken und am Stoffaustausch zwischen Oberflächen- und unterirdischen Ökosystemen beteiligt sind, ist noch nahezu unbekannt. Im topografischen Grundwasserneubildungsgebiet des „Critical Zone-Exploratoriums Hainich“ überwachen wir TMI-Dynamiken mittels Tensionslysimetern in Ober- und Unterböden der Landnutzungen Wald, Wiese und Acker. Bodensickerwässer und Niederschlag werden regelmäßig (14d-1m) und ereignisbedingt beprobt und physiko-/hydrochemisch, spektroskopisch und mikrobiologisch analysiert. Innerhalb von >6,5 Jahren wurden Schwankungen des TMI vor allem durch atmosphärische Bedingungen (Niederschlag, Temperatur) forciert, mit ausgeprägter Saisonalität in der Signatur der gelösten Bestandteile (z.B. Sulfat) und des pH-Werts der Sickerwässer. Der Gesamtexport von Bakterien aus Böden war im hydrologischen Winter 1,5-mal gegenüber Sommer erhöht. Episodische und starke Infiltrationsereignisse, nach Schneeschmelzen oder Starkregen haben eine verstärkte Mobilisierung von Partikeln zur Folge. Herauszuheben ist, dass der Export von partikulärem organischem Kohlenstoff (POC), während Infiltrationsereignissen im Winterhalbjahr, rund 80% der jährlichen Gesamtverlagerung einnahm. Dabei kann POC >20% des gesamten mobilen OC ausmachen und muss in Kohlenstoffbilanzen und bzgl. Ökosysteminteraktion berücksichtigt werden. Vor dem Hintergrund zunehmender Klimavariabilität und extremer Bedingungen infolge Klimawandel, haben wir die Intraevent-Dynamiken im TMI durch zeitlich hochaufgelöste Überwachung des Sickerwassers während eines Schneeschmelzereignisses (Feb. 2021) und eines Starkregenereignisses (Sommer 2021) untersucht, um das Verständnis der Einflussfaktoren der Verlagerung zu verbessern. Während der unterschiedlichen saisonalen Bedingungen waren jeweils starke Intraevent-Schwankungen des TMI (z.B. Nitrat, DOM, Mikroorganismen) zu beobachten, auch unter Wirkungen präferenziellen Fließens. Unser Langzeitmonitoring liefert neben besserem Verständnis des Bodenstoffhaushalts auch mögliche Kontrollfaktoren für Kopplung und Versorgung unterirdischer Ökosysteme (Aerationszone, Grundwasser) und deren chemischer, biologischer und funktioneller Schwankungen.

*Lehmann et al. 2021, SCI TOTAL ENVIRON, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143774

Unterirdische laterale Flüsse (ULF) sind ein weit verbreitetes Phänomen im ackerbaulich genutzten Boden der hügeligen Grundmoränenlandschaft. Auf Grund der heterogenen Struktur des Untergrunds sind Fließwege und Transportpfade von Nährstoffen und Pestiziden aus Ackergebieten in angrenzende Gewässer schwer abzuschätzen. Die Zielstellung der Studie ist es das Verständnis über das Auftreten von ULF in ackerbaulich genutzten Böden zu verbessern indem drei Methoden zur Erfassung von ULF miteinander verglichen werden. Zunächst wurde eine Zeitreihenanalyse (Wavelet-Kohärenz-Analyse) von Unterschieden im Wassergehaltsanstieg zwischen einem Lysimeter und einem korrespondierenden Feldstandort durchgeführt, um mögliche Randbedingungen für das Auftreten von ULF zu ermitteln. Weiterhin wurden Laborversuche mit an Horizontgrenzen entnommenen Bodenmonolithen entwickelt, um den Mechanismus der lokalen Porenwassersättigung als Auslöser für ULF zu überprüfen. In einem dritten Ansatz diente ein Feldtracerversuch zur Analyse der unterirdischen Fließrichtungen und –geschwindigkeiten unter natürlich auftretenden Niederschlägen. Mit Hilfe der Zeitreihenanalyse wurden Niederschlagsmenge und –dauer als mögliche Randbedingungen für das Auslösen von ULF identifiziert. Salz- und Farbtracerversuche mit durch Makroporen induzierter lokaler Sättigung entlang von Horizontgrenzen in 25 x 25 cm² großen Bodenmonolithen deuten auf Muster hin, die als ULF entlang einer Sandlinse und einer C-B-Horizontgrenze interpretiert werden können. In dem Feldtracerversuch wurde das ausgebrachte Bromid in einer Pararendzina 3 m unterhalb des Ausbringungsgrabens in 160 cm Tiefe nach 541 Tagen gefunden. In einer erodierten Parabraunerde wurde im gleichen Zeitraum nur vertikaler Fluss gemessen. Dies hebt die Bedeutung der 3D-Untergrundkartierung hervor für eine genaue Erfassung von unterirdischen Heterogenitäten der Bodenstruktur. Weiterhin ist es notwendig einen vielfältigen Satz an Methoden zur Erfassung verschiedener Aspekte ULF wie unterirdischen Fließwegen und Fließgeschwindigkeiten zu verwenden. Trotz der Vorteile der einzelnen Methoden die ULF zu erfassen ist es bis heute nicht möglich, ULF in kuppigen Grundmoränen in ausreichendem Maße zu quantifizieren und damit die hydrologische Relevanz des Phänomens in dieser Landschaft einzuschätzen.

Peatlands are an important natural terrestrial carbon store. Any impacts on the drivers of hydro-biogeochemical processes in these ecosystems can be particularly severe. When peats degrade they can turn from powerful carbon sinks to emitters. They can also threaten drinking water supplies, as (heavy) metals can be leached from degraded peats along with dissolved organic carbon (DOC). However, quantifying DOC discharges from terrestrial to aquatic ecosystems is challenging. The hydro-biogeochemical processes occurring at the soil-aquatic interface are not only complex but also occur at different spatial and temporal scales. These processes depend on a variety of constantly changing external conditions such as temperature, nutrition- as well as oxygen availability. On top, there is no sensor available, which can measure the DOC concentrations of streams in situ and directly.
Here we investigated the DOC concentration in two nested catchments of two adjacent streams in the Ore Mountains of southern Saxony in Germany. One stream is dominated by mineral soils, while the other is dominated by (degraded) peat soils. Each of the four sites is equipped with YSI-EXO fDOM sensors. Further data comprise discharge, water temperature, turbidity and electric conductivity. A machine-learning algorithm (Random Forest) was trained to predict DOC concentration from the available data set (validation r² between 0.85 and 0.98). We investigated the gained 15-minute resolution DOC data on potential driving factors. Interestingly, the area-specific loads of the peat-dominated catchment with 3.5 mg C m-2 a-1 did not differ significantly from that of the mineral soil-dominated catchment with 3.1 mg C m-2 a-1. However, the loads over the year were almost twice as high as previously detected from data collected on a monthly basis. With the high-resolution DOC data, we can detect the drivers of extreme DOC concentrations (up to 40 mg l-1) after heavy rainfall events in summer and constant high-level DOC concentrations of 20 mg l-1 during snowmelt in winter. By applying the algorithm on DOC:DON ratios, we were further able to quantify the different sources of plant-based material from the peat soils and microbial-degraded material from the mineral soil-dominated catchment. Previous DOC measurements, mostly based on 2-week to monthly measurements, likely greatly underestimate the contribution of DOC to C fluxes in ecosystems. For C-rich ecosystems such as Peatlands, this is significant.

Das Land Brandenburg hat mit dem Klimaplan erstmals konkrete Vorgaben zur Einhaltung der Klimaschutzziele der UN-Klimarahmenkonvention formuliert. Dabei ist die Minderung der Treibhausgasemissionen in den Sektoren Landwirtschaft und Landnutzung unter anderem an die Entwicklung der Vorräte an organischen Kohlenstoff in den Böden gebunden. Eine Bewertung der Kohlenstoffvorräte für die organischen Böden liegt auf Basis der Moorbodenkarte (Version2021) bereits vor. Diese Kulisse soll um die Bewertung der mineralischen Standorte erweitert werden. Dazu wird vom Staatlichen Geologischen Dienst Brandenburg eine räumlich differenzierte Karte der organischen Kohlenstoffvorräte in den landwirtschaftlich genutzten mineralischen Böden erarbeitet, die als Referenz für die jährliche Bilanzierung sowie Prognosen zukünftiger Entwicklung der Kohlenstoffvorräte dient.
Für die Erarbeitung der Referenzkulisse wird zunächst ein Probenahmekonzept basierend auf den Bodenprofilanalysen des Fachinformationssystems Boden des Landes Brandenburg entwickelt. Dabei werden flächendeckend verfügbare Einflussfaktoren auf den organischen Kohlenstoffvorrat identifiziert. Diese Einflussfaktoren werden dann für die Stratifizierung der Probenahmestandorte verwendet. In der Beprobungskampagne werden an den Entnahmepunkten in Tiefenintervallen die Parameter organischer und anorganischer Kohlenstoff, pH-Wert, Trockenrohdichte, Bodentextur sowie makroskopische Kenngrößen erfasst. Die Vorhersage der räumlichen Verbreitung des organischen Kohlenstoffvorrats erfolgt anschließend in Abhängigkeit von Landnutzung, geomorphometrischen und klimatischen Parametern sowie Profildaten der Bodenschätzung mithilfe geeigneter statistischer sowie expertenbasierter Verfahren.Das Gesamtkonzept zur räumlichen Ableitung der Kohlenstoffvorräte sowie erste Ergebnisse werden vorgestellt.

Die Boden-Konzeptkarte für das Land Brandenburg liefert die fachliche Basis sowohl für die Planung und Umsetzung bodenkundlicher Kartierungen als auch für die Synthese zu Bodengrund und -funktionskarten. Die Güte der zugrundeliegenden Konzeptkarte hat somit einen hohen Einfluss auf die Qualität der abgeleiteten Produkte. Die Überarbeitung ihrer konzeptionellen Basis soll daher in einer Form verstetigt werden, die es ermöglicht den wachsenden Erkenntnisstand aus laufenden Erhebungen zeitnah zu berücksichtigen.
Im Land Brandenburg wird die Boden-Konzeptkarte mit einem regelbasierten Ansatz weitgehend automatisiert softwaretechnisch abgeleitet. Das Verfahren implementiert die bislang analog durchgeführten Arbeitsschritte und bildet als „Expertensystem“ das Verständnis über die Genese und die Verbreitung der Böden in Brandenburg weitgehend ab.
Ein robustes Verfahren zum Abgleich laufender Erhebungen mit den „Prognosen“ der Konzeptkarte und darauf fußend deren systematische Überprüfung und Bewertung wird derzeit erarbeitet. Zukünftig sollen in diesem Verfahren erkannte Defizite systematisch in einem modifizierten Ableitungs-Regelwerk berücksichtigt und die Konzeptkarte aktualisiert werden. Das erarbeitete Verfahren und erste Ergebnisse werden vorgestellt.

Für die Planung und nachhaltige Nutzung des Bodens als Wärmeträger, -speicher und -quelle, insbesondere beim Bau von Energieleitungen oder Erdwärmekollektoren, werden repräsentative Flächeninformationen zu den thermischen Bodeneigenschaften dringend benötigt. Diese liegen in den meisten Fällen jedoch nur im klein- oder mittelmaßstäbigen Bereich vor.

Am Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe Brandenburg (LBGR) wird ein DSM-Ansatz entwickelt, bei dem die räumlich hochauflösende Prognose der thermischen Bodeneigenschaften auf Basis verschiedener Punkt- und Flächeninformationen und umfangreicher Labormessungen abgeleitet wird. Die Ableitung der thermischen Bodeneigenschaften beruht auf empirischen Pedotransferfunktionen zur Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Bodens (Markert et al. 2014). Diese wurden anhand zahlreicher Labormessungen flächenrepräsentativer Böden Brandenburgs abgeleitet und parametrisiert. Die daran anknüpfende räumliche Prognose basiert auf einem Verfahren, das aktuell am LBGR für die Ableitung von Prognosekarten zur Substratgenese, Pedogenese, Bodenart und Trockenrohdichte entwickelt wird. Als Datenquellen werden räumlich hoch aufgelöste Punktdaten (u.a. Grablöcher der Bodenschätzung, Forstliche Standortskartierung, Bohrungen der Preuß.-Geol. Kartierung, Meliorations-Standortuntersuchungen) genutzt und in eine einheitliche Struktur und Nomenklatur überführt. Diese Punktdaten liefern die für die Vorhersage der thermischen Bodeneigenschaften notwendigen Parameter. Damit die jeweils geeignetste Datenquelle den entsprechenden Standort repräsentiert, erfolgt die Auswahl der Datenquelle anhand von regelbasierten, auf Expertenwissen gestützten Entscheidungsbäumen. Je nach inhaltlicher Auflösung der verwendeten Datenquelle können die thermischen Bodeneigenschaften für verschiedene Tiefenbereiche abgeleitet werden. Im Ergebnis entstehen hochauflösende Flächeninformationen zu den thermischen Bodeneigenschaften im Maßstabsbereich 1 : 5000 – 1: 10.000.

Im Rahmen des Vortrags soll der methodische Ansatz und erste Ergebnisse vorgestellt, sowie die Vorteile gegenüber bisherigen Verfahren diskutiert werden.

Über die Bodenfunktionsbewertung lassen sich Bereiche mit herausragenden Funktionseigenschaften ableiten, welche nach dem BBodSchG unter besonderem Schutz stehen. Suchräume für „besonders schutzwürdige Böden“ sind vom Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) für die Regionalpläne in Hessen ausgewiesen worden. Die Methode soll vom Landesamt für Geologie und Bergbau, Rheinland-Pfalz (LGB) im Grundsatz übernommen werden und die thematischen Bodenkarten ergänzen.
Die so ausgewiesenen Böden sind vorrangig vor Beeinträchtigungen zu schützen. In beiden Ländern werden für die Auswertung die Bodenflächendaten im Maßstab 1:50000 genutzt. Ein Vorteil der langjährigen Kooperation der beiden Länder ist eine Datenstruktur, die überregionale Vergleichbarkeiten der einzelnen Methoden zulässt.

Folgende Funktionen bzw. Themen wurden bislang ausgewertet und gehen in die Gesamtkulisse der „besonders schutzwürdigen Böden“ ein:

A) Böden als Archiv der Naturgeschichte
B) Böden mit extremen Standorteigenschaften und besonderer Bedeutung für die Biodiversität sowie
C) Böden mit hoher Funktionserfüllung im Wasserhaushalt, für die Ertragssicherheit, als Filter und Puffer sowie als Regulator im Klimageschehen.
Die Methoden im Einzelnen:

A) Böden als Archiv der Naturgeschichte
Aus den Bodenflächendaten kann nur das Archiv „Naturgeschichte“ ausgewertet werden. Für die Ausweisung wurde weitestgehend auf die expertengestützte Auswahl zurückgegriffen, da es hier noch keine standardisierte Methode gibt.

B) Böden mit extremen Standorteigenschaften und besonderer Bedeutung für die Biodiversität
Als besonders wertvoll werden beispielsweise Standorte mit extremem Nässeeinfluss und Torfbildung sowie physiologisch extrem trockene Standorte angesehen. Ausgewertet wurden die Bodenflächendaten in Bezug auf „Bodentyp“, „Grundnässestufe“, „Staunässestufe“, „Basenhaushalt“ und „nutzbare Feldkapazität im durchwurzelbaren Bodenraum“.

C) Böden mit hoher Funktionserfüllung im Wasserhaushalt, für die Ertragssicherheit, als Filter und Puffer sowie als Regulator im Klimageschehen
Böden, die gleichzeitig ein hohes Bindungsvermögen für Stoffe sowie ein hohes Speichervermögen für Wasser haben, wird ein hoher Funktionserfüllungsgrad zugeordnet. Als „Schwellenwert“ wurde deshalb eine Feldkapazität von 370 mm und eine nutzbare Feldkapazität von 190 mm, bezogen auf 1 m Tiefe, festgelegt.

Bodenorganismen beeinflussen die Pedogenese auf molekularer Ebene durch die Produktion von Biopolymeren, die mit Bodenmineralen interagieren können. Je nach ihren molekularen Eigenschaften können diese dabei die Aggregation hemmen, mithin als „separation agent“ fungieren, oder die Aggregation als „bridging agent“ fördern. Mucus, ein von Regenwürmern ausgeschiedenes Biopolymer, das hauptsächlich aus Proteinen und Polysacchariden besteht, wurde bisher oft vernachlässigt, obwohl Regenwürmer mittels Bioturbation wesentlich zur Bodenqualität und -strukturierung beitragen. In unserer Studie untersuchten wir die Rolle von L. terrestris-Mucus (cutaneous earthworm mucus: CEM) bei der Bildung organo-mineralischer Assoziationen in der Bodenlösung. Hierzu wurden Batchversuche mit Goethit und CEM bei verschiedenen pH-Werten und zunehmenden CEM-Konzentrationen durchgeführt. Anschließend wurde die Aggregation entstandener organo-mineralischer Assoziationen mit Quarzpartikeln in Abhängigkeit von der C-Beladung auf Mineraloberflächen und der CEM-Konzentration in Lösung untersucht.
In den Experimenten wird deutlich, dass CEM ein konzentrations- und pH-abhängiges Adsorptionsverhalten zu Goethit besitzt. Polysaccharide adsorbieren dabei bevorzugt unter sauren Bedingungen (pH 3) und niedriger CEM-Konzentration (6 mg Mucus-C/l). Im Gegensatz dazu wurde eine stärkere Adsorption von Proteinen bei höheren CEM-Konzentrationen (30 mg Mucus-C /l) festgestellt. In anschließenden Aggregationsexperimenten war die Heteroaggregationsrate von organisch-mineralischen Assoziationen mit Quarz im Vergleich zur CEM-freien Referenz bei geringen C-Beladungen verringert und bei hohen Beladungen erhöht. Darüber hinaus wurde die Aggregation zwischen Goethitpartikeln durch elektrostatische/sterische Abstoßung gehemmt (separation agent), wenn hohe CEM-Konzentrationen in der Lösung vorhanden waren (Mineral:Mucus-Verhältnis von 17), während CEM bei relativ geringer Verfügbarkeit in Lösung (Mineral:Mucus-Verhältnis von > 83) eine Aggregation ermöglichte (bridging agent).
Die Bildung und das Aggregationsverhalten von Mucus-Mineral-Assoziationen tragen zur Nährstoff-/Kohlenstoffspeicherung sowie der Strukturbildung bei. Die Zusammensetzung, Funktion und (Im-)Mobilisierung von CEM und entsprechender organo-mineralischer Assoziationen in regenwurmbeeinflussten Bodenstrukturen ist daher von der CEM-Verfügbarkeit und der CEM-Struktur/Reaktivität in Abhängigkeit vorliegender Umweltparameter abhängig.

Little is known about size, shape, and stability of composite particles formed from dissolved and dispersed compounds upon freezing of water in soils. Especially the effects of solution chemistry and the number of freeze-thaw cycles (FTC) is unknown. Upon freezing, soil solution components escape from growing ice, the so-called ice exclusion. When the remaining liquid freezes, particle form with their shapes defined by the sub-grain boundaries of the ice crystals. Illite, goethite, tannic acid, and bacterial cells as well as cell envelopes at concentrations of 0.005 to 10 g/L with and without background electrolytes (NaCl, CaCl2, AlCl3) were used as model substances and individually exposed to up to 20 FTC. After freeze-drying of frozen samples, size and shape of the formed particles were analyzed by confocal laser scanning microscopy. Particles were sized according to their equivalent circle diameter and classified into different classes according to shape. In the thawed suspensions, particle size was determined according to hydrodynamic diameter as obtained with dynamic light scattering. Shapes of the particles formed in the freezing experiments were not similar for all model substances. Morphologies of formed particles resembled ice surfaces with plates and fibers defined by two- and three-grain boundaries but there were also larger particles entrapped by the ice. High concentrations of non-aqueous compounds induced formation of larger particles with platy morphology, due to more filled sub-grain boundaries. Particles rich in clay minerals were more prone to dispersion than those with higher shares of bacterial cells. For tannic acid larger equivalent circle diameter for all concentrations and enhanced aggregation at pH 3 compared to pH 6 could be shown. Electrolyte additions indicate a higher stability for higher valencies. Obviously, the freeze-concentration effect is most intense at low particle concentrations, likely due to formation of larger ice crystals and higher crystallization pressures. An increasing number of FTC amplified this effect. We conclude that ice exclusion can significantly shape soil microaggregates depending on their inorganic and organic constituents, with possible consequences for C retention and availability. The observed effects on particle formation during freezing are potentially stronger under natural soil conditions as freezing is slower, thus favoring more intense freeze-concentration.

The largest share of total soil organic matter is associated with soil minerals, making the formation of mineral-associated organic matter (MAOM) a key factor in the global carbon (C) cycle. Little is known about the effect of mineral type and land use on the extent of MAOM formation, its stability, and age along soil profiles. We addressed this research gap by exposing pristine minerals (an iron oxyhydroxide, goethite, and a clay mineral, illite) for five years to ambient soil conditions at 0, 5 and 30 cm depth in 27 forest plots, and at 5 and 30 cm depth in 27 grassland plots across three regions in Germany. After recovery, the content of organic C (OC) of the minerals was determined by dry combustion. The stability of the mineral-bound C was assessed by sequential extraction with 0.01M CaCl2 and 0.1M Na4P2O7. Radiocarbon was used to determine the 14C age and assess the potential source of the MAOM-C. Results show that irrespective of soil depth, goethite accumulated more OC than illite (on average 0.28, 0.20, and 0.10 mg m-2 mineral surface at 0, 5 and 30 cm depth, respectively for goethite, and 0.09, 0.05, and 0.02 mg m-2 mineral for illite). The amount of MAOM-C that accumulated at 5 and 30 cm depth was similar in forests and grasslands. We further show that in forest, MAOM-C accumulation at 0 cm depth was higher in coniferous forests than deciduous forests. This trend persisted at 5cm depth for goethite. However, at 30 cm depth, both forest types accumulated similar amounts of MAOM-C for both minerals. The proportion of MAOM-C extracted by CaCl2 depended on mineral type, being higher for illite than goethite, but was not affected by land use. Conversely, Na4P2O7-extractable OC was higher for goethite than illite, and was higher in forests than in grasslands at 5 cm but not 30 cm depth. First results show a decline in the 14C content of the MAOM-C with depth. Overall, our results suggest that i) the accumulation and stability of MAOM along the soil profile is mineral dependent, and ii) the effect of land use on the formation and stability of MAOM is limited to the topsoil.

Water repellency (WR) in soil significantly limits water availability and may affect plant growth. Organic compounds were identified to be the main reason for changes in interfacial soil properties but a clear understanding of the mechanism of WR formation in soil is still missing. Current research suggests that bacterial biomass residues that are formed in soil contribute to the organic matter pool causing WR, and that residues from stressed bacteria are retained more than residues form unstressed cells and result in higher WR. Thus, our project studies the effects of cell envelopes of unstressed and hypertonically stressed bacteria on chemical and physical soil particle surface properties. We hypothesize that soil bacteria and their cell envelopes not only become less wettable after dry periods but also adhere more strongly to surfaces, rendering them less easily degradable and ultimately increasing the persistence of soil WR.
In this work, atomic force microcopy (AFM) analyses at the single cell level were performed under physiological conditions in order to study the effect of stress on the adhesion of Pseudomonas fluorescens cells to mineral surfaces. We used tips modified with either one of the four different minerals interacting with both stressed and unstressed bacterial cells and compared the AFM results with the theoretical XDLVO predictions based on contact angle and zeta potential measurements. We considered the effect of the specific mineral tip geometry and crystal structure to explain possible agreement or disagreement between AFM and XDLVO results.
We found that montmorillonite and goethite adhere more strongly to stressed than to unstressed cell surfaces due to stronger hydrophobic interactions toward the stressed cells. Kaolinite unexpectedly showed the opposite trend, whereas the adhesion of quartz was independent of cell stress. Possible reasons for such contrasting results were addressed. The match between AFM and XDLVO results followed the order goethite > montmorillonite > quartz > kaolinite. Our results indicate that bacteria may increase soil hydrophobicity; this has a range of implications for soil physicochemical properties.

Forest disturbances are increasing around the globe with climate change and human land-use being important drivers. While forest disturbances undoubtedly reduce carbon (C) stocks in living tree biomass, their effects on forest floor C stocks remain uncertain. Here, we quantify changes in forest floor and mineral soil C stocks following two major storm events in Switzerland. Combining paired site studies with national soil inventory data and processed-based modelling indicate that windthrow effects on belowground C stocks are strongly related to the size of the forest floor stocks. The largest windthrow-induced C losses of up to 29 t C ha-1 occurred in high-elevation forests with a harsh climate developing thick organic layers; as much as 90 % of the forest floor C got lost upon disturbance. In contrast, C stocks of low-elevation forest soils with thin organic layers were hardly affected. Upscaling to the whole forested area of Switzerland showed a total C loss from the forest floor of ~0.4 Mt C after the two storm events, counteracting the forest net C sink of decades. Our findings are supported by the results of a global meta-analysis, showing an increase of disturbance-induced C losses with the size of the initial forest floor C stocks. Our study provides strong evidence that the sensitivity of soil C stocks to forest disturbance is particularly high in forests featuring a thick and slowly forming forest floor.

Seit den 1970er und 80er Jahren mit starken, immisionsbedingten Waldschäden, insbesondere in Koniferenreinbeständen, werden Waldumbaukonzepte zur Stabilisierung der Ökosystem diskutiert. Vor dem Hintergrund der heute nicht mehr zu übersehenden negativen Auswirkungen des Klimawandels nimmt der Druck zu. Grundsätzlich geht es dabei um die Überführung der Reinbestände in artenreiche Mischwälder mit hohen Laubholzanteilen. Es ist zu erwarten, dass sich diese Maßnahmen auf Bodeneigenschaften wie Humusform, Humusvorrat und Nährstoffversorgung auswirken werden. Aufgrund der Langfristigkeit dieser Auswirkungen liegen dazu jedoch kaum aktuelle Daten vor.

Im „Sauener Wald“, etwa 80 km östlich von Berlin, findet der Waldumbau von devastierten Kiefernreinbeständen zu angepassten Mischwäldern seit über 100 Jahren kontinuierlich statt. Untersuchungen, die dort auf dem glazial geprägten Standort regelmäßig seit 1912 durchgeführt wurden, liefen zusammen mit unseren aktuellen Aufnahmen im Jahr 2020 eine echte, mehr als 100jährige Zeitreihe zu den Auswirkungen des Waldumbaus auf den Waldboden. Daten zu den Humusformen liegen aus den Jahren 1912, 1968, 1994 und 2020 vor. Grundlage sind Feldaufnahmen auf 93 Parzellen in dem etwa 800 ha großen Wald. Zur Quantifizierung der bodenchemischen Auswirkungen dieses Waldumbaus untersuchten wir Bodenproben bis in 40 cm Tiefe auf die Parameter organischer Kohlenstoffgehalt, Kationenaustauschkapazität, pH-Wert und Basensättigung auf insgesamt 53 Parzellen. Unsere Ergebnisse verglichen wir mit 1994 gemessenen Werten. Durch eine Auswertung der Bestandsdaten, die in den Jahren 1914, 1955, 1994 und 2020 erhoben wurden, konnten wir Waldumbaustadien definieren und diesen die Veränderungen des bodenchemischen Zustandes zuordnen.
Die Ergebnisse zeigen eine stetige Umwandlung der Humusformen mit fortschreitendem Waldumbau vom Rohumus über den Moder teilweise bis hin zum Mull. Organischer Kohlenstoffgehalt, Kationenaustauschkapazität und Basensättigung in den oberen zehn Zentimetern des Mineralbodens steigen zwischen 1994 und 2020 signifikant an. Gleichzeitig kommt es zu einer Abnahme der pH-Werte in allen Tiefenstufen sowie zu einer Zunahme des austauschbaren Aluminiums in den unteren zwanzig Zentimetern. Die Berechung der Humusvorräte ist noch nicht abgeschlossen, soll aber bis zur Tagung im September vorliegen, sodass wir dann auch über den Einfluss des Waldumbaus auf die C-Speicherfunktion der Böden berichten können.

Kolloide und natürliche Nanopartikel wurden als wichtige Vektoren der Auswaschung von Phosphor (P) vor allem aus landwirtschaftlich genutzten Böden identifiziert. Laborexperimente deuten auf eine wichtige Rolle dieser Partikel für die P-Verlagerung auch in Waldböden hin. Feldstudien zur Auswaschung von kolloidal gebunden P (Pcoll) aus Waldböden sind jedoch rar. Wir postulierten, dass i) ein Großteil der P-Auswaschung aus Waldoberböden in kolloidaler Form erfolgt, ii) Starkregen nach einer Trockenperiode die kolloidgebundene Auswaschung von P verstärkt, und iii) an Kolloide und Nanopartikel gebundener P einen Teil der operationell definierten Fraktion des „gelösten organisch gebunden P“ („Dissolved Organic Phosphorus“, DOP < 450 nm) ausmacht. Diese Hypothesen prüften wir in einem Beregnungsversuch, in dem mittels frei drainender Lysimeter Sickerwasser aus der organischen Auflage und den A-Horizonten eines sandigen, P-armen (Luess) und eines lehmigen, P-reichen Buchenwaldstandorts (Bad Brückenau) des DFG Schwerpunktprogramms SPP1685 Ecosystem Nutrition. Wir bestimmten in den Sickerwasserproben Pcoll Konzentrationen von bis zu 79 µg P l-1, wobei der Großteil der Konzentrationen kleiner als 20 µg P l-1 war. Die Pcoll Konzentrationen verringerten sich nicht mit zunehmender Bodentiefe. Entsprechend unserer Hypothese wurden die höchsten Pcoll Konzentrationen bei der Beregnung nach einer Trockenperiode im Juli erfasst, wobei die Konzentrationserhöhung vor allem auf Partikel der Größenfraktion 25-250 nm zurückzuführen war, die reich an organischer Substanz und Al-(hydr)oxiden ist. Tatsächlich bestand eine signifikante Beziehung zwischen der Pcoll Konzentration und der DOP-Konzentration der Sickerwasserproben (Bad Brückenau: Pcoll = 0,17*DOP, R2 = 0,59; Luess: Pcoll = 0,27*DOP, R2 = 0,32). Trotz der Mobilisierung von Pcoll nach der Trockenperiode im Sommer betrug der Pcoll-Anteil an der Gesamtphosphorkonzentration unabhängig vom Beprobungszeitpunkt im Mittel etwa 10%  14% (Mittelwert  Standardabweichung; Median: 5%). Die längerfristige P-Auswaschung aus den Waldoberböden erfolgt durch den geringen Pcoll-Anteil an Gesamt-P vor allem in der Form von Ortho-P, trotz der Mobilisierung von Pcoll durch Starkregen nach Trockenperioden. Die Beziehung zwischen Pcoll- und DOP-Konzentrationen weist drauf hin, dass ein Teil des operationell definierten DOP im Sickerwasser in kolloidaler und nanopartikulärer Form vorliegt.

Alpine und subalpine Gebiete reagieren sehr empfindlich auf den globalen Klimawandel. Die bessere Erforschung des Kohlenstoffkreislaufs in diesen Gebieten ist daher von großer Bedeutung, insbesondere inwiefern sich der Eintrag und Abbau von organischem Kohlenstoff im Boden verändert. Um den Abbau des als eher stabil angesehenen Lignins unter steigenden Temperaturen zu untersuchen, wurde ein Inkubationsexperiment unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Dazu wurde die Inkubation mit 13C angereicherter Pflanzenstreu unter drei verschiedenen Temperaturregimen (durchschnittliche Temperatur der Vegetationsperiode von 12.5°C, +4°C (16.5°C) und +8°C (20.5°C)) über den Zeitraum eines Jahres durchgeführt. Inkubiert wurden je ein alpiner Wiesenboden sowie ein Waldboden aus Jaun, Schweiz.

Die Konzentration der Ligninphenole nahm in allen Varianten über die Versuchsdauer um durchschnittlich -22.7% ab. Der Rückgang in den Waldproben (-24.9%) war etwas stärker als in den Wiesenproben (-20.5%). Überraschenderweise nahm die Ligninkonzentration in den Wiesenproben am stärksten bei der tiefsten Temperatur ab, während die beiden höheren Temperaturen identisch waren. In den Waldböden war der Rückgang bei einer Temperatur von 16.5°C am höchsten, gefolgt von der tiefsten Temperatur. Überraschenderweise wurde der geringste Rückgang bei 20.5°C beobachtet. Die geringeren Rückgänge bei höheren Temperaturen sind entgegen der Erwartungen und könnten auf ein niedrigeres, den subalpinen Temperaturen angepasstes Optimum der derzeitigen mikrobiellen Gemeinschaft zurückzuführen sein.

Die Konzentration der Ligninphenole der markierten Streu nahm für alle verschiedenen Böden sowie Temperaturen ab. Innerhalb der ersten zwei Inkubationswochen sank die Konzentration der einzelnen Phenole um mehr als 50%. Die anschließende Abnahme des 13C-Signals erfolgte wesentlich langsamer. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die hohe Verfügbarkeit von leicht abbaubarem Kohlenstoff in der Streu, der genügend Energie für die Produktion von Enzymen für den Ligninabbau liefert.
Auch die Kontrollproben zeigen einen ähnlichen Abbauverlauf. Der stärkere Abbau zu Beginn lässt sich durch das Vorhandensein ausreichend verwertbaren Kohlenstoffs erklären, der im Verlaufe der Inkubation abnimmt.
Eine Feldinkubation am Standort der Probennahme soll zeigen, inwiefern sich die Laborergebnisse auf Feldbedingungen übertragen lassen.

Soils represent the largest terrestrial carbon sink and understanding its dynamics is crucial. The metabolic degradation and stabilization of soil organic matter (SOM) follow the rules of thermodynamics. In the catabolic reaction, SOM is oxidized to CO2 and the part of the energy delivered by this reaction is used in anabolism, during which biomass formation and, thereby, energy and C conservation take place. C and energy fluxes are thus linked and contribute to the C transformation and stabilization in natural soil systems. These processes are among others largely influenced by environmental conditions (temperature, soil moisture, C/N ratio).
Due to the complexity and heterogeneity of soil, thermodynamic models and experimental approaches to study the linkage of C and energy fluxes in soil systems are rare and still in their infancy. To establish it, we use calorimetric and carbon mass balancing methods to study both C and energy fluxes in artificial soil systems in incubation experiments over 64 days with cellulose and over 16 days with glucose as substrates. This simplified system allows reliable measurement and interpretation of energy input, accumulation and output and their interaction with SOM turnover processes. Carbon and Energy Use Efficiency (CUE and EUE) are studied under varying environmental conditions. The heat production rate and the reaction enthalpy of metabolism in artificial soil systems are monitored with isothermal microcalorimeters. C mass balances consist of mineralization (measured by GC-TCD), changes in total carbon (measured by EA-irmMS), and carbohydrates (measured by phenol sulphuric acid assay). In addition, biomass and necromass contents are quantified by PLFA and amino sugar analysis.
EUE is calculated from calorimetric data and further we will build an energy balance model. Further, evolution of carbon input and output measurements will be further utilized for carbon balance model. Calorimetric and respirometric data provide the calorespirometric (CR) ratio of the soil system, which is closely related CUE (1,2). Experimentally determined CUE will be compared to that derived theoretically from CR ratio through calorimetric data and biomass yield modelling (3). Preliminary results on the linkage between C and energy balance in soil systems will be presented.

1 Chakrawal, et al (2020). Soil Biol Biochem, 148, 107945
2 Hansen et al (2004). Thermochim Acta, 422, 55–61
3 Brock et al (2017) SAR QSAR Environ Res, 28(8), 629–650

Soil microbes play a significant role in the formation and turnover of soil organic matter (SOM). Thus, OM is metabolized by microorganisms, with one portion of it being converted into biomass and another being respired for energy. This causes an energy and matter flux that is adjusted and slowed down by ongoing recycling of the matter and residual energy. This is realized in energy use channels, resulting in biomass growth and/or necromass formation. To comprehend C turnover and sequestration in terrestrial ecosystems, further knowledge of the relationship between element cycling and energy fluxes is required. In this project, we present a conceptual overview of microorganisms as mediators of SOM production, by investigating carbon substrates with varying complexity with the same model soil (farmyard manure fertilized Luvisol; long-term fertilization experiment Dikopshof, Bonn, Germany). We investigated the effect of substrate size (Glucose — 180 Da, α-1,4-maltotetraose — 666,6 Da, starch — 325 kDa) and substrate rigidity (Starch — α-1,4 glycosidic bonds vs. cellulose —β-1,4). For the first part, we hypothesize that exoenzymes would be required to degrade any substrate greater in size than 600 Da, meaning different carbon use efficiency CUE, and thus also energy use efficiency, due to a change in the process type from growth-oriented processes — high energy flux for glucose degradation to the adaptation-oriented processes (interlinkage of energy flux networks within the system) for the larger substrate, i.e., maltotetraose and starch in this case. For the second part, we hypothesize that chemical stability impacts degradation kinetics and CUE, favouring adaptation-oriented processes. The substrates were labelled with 13C to balance the turnover, identify the carbon in the functional pools, and determine kinetics. Incubation experiments were time-resolved samples and gas flux sampling and isotope selective CO2 analysis were done. Elemental analysis of C, H, N, S, O, and P was done to calculate the stoichiometry of OM. Chloroform fumigation extraction was performed to determine microbial biomass carbon and nitrogen. In combination with further data the microbial quotient (Cmic/OC), the respiratory quotient (qCO2=resp./Cmic), and CUE were calculated. Aminosugars and acids were used as markers of microbial biomass/necromass. This enabled the estimation of carbon and energy accumulation in the form of additional biomass, necromass, and metabolites.

Microorganisms are known to form a matrix of extracellular polymeric substances (EPS) on several solid surfaces such as soils. The formation of this matrix provides various benefits not only to the microbial community, but also to the surface it is attached. In soils, for instance, it promotes protection and adherence of microorganisms to soil aggregates and benefits the soil increasing aggregate stability. Even in spite of this knowledge, the contribution of EPS to soil organic matter (SOM) and to SOM turnover is yet unclear, mainly due to methodological limitations. Furthermore, it has also not been determined how the EPS composition affects soil structure, fertility and organic matter dynamics. It is therefore of uttermost importance to study the composition of the EPS matrix and how different microbial functional groups produce EPS in face of varying environmental conditions. To this end, 10 bacterial and 10 fungal species commonly found in soils were grown under different treatments in order to stimulate EPS production. Microorganisms were grown in either glycerol or starch medium with or without the presence of sterile quartz. EPS was extracted using a cation-exchange resin (CER) and its composition was subsequently determined with the quantification of proteins, carbohydrates, amino sugars and DNA. We hypothesized firstly, that EPS production would be higher in cultures with quartz. Secondly, we also expected bacterial EPS production to be higher in cultures with glycerol whereas fungal cultures would produce more EPS in starch medium, reflecting contrasting substrate effects on bacterial and fungal EPS formation. Lastly, we hypothesized that considerable amounts of galactosamine would be found in all extracted EPS, similarly to mucins excreted in the intestines of vertebrates, protecting enzymes. Mucins are a family of proteins with high GalN contents, consequently, GalN might be an indicator to EPS production in soils.

Soil ecosystems are driven by carbon (C), nutrient and energy (E) flows, which are essential for biogeochemical cycles. In particular, the organisms in the soil microbiome are channeling these fluxes. However, only few attempts were made to link microbial traits and functional groups of faunal grazers to heat and CO2 production (i.e. thermodynamics). Among these microbiota, nematodes are the most abundant and diverse multi-cellular organisms, with functional groups at each trophic level of the micro-food web. Nematode metabolic footprints, trait-based measurements of morphological (body mass) and physiological (respiration) characters, correlate with environmental properties and mirror e.g., the responsiveness to resource pulses. Nematodes are therefore an ideal model group to assess the C flux to and activity of higher trophic levels in the microbiome and to relate this to E dissipation.

This study investigates the C pools and fluxes in the nematode micro-food web using microcosms with circulating airflow. For this, a sandy loam soil was spiked with maize litter with or without ¹³C label; the control soil did not receive litter. The natural microbiome was amended with nematodes, i.e. the bacterial-feeder Acrobelodies buetschlii, the fungal feeder Aphelenchoides saprophilus or no nematodes. Soil respiration (CO₂) was measured regularly. C pools were calculated via δ¹³C signatures of CO₂. 5 destructive samplings at 4, 8, 16 and 32 days after litter application were performed to determine heat release, microbial biomass and PLFAs to establish microbial succession and functional niche partitioning. The addition of substrate initially increased CO₂ release. Respiration peaked at different times, depending on the presence of nematode functional groups, with the treatment without nematodes showing the slowest response. Calorimetric measurements bridged the activity of nematodes and E turnover. Substrate and nematode addition resulted in an increase in heat release. The pattern of heat dissipation mostly corresponded to CO₂ released. Nematode addition resulted in 2-5 times higher heat release compared to soil without nematodes. Soil amendment with maize residues smoothed the effect of nematodes. In maize-amended soil, heat release increased up to a factor of 3 to the non-amended soil. Combining these analyses allows determination of the impact of nematode grazers on the C and E flux along the bacterial and fungal decomposition channel in the soil microbiome.

In Mitteleuropa gilt Bodenerosion durch Wasser als eine der größten Bedrohungen für die Degradation von landwirtschaftlichen Böden und die Bereitstellung von bodenbezogenen Ökosystemleistungen. Die räumliche Gefährdung durch Bodenerosion variiert stark und ist auf die naturräumliche Ausstattung (Böden, Topographie), klimatische Bedingungen (Starkniederschläge, Trockenheit und Wind) und die Bewirtschaftung (Fruchtfolgen, Bewirtschaftung, Schlaggestaltung, Strukturelemente) zurückzuführen. Die räumlich explizite Modellierung der Bodenerosionsgefährdung sowie die Identifizierung von Gefahrenbereichen ist daher eine der größten Herausforderung und wichtige Grundlage im Bodenschutz.

In regionalen, deutschland- und europaweiten Studien zu Bodenerosion durch Wasser wird seit langem die Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG) oder eines ihrer vielfältigen Derivate verwendet. Dabei wurde eine immer höhere räumliche Auflösung der Einzelfaktoren der ABAG und Abtragsraten erzielt. Zugleich gelang es bisher nicht den Einfluss der Bewirtschaftung (Fruchtfolge und Bodenbearbeitung), abgebildet im C-Faktor, in adäquater räumlicher Auflösung abzubilden. Die verfügbaren generalisierten Werte für administrative Gebietseinheiten resultieren in einer erheblichen Unschärfe der räumlich-expliziten Modellierung der landnutzungsabhängigen Abtragsraten, die eine Identifizierung von lokalen bis regionalen HotSpots der Erosionsgefährdung nur bedingt ermöglicht.

In diesem Beitrag werden Ergebnisse einer bundesweit einheitlichen Bodenerosionsmodellierung vorgestellt in der mithilfe von Erdbeobachtungs- und Agrarstatistikdaten der C-Faktor für den Zeitraum 2017-2020 für alle ackerbaulich genutzten Feldblöcke Deutschlands bestimmt wurde. Die Ergebnisse zeigen eine im deutschlandweiten Mittel niedrige Abtragsrate von 0,95 t / (ha ∙ a) bei einem Flächenanteil von 7,2 % mit hohen Abtragsraten von über 3 t / (ha ∙ a). Mit der Ausweisung von HotSpots konnten unter anderem 414 Gemeinden identifiziert werden in denen der mittlere Bodenabtrag über 3 t / (ha ∙ a) liegt (Auswertungen zu anderen Gebietseinheiten liegen vor). Die Identifikation von HotSpot-Regionen ist eine Grundlage für die Bewertung und Anpassung von Politikmaßnahmen oder die gezielte Initiierung von Beratung. Die Ergebnisse können in einer jährlichen Fortschreibung als Indikator für die schonende Bewirtschaftung von Böden verwendet werden und als Grundlage für ein Bodenerosionsmonitoring genutzt werden.

Das Erosionsmodell WaTEM/SEDEM (Water and Tillage Erosion Model/Sediment Delivery model) ist nicht nur in der Lage, Erosionsraten durch Rillen- und Flächenerosion zu bestimmen, sondern gleichzeitig auch die Deposition von einst erodiertem Material zu berücksichtigen. Daher ist es ein geeigneter Ansatz, um weiterführende Informationen zur räumlichen Dynamik der Wassererosion auf Einzugsgebietsskala zu erfassen.

Dieses Model wurde in einem Teileinzugsgebiet des Gelben Fluss (Yellow River) in China angewandt, um aktuelle Erosions- und Depositionsraten zu erfassen und die Auswirkungen des Landnutzungswandels seit 1986 zu bewerten. Das Untersuchungsgebiet ist für seine hohen Erosionsraten bekannt. In den 90er Jahren wurde daher die Landnutzung massiv umgestellt und die bisherige Hangbewirtschaftung in Terrassenwirtschaftung umgewandelt.

Zur Modellierung der Transportwege und Sedimentationen berücksichtigt WaTEM/SEDEM neben einem Transportkapazitätskoeffizienten (transport capacity coeffient (ktc) auch einen Konnektivitätsfaktor (parcel connectivity Pcon) und einen Sedimentrückhaltefaktor (parcel trap efficiencies PTEF). Diese Koeffizienten wurden in insgesamt 1000 Monte Carlo Simulationen zufällig berechnet. Über eine Mittwertbildung über alle 1000 Simulationen wurden die mittleren Abtrags- und Sedimentationsraten im Untersuchungsgebiet bestimmt.

Für das Jahr 2020 wurden Abtragsraten von 12.5 t ha-1 a-1 berechnet, wovon 5.2 t ha-1 a-1 selbst im Teileinzugsgebiet wieder abgelagert wurden. Insgesamt wird ein Gesamtaustrag an Bodenmaterial durch Rillen- und Flächenerosion am Vorfluter von ca. 50000 t a-1 für das 73 km² große Untersuchungsgebiet ermittelt. Verglichen mit Sedimentmessungen im Fluss entspricht dieser Sedimentaustrag durch Bodenerosion jedoch nur etwa einem Sechstel der Gesamtsedimentfracht. Dieser Anteil lässt sich dadurch erklären, dass Prozesse wie Erdrutsche, Gully-Erosion, Ufererosion und Abträge durch menschliche Eingriffe bei Bauprojekten nicht bei WaTEM/SEDEM berücksichtigt werden.
Der Landnutzungswandel, insbesondere durch das Anlegen von Terrassen, zeigt einen hohen Einfluss auf die Erosions- und Sedimentationsdynamik. Obwohl die Wälder, die für die Reduktion von Bodenabtrag förderlich sind, seit 1986 weniger geworden sind, konnte durch eine gleichzeitige Zunahme der Terrassenbewirtschaftung von 4% (1986) auf inzwischen etwa 50% der Einzugsgebietsfläche die Erosionsrate nahezu halbiert (von 22.3 t ha-1 a-1 auf 12.5 t ha-1 a-1) werden.

Bodenerosion durch Wasser ist weltweit eine der Hauptursachen für die Degradation von ackerbaulich genutzten Böden. Durch die Beeinträchtigung der Bodenfunktionalität und die Fernwirkung von belasteten Bodenpartikeln kann die Wassererosion die Bodenfruchtbarkeit und den Zustand aquatischer Ökosysteme stark einschränken. Heutzutage werden eine Vielzahl unterschiedlichster Bodenerosionsmodelle auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen eingesetzt, um das Bodenerosionsrisiko abzuschätzen, Risikogebiete zu identifizieren und Entscheidungsträger bei der Anpassung von Bodenschutzmaßnahmen zu unterstützen. Wie Felduntersuchungen zeigen, können Fahrspuren, infolge ihres hohen Verdichtungsgrads dabei einen großen Einfluss auf das Ausmaß der Bodenerosion und den Gewässereintrag haben, werden aber bislang in keiner modell-basierten Bodenerosionsabschätzung berücksichtigt.
Das Ziel des vorliegenden Beitrags ist es daher einen Ansatz vorzustellen, wie Fahrspuren in prozess-basierte Bodenerosionsmodelle intergiert werden können. Zudem sollen die Effekte von Fahrspuren auf Bodenerosions- und Abflussprozesse innerhalb eines Wassereinzugsgebietes identifiziert werden. Hierfür wurde das Bodenerosionsmodell EROSION 3D (E3D) unter Berücksichtigung von Fahrgassen für ein Wassereinzugsgebiet im Östlichen Hügelland Schleswig-Holsteins parametrisiert. In einem weiteren Schritt wurden dann die E3D-Modellergebnisse für ein reales Starkregenereignis modelliert und mit kartierten Abfluss- und Bodenerosionsdaten kalibriert und getestet.
Die Studie zeigt, dass lineare, kleinräumige Fahrspuren in Bodenerosionsmodelle integriert werden können und dass dadurch die Vorhersage des Abflusses und Bodenabtrags deutlich verbessert werden kann. Die Modellergebnisse zeigen zudem, dass Fahrspuren von Fahrgassen einen signifikanten Anteil (bis zu 75 %) am Gesamtabtrag sowie am Sedimenteintrag in das Gewässernetz aufweisen können. Die Modellergebnisse weisen darauf hin, dass Fahrspuren eine Schlüsselrolle im Abfluss- und Abtragsgeschehen einnehmen können und die Berücksichtigung von Fahrspuren bei Gefährdungsabschätzungen, sowie bei der Umsetzung von Schutzmaßnahmen, für den nachhaltigen Schutz von Böden und Gewässern in Agrarlandschaften notwendig ist.

Der semiaride Süden Spaniens ist u.a. sehr anfällig für Bodendegradation durch Wassererosion. Der Klimawandel wird diese Problematik voraussichtlich noch verstärken, da mit mehr Extremsituationen (Unwetter mit extremen Niederschlägen, aber auch Trockenheit) zu rechnen ist. Zudem findet seit geraumer Zeit ein flächendeckender Wandel der Landnutzung statt. Alte Olivenhaine und Hänge mit traditionellem Weinanbau werden durch den Anbau von lukrativeren, marktorientierten Früchten, vornehmlich Mangos und Avocados, umgenutzt. Dies geht in der Regel einher mit der Anlage neuer, bewässerter Terrassensysteme.
Hierfür werden die alten Pflanzungen an vielfach steilen Hängen auf meist funktionstüchtigen Böden (Wasseraufnahme- und Speicherfähigkeit, intakte, stabile Bodenstruktur/ Bodenaggregate etc.) entfernt. Mit Baggern werden dann schmalstreifige Terrassensysteme angelegt, wobei das vorhandene Bodenmaterial mit anstehendem mehr oder weniger verwittertem Gestein in unterschiedlichen Anteilen vermischt wird. Auf den Terrassenkanten werden Mangos und Avocados angepflanzt. Es ist ein neues, instabiles und erosions- sowie rutschungsgefährdetes Substrat-/Hangsystem entstanden.
Mit Feldkampagnen wurde in Andalusien im Einzugsgebiet des Río Almáchar (ca. 25 km nordwestlich von Málaga) vorrangig untersucht, welchen Einfluss der aktuelle Wandel der Landnutzung und das Bodenmanagement auf verschiedene Bodeneigenschaften und insbesondere das Erosionsgeschehen haben. Die Untersuchungen (u.a. Bodenkartierung, Beregnungsversuche, Infiltrationsmessungen, UAV-Luftbildaufnahmen) belegen, dass sich deutliche Auswirkungen der Änderung der Landnutzung und der damit einhergehenden massiven Eingriffe in die Landschaft bezüglich Fragen der Erosionsanfälligkeit, Hangrutschungen etc. ergeben haben. Aber auch Flächen gleicher Nutzung zeigen kleinräumig deutliche Unterschiede hinsichtlich verschiedener Bodeneigenschaften.

The rapid expansion of the mega city of Bengaluru over the last decades and the associated population growth led to changes in agricultural management practices towards increased irrigation agriculture and mineral fertilizer use. As plant nutrition and water uptake are closely linked, there is a need to understand how nitrogen (N) fertilization affects the field water cycle and water use efficiency (WUE) of common crops under limiting and non-limiting water conditions. Two field experiments (rain-fed and irrigated) were established on a deeply weathered Nitisol at the University of Agricultural Sciences Bangalore (UASB) GKVK campus. Three major crops in the region, Lablab, finger millet, and maize were sown and treated with three crop-specific levels of N fertilizer (high, medium, low) in a randomized split plot block design with four field replicates. We set up a hydrological model (HYDRUS 1D) for each crop and each treatment, which we calibrated and validated based on high resolution soil moisture data from installed sensors. The results indicate that factors like plant available water as a function of soil structure and plant specific properties such as N2-fixation and drought tolerance, influence the impact of N fertilization on water cycle components and the corresponding WUE. Higher N application corresponded with higher grain yield and better water use efficiency WUE. For instance WUE of maize plots which received 150 kg/ha of urea (46%N) were 1-3 kg/m2/m higher than those that received none, similarly WUE of finger millet plots that received 50 kg/ha of urea (46%N) were 0.7-1 kg/m2/m higher of the control plots in both experiments. However, the effect on water cycle components was tangible only on the rain-fed field, where higher N levels led to around 6 cm and 3 cm higher transpiration, 3 cm and 2 cm lower evaporation and 3 cm and 1.5 cm lower percolation per season of maize and finger millet crops, respectively. The results also suggest that among the three crops, maize is the most susceptible to water stress, indicated by < 50% of actual transpiration to potential transpiration ratio and correspondingly only 0.1 kg/m2/m of WUE difference between the high and low N treatments plots during the dry monsoon season of 2018, when the cumulative season precipitation was 23 cm. In contrast, for lablab crops a positive effect of N fertilization was observed only under water-limiting conditions, which can be attributed to its N2-fixation abilities.

Soils are characterized by structural components on multiple spatial scales, originating from soil formation processes, soil-plant interactions, microbial activity and management operations. This leads to local heterogeneities for almost all measurements of physical, chemical and biological state variables. This includes the diffusion process, which is known to be affected by the tortuosity, and therefore the water content. Also, biochemical reactions in soils appear to be highly variable in space and time. Yet, the identification of the main controlling factors of the dynamic of reaction rates in unsaturated porous media remain partial. Studying biochemical reaction in real-world soil-plant-atmosphere systems is highly challenging since the true underlying structures can never be absolutely known. For this, it is appealing to employ synthetic experiments. In this study, we consider a simple A+B -> C reaction and investigate the potential impact of small-scale heterogeneity, infiltration fluxes and diffusion on apparent reaction rates in a series of synthetic soils described by the Miller-Miller theory. Reactive transport is solved using the random-walk particle-tracking approach to properly account for dispersion and mixing conditions. Results indicate a synergetic control of the intensity of soil heterogeneity, the Peclet number and the spatial variability of the (tortuosity-dependent) diffusion coefficient on mixing conditions, which has a great impact on effective reaction rates and on the formation of hot-spots and hot-moments. The initial location of the reactants appears to also condition the mixing state of the system and, therefore, the dynamic of reactions. We illustrate then the high complexity of reactive systems in unsaturated soils, which makes the use of average macroscopic reaction rates (as in most agriculture, environmental and geoengineering models) at least questionable.

Ungeklärte Abwässer aus Mexiko-Stadt werden in Mexiko seit über 100 Jahren zur Bewässerung von Ackerland im Valle del Mezquital verwendet. Nach dem Bau einer der größten Kläranlagen der Welt wird unbehandeltes Abwasser zunehmend durch behandeltes Abwasser ersetzt. Im Rahmen der Forschungsgruppe PARES FOR 5095 prüfen wir die Hypothesen, dass i) die Bewässerung mit behandeltem Abwasser zu einer Freisetzung von Antibiotikarückständen führt, die sich in der Vergangenheit in den Böden angereichert haben, ii) die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Kohlenstoff in den Böden sich durch die Bewässerung mit behandeltem Abwasser im Vergleich zur Bewässerung mit unbehandeltem Abwasser reduziert, was iii) den Abbau und die Dissipation der Rückstände im Boden verlangsamen könnte, und iv) der Bodentyp den Effekt der Abwasserqualität auf die Freisetzung und Dissipation von Arzneimittelrückständen sowie die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Kohlenstoff moduliert.
Zur Prüfung der Hypothesen wurden Proben von 4 Leptosolen, 4 Phaeozemen und 4 Vertisolen aus dem Valle del Mezquital mit (I) behandeltem Abwasser der Atotonilco Kläranlage, (II) behandeltem, mit Schadstoffen versetztem Abwasser, (III) unbehandeltem Abwasser und (IV) behandeltem, mit Schadstoffen versetztem Abwasser gemischt und bei 85% der Wasserhaltekapazität inkubiert. Die Schad- und Nährstoffkonzentrationen wurden nach acht Zeitpunkten (0 h, 6 h, 24 h, 2 d, 4 d, 14 d, 4 w, 8 w) analysiert. Das behandelte Abwasser hatte einen geringeren Gehalt an Nährstoffen (Pgesamt, Kgesamt, BSB5 und DOC) und eine geringere Konzentration vieler untersuchter organischer (Antibiotika und Desinfektionsmittel) und anorganischer Schadstoffe (Metalle) als das unbehandelte Abwasser. Antibiotika und Quartäre Alkylamoniumdeisinktionsmittelwirkstoffe wurden aber durch die Kläranlage nur unvollständig aus dem Abwasser entfernt. In dem Inkubationsexperiment zeigte sich bereits, dass der Bodentyp einen höheren und signifikanten Einfluss auf die Nährstoff- und Kohlenstoffverfügbarkeit in den Böden hat als die Abwasserbehandlung. Laufende Analysen werden den Effekt der Abwasserbehandlung auf die Freisetzung und Dissipation von Antibiotika und Desinfektionsmitteln beleuchten. Das präsentierte Experiment verdeutlich die Rolle des Valle del Mezquital als Reallabor für die nachhaltige Nutzung der Ressource Abwasser.

Das Erdbeobachtungsprogramm Copernicus birgt große Potenziale für die zukunftsträchtige und umweltverträgliche Bodenbewirtschaftung. Aus Satellitendaten können Bodeneigen-schaften und -zustand großflächig abgeleitet werden. Dieses Potenzial für Behörden und öf-fentliche Einrichtungen in seiner ganzen Breite zu erschließen, ist für die zeitgemäße Bera-tung von Politik, Wirtschaft und Wissenschaft von großem Wert. Dazu führt das Copernicus Netzwerkbüro Boden an der BGR bestehende Netzwerke der Bodenkunde und der Ferner-kundung zusammen. Workshops, Pilotvorhaben und weitere Interaktionsformate bringen Akteure und Akteurinnen aus der Bodenkunde mit Knowhow-Trägern und -Trägerinnen der Fernerkundung miteinander in Kontakt. Damit baut das Netzwerkbüro Boden Brücken zwi-schen verschiedenen Disziplinen und Branchen als Beitrag zur Umsetzung der Copernicus Missionsziele. Ziel ist, nationale Nutzeranforderungen an Datenbereitstellung, länderüber-greifenden Produkten und Diensten zu erfassen und zu priorisieren. Dazu wird zunächst der aktuelle Stand nationaler Fernerkundungsaktivitäten in den Bereichen Bodennutzung und Bodenschutz erfasst und informativ aufbereitet. So wird zu Anwendungspotentialen der Sa-tellitenfernerkundung in den Themenbereichen Bodennutzung und Bodenschutz informiert und Bedarfe identifiziert. Weiterhin wird das Potenzial der Kombination verschiedener Sa-telliten- und Messsysteme analysiert, um die Entwicklung von Copernicus basierten Monito-ringsystemen auf Basis von Bodenindikatoren für die Früherkennung von schädlichen Bo-denveränderungen zu unterstützen. Darauf aufbauend werden Empfehlungen zur Nutzbarma-chung der Daten für die Praxis und zur Weiterentwicklung von Diensten hinsichtlich des Einsatzes satellitengestützter Erdbeobachtung in den Bereichen Bodennutzung und Boden-schutz erarbeitet. Die Präsentation des Netzwerkbüros Boden dient der Kontaktaufnahme und Diskussion mit Interessierten aus der bodenkundlichen Community.

There is nowadays a renewed awareness of the finite nature of the world’s soil resources. Regular assessments of soil conditions from local through to global scales are requested, and there is a clear demand for accurate, up-to-date and spatially referenced soil information by the modelling scientific community, farmers and land users, and policy- and decision-makers. Soil and imaging spectroscopy (hyperspectral imagery), based on visible-near-infrared and shortwave infrared spectral reflectance from 400–2500 nm, has been shown to be a proven method for the quantitative prediction of key soil properties. Soil spectroscopy at remote sensing scale would be able to provide quantitative spatial representation of surface soil data at local and regional scale. Currently, with the launch of new spaceborne hyperspectral missions relevant for soil mapping and with open data policy such as PRISMA (ASI, launch 2019) and EnMAP (DLR, launch 2022), a high potential for global soil mapping and monitoring is appearing. Nevertheless, some methodological and technical challenges and gaps are observed and the real potential of spaceborne hyperspectral is still to be fully demonstrated.
The Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) is a new spaceborne German hyperspectral satellite mission, whose primary goal is to generate accurate information on bio- and geo-physical properties of the Earth´s ecosystems for the monitoring of environmental changes, ecosystem responses to human activities, and management of natural resources such as soils and minerals. The EnMAP was launched in April 2022 from Cap Canaveral and since November 2022, EnMAP data archives are available on the web and new Earth observation acquisitions can be acquired upon request through the EnMAP portal.
We aim to present the status of the EnMAP mission and demonstrate in a few case studies in different environments (e.g. Germany, Spain, Greece, Atacama) capabilities and potential of spaceborne hyperspectral imaging for the spatial mapping of surface soil properties. Preliminary analyses over early EnMAP imagery from summer 2022 over the Camarena (Central Spain) and Aminteio (Northern Greece) cropland areas show that we are able to determine percent organic matter, clay and carbonate content with reasonable accuracy based on pixel-wise detection of bare dry soil pixels and application of Partial Least Square analyses over the soil pixels.

Profildaten zu erheben, aufzubereiten und in einheitlicher, homogener Struktur digital zur Nachnutzung bereitzustellen erfordert einen starken Interessensausgleich zwischen Bodenwissenschaftlern als Autoren, den Möglichkeiten der Softwareentwicklung und den Nachnutzern der Profildaten. Der Knackpunkt ist es, die Autorenrechte, die durch eine gültige Lizenz gesichert sind, bei der Nachnutzung nutzerfreundlich zu gewährleisten. In unserem Fallbeispiel, haben Sie ein Profil in der BonaRes Profildatenbank veröffentlicht und mit der CC-BY Lizenz versehen; damit stehen Ihnen die vollen Autorenrechte zu. Bei der Nachnutzung von vielen Profilen, wie es z.B. in Modell- oder Metastudien üblich ist, führt das schnell zu hunderten von notwendigen Zitationen.
Wir haben im BonaRes ein System entwickelt, mit dem beide Aspekte berücksichtigt werden: Autorenrechte und Zitierbarkeit.
Wir bieten die dynamische Datenzitation für Bodenprofile an und kombinieren diese mit der Möglichkeit Datensammlungen zu erstellen. Sie haben die Möglichkeit, Profile, die sie für ihre wissenschaftliche Arbeit benötigen, anhand von festgelegten Kriterien auszuwählen und daraus eine Datensammlung zu erstellen. Diese Datensammlung kann nach einer Prüfung mit neuen Metadaten beschrieben und veröffentlicht werden. In den Metadaten sind alle ursprünglichen Autoren und deren Profile benannt. Die technischen Möglichkeiten, die unsere Infrastruktur bietet, ergänzen wir mit einem umfangreichen Support durch Data Stewards.
Wir möchten in unserem Beitrag die Vor- und Nachteile für Autoren und Nachnutzer offenlegen und gemeinsam diskutieren.

Researchers create and save many remarkable data in agriculture and soil research in diverse formats and storage facilities. Due to an increased awareness on the importance of data publication, this trend is changing. However, because of improper publication, research data is sometimes inaccessible to other scientists. Thus, data is underutilized and study results are unreproducible. In addition, funding organizations and some journals require research data publication in accredited repositories, which is increasingly important for scientists' reputations.

The BonaRes Repository publishes soil and agricultural research data since 2017. All data are well described with metadata following the BonaRes Metadata Scheme, a combination of the Data Cite and INRPIRE schemes that has been enhanced to foster scientific reuse. Apart from soil and agricultural research data, a particular emphasis is placed on data from agricultural Long-Term Experiments (LTE) and soil profile data. The repository is open to publish national and international soil and agricultural research data.

The BonaRes Repository adheres to a data publication workflow throughout the data life cycle. This workflow is always being improved and streamlined in exchange and communication with researchers. The repository is intended to make data search easier using the sophisticated web based user interface and to allow scientists to find and reuse published data.

Researchers are concerned with data reuse and publication in terms of licenses, data privacy, embargo, metadata description, data organization, etc. The Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) as a publisher, organises regular workshops and coffee lectures to address these concerns. Regular trainings, combined with an updated and simplified data publication workflow, have increased the number of DOI issued every year.

This paper will show the development of DOI publications during the years, and illustrate how to publish a soil data collection with a single DOI to improve data findability, accessibility, interoperability, and reusability, while highlighting the importance of author's and related identifiers.

Die Existenz von gelöstem dreiwertigem Mangan (Mn3+) ist aufgrund rascher Disproportionierung lange vernachlässigt worden. Neuere Studien zeigen, dass natürliche organische Liganden (NOL), gebildet durch gelöste organische Substanz (DOM), Mn3+ komplexieren und stabilisieren. Die Interaktion von DOM mit Mn-Oxiden spielt dabei eine wichtige Rolle. Daher ist eine genaue quantitative Speziierung des gelösten Mn in Böden zwingend erforderlich für das Verständnis des Mn-Redoxkreislaufs und des oxidativen Abbaus organischer Verbindungen. Ziele der hier vorgestellten Studie waren (i) die simultane Speziierung des gelösten Mn2+, Mn3+ und die Bestimmung von MnT sowie (ii) die Ursachenklärung der Bildung von reaktivem Mn3+ in Folge der Interaktion von DOM mit Mn-Oxiden.
Die Speziierung wurde mit einer adaptierten spektrophotometrischen Methode und anschließender kinetischer Modellierung durchgeführt. Der experimentelle Aufbau beinhaltete zwei Batch-Versuchsreihen mit Fokus auf die Einflüsse des pH-Werts (3–7, 5 Stufen) und der Zeit (1–168 h, 7 Stufen). Aus der Auflage (Rohhumus, Of-Horizont) eines sauren Fichtenstandortes (Dystric Cambisol, Idar-Oberstein, Rheinland-Pfalz) wurde ein normiertes DOC-Extrakt (45 mg C L–1) gewonnen, dem Kationen sowie natürliches Mn als potentielle Bindungskonkurrenten und Störfaktoren entzogen wurden. Pro Versuchsreihe wurde je 20 ± 0.1 mg eines Mn-Oxids (Birnessit (δ-MnIII/IVO2) und Manganit (γ-MnIIIO(OH)) als Mn-Quelle verwendet und mit 30 mL DOC-Extrakt reagiert. Ein Ausschluss der protoneninduzierten (pH ≤5) gegenüber der DOM-gesteuerten Reduktion der Mn-Oxide wurde vorgenommen.
Unsere Ergebnisse zeigen eine erhebliche Variation der MnT Konzentrationen (0.15–180 mg L–1). Der Anteil des Mn3+ konnte mit bis zu 80% an MnT quantifiziert werden. Dabei unterliegt die Mn-Speziierung deutlichen Abhängigkeiten von pH-Wert, Zeit und eingesetztem Mn-Oxid. Es wurde ersichtlich, dass die Interaktion zwischen DOM und den Mn-Oxiden ein entscheidender Prozess bei der Freisetzung von Mn in die Bodenlösung ist. Die Bildung des reaktiven Mn3+ beruht nach unserer Auffassung auf der durch NOL gesteuerten reduktiven und nicht-reduktiven Auflösung der Mn-Oxide. Unsere dargelegten Erkenntnisse liefern die Basis für ein fundiertes Verständnis von geochemischen Prozessen. Gelöstes Mn3+ ist in Böden eine evidente Redoxkomponente mit einer hohen Umweltrelevanz.

Under oxidizing conditions, Fe(III) oxides constitute one of the most important types of inorganic binding agents for organic matter (OM) stabilization. However, the fluctuating redox conditions in -intertidal transition zones such as brackish marshes in estuarine ecosystems call into question if Fe(III) oxides can function as binding agents, or if Fe(II) minerals can act in a analogous way for OM stabilization. Therefore, we aimed to investigate how the fluctuating redox conditions in the field affected Fe(II) and Fe(III) minerals as inorganic binding agents for OM.
Membrane cylinders with defined Fe mineral/clay coated quartz sand fillings were inserted along a depth gradient in a soil profile in a brackish marsh of the tidel River Elbe. These included (1) Fe(III) oxide, (2) Fe(II) carbonate, and (3) Fe(II) sulfide, which were incubated in the field for 6 months. In an additional experiment, 13C labeled OM sorbed onto the Fe mineral coated sands and particulate OM was further added to the membrane cylinders to study preservation and exchange of OM with surrounding soil. Fe mineralogy was examined via a sequential Fe extraction scheme. Organic carbon (OC) and 13C isotope ratio were measured via EA IRMS.
Fe oxides without OM addition showed no transformation, even in the anoxic zone, whereas with OM addition, a notable shift to Fe carbonates occurred. Fe sulfides displayed nearly total absence of pyrite in both experiments, instead displaying a shift to ascorbic acid-extractable Fe and oxalate extractable Fe suggesting (at least partial) oxidation to Fe(II/III) minerals or Fe(III) oxides. Fe carbonate without OM addition transformed to low- and high crystalline Fe oxides, though Fe carbonate partially persisted even in the oxic zone for the 6-month duration. In contrast, upon OM addition only a minor fraction of Fe carbonate transformed to crystalline Fe oxides, instead shifting to ferrihydrite under oxic conditions and a major portion of Fe(II) minerals persisting in the anoxic zone (possibly as siderite). Fe sulfides and Fe carbonates had almost the same OC range than Fe oxides. The preservation of sorbed 13C-labelled OM decreased with soil depth and in the order Fe oxide > Fe carbonate > Fe sulfide. This suggests exchange of sorbed OM with OM from the surrounding soil, possibly during the redox-sensitive Fe mineral transformation. Both Fe(II) & Fe(II) minerals seem to be able to stabilize OM under fluctuating redox conditions.

Die Biogeochemie natürlicher Böden ist intrinsisch an die Redoxchemie des Eisens und Mangans gekoppelt. Insbesondere Mangan ist bekannt für seine vielfältigen Redoxspezies und den daraus resultierenden Mineralphasen. Manganoxide dienen dabei insbesondere als Elektronenakzeptoren für mikrobiellen Stoffwechsel unter anoxischen Bedingungen. Doch können Manganoxide auch unter rein abiotischen Bedingungen in der Abfolge von Birnessit (Mn(IV)O2) über Feitknechtit (β-Mn(III)OOH) zu Manganit (γ-Mn(III)OOH) reduzieren und dabei gelöstes Mn2+ oxidieren. In natürlichen Bodenlösungen gibt es jedoch nur wenig gelöstes Mn2+ und organische Substanzen wie z.B. niedermolekulare organische Säuren können stattdessen oxidieren und als Elektronendonor für die Manganphasenreduktion dienen. In einer Langzeitstudie über 1200 Tage haben wir die Transformation von Birnessit unter Standardnormalbedingungen und dem Einfluss niedermolekularer organischer Säuren untersucht. Birnessit wurde dabei reduktiv zu Feitknechtit und anschließend zu Manganit transformiert auch ohne dabei Mn2+ freizusetzen. Stattdessen diente Laktat als Elektronendonor und wurde zu Pyruvat, Acetat, Oxalat und letztlich CO2 oxidiert. Die Verfügbarkeit und Stabilität von organischen Säuren in natürlichen Böden wird daher neben mikrobiellem Metabolismus auch maßgeblich von der Verfügbarkeit und dem Redoxzustand der vorhandenen Manganphasen gesteuert. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass die Reduktion von pedogenen Mangan(IV)-oxiden nicht notwendigerweise zu deren Auflösung, sondern zur Bildung thermodynamisch stabilerer Mangan(III)-Phasen führt und damit zu den Prozessen der fortgeschrittenen Bodenentwicklung zu zählen ist.

Secondary minerals are key factors in the transformation and stabilization of organic carbon in soil. Redox-active manganese (Mn) oxides can bind organic matter, mediate the oxidation of organic compounds into substrates more easily available to microorganisms, and/or even cause their complete mineralization into CO2. However, little is known about the extent of dissolved organic carbon (DOC) sorption, fractionation, and oxidation by different types of Mn oxides. Therefore, we investigated sorptive interactions between dissolved organic matter (DOM) of different sources (beech and pine litter, initial DOC concentration: 100 mg/L) and Mn oxides (d-MnO2, birnessite, cryptomelane) at different pH values (4 and 7) and background electrolyte compositions (no salt, 0.01 M NaCl or CaCl2). Changes of DOM solutions and mineral phases were assessed by UV-Vis spectrophotometry, ion chromatography, inductively coupled plasma-optical emission spectrometry, CN analyses, and X-ray diffraction. After interaction, reduced specific UV absorbance at 280 nm of DOM solutions indicates preferential adsorption of aromatic moieties, especially with CaCl2 background electrolyte. The removal of DOC by Mn oxides was higher at pH 4 than at pH 7, except for birnessite. The highest removal was observed with d-MnO2 and beech DOM with up to 16 mg/g DOC at pH 4. Remarkably, we found a discrepancy between DOC removal from solutions and the detectable amount of DOC sorbed on mineral surfaces, especially with beech DOM. Results showed that 68–84% of removed beech DOC was mineralized to CO2 by Mn oxides. In contrast, pine DOM in CaCl2 solution at pH 7 resulted in higher sorption than mineralization. Contact of DOM with Mn oxides also produced high concentrations of dissolved low-molecular-weight organic acids, consisting mainly of formic, acetic, oxalic, and citric acid. These acids accounted for up to 21% of the initial DOC concentration. No mineral-phase transformations occurred after reaction of Mn oxides with DOM. We conclude that Mn oxides contribute to both, sorptive stabilization and oxidative destabilization of soil organic carbon, depending on mineral and DOM type, pH, and solution composition.

Litterfall is an important pathway through which organic matter is transferred from plants to soil in forest ecosystems. Litterfall, the rate of litter decomposition and the magnitude of litter incorporation into soil are linked to the formation of organic layers and humus-rich topsoil horizons. However, the interaction between forest management, litter fall, formation of organic layers and mineral soil C stocks has rarely been quantified in combination and on a regional scale. Since 2015, we have been monitoring the aboveground litter input with a total of 750 litter traps at 150 forest plots in 3 German regions (Schorfheide-Chorin, Hainich-Dün and Schwäbische Alb). The organic layer and the topsoil (0-10 cm) were sampled with 14 sampling points per plot. The index of silvicultural management intensity introduced by Schall and Ammer (2013) was established to quantify forest management intensity at all plots. The 1st component of the index evaluates the risk of stand loss (SMIr) and is a function of tree species and stand age. The 2nd component evaluates the stand density (SMId) by comparing the current basal area of forest stands with their potential maximum values.

Piecewise structural equation models showed that organic layer C stocks were positively related to SMIr and negatively related to SMId and mineral soil pH. These relationships were mediated by litter C input, litter CN ratio and earthworm biomass. In our model, fixed effects explained 46% of the variance of the organic layer C stocks. SMIr and litter CN ratio had by far the strongest associations with organic layer C stocks. Study region which was considered as random factor explained 18% of the variance.

We could not find that SMIr or SMId had a direct or indirect influence on the mineral soil OC stocks. In contrast, we were able to determine very strong positive correlations between clay content, soil pH and mineral soil OC stocks. Additionally, we found a weak association between dithionite extractable iron and mineral soil OC stocks. All three together explain 67% of the variance in mineral soil OC stocks, and study regions explain additional 11% of variance. Our result showed, that forest management and particularly tree species selection was strongly reflected in the organic layer. However, the regional forest management gradient was not large enough to be become visible in the mineral soil, where OC stocks are mainly driven by parent material and related clay and iron oxide content.

Soils are an important store of organic carbon. This soil function is influenced by environmental factors and land use. Predicting the potential for soil carbon sequestration is complicated by the diversity of organic carbon fractions and the dependence of stabilization processes on environmental factors.
A new approach considers water binding as a property of SOC with possible functional relevance which can be investigated by thermogravimetric fingerprinting (TF). The current study aims to validate indicators derived from TF of near natural soils by comparing with soils under agricultural use. The sample set consist of sandy soils from pine and beech forests in Brandenburg and agricultural soils from long-term field experiments in Bad Lauchstädt. Fresh organic litter and wood residues were added to study the detectability of changes in SOC composition by thermogravimetric analyses, elemental analysis, and soil respiration in laboratory incubation experiments.
Biodegradation of wood residues was moisture and temperature dependent. Relationships with and changes in indicators from TF confirmed a potential applicability for predicting carbon mineralisation independent of land use (agriculture or forestry). We conclude about the potential of thermogravimetry for rapid quantification of soil organic carbon and its turnover in forest soils although there is a lack of information on causal factors for the relationships used.

Deadwood has important functions in forest ecosystems. It is a biodiversity hot spot, serves as a storage of water and stores 8% (73 +- 6 Pg) of the world’s forest carbon. The fate of this carbon (C) is still highly debated particularly concerning its influence on soil organic matter and its contribution to the forest soils C sink. Our research investigates the extend to which downed beech deadwood influences the stable C pool in the soil of temperate beech forests and how that relationship depends on soil moisture.

The research was conducted in a near natural beech forest near Leipzig, Germany (Dübener Heide) and is part of the BENEATH-Project. We sampled three subsites representing a soil moisture gradient, i.e. dry, moist and wet conditions. Undisturbed soil cores were taken from these subsites in three depth (0-10 cm, 10-20 cm and 20-30 cm) beneath coarse woody debris (CWD) at an advanced stage of decay. Reference soils were sampled at a distance of about 2 m. The samples were separated into the free light fraction (F-LF), the occluded light fraction (O-LF) and the heavy fraction (HF) via density fractionation using sodium polytungstate solution (ρ = 1,6 g cm-³). For each fraction, the organic C and N contents were determined.

We expect significantly higher C stocks in the topsoil under CWD compared to the reference sites. These differences should especially occur in the F-LF and in the O-LF fraction because of a high input of particulate organic matter by deadwood (i.e. F-LF) and a high (micro)biological activity promoting aggregation (i.e. O-LF). We also expect higher amounts of C in the HF under deadwood due the high input by dissolved organic matter coming from the deadwood that interacts with the mineral phase of the soil. Carbon in the HF constitutes the mineral-associated organic C that is considered to be stabilized in the soil on the long term. That process should be particularly relevant in the subsoil and under wet conditions.

Our results should sharpen the picture of the deadwood’s role for long term C stabilization in forest soils and how this process is affected by differences in the soil moisture status. They will give implications for climate mitigation through forest management

In forest ecosystems, the accumulation of plant residues on the soil surface creates a unique zone rich in soil organic matter (SOM) known as forest floor (FF). Forest floor SOM plays an important role in forest vitality and productivity because it drives a variety of physical, chemical, and biological soil functions. Its properties and susceptibility to mineralization are strongly affected by the extent of organo-mineral association and formation of SOM-mineral assemblages. The content of mineral compounds in FF layers can be considerable (theoretically up to 70 mass percent). The accumulation of mineral compounds in FF can be attributed to several pathways, including abiotic mineral particle deposition, bioturbation, etc. Information about the relative contribution of organic and mineral compounds in FF layers and their structural and spatial arrangement provides useful insights into the mechanisms involved in their formation and turnover, FF resistance to microbial decomposition, and FF stability in a warming climate. However, our current knowledge about inorganic FF constituents and SOM-mineral association in FF is scarce.
Within the framework of the DFG-funded Research Unit “Forest Floor” (RU 5315), we investigated the effects of parent material and climate on biochemical and/or physicochemical FF properties (SOM C speciation, FF nutrient and mineral content, SOM-mineral association) by analyzing O layers of German and Swiss forest soils with different parent material (silicate, carbonate) and climate conditions (elevation/temperature gradient). We combined the application of a novel density fractionation method optimized for FF characterization (Prietzel et al. 2020) with a detailed chemical characterization of the different density fractions, including cutting-edge methods such as synchrotron-based XANES spectroscopy. Density fractionation has been proven a powerful method to distinguish SOM fractions with different extents of SOM-mineral interaction and/or occlusion within aggregates in mineral soil samples. However, its utilization for FF characterization at present is still limited. Our study for the first time compares SOM-mineral interaction and association patterns in O layers of silicate and calcareous soils. The results will enhance our understanding of parent material effects on FF properties and FF resilience to climate warming.

The use of pesticides is increasingly criticized due to its significant impact on the environment. The possible decrease in abundance and diversity of soil organisms might lead to a loss of soil biological functions. The project “NOcsPS – Agriculture 4.0 without chemical synthetic plant protection” is aiming to develop a sustainable, environment-friendly, yet productive cultivation system.

In 2020, a field experiment with different cultivation systems was established at the University of Hohenheim: (1) a conventional system with pesticide and mineral fertilizer application, (2) NOcsPS systems without pesticide application, but mechanical weeding and mineral fertilizer application and (3) an ecological system without pesticide application, but mechanical weeding and no mineral fertilizer application.

The field experiment consists of a six-part crop rotation. Samplings of soil (0-20 cm) and soil animals were conducted during the winter wheat vegetation period for three years. Soil samples were analyzed regarding microbial abundance (CFE) and respiration, community structure (PLFA) and extracellular enzyme activity. Furthermore, the abundance of Collembola und Gamasina as well as the abundance and diversity of earthworms was examined. Soil microbial abundance, activity as well as community structure were not significantly influenced by the cultivation system. Collembola abundance was highest in NOcsPS systems while earthworms showed a higher abundance in conventional systems. In short-term, the cultivation system rather affected the soil animal than the microbial properties. While some soil animals might benefit from not applying synthetic pesticides, others might in turn be harmed by the consequently increased mechanical weeding.

In the last years, the pressure on farmers to produce high quantities of high-quality food increased. This often leads to intensive use of pesticides to ensure adequate yields. Next to the beneficial effects of pesticides for the farmer, they can harm the environment and non-target organisms. While studies on the effects of single pesticides are ample, studies that investigate the effects of multiple pesticides are rare. As part of the Horizon2020 EU project SPRINT, we investigate the effects of pesticide mixtures. We incubated soil spiked with mixtures of 2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid (MCPA), Difenoconazole and labelled Glyphosate for 56 days using concentrations close to field applications. At seven timepoints, soil (pH 7.0, SOC 12.1 g kg-1 and silty loam) was analysed for microbial biomass, phospholipid fatty acids (PLFAs), pesticide residues and functional genes, as well as 13C-partioning in microbial C, CO2 and PLFAs. We found a significant negative effect of the pesticide mixture on bacterial abundance and CO2 release after 56 days. Although the Glyphosate degradation kinetics were similar in all treatments, the addition of MCPA stimulated the 13CO2 release from labelled Glyphosate. Data on 13C incorporation into microbial biomass will show whether this result is coupled with a change in carbon use efficiency of microorganisms. Increased 13CO2 release from Glyphosate in combination with MCPA indicates an additional stress induced response to a second pesticide. Therefore, mixtures of low concentrations of pesticides exert stress on the microbial community in soils with different magnitudes depending on the pesticide combinations.

Die Erhöhung der Nährstoffnutzungseffizienz ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht von bedeutendem Interesse im Pflanzenbau. Dabei werden verschiedene Strategien wie der Einsatz von Mykorrhiza und die Mikrogranulatdüngung genutzt. Während sich nur einzelne Wissenschaftler mit Mikrogranulaten auseinandergesetzt haben, finden sich zahlreiche Publikationen über den Einfluss von Mykorrhiza auf Kulturpflanzen. Dabei existieren jedoch fast keine Arbeiten über negative oder neutrale Effekte der Mykorrhiza-Applikation. Solche Beiträge sind wichtig, um die in der Praxis regelmäßig zu beobachtenden Grenzen des Erfolgs dieser Applikation abschätzen zu können. Ohne eine verbesserte Vorhersehbarkeit der Chancen und Grenzen des Mykorrhiza-Einsatzes werden sich solche Biostimulanzien in der Praxis nicht dauerhaft etablieren. Im Beitrag, der diesem Abstract zugehörig ist, werden erstmals die Ergebnisse aus insgesamt sechs Jahren Feldversuchen präsentiert, in denen Mykorrhiza in Interaktion mit Bakterienpräparaten, allein, sowie in Kombination mit Mikrogranulatdüngern und Diammonphosphat auf unterschiedlichen Böden zur Anwendung kam. Darüber hinaus wird der direkte Vergleich in Bezug auf Ertrag und Phosphorbilanz zweier Mikrogranulatdünger mit Diammonphosphat im Maisanbau gezogen. Im Gegensatz zum Tenor der allgemeinen Studienlage zeigte sich auf einem gut mit Phosphor versorgten Boden von lehmig-sandiger Art ein signifikant negativer Einfluss der eingesetzten Mykorrhiza, welcher durch die Kombination mit Bacillus velezensis verringert werden konnte. Die insgesamt vier verschiedenen Düngevarianten (Gülle, DAP, mineralisches und organomineralisches Mikrogranulat) reagierten dabei unterschiedlich auf den Einsatz der Mikroorganismen. Im direkten Vergleich zwischen der Mikrogranulat- und der DAP-Düngung erwiesen sich die Mikrogranulate im Ertrag mindestens ebenbürtig, führten aber zu signifikant besseren Phosphorbilanzen. In den Versuchen stellten sich die Mikrogranulatdünger als Alternative zur weitverbreiteten DAP-Düngung im Mais heraus, wodurch der Eutrophierung von Wasserkörpern begegnet und dem nachhaltigen Umgang mit der erschöpflichen Ressource abbauwürdiger Phosphorvorkommen Rechnung getragen werden kann.

Agricultural soils are considered an important sink of microplastics (MPs), which can bind with other pollutants, such as heavy metals. Further, the MPs particles form a habitat for soil microbial communities. The interplay between MPs, heavy metals and other pollutants with soil bacteria can facilitate the development and transfer of antibiotic resistance genes (ARGs). Organically managed soils, as compared to conventional soils, are expected to be less affected by organic and inorganic pollutants derived from plant protectants. Therefore, this study aimed to evaluate the influence of farm management on the prevalence of ARGs on MPs. To this end, MPs and heavy metals were extracted from soil samples, and the ARGs present on the MPs surfaces and in the bulk soil samples were isolated. Six pairs of samples from organic and conventional arable soils were collected at the lower Rhine, North Rhine-Westphalia (Germany). MPs were extracted from the soil samples using a wet sieving method, and polymer types were determined through Raman spectroscopy. Furthermore, heavy metals were quantified in the bulk soil, and microbial DNA was extracted from the soil and the MPs’ surfaces. A qPCR was used to identify and quantify bacterial, fungal, and archaeal genes. In addition, intI genes were quantified to determine the presence of ARGs. There was no significant difference in the abundance of MPs in organic and conventional soil samples, which were dominated by polyethylene. The concentration of heavy metals was also similar in soil samples of organic and conventional farms. Organically managed soils revealed a slightly higher microbial abundance as compared to conventionally managed soils. However, the presence of intI was detected in some soil samples only, but in soils from both management systems. Hence, it was concluded that farm management (organic and conventional) does neither influence MPs presence nor ARG development in the investigated systems. In addition to the above, results from ongoing research on the effects of MPs-heavy metal interactions on ARGs development in soil microbial communities will be presented.

In Wäldern werden Rückegassen dauerhaft angelegt, um den flächenhaften Bodenfunktionsverlust durch die Befahrung mit schweren Forstmaschinen zu begrenzen. Jedoch müssen die negativen Auswirkungen, wie z.B. gesteigerter Oberflächenabfluss und daraus resultierende Erosion sowie der Verlust bodenphysikalischer Eigenschaften durch Schadverdichtungen auch auf Rückegassen möglichst vermieden werden, da sie die Ökosystemdienstleistungen der Wälder erheblich einschränken.
Sowohl auf den Rückegassen als auch – im Ausnahmefall – abseits der Rückegassen ergibt sich Handlungsbedarf hinsichtlich des Bodenschutzes. Bestehende Techniken zur Bodenschonung, wie z. B. Breitreifen, Zwillingsreifen oder tragende Bogiebänder können schädliche Auswirkungen auf die ökologisch und ökonomisch relevanten Bodenfunktionen begrenzen. Eine mögliche Alternative hierzu stellen portable Bodenschutzsysteme wie Bodenschutzplatten dar. Den Autoren ist keine Studie bekannt, die bodenphysikalische und -mechanische Veränderungen durch Befahrung natürlich gelagerter Waldböden unter einem portablen Bodenschutzsystem untersucht hat. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Studie untersucht, welche Schutzwirkung bei der Befahrung „ungestörter“ natürlich gelagerter Waldböden mit einem HDPE-Plattensystem im Vergleich mit konventioneller Technik (Standardbereifung bzw. Bogieband) erzielt werden kann. Dazu wurde im Frühjahr 2022 auf einem nicht befahrenen Waldstandort des Rheinischen Schiefergebirges ein Befahrungsversuch mit einem beladenen Forwarder durchgeführt. Im Wald wurden der Bodendruck, Spurtiefen und die Infiltrationsleistung gemessen. Zur Bestimmung der Vorbelastung sowie weiterer bodenphysikalischer Kapazitäts- und Intensitätsparameter wurden Stechzylinderuntersuchungen in 10, 20 und 40 cm Tiefe durchgeführt.
Die Auswertungen zeigen bei der Spureintiefung und der Infiltrationsleistung einen deutlichen Schutzeffekt des Bodenschutzplattensystems im Vergleich zu den beiden konventionellen Varianten. Bei nur einer Überfahrt sind die bodenphysikalischen und -mechanischen Vorteile des Bodenschutzplattensystems gegenüber den übrigen Befahrungsvarianten am größten. Bei fünffacher Überfahrt sind diese Unterscheide weniger stark ausgeprägt.
Die Studie wurde von Landesforsten Rheinland-Pfalz gefördert und in enger Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Waldtechnik Landesforsten (KWL) durchgeführt.

Durch die Nutzung größerer und schwerer Landmaschinen stieg in den letzten Jahrzehnten die Bedeutung von Bodenverdichtung als potentielle Gefährdung, sowohl aus ökonomischer als auch ökologischer Sicht. Inwiefern Bodenverdichtungen die Bodenstruktur und die Erträge unter realen Betriebsbedingungen beeinflussen, ist Gegenstand einer transdisziplinären Untersuchung auf landwirtschaftlichen Betrieben im Rahmen des BonaRes-Projekts SOILAssist. Ferner stehen hierbei folgende Forschungsfragen im Fokus: Welches sind die sozioökonomischen Treiber für die Bodenverdichtung und woraus ergeben sich Herausforderungen für den praktischen Bodenschutz? Welche Handlungsspielräume und Strategien haben und nutzen die Landwirt*innen, um Verdichtung zu vermeiden? Der Beitrag wird die Ergebnisse der SOILAssist-Studie vorstellen und die daraus hervorgehenden Herausforderungen diskutieren.
Seit 2019 wurden auf 12 verschiedenen Betrieben in Niedersachsen Fallstudien durchgeführt. Voraussetzung für die Untersuchung war, dass die Landwirt*innen eine Bodenverdichtung auf einer Teilfläche vermuteten, welche im Untersuchungsjahr mit Weizen oder Zuckerrüben bestellt war. Durch leitfadengestützte Interviews wurden sozioökonomische Indikatoren, einschließlich des Bewirtschaftungsmanagements, sowie die wahrgenommenen Indizien für Bodenverdichtung erfasst. In der naturwissenschaftlichen Erhebung wurde jeweils die potentiell verdichtete Fläche mit einer mutmaßlich unverdichteten Kontrollfläche des gleichen Schlags verglichen. Bodenphysikalische Parameter wurden, soweit witterungsbedingt möglich, mittels In-situ-Infiltrationsmessungen, der Messung des Eindringwiderstands per Penetrologger und Laboruntersuchungen von ungestörten Bodenproben (z. B. Trockenrohdichte, gesättigte hydraulische Leitfähigkeit) erfasst. Zur Bestimmung quantitativer und qualitativer Parameter des Ertrags und der Pflanzenphysiologie (u. a. Beinigkeit von Zuckerrüben) wurden Handernten durchgeführt.
In den Analysen konnten teilweise signifikante Unterschiede in den bodenphysikalischen Parametern und Handernten zwischen den jeweiligen Vergleichsflächen eines Schlags festgestellt und Hinweise auf eine Verdichtung ermittelt werden. Die Interviews geben wichtige Einblicke in die Perspektive der Landwirt*innen auf das Bodenmanagement, u. a. hinsichtlich hemmender Faktoren für mehr Bodenschutz wie Termindruck und Kosten-Nutzen-Abwägungen sowie der Schwierigkeit, Bodenverdichtungseffekte von anderen Effekten abzugrenzen.

Soils are among the most valuable resources on our planet but endangered in their substance by human activity. Particularly, soil degradation by erosion causes severe environmental impacts and reduces productivity. High soil erosion rates are usually associated with intensive agricultural practices and especially the advent of mechanisation has accelerated sediment transport. In this context, conservation tillage and particularly no-till farming are major improvements regarding soil erosion control. However, their impact on sediment loss and subsequent soil quality and yields in organic agriculture are rarely tested in the field. Moreover, comparisons of conservation tillage under conventional conditions and tilled organic systems are scarce.

Interrill sediment loss during heavy rainfall events were studied in a long-term replicated arable farming system and tillage experiment (Agroscope FAST trial) with four different cropping systems: I) organic farming / intensive tillage, II) organic farming / reduced tillage, III) conventional farming / intensive tillage and IV) conventional farming / no tillage on fallow land after winter wheat and during maize growth.

It was shown that organic farming decreases sediment delivery compared to conventional farming by 30 % (0.54 t / ha). Furthermore, reduced tillage (0.73 t / ha) decreased sediment delivery by 61 % compared to intensive tillage in organic farming (1.87 t / ha). Whereas intensively tilled conventional plots showed the highest sediment delivery (3.46 t / ha), the combination of conventional farming and no tillage showed lowest rates (0.24 t / ha). Soil erosion was much higher in June during maize growth (2.92 t / ha) than in August on fallow land (0.23 t / ha). Soil surface cover and soil organic matter were the best predictors for reduced sediment loss. Interestingly, living plant cover from weeds in reduced organic treatments protected soil surfaces more effectively than plant residues in conventional, no-tillage plots.
In summary, the adoption of reduced tillage in organic farming significantly reduced soil erosion, further improved soil quality but however, also contributed to reduced yields. It is now essential for agriculture to weigh its long-term advantages and disadvantages.

Central Asia's semi-arid ecosystems are prone to wind erosion due to extreme climate conditions and increasing agricultural use. The influence of different row crops on this wind erosion risk in the dry steppe of Kazakhstan has not been investigated so far. Therefore, in situ investigations have been carried out with a mobile wind tunnel in Northern Kazakhstan. The on-site experiment was conducted on Chernozems under fallow and cultivation. Arable plots with Barley (Hordeum vulgare) and Corn (Zea mays) represent typical crops of the study area. The research aims are: (1) Comparing biological (plant physiology) and technological (tillage intensity, plant density, tractor tracks) parameters on the intensity and composition of the erosion fluxes. (2) Assessing the losses of soil quality by soil organic carbon loss and depositions of coarse materials in the fields and the field boundaries due to wind erosion by analyzing topsoil and aeolian sediments.
Results of the wind tunnel studies conducted in the dry steppe of Kazakhstan are shown. They prove the expected differences between crop types and tillage intensity and provide first suggestions to prevent wind erosion.

In the course of climate change, central Europe is currently facing increases in the intensity and duration of droughts and heat waves and, meanwhile, also in the frequency of heavy precipitation events. Related edaphic droughts have caused massive damage to forests. They are increasing due to shifts in precipitation patterns that also affect soil-hydrological functions. Surface runoff and preferential flow - both vertically and laterally - increase, leading to increasing heterogeneity in the soil-moisture distribution.
However, the analysis of soil-moisture dynamics is usually based on point measurements that do not fully capture this heterogeneity. Here, we combined established point measurements with geophysical methods to assess the spatio-temporal soil-moisture dynamics from the slope scale to the root-zone scale. Thereby, we explored, how vertical and lateral subsurface water flow, and soil-moisture distribution along a slope are affected by (i) subsurface architecture, including textural variations and preferential flow paths; (ii) hydrological extremes (droughts and precipitation events).
Our study area is located in a beech forest 10 km NE of Göttingen, near Ebergötzen (central Germany). The local soil pattern is dominated by Cambisols that developed in periglacial slope deposits with varying admixtures of loess, overlying Triassic sandstone. Meteorological data, throughfall, stemflow, soil moisture, matric potential, and sap flow are recorded at 15 min time intervals. Thus, soil-moisture dynamics are measured on a point-by-point basis with high temporal resolution, providing an ideal set-up to validate complementary approaches that are able to capture spatial heterogeneity. We used primarily high-resolution electrical resistivity tomography, combining long-term (fortnightly/monthly) and event-based measurements (e.g., during and immediately after thunderstorms).
Our data indicate that soil desiccation during prolonged dry periods proceeded relatively uniformly, with tree-root water uptake locally causing enhanced dynamics. In contrast, soil rewetting after precipitation events was spatially highly variable. Our results stress once more the importance of preferential flow for both vertical and lateral redistribution of water in soils, particularly in sloping terrain. They point to the urgent need for spatially highly resolved measurements to obtain a better understanding of soil-moisture dynamics under climate change.

Groundwater recharge is one of the most affected and uncertain parameters securing global fresh water resources under the aspect of changing climate. Especially, freshwater lens volumes of islands depend solely on groundwater recharge and are additionally endangered due to saltwater intrusion. Managed Aquifer Recharge (MAR) via surface infiltration is a suitable approach to mitigate groundwater overexploitation and improving its quality. Commonly, desalinated seawater is used for MAR but the desalination process is cost and energy intensive. The aim of the cooperative project “innovatION” is to develop a monovalent-selective membrane capacitive deionization method to remove ions from seawater. Nonetheless, the infiltration of a water with different water chemistry than natural pore- or groundwater causes geochemical interactions between water and sediment.
Here, we present first insights on geochemical water-sediment interactions during infiltration of a monovalent partial desalinated water (mPDW) into three different dune sediments from the barrier island Langeoog, Northern Germany. Column experiments have been conducted with sand collected from the beach, grey and brown dunes. A decreasing pH, CEC and carbonate content was observed from beach sand over grey dune to brown dune sands. Those varying characteristics and mineral composition trigger different geochemical interactions. The results of the column experiments showed that cation exchange is the main ongoing process. Calcite dissolution or precipitation takes place depending on sediment characteristics. With pedogenic development of the sand dunes the geochemical interactions become more complex due to increasing fine fractions, organic and microbial components. Grey dune sands appear to be a suitable location for MAR application on Langeoog. Trace elements, as for example As and V, were found in all sand types and their mobilization during infiltration seems to be linked to colloidal transport. The results showed that it not just depends on shifting redox conditions but also on the chemical composition of the infiltrating water, as As and V mobilization was periodically retained with mPDW. Tending colloidal trace element transport was found to be an important factor not only at MAR sites but also at the pedo-hydrosphere interface and saturated zones with freshening-salinization processes.

Hardwood floodplain forest species like Quercus robur (oaks) and Ulmus laevis (elms) are adapted to the hydrological fluctuations of floodplain soils connected to the river hydrology. The expected increase of streamflow drought, soil moisture drought and lower groundwater levels in Central Europe challenges these species, prompting different phenological adaptations to survive periods with water limitation. Thus, we wanted to assess the water use patterns of both species under drought, in sandy and loamy soils, and under high vapor pressure deficit (VPD).
We conducted the study during the vegetation period of 2020 in the active floodplain of the lower middle Elbe. A sandy site located in the high sand embankments and a loamy site, representing the low positioned sites of the floodplains were selected to study the influence of soil texture. Sap flow was measured in 5 trees per species per site, using heat-ratio method devices. 3 soil profiles per site were instrumented with volumetric water content and water tension sensors up to 1.60 meters below ground. A week in June was selected to represent high soil water availability and one in August with less soil water availability, both periods shared similar VPD.
Oaks and elms showed different reactions to soil type and water availability. Overall, elms kept higher mean daytime sap velocity than oaks (~50% higher). However, elms display higher variability within the studied periods, presenting a steep decrease in sap flow velocity with increasing drought. In contrast, oaks presented a more constant daytime sap flow velocity, but significantly lower than elms (E.g. in loamy soils: 13cm/h and 6cm/h, for elms and oaks, respectively). Furthermore, oaks showed a higher sensitivity to soil texture and associated soil water potential, displaying a reduction of approximately 50% of their daytime sap velocity from loamy to sandy soils. The Jarvis model was applied to understand the impact of soil texture on tree water use. Since the predicted sap flow velocity, on the sandy site, was significantly higher than the measured one under drought, we consider that soil water potential plays a stronger role in sap velocity regulation than VPD under these conditions.
We aim to provide insights to the influence that site-specific abiotic conditions, like soil texture, could have on oaks and elms adaptation to increasing water limitation. This information may help increase the success of restoration efforts of this ecosystem.

Evapotranspiration (ET) is one of the most important components of soil-water balance. Understanding soil water dynamics and improving water resource management require an accurate estimation of ET. ET is a function of different meteorological, plant, and soil factors. Soil water potential is one of the soil-related factors that influences the ET. It consists of two main components: matric potential and osmotic potential. Unlike the other factors, the influence of the osmotic potential on soil water balance has not been sufficiently investigated in experimental studies. Although its importance is growing as a result of the impact of climate change on water and soil quality, as well as on sea level rise, which increases salt-polluted areas, resulting in a significant impact on soil-water balance in various regions of the world. In this study, we investigated the impact of the osmotic potential on the ET using small-scale lab lysimeters planted with grass and equipped with soil moisture sensors, tensiometers, scales, and data loggers connected to computers. To produce different levels of the osmotic potential, the lysimeters were irrigated with two different water qualities: distilled water and a 4.79 dS.m-1 NaCl solution. The lysimeters were maintained in a well-watered condition, and the daily ET has been monitored. The results indicated a strong relationship between the osmotic potential and the ET. After about three months of applying the treatments, the accumulative ET was reduced by 39% for the lower osmotic potential lysimeters in comparison with the lysimeters that were irrigated with distilled water.

Die bisherige Kennzeichnung von Stadtböden erfolgt sehr stark auf der Grundlage des Vorkommens von technogenen Substraten. Dem wurde mit der neuen KA 6 Rechnung getragen. Bezeichnungen von Stadtböden als Technosole haben entsprechend Eingang in Bodenklassifikationen gefunden. Damit wird jedoch nur ein begrenztes Spektrum an Merkmalen zur Kennzeichnung und Klassifikation der neuartigen Böden der Stadt-, Industrie und Bergbaugebiete genutzt. Zu beachten ist, dass in Städten viele Böden ihr naturnahes Aussehen behalten haben, sich aber unter der jeweiligen städtisch bedingten Umwelt nicht bilden würden. Diese Böden sind Relikte, z.B. relikte Gleye nach Grundwasserabsenkung. Durch die verbreitete Bodenbewegung durch Baumaßnahmen sind Böden häufig überdeckt worden und damit fossil. Viele der technogenen Substrate sind durch Behandlung mit sehr hohen Temperaturen entstanden. Infolge des Verlustes ihrer kristallinen Eigenschaften können sie schnell verwittern. Beispiele sind Schlacken und Beton aus Calciumsilikaten. Bodenbildungen werden sehr stark von ihrer Oberfläche ausgehend beeinflusst, wie durch Vegetation und Klima. Auf unbefestigten Wegen kommt eine flache, aber starke Turbation durch Begehen und -fahren hinzu. Bebauung von Flächen führt zur extrem starken Verdichtung des Feinbodens, die mehrschichtig sehr tief reichen kann. Nicht nur unter dem Einfluss von Niederschlägen kommt es zu Stoffverlagerungen. Auch unter Straßendecken sind diese bei zirkulierende Wasserbewegungen möglich. Straßendecken führen zur Luftabschluss und damit zu Reduktionsprozessen. Eine bedeutende Rolle spielen in Stadtgebieten Stäube, die aus Emissionen von Industrie, Verkehr und Baumaßnahmen oder Bodenabwehungen stammen, mit Schadstoffen belastet sein können und auf den vielen glatten Oberflächen der Stadt weit verlagert werden und zu Bodendecken mit spezifischen Textur und Stoffeigenschaften akkumulieren. Poren- und holraumreiche Oberbodenschichten wie bei grobsandigen Füllungen zwischen Pflastersteinen und -platten oder bei Gleisschottern, werden mit Stäuben aufgefüllt und bilden ein neues Bodensystem aus feinem und groben Lockergestein. Partiell werden Stadtböden durch hohe Gehalte an Skelett geprägt. Es stellt sich die Frage, wie dies Prozesse der Bodenbildung durch Stoffverlagerung beeinflusst. Wie die vorgestellten Beispiele zeigen, lassen sich Stadtböden differenzierter kennzeichnen und damit taxonomisch, funktional und ökologisch klassifizieren als es bisher geschieht.

Stadtböden lösen bei Fragen der Nomenklatur wie auch systematischen Stellung bei allen nationalen Bodensystematiken meist umfangreiche Diskussionen aus, da sie infolge einer speziellen Genese wie auch eines sehr heterogenen Stoffmetabolismus durch eine von der üblichen Norm abweichenden Horizontfolge gekennzeichnet sind.
Deshalb entbehrt das Studium der Stadtböden nicht eines besonderen Reizes, da es sich um Böden handelt, die seit Jahrhunderten unter starkem Einfluss des Menschen stehen, speziell geprägt sind, weshalb das Wirkungsgefüge der natürlichen wie auch anthropogenen Bodenfaktoren am Profil oft schwer erkenn- und nachvollziehbar wird.
Im Rahmen des von der Magistratsabteilung 22 – Wiener Umweltschutzabteilung – initiierten Projekts „Vielseitiger Boden“ bot sich die Gelegenheit, nach drei ausgewählten Bodenfunktionen, wie Standortpotential für natürliche Pflanzengesellschaft, Filter- und Pufferfunktion für organische und anorganische Schadstoffe, Funktion des Bodens im Wasserhaushalt, eine Bodenkarte Wiens nach bereits vorhandenen Unterlagen sowie neuesten Daten aus geotechnischen Erkundungen im Zuge des U-Bahnbaus zu erstellen. Die Spanne der Literaturrecherchen umfasst somit einen Zeitraum vom Jahre 1862 bis heute.
Ausgangsbasis für die neue Bodenkarte ist die Fläche der Stadt Wien von 41.487 ha, die sich aus 14.911 ha Bauflächen, 18.889 ha Grünfläche (davon 5.704 ha landwirtschaftlich genutzte Flächen), 1.916 ha Gewässer und 5.991 ha Verkehrsflächen in 152 m bis 542 m SH zusammensetzt. Das nicht verbaute Areal umfasst somit rund 45 Prozent, was erklärt, warum Wien im globalen „Greenest Cities“-Ranking den ersten Platz einnimmt.
Schon beim Entwurf dieser Bodenkarte war die erste Frage, nach welchen Kriterien angesichts der voll- und teilversiegelten bzw. nicht versiegelten Flächen diese konzipiert werden soll.
Das Ergebnis der zeitlich wie räumlich umfassenden Recherchen wird in einer Bodenkarte der natürlichen, zum Großteil stark überprägten Bodendecke Wiens im Maßstab 1:50.000 wie auch mit Erläuterungen der 15 ausgewiesenen Bodentypen und -subtypen zur praxisnahen Umsetzung dargestellt.
Dadurch liegt nicht nur eine neue Bodenkarte Wiens entsprechend der aktuellen Österreichischen Bodensystematik vor, sondern auch eine solide Basis zur Beurteilung der Multifunktionalität der Böden wie auch deren Nutzung. Gerade die letztgenannten Punkte sind ein Appell, den enormen Flächenfraß in Österreich (die tägliche Bodeninanspruchnahme beträg.

Städte sind Hotspots anthropogener CO2-Emissionen. Ihnen kommt daher eine besondere Verantwortung für die Umsetzung von Maßnahmen und Strategien zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen zu. Die stetig zunehmende Versiegelung von Flächen stellt ein ökologisches und ökonomisches Problem dar, weil dadurch die Leistungs- und Funktionsfähigkeit der Böden, insbesondere auch das Kohlenstoff (C) Speichervermögen, stark beeinträchtigt werden.
Um die bodenbezogene Klimawirkung baulicher Maßnahmen bewerten und künftig in städtebaulichen Planungen gezielt beeinflussen zu können, sind differenzierte Kenntnisse zum Profilaufbau, den bodenkundlichen Eigenschaften und typischen C-Vorräten der Stadtböden wichtig. Es werden wissenschaftlich fundierte Zahlen und Argumente aus Sicht des Klimaschutzes benötigt, die die Durchführung von Entsiegelungsmaßnahmen unterstützen können und zur Reduzierung der Bodenversiegelung beitragen. Versiegelte Böden nehmen zwar aktuell ein Drittel der Gesamtfläche Berlins ein, dennoch liegen für die Stadt bisher keine auswertbaren Daten zu versiegelten und bereits entsiegelten Böden vor. Auch in der internationalen Literatur ist das Wissen über die C-Vorräte dieser Böden sehr gering.
In dem aktuellen Forschungsprojekt „Kosie“ (Humboldt-Universität zu Berlin, 2020–2023) wurde eine systematische Datenbasis zu ver- und entsiegelten Böden geschaffen, mit Fokus auf C-Gehalten und C-Vorräten. Auf dieser Grundlage konnte eine differenzierte Bewertung der Quantität und Qualität der C-Vorräte dieser Böden erfolgen. Es wurden 67 Standorte in Berlin bodenkundlich untersucht. Im Gelände wurden detaillierte Bodenprofilaufnahmen bis 1 m Tiefe nach KA5 und Anleitung für die bodenkundliche Kartierung im Land Berlin (Makki & Thestorf, 2020) durchgeführt. Die entnommenen Proben wurden auf Kohlenstoffgehalt (verschiedene Fraktionen), Stickstoffgehalt, pH-Wert, Trockenrohdichte, Carbonatgehalt und Korngrößenverteilung analysiert. Aktuelle und historische Standorteigenschaften wurden erfasst/recherchiert. Die Standortauswahl und Datenauswertung basierte auf dem Konzept der „C-Speicher-Typen“. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass sich die Böden anhand relevanter, d.h. häufiger oder einflussreicher Standortfaktoren und Bodeneigenschaften nach der Höhe ihrer C-Vorräte typisieren lassen.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes „Kosie“ hinsichtlich der Kohlenstoffvorräte und charakteristischen Eigenschaften ver- und entsiegelter Böden in Berlin werden präsentiert.

In sub- or anoxic soil environments, iron (Fe) (oxyhydr-)oxides can undergo microbial reductive dissolution, mineral recrystallization, or transformation, which can lead to the release of associated elements. An important nutrient, which is often associated with Fe (oxyhydr-)oxides and can impact their transformation, is phosphate (PO4). Until now, the transformation of Fe (oxyhydr-)oxides, such as ferrihydrite and lepidocrocite, and the effect of associated PO4, have mainly been studied in laboratory systems. It remains unclear which transformation processes occur if there is direct contact between minerals and the soil matrix, where microbial Fe reduction, diffusion limitations and heterogeneity at the pore- and aggregate scale can impact mineral transformations. Therefore, in this study, we combined the use of 57Fe-enriched (PO4-adsorbed) ferrihydrite and lepidocrocite with 57Fe Mössbauer spectroscopy, which enabled us to track the speciation of 57Fe in mineral-soil mix samples. To understand the effect of soil contact, we additionally studied the transformation of the respective pure mineral phases (with natural abundance Fe isotope composition) in the same soil environment. The pure and soil-mixed mineral samples were incubated in a flooded rice paddy field in Thailand for four months. Porewater conditions were monitored regularly, and the Fe mineral composition was analyzed with X-ray diffraction and/or 57Fe Mössbauer spectroscopy. The incubation of pure minerals resulted in ferrihydrite transformation to goethite (80%), but no transformation of lepidocrocite. When incubated as mineral-soil mixes, both ferrihydrite and lepidocrocite transformed to similar amounts of goethite (~30%). In contrast, PO4-adsorbed ferrihydrite did transform in pure mineral samples, while in mineral-soil mixes, PO4 strongly enhanced reductive dissolution of ferrihydrite, forming adsorbed Fe(II). These results show that direct soil contact enhances the accessibility of Fe (oxyhyr-)oxides for soil microbes and suggest that the initial crystallinity and Fe mineral identity only had a minor impact on the extent and pathway of Fe mineral transformations. The pathways of in-situ Fe (oxyhydr-)oxide transformations, presented in this study, advance the understanding of Fe mineral dynamics in soils, and demonstrate how these dynamics can be impacted by adsorbed PO4.

Vorwiegend in Andosolen und Podsolen ermöglicht die verwitterungsbedingte Freisetzung von Aluminium (Al) und Silizium (Si) die Entstehung von schwach kristallinen Aluminosilikaten („short-range ordered aluminosilicates“, SROAS). Die Adsorption von gelöster organischer Substanz an SROAS trägt zur Kohlenstoffsequestrierung bei, da insbesondere aromatische Carbonsäuren chemisch an der Oberfläche gebunden und somit vor mikrobiellem Abbau geschützt werden. In Abhängigkeit der Bildungsbedingungen werden variable Mengen an Si in SROAS eingebaut. Um zu klären, wie sich der Si-Einbau auf die Reaktivität von SROAS auswirkt, untersuchten wir die Adsorptionsmechanismen von Modellsubstanzen an SROAS mit bekannter Mineralstruktur. In Batchexperimenten quantifizierten wir die Adsorption von Oxalsäure, Salicylsäure und Octansäure an synthetische SROAS (Al:Si: 1,4-3,7) bei initialem pH 5 und 6,5. Die Adsorbate wurden mittels Infrarotspektroskopie charakterisiert. Die schnelle Adsorptionskinetik (t ≤30 s) untersuchten wir anhand von Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit mit einer Stopped-Flow-Methode. Octansäure wurde elektrostatisch gebunden, während Oxalsäure Chelatkomplexe ausbildete und Salicylsäure partiell innersphärisch adsorbierte. Im Vergleich zu Al-reichen SROAS (Al:Si = 3,7) war die Adsorption von Oxalsäure und Salicylsäure an Si-reiche SROAS (Al:Si = 1,4) um 80-90% reduziert. Die kinetischen Untersuchungen zeigten den schnellen Ligandenaustausch von Oxalat mit Aluminolgruppen, gekennzeichnet durch eine Geschwindigkeitskonstante von 3,5 s-1 (25 °C) und eine Aktivierungsenergie von bis zu 34,1 kJ mol-1. Ein langsamer Prozess mit einer Geschwindigkeitskonstante von 0,12 s-1 (25 °C) wurde auf den diffusiven Transport von Oxalat zurückgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch den Einbau von Si in SROAS weniger Aluminolgruppen für die chemische Bindung von organischen Säuren an der Oberfläche verfügbar sind. Ein größerer Anteil von Silanolgruppen an der Oberfläche und die Bildung von tetraedrisch koordiniertem Al sind ursächlich für die geringe Reaktivität von Si-reichen SROAS. Da tetraedrisch koordiniertes Al der Komplexierung durch Carboxylgruppen entzogen ist, könnte die Al-Speziierung in SROAS die Bindung von organischer Substanz in Böden aus vulkanischem Ausgangsgestein beeinflussen.

Silandische und aluandische Andosole werden üblicherweise als Endglieder verschiedener Andosolgenesen angesehen. Beide Subtypen sind geprägt durch die enge Verbindung zwischen der organischen Substanz (organic matter, OM) und der mineralischen Bodenmatrix. In silandischen Andosolen dominieren Verbindungen, mit imogolitähnlichen Phasen wie Allophane, Imogolite und Protoimogolite. Aluandische Andosole hingegen enthalten hauptsächlich Aluminium-Organo-Komplexe (Al‒OM Komplexe). Nach der herrschenden Vorstellung gehen silandische und aluandische Eigenschaften direkt aus der Primärverwitterung hervor. Es werden also zwei verschiedene Entwicklungslinien unterstellt.
Aufgrund früherer Ergebnisse setzen wir dieser Vorstellung die Hypothese entgegen, dass sich silandisch geprägte Andosole zu aluandisch geprägten weiter entwickeln können. Dies geschieht unter dem Einfluss saurer gelöster organischer Substanz (dissolved organic matter, DOM), die während ihres Transports mit dem Sickerwasser mit imogolitähnlichen Phasen interagieren und diese teilweise auflösen. Das freigesetztes Al reagiert dann mit DOM zu unlöslichen Al‒OM Komplexen.
Diese Hypothese testeten wir an einem ungeschichteten ecuadorianischen Andosol, welcher aluandische Eigenschaften im Oberboden und silandische Eigenschaften im Unterboden aufweist. Dazu führten wir ein Langzeit-Perkolationsexperiment mit Auflage-, Ober- und Unterbodenmaterial im Labor durch. In Zulauf- und Eluatlösung wurden Ionen, pH, DOC und UV-vis-Spektren gemessen. Nach 0, 6 und 18 Monaten entnahmen wir Material aus den Säulen und untersuchten dieses auf Veränderungen der Kohlenstoffkonzentration und der Mineralphase. Dazu verwendeten wir eine Kombination aus Dichtefraktionierung, chemischen Extraktionen sowie verschiedener spektroskopischer Verfahren (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Photoelektronen-Spektroskopie, synchrotronbasierte Al-K-Kanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie).
Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen nach 18 Monaten eine Kohlenstoffzunahme von 17,5 g C · kg-1 im Unterboden, welche mit einer Aluminiumzunahme von 0,81 g Al · kg-1 und einer Siliziumabnahme von 0,62 g Si · kg-1 einhergehen. Zusätzlich sinkt die Massendichte der mineral-organischen-Partikel von 2,0‑2,2 auf 1,6‑2,0 g · cm-3. Die Ergebnisse legen nahe, dass saure DOM tatsächlich die Umwandlung silandischer hin zu aluandischen Bodeneigenschaften bedingt und die C-Speicherung in den Böden erhöht.

The speciation of aluminum (Al) in soils is important for Al cycling and Al toxicity in terrestrial ecosystems. Current soil Al speciation methods are mostly wet-chemical, discriminating among operationally defined fractions rather than distinct Al species. We performed synchrotron-based X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy at the Al K-edge (1560 eV) on density fraction samples with different SOM/mineral ratios, which had been obtained from Oh layers of two German forest soils formed from gneiss (Dystric Cambisols Conventwald and Mitterfels). We deconvoluted the spectra by linear combination fitting (LCF), using reference spectra of diluted inorganic and organic Al-bearing soil constituents. Our first time application of Al XANES spectroscopy + LCF allowed for estimating the relative contribution of different Al species in the different density fractions, representing SOM-mineral associations with different SOM/mineral ratios. The Oh layer density fractions differed not only in their SOM content and SOM decomposition status, but also in their Al content and Al speciation, indicating the existence of spatially separated forest floor constituents with different Al speciation. According to our LCF results, Al in the mineral-dominated density fraction > 1.6 g cm-3 which is characterized by advanced SOM decomposition and comprises about 50% of total Oh mass, is mostly bound in clay minerals and feldspars. In contrast, the Al in the mineral-poor density fraction < 1.0 g cm-3 with low SOM decomposition status is mostly directly bound to SOM as Al-organo complex, with Al bound to phenolic SOM groups obviously being more relevant than Al bound to SOM carboxyl(ate) groups. However, this density fraction comprises only about 5% of the total Oh mass in both soils. The Al speciation in Oh fractions with intermediate densities (1.2–1.6 g cm-3) differs between the two soils. At Mitterfels, Al in these fractions is mostly SOM-complexed (phenol-Al > carboxylate-Al >> clay mineral Al), whereas at Conventwald, about one third of the Al in these fractions is bound in clay minerals. In summary, only a minor portion of the Al in both Oh horizons is complex-bound to SOM, and the majority is mineral-bound. Our results show that Al K-edge XANES spectroscopy is a promising novel tool for the speciation of Al in soil density fractions with a great potential to promote our understanding of Al cycling and biogeochemistry in terrestrial ecosystems.

Die Klassifizierung von Böden anhand ihrer Korngrößenanteile ist gängige Praxis. Dabei unterscheiden sich die internationalen Einteilungen der einzelnen Bodenarten voneinander. Bodenhydrologische Modellierstudien wie z.B. Wasserhaushaltssimulationen werden häufig systematisch für jede Texturklasse eines Klassifikationssystems durchgeführt. Diese Einteilungen sind jedoch hierfür in der Regel nicht optimal, da die Abgrenzungen der allgemein definierten Texturklassen nicht auf bodenhydrologisch relevanten Kriterien basieren. Das Ziel unserer Studie ist eine Neueinteilung des Texturdreiecks in bodenhydrologisch relevante Texturklassen.
In einem ersten Schritt haben wir ein enges Raster über das Texturdreieck gelegt und mit einer selbst entwickelten Pedotransferfunktion für das Peters-Durner-Iden Modell bodenhydraulische Eigenschaften an jedem Rasterpunkt vorhergesagt. Für jede dieser Texturkombinationen haben wir anschließend mit HYDRUS 1D Zeitreihen der volumetrischen Wassergehalte, Grundwasserneubildung und Evapotranspiration für ein klimatisches Szenario simuliert, das sowohl trockene als auch feuchte Systemzustände beinhaltet. Die simulierten Zeitreihen haben wir danach mit dem k-Means-Algorithmus geclustert. Durch die Clusteranalysen konnten Bereiche des Texturdreiecks ausgewiesen werden, die ähnlich reagieren, aber auch solche Bereiche, bei denen es bei geringer Veränderung der Textur zu großen Änderungen im bodenhydrologischen Verhalten kommt. Dieses Vorgehen erlaubt eine neue Einteilung des Texturdreiecks in bodenhydrologisch relevante Klassen.

The coupling of soil water erosion models and the dynamics of crop growth and soil water balance in the agricultural landscape has been studied over several decades. To date, however, the accuracy of soil erosion models in agroecosystems with heterogeneous field conditions remains a topic of debate. Numerous questions remain to be addressed, especially related to the uncertainties caused by the approaches to model coupled processes, such as soil water fluxes, crop growth, and soil erosion. In this study, we investigate two widely used methods (Freebairn and Rose) to represent soil erosion and coupled them with a process-based crop model within the SIMPLACE framework. Well-distributed spatiotemporal measurements of the soil and plant dynamics were taken in a heterogeneous field to calibrate and evaluate such model solutions. The accuracy of these coupled models was also compared to a statistical model developed for the same field. Besides model accuracy, soil erosion process representation, data, and calibration requirements were also studied. The simulations of water erosion with dynamic Freebairn and Rose models were influenced by the performance of runoff and crop growth models. However, a pronounced difference was found between modeled and measured soil erosion when these predictions were made with an uncalibrated runoff model. Hence, our results highlighted that large uncertainties in soil erosion modeling were associated with improper performance of the runoff model. Among selected models in the validation phase, the Freebairn model had the highest accuracy of sediment yield predictions (NSE = 0.71, RMSE = 0.69 t ha-1 d-1) than Rose model (RMSE=0.83 t ha-1 d-1) providing insight into the selection of parameter values and calibration for these models. These findings give considerable confidence in the model structure. Therefore, it can be concluded that both Freebairn and Rose models can be used as tools to predict sediment yield within the SIMPLACE framework. However, further improvements of soil erosion models should focus on enhancing the data quality for model applications and improving the representation of these models in terms of their scales and objectives.

Soil hydraulic properties (SHPs) are required to quantify water availability for water uptake by roots and to assess soil-tree-water relations in forests during prolonged dry periods due to climate change. The measurement of SHPs is time consuming and requires complex instrumentation. An often-used alternative to measurements is the application of pedotransfer functions (PTFs) for estimating SHPs. PTFs are mathematical rules linking more easily obtainable soil information (e.g., soil texture, organic carbon content) with SHPs. Many of the available PTFs (for example, ‘Rosetta’, Schaap et al. 2001) were trained mainly on samples collected for arable land and therefore miss the effects of forest-specific soil formation processes (perennial vegetation, deep root systems, and high litter input impact the SHPs). These shortcomings can be avoided by building a PTF including soil samples from forests (Wessolek et al. 2009, Tóth et al. 2015) or training it exclusively with forest soil samples as was done for southern Germany (Puhlmann and von Wilpert 2011). However, none of the tested PTFs could satisfactorily predict the water retention and hydraulic conductivity curve of Swiss forest soils that were described in Richard and Lüscher (1978, 1981, 1983 ,1987). Consequently, we built a new PTF for Swiss forest soils (SwiPF) using two statistical methods: (1) lasso – a linear regression method – and (2) random forest. SwiPF was independently validated using forest soil samples collected in another study (Walthert et al. 2021). The new PTF will be applied to estimate transpiration rates of forest trees in an ongoing research project on the adaptation of trees to specific soil properties and climate change.

Constructed Technosols are important means to substitute natural soil material such as peat and geogenic material to be used in urban green infrastructure. One of the most important features of such soils is related to the water cycle and can be described by the soil water retention curve (WRC). The WRC depends on the composition of the constructed Technosols
e.g. their components and their mixing ratio. The diversity of possible components and the infinite number of mixing ratios practically prohibit the experimental identification of the optimal composition regarding the targeted soil functions. In this study we propose a compositional model for predicting the WRC of any binary mixture based on the measured WRCs of it’s
two pure components only (basic scheme) or with one additional mixture (extended scheme). The model is developed from existing methods for estimating the porosity in binary mixtures. The compositional model approach was tested for four data sets of measured WRCs for different binary mixtures taken from the literature. To assess the suitability of these mixtures for
typical urban applications, the distribution of water and air in 50 cm high containers filled with the mixtures was predicted under hydrostatic conditions. The difference between the maxima of the pore-size distributions ∆PSD max of the components indicates the applicability of the compositional approach. For binary mixtures with small ∆PSD max , the water content devia-
tions between the predicted and the measured WRCs range from 0.004 to 0.039 m 3 m^−3 . For mixtures with a large ∆PSD max, the compositional model is not applicable. The knowledge of the WRC of any mixing ratio enables the quick choice of a composition, which suits the targeted application.

Die seit längerer Zeit prognostizierte Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Dürren konnte in den letzten Jahren bereits beobachtet werden. So hat in Deutschland insbesondere der Trockenstress in den Jahren 2018 und 2019 zu einer massiven Schädigung der Wälder geführt, was den großen Forschungsbedarf im Kontext der Anpassung von Wäldern an den Klimawandel aufgezeigt hat. Forschungsbedarf besteht jedoch auch in urbanen Räumen, in denen die Vitalität der Baumbestände stark durch die aktuell vermehrten Dürrephasen beeinträchtigt wurde. Gerade an urbanen Standorten wird der Wasserhaushalt neben sich verändernder klimatischer Bedingungen durch die räumlich sehr variablen Bodeneigenschaften infolge jahrhundertelanger anthropogener Überprägungen (z.B. Abgrabung, Auffüllung, Kriegseinwirkungen) bestimmt.
Im Rahmen des Projektes „Klimawandel in urbanen Räumen“, gefördert durch das Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB), erfolgten im Dresdner Großen Garten boden- und waldernährungskundliche Untersuchungen zur Analyse der Standorteigenschaften. Zur Ableitung räumlicher Daten aus den überwiegend punktuellen Messungen wurden geophysikalische Methoden angewandt. Dabei wurden die Geoelektrische Widerstandstomographie (ERT) und Bodenradar (GPR), jeweils 2D, mit einer flächenhaften geomagnetischen Messung kombiniert. Neben dem Ziel, einen räumlichen Überblick über die Untergrundbedingungen zu erhalten, lag ein Fokus insbesondere auf der Charakterisierung des oberflächennahen Untergrundes im Bereich der Wurzelräume von Bäumen.
Die geophysikalischen Messungen haben die erwartete, durch Ablagerungen der Elbe und anthropogene Überprägung bedingte hohe Komplexität des Untergrundes bestätigt. Dabei konnten mittels Geomagnetik u.a. einige im 2. Weltkrieg entstandene Bombentrichter lokalisiert werden. Abgeleitet aus ERT- und GPR-Daten zeigen die fluviatil abgelagerten Sedimente eine deutliche Schichtung mit feinkörnigem, tonreichem Material über schotterreichem Substrat mit hoher räumlicher Variabilität der Textur und Schichtmächtigkeit. Die Ergebnisse unterstreichen das große Potential räumlich angewandter geophysikalischer Methoden zur nicht-invasiven Erkundung des oberflächennahen Untergrundes.

Waldböden sind Grundlage für produktive und widerstandsfähige Wälder. Mit der Bodenzustandserhebung (BZE) im Wald lassen sich repräsentativ und vergleichbar Zustand und Veränderungen von Waldböden erfassen. Sie basiert auf einem landesweit systematischen Raster von 8 x 8 km mit ca. 1.900 Standorten. Während aktuell die BZE III läuft, erfolgten die vorhergehenden Erhebungen von 1987-1992 bzw. von 2006-2008. Beprobt werden 8 Satelliten konzentrisch um ein Bodenprofil im Standortmittelpunkt angeordnet, indem Humushorizonte und Tiefenstufen von Mineralböden als Mischprobe entnommen werden. Inventuren sind mit Unsicherheiten verbunden, da Bodeneigenschaften räumlich variieren und Methoden über die Zeit kaum konstant bleiben. Weiterhin sind Laboranalysen mit Messfehlern behaftet oder es kommt zu Änderungen in der Analysetechnik. Vor und während der Inventuren müssen Vorschriften zur Qualitätssicherung und Harmonisierung der Methoden für Feldarbeiten und Laboranalysen erarbeitet und umgesetzt werden. Hierfür erfolgten Vergleichsuntersuchungen von verschiedenen (i) Bodenparametern zwischen und innerhalb unterschiedlicher Labore, (ii) Trennverfahren (Probenteiler, Löffelteilung) auf die Repräsentativität von Bodenproben und (iii) Methoden der Probenahme und deren Auswirkungen auf die Variabilität von Bodeneigenschaften. Während die Variation sowohl innerhalb als auch zwischen den meisten Laboren und Parametern ± 10 % beträgt, ist lediglich bei Kalium im Königswasser-Extrakt die Vergleichbarkeit nicht gegeben. Außerdem sind die entwickelten Umrechnungsfaktoren für die Methoden der BZE I und II i.d.R. vergleichbar. Die Analyseergebnisse der durch die Teilungsverfahren gewonnenen Proben unterscheiden sich nicht signifikant voneinander. Der Probenteiler führt teilweise zu einer geringeren Variation und bei bindigeren Substraten zu höheren Werten als die Teilung mit einem Laborlöffel. Die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Probennehmer unter konstanten Bedingungen ergab, dass die Variabilität der Parameter geringer zwischen als innerhalb der Gruppen war. Hinsichtlich der verwendeten Geräte gab es Unterschiede. Ebenso blieb die Trennung der Humusauflage vom Mineralboden unsicher. Letztendlich ist für Durchführung einer qualitativ abgesicherten Inventur eine ausreichende Anzahl von Wiederholungen und die Vor- und Aufbereitung der Proben essentiell, v.a. um durch Messfehler im Gelände und Labor hervorgerufenen Unsicherheiten quantifizieren zu können.

The simulation of water, solute and energy transport in the vadose zone requires suitable models to describe the hydraulic properties of the soil (SHP), especially water retention and hydraulic conductivity of unsaturated soils. The hydraulic functions are usually derived by fitting suitable SHP models to measured data. If no measured data are available, the SHP can be approximated by pedotransfer functions (PTF) based on other available soil properties. This is particularly important for distributed modelling on large scales, such as hydrological catchment modelling or meteorological land surface modelling.
In the past decades, many PTFs have been derived for such purposes. However, the PTFs developed so far neglect essential features of hydraulic properties, such as water conductivity in films, and therefore lead to systematic errors in SHP prediction. Today, consistent hydraulic models such as the PDI system have been developed that take into account non-capillary water prevailing in the medium to dry moisture range.
We acquired an extensive data collection of 572 data sets with measured water retention and water conductivity curves (saturated and unsaturated) as well as the basic soil properties soil texture, bulk density and organic carbon content. We then trained an artificial neural network that predicts PDI parameter sets from the basic soil properties. The resulting pedotransfer function provides physically consistent SHP for most naturally occurring soils. Moreover, it is able to account for the effects of continuous changes in soil texture and bulk density on the predicted SHP.

Ethylen als gasförmiges Pflanzenhormon mit der Wirkung eines endogenen Wachstumsregulators rückt immer mehr in den Fokus der Rhizosphärenforschung. Zum Teil aufgrund mangelnder technischer Möglichkeiten wurde lange angenommen, dass Ethylenkonzentrationen höher als 1 μL L−1 erforderlich sind, um Ethylen-beeinflusste physiologische Reaktionen auszulösen.
Wir stellen hier ein System vor mit welchem die Ethylenkonzentration direkt in der Gasphase des Bodens mit passiven Diffusionssammlern gemessen werden kann. Der laserbasierte photoakustische Ethylendetektor ETD-300 (Sensor Sense B.V., Nijmegen, Niederlande) ermöglicht die Quantifizierung von Ethylenkonzentrationen von 0,3 nL L−1 in Echtzeit. Die Auswirkung des Kanülendurchmessers auf das Diffusionsgleichgewicht zwischen Bodengasphase und Probengefäß im Hinblick auf die zeitliche Auflösung der Messung wird aufgezeigt. Außerdem werden Wechselwirkungen zwischen Kanülendurchmesser und Septum dargestellt sowie Effekte des gewählten Septums auf die Gasphase im Probengefäß durch Lagerung der Proben. Mit Hilfe unseres Systems können in Laborexperimenten mit Maispflanzen Ethylenkonzentrationen im Bereich von 30 bis 150 ppb mit einer zeitlichen Auflösung von 7 Tagen gemessen werden. Mittels Verschneidung mit Röntgentomographieaufnahmen kann außerdem das Alter sowie die Entfernung einer Wurzel zum passiven Probenehmer ermittelt werden.

Spatiotemporal characterisation of the soil redox status within the capillary fringe (CF) is a challenging task. Air-filled porosities (ε), oxygen concentration (O2), and redox potential (EH) are interrelated soil variables within active biogeochemical domains such as the CF. We investigated the impact of water table (WT) rise and drainage in an undisturbed topsoil and subsoil sample taken from a Calcaric Gleysol for a period of 46 days. We merged 1D (EH and matric potential) and 2D (O2) systems to monitor at high spatiotemporal resolution redox dynamics within self-constructed redoxtron housings and complemented the data set by a 3D pore network characterization using X-ray microtomography (µCT). Depletion of O2 was faster in the organic matter- and clay-rich aggregated topsoil and the CF extended > 10 cm above the artificial WT. The homogeneous and less-aggregated subsoil constituted a CF of 4 cm as indicated by ε–O2–EH data during saturation. After drainage, 2D O2 imaging revealed a fast aeration towards the lower depths of the topsoil, which agrees with the connected ε derived by µCT imaging (εCT_conn) of 14.9% of the total porosity. However, small-scaled anoxic domains with O2 saturation < 5% were apparent even 23 days after lowering the WT (down to 0.25 cm2 in size). These domains remained a nucleus for reducing soil conditions (EH < –100 mV) and rendered a characterization of the soil redox status in the CF challenging. In contrast, the subsoil aeration reached O2 saturation after 8 days for the complete soil volume. The absence of εCT_conn for the subsoil highlighted that soil aeration was independent of this parameter suggesting that other variables as microbial activity must be considered for the application of pedotransfer functions when predicting the soil redox status. The use of redoxtrons in combination with localized redox-measurements and image based pore space analysis resulted in a better 2D/3D characterization of the pore system. This benefits our understanding of spatiotemporal variable redox dynamics in temporarily water saturated soil environments.

Plowing to the depth of the topsoil loosens compaction the lower topsoil, which can easily occur in the course of harvesting sugar beets in autumn. As a side effect of the plowing, there is a risk that a plowing pan will form immediately below the crumb (upper subsoil). Both compaction in the lower topsoil and in the upper subsoil inhibit water infiltration (ki-value) when the topsoil is already saturated with water. Therefore, ki values are an indicator of soil perforation in these potentially compacted horizons. Abandoned root systems of plants with allorhizal root systems can improve soil perforation. This is important in regions of early summer drought to allow plants to penetrate the deeper, wetter soil layers as quickly as possible.
In a long-term trial in the southwestern German arid region, we investigated the effect of shallow tillage on soil perforation in comparison to plowing and whether intercropping (yellow mustard every three years) can improve soil perforation. In 1998, a large plot trial was set up for this purpose on three adjacent fields with the crop rotation (staggered by one year in each case) sugar beet - winter wheat - winter barley. The cereal straw was always removed, and the beet leaf was incorporated. Nutrients were only supplied in the form of minerals (= humus-consuming crop rotation). On each of the three fields, 8 plots were set up, which were cultivated in four treatments: with and without deep tillage (plowing), in each case with and without yellow mustard for green manuring before the beets. Yields on the trial plots are recorded every year. In two measurement campaigns (2012 to 2014 and 2021 & 2022), the ki-values were determined in spring on all plots at two positions per plot using a double-ring infiltrometer. A further measurement will be done in 2023.

Overall ki values were very high in the field, averaging 1104 mm / h in 2021 & 2022. Green manuring significantly improved perforation from 901 to 1307 mm/ha. In the period of a first measurement campaign, the ki values were still lower by a factor of 3.3 on average. The improvement was stronger with green manuring (factor 3.9) than without (factor 2.7). The abandonment of deep tillage (plowing) had no influence on the ki-values. We conclude from the results that not plowing and humus-consuming tillage did not have a negative effect on soil perforation in the long term.

Annual plowing is helpful in controlling weeds, but it can also be detrimental to earthworms in the soil. Especially in regions with frequent and extended summer drought, it is beneficial for plants to use the burrows of deep-burrowing (anecic) earthworms to quickly penetrate deeper, moist soil layers with their roots. In a long-term trial in the drylands of southwest Germany, it was investigated whether it is possible to compensate for the negative effect of plowing on earthworms by green manuring once every three years. In 1998, a field experiment with large plots (43 m x 24 m) was set up on three adjacent fields with the crop rotation (staggered by one year in each case) sugar beet - winter wheat - winter barley. The straw was always removed, and the beet leaf was incorporated. Nutrients were supplied exclusively in the form of minerals (= humus-consuming crop rotation). On each of the three fields, 8 plots were set up, which were cultivated in four 4 variants: with and without deep plowing, in each case with and without yellow mustard for green manuring before the beets. Yields on the trial plots are recorded every year. In 2012, 2013 and 2014, as well as in 2021, 2022 and 2023, earthworms were or will be counted in the soil at two positions per plot in the spring shortly before or after beet sowing, and their mass was determined, divided into endogeic and anecic species. From the plow layer, the animals were picked out by hand. From the subsoil, the anecic earthworms were expelled with allyl isothiocyanate.

In the 2021 & 2022 measurement campaign, the mass of anecic earthworms was on average 84% higher in plots with green manure than in plots without (p = 0.025, n = 6 plots). No plowing did not significantly affect the anecic earthworms. For endogeic earthworms, plowing - especially in combination with green manure - was rather positive (not significant).

From the first measurement campaign in 2012 to 2014 to the measurement in 2021 and 2022, earthworm mass decreased on average by 28.8%. Measurement in 2023 is still outstanding. This decrease of earthworm biomass was based on a decrease in anecic earthworms. The reduction in earthworm biomass over the three crop rotation periods was accompanied by humus depletion. The humus depletion and the reduction in anecic eathworms did not negatively affect the crop yields.

Changes in rainfall patterns in the course of global change are particularly severe for rainforest ecosystems like Southwestern Amazonia. Longer dry seasons and extreme precipitation add to the alteration of the aboveground biodiversity by deforestation. Increasing anthropogenic transformations push the naturally resilient but fragile ecosystems to their limits. Beyond their limits they potentially cross ecosystem tipping points causing a loss of ecosystem services which cannot be recovered. To investigate the effects of these stressors on the belowground microbial communities, we conducted a multi-cycle drying-rewetting incubation experiment with two drought levels using soils from southwestern Amazonia along an aboveground biodiversity gradient. A moderate and extreme level of drought aimed to bring at least one of the systems to cross a tipping point. Greenhouse gases and microbial biomass were used as a proxy for microbial activity; microbial diversity was determined by genetic approaches. We hypothesized that CO2 emissions would be higher from the soil of productive pastures than from forested areas, and lower during drought intervals. We also expected microbial biomass and microbial diversity to be higher in the primary forest, decreasing along the aboveground biodiversity gradient. Finally, we hypothesized a decrease in microbial diversity and microbial abundance in all sites at the end of the incubation experiment. This decrease is expected due to the loss of microorganisms that could not cope with prolonged drought. Our results showed that cumulative respiration of pasture soils was higher than that of primary forest soil. Across all aboveground biodiversity levels, cumulative CO2 emissions, microbial biomass, and microbial diversity were lower in soils that underwent extreme drought treatments. At the end of the incubation, microbial communities of pasture soils were more similar between moderate and extreme drought treatments than the soil microbial communities under primary forest. Moreover, pastures presented a slightly higher microbial biomass and diversity than the primary forests. To conclude, our incubation experiment exposes the greater adaptability to drought stress of pasture communities and lower resilience to drought of soil microbial communities in primary forests.

Microorganisms can be greatly affected by climate change. Carbon (C) and nitrogen (N) fluxes at the root-soil-microbe interphase can be altered, which can in turn modulate resistance and resilience of wheat crops towards climate stressors. Plants are known to release ions and volatile gaseous compounds derived from sloughed-off root cells and tissues in a process called rhizodeposition, and changes in the pattern and amount of rhizodeposition may affect processes in which microorganisms are involved. Investigating the ability of wheat plants to transfer N and C to the soil and to microbial residues is essential, especially in climate stress conditions. The quantification and specific component δ13C and δ15N analysis of soil microbial biomass (MB), soil organic matter (SOM), particulate organic matter (POM), and microbial residues such as amino sugars (AS) and extracellular polymeric substances (EPS) can provide insights on how these changes occur under climate stress. AS analysis in general can provide clues on the assessment of dead and living biomass, and of different bacteria or fungi contributions for the microbial C and N residues in soil. EPS functions are important under drought: their mechanisms, as a matrix embedding microbial cells, increase soil aggregate stability processes that promote crop resilience and benefit plant development. For this purpose, analysis is conducted on soil samples under wheat cultivation from an in-situ field manipulation experiment of drought periods under conventional and conservative land use systems. The effects of drought are simulated with rain-shelters, installed on the agricultural DOK long-term trial in Switzerland. Plots of cultivated summer wheat with 3 different fertilization systems (Mineral fertilizers, Manure, and Manure + Mineral fertilizers) with 4 replicates had the installment of microplots inside and outside the rain-shelters. Around 12 plants inside each microplot were labelled with 15N, using a leaf labelling method, and with 13C through CO2 exposition. Shoot, root, rhizosphere soil and bulk soil at 3 different soil depths were sampled at flowering in 2022 inside each microplot. The hypothesis of the project consist in: 1) Climatic differences produce region-specific changes in crop-soil-microbe interactions, and 2) Land use systems with conservative approaches and low input are more resistant and resilient to climate change events such as drought regarding crop-microbe interactions.

Böden stellen eine wichtige Grundlage für unsere Lebensmittelproduktion dar und sind damit das wichtigste Gut für die Landwirtschaft. Der Erhalt und die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit bei gleichzeitiger Förderung der Biodiversität sind relevante Aufgaben. Denn nur ein gesunder Boden kann gesunde Pflanzen und damit gesunde Lebensmittel produzieren.
Ziel eines Projektes des Leibniz-Instituts für Gemüse- und Zierpflanzenbau e.V., welches zusammen mit der Kaufland Stiftung & Co. KG und der Gemüsering Stuttgart GmbH realisiert wird, ist eine Verstetigung und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit durch Umsetzung verschiedener bodenspezifischer Maßnahmen zum Humusaufbau und zur Erhöhung des Bodenlebens in Pilotbetrieben des Gemüse- und Obstanbaus.
Die wissenschaftliche Begleitung von Produktionsstandorten und das Monitoring zu Biodiversität, Humusgehalt und Bodenleben ist die Basis für eine langfristige Verbesserung der Bodengesundheit nicht nur in den Pilotbetrieben.

Die Auswertung von Bodenproben aus 51 Gemüseanbauflächen dient der Einschätzung des Ist-Zustandes der Bodenfruchtbarkeit. Mikrobiologische Eigenschaften wurden mittels PLFA-Analyse bestimmt sowie weitere relevante Zustandsgrößen, wie Humusgehalt, pH-Wert und Gehalt an Mikronährstoffen und Schwermetallen untersucht.

Die Ergebnisse weisen deutliche Unterschiede in den Bodeneigenschaften zwischen den Standorten auf. Die Schwankungsbreite der bodenchemischen und -physikalischen Parameter ist in Böden der Gemüsekulturen größer als in Apfelanlagen. Es konnte kein signifikanter Unterschied in dem Gehalt an organischer Substanz festgestellt werden. Jedoch waren die mikrobielle Biomasse, die bakterielle und die pilzliche Biomasse in den Böden mit Apfelanlagen deutlich höher. Weitere enge Korrelationen traten nicht nur zwischen den analysierten biologischen Parametern und dem Gehalt an organischer Substanz auf, sondern auch zu chemischen Parametern, wie dem Gehalt an Magnesium und Bor. Die Korrelation zwischen dem organischen Kohlenstoff des Bodens (Corg) und dem Gesamtstickstoffgehalt betrug beispielsweise 0,85.

Auf Basis des ermittelten Ist-Zustandes der Böden erfolgt die Ableitung von individuellen flächenspezifischen Maßnahmen zum Erhalt und zur Erhöhung der Bodenvitalität und des Bodenlebens in den Betrieben, die Kaufland mit entsprechenden Waren beliefern. Im Ergebnis des Projektes sollen in einem Leitfaden verbindliche Vorgaben für den Anbau von Gemüse und Obst formuliert werden.

The persistence of organic carbon in soils is enhanced by attachment to minerals. Knowledge on the formation and stability of mineral-associated organic matter (MOM) is therefore crucial for understanding energy and matter fluxes in soil.
Formation of MOM starts immediately with the initial degradation of plant litter when macromolecules become enzymatically depolymerized and partly oxidized to smaller soluble polymers and monomers, which then can adsorb to minerals. Not all soluble compounds released during the degradation of litter constituents are sorbed by minerals but serve decomposing microorganisms as carbon and energy source; thus, concurrent MOM formation from microbial products and necromass needs to be considered. The mechanisms and efficiency by which microbial necromass is transferred to and stabilized by different soil minerals have, however, not been studied systematically so far.
We investigated the interactions of microbial and plant-derived dissolved organic matter (DOM) with minerals. We extracted DOM from fresh and pre-incubated maize litter and from fungal necromass, and conducted sorption experiments with illite and goethite. The results showed that sorption to illite is generally low. Comparing DOM from fungi and maize, the results showed that goethite preferentially sorbs maize-derived DOM, whereas illite sorbs more fungi-derived DOM. We found a slightly higher sorption of DOM derived from incubated than from fresh maize, probably due to a higher proportion of oxidized functional groups produced by partial decomposition.
In the next step, the sorption of DOM from bacterial necromass will be investigated. To better understand the different sorptivity of DOM solutions, the composition of freeze-dried DOM before and after sorption will be characterized by 13C NMR spectroscopy.
The presentation will summarize the results and conclude on the possible differential contribution of plant- and microbial necromass-derived organic matter to MOM formation in soil.

Microbially mediated SOC formation is composed of fresh litter turnover, subsequent sorption of dead biomass onto mineral surfaces, and remobilization of C by the next higher trophy. While C fluxes only provide information on decomposition rates, calorespirometry can provide insight into metabolic utilization of substrates for microbial growth by combining heat production and respiration rates. Since this relationship has not yet been substantiated for complex substrates by measured data, we aim to simultaneously quantify carbon and energy fluxes and characterize microbial dynamics in eight different arable soils, which can be distinguished by soil chemical and physical properties and fertilizer status (fertilized and unfertilized). In a 64-day incubation experiment at 20°C, 99% 13C-labeled cellulose was used to differentiate between catabolic and anabolic C utilization. These two processes will influence the final fate of C - either it will be emitted from the soil as 13CO2 or retained and stabilized in SOM to be detected during the experiment (after 4, 8, 16, 32 and 64 days) by incorporation of 13C into microbial biomass (CFE, chloroform fumigation extraction; PLFA, phospholipid fatty acids) necromass, and after cross-feeding in nematodes. Simultaneously, heat release will be measured calorimetrically to couple C-mass and energy fluxes. A change in abundance and diversity of microbial populations will be characterized by PCR amplicon analyses. Aim of this experimental approach is to answer fundamental questions about the relationships between mass and energy balances in microbial metabolism and growth.

Metabolic flux analysis is an integrated experimental and computational approach for quantitative understanding of biochemical reaction networks with particular relevance in metabolic engineering and systems biology. Mass and energy flows through soil microbial metabolism are subject to the laws of thermodynamics. Carbon (C) allocation through central metabolic pathways can be reconstructed by 13C-metabolic flux analysis (13C-MFA) by tracing C atoms from substrate molecules into metabolic products such as CO2 or fatty acids. However, mass flow via 13C-MFA alone might be insufficient to characterize microbial carbon use, and novel approaches considering bioenergetic constraints are required. In the first step, we will adapt the 13C-MFA from a model optimized for pure
cultures, which is based on a single carbon source, to a model that more precisely represents the reality in soil, where multiple monomeric C sources of various oxidation level co-exist and enter the major pathways (glycolysis, pentose-phosphate-pathway, citric-acid-cycle) concomitantly. We will identify optimal sets of isotopomer tracers for 13C-MFA and couple this with targeted metabolite analysis. This will allow extention of our existing model (based on glucose as substrate and fatty acid as end member) to various input substrates and diverse amino acids as end-members. We have performed a preliminary position-specific glucose labelling experiment and detected total CO2 and substrate-derived 13CO2 fluxes as well as compound-specific amino acid 13C analysis. Our pre-experiment showed that the peak in substrate-derived 13CO2 fluxes were observed 12 h after glucose addition, indicating that the ideal sampling time for compound-specific amino acid measurement is 12 to 24 h after substrate amendment. Soil-adapted 13C metabolic flux analysis coupled with thermodynamic constraints will substantially improve our ability to understand the connections between metabolic C fluxes and their bioenergetic implications depending on the substrate available for microbial growth in soil systems.

Schwarzerden sind sehr Organik-reiche Böden, doch der Beitrag von organischem Kohlenstoff (Corg) aus oberirdischer und unterirdischer Biomasse ist unklar. Die zentrale Frage hier ist, inwiefern oberirdisches und unterirdisches Pflanzenmaterial sowie mikrobielle Biomasse bzw. Nekromasse in Böden zum Aufbau dieser immensen Corg-Vorräte geführt haben. Zudem wird untersucht, ob sich die Corg-Vorratszusammensetzung in deutschen von denen russischer Schwarzerden unterscheidet und wie sich diese auch mit der Tiefe ändert.
Wir untersuchen Schwarzerden von acht Standorten aus Deutschland (Region Halle) und vier Standorten aus Russland (Region Südrussland) in zwei Tiefen (0-15 cm und 50-60 cm). Mithilfe der Biomarkeranalysen von Lignin und Suberin werden oberirdische und unterirdische Pflanzeneinträge identifiziert. Mithilfe von Aminozuckeranalysen wird dem Beitrag von mikrobieller Nekromasse nachgegangen. Lignin setzt sich aus Phenylpropan-Einheiten zusammen und kommt in der gesamten Pflanze vor. Es versteift die Zellmembran und trägt so zur Verholzung der Pflanze bei. Suberin hingegen findet sich vor allem in den Wurzeln. Es besteht aus aliphatisch-aromatisch vernetzten Polyestern und ist Bestandteil der Caspary-Streifen in den Endodermiszellen und trägt durch seine hydrophoben Eigenschaften zur Barriere-Funktion der Wurzeln bei. Aminozucker sind Bestandteil der Zellstruktur verschiedener Organismen und repräsentieren die mikrobielle Nekromasse des Bodens. Wir vermuten, dass sich abhängig von den unterschiedlichen Bodenbildungsbedingungen in Deutschland und Russland signifikante Unterschied in der Zusammensetzung der Corg-Quellen in den Schwarzerden ergibt.

Bodentiere nehmen Schlüsselpositionen im Naturhaushalt ein, sind eine bedeutende Nahrungsquelle für viele Arthropoden sowie Wirbeltiere und stellen einen bedeutenden Teil der Biodiversität von Wäldern dar. Während die abiotischen Veränderungen im Wald und speziell im Boden durch flächendeckende Monitoringprogramme, wie die Bodenzustandserhebung (BZE) oder das Intensive Forstliche Umweltmonitoring (ICP-Forests Level II), bereits seit längerer Zeit beobachtet werden, fehlen jedoch vergleichbare Daten zur Einschätzung der Entwicklung von Bodentiergemeinschaften.
Das hier vorgestellte Projekt „Biodiversität von Waldböden: Bodenfauna“ wird seit 2018 im Rahmen des „Sonderprogramms zur Stärkung der biologischen Vielfalt“ durch das Land Baden-Württemberg gefördert, um methodisch-konzeptionelle Vorbereitungen für ein dauerhaft angelegtes, landesweites Bodenfauna-Monitoring zu treffen. Mit dem Waldbodenfaunamonitoring sollen zum einen erstmalig umfassende landesweite Einblicke in das Bodenleben ermöglicht werden. Zum anderen sollen auch Bezüge zu forstlichen Bewirtschaftungsmethoden, zu naturräumlichen Gegebenheiten und zu der im Klimawandel erwarteten Dynamik hergestellt werden. Für dieses Vorhaben wurden bislang insgesamt 129 Untersuchungsflächen eingerichtet, die durch ihre Anbindung an bereits bestehende Monitoringflächennetze die Möglichkeit bieten, erhobene bodenfaunistische Daten mit umfangreichen Umweltdaten zu verknüpfen. Auf diesen Untersuchungsflächen wurden die bodenökologisch relevanten Artengruppen Regenwürmer, Laufkäfer, Springschwänze und Hornmilben an mehrmaligen Probenahmeterminen quantitativ auf Artniveau erfasst, um die geographische Verbreitung sowie den Einfluss natürlicher Umweltgradienten zu analysieren als auch den Einfluss verschiedener Waldbewirtschaftungsmaßnahmen wie der Bodenschutzkalkung oder eines Bewirtschaftungsverzichts auf die Bodenfauna abschätzen zu können. Um den zukünftigen Einsatz neuester, zeit- und kosteneffizienter Monitoringmethoden wie dem Metabarcoding zu ermöglichen, wurden zudem Referenzbarcodes von noch nicht in Datenbanken enthaltenen Arten der Springschwänze und Hornmilben erstellt.
Die bisherigen Untersuchungen sind hervorragend geeignet, Herausforderungen eines dauerhaften Bodenfaunamonitorings zu bewerten und Lösungsansätze zu bieten. Im weiteren Verlauf des Projekts sollen darauf aufbauend methodische und konzeptionelle Aspekte konsolidiert und eine Einbindung weiterer Artengruppen geprüft werden.

Apple replant disease (ARD) is a major economic problem in fruit-growing regions and tree nurseries worldwide. Repeated cultivation of apple trees on the same fields results in growth depression and significant yield reduction. The altered microbial community in the soil is the suspected main cause of growth depression, but it is not fully understood how abiotic soil properties, with their controls on microbial activity and microbial functions, may affect the intensity of replant disease. In order to obtain a comprehensive knowledge of ARD severity distribution within Germany’s main apple growing areas and its influencing soil factors as well as to validate ARD indicators, 150 field sites are currently sampled on farms and in tree nurseries of Germany. The severity of ARD is estimated in a biotest after gamma irradiation by comparing growth parameters in untreated and irradiated soils. Diverse abiotic (e.g. texture, water holding capacity, carbon and nutrient stocks) and biotic (microbial biomass and activity) soil properties are analyzed. Moreover, samples are shared with partners from other disciplines who will quantify key rhizosphere soil taxa, key root endophytes, ARD indicator gene expression, plant defense reaction in roots (phytoalexines) and investigate microscopically root symptoms. Measurements are in progress. The results will include the biotest in relation to soil texture, microbial biomass and activity, and carbon and nitrogen data. The results of the first biotest show significant differences in the growth of apple plants between untreated and gamma irradiated soil. These data are intended to demonstrate that ARD is more prevalent in sandy soils than in loamy soils. In addition, a relation with the amount of SOC contents and the severity of ARD is suspected. An analysis of the data using multivariate statistics will demonstrate the relationship between the severity of ARD and the different soil properties. Based on these results, a decision support tool, like an app, is foreseen to be developed for the companies.

Root architecture adaptation can increase the resilience of agroecosystems to the impacts of climate change, particularly with regards to increasing drought events. To have the perfect root system adapted to all environmental conditions is usually not possible. While a deep root system is better suited to withstand prolonged periods of drought, the development of this root system requires more resources (carbon wise) compared to a shallow root system. A combination of contrasting root architectures (shallow and deep root systems), in contrast, could combine the advantages of both root systems. We will investigate the effect of using root contrasting genotypes (shallow and deep rooted) of spring wheat (Triticum aestivum L.) on the carbon and nitrogen fluxes in soil and the resulting effect on the microbial community. We hypothesized a) that a combination of root-contrasting genotypes would lead to an increased microbial activity throughout the soil profile, due to the more homogeneous release of root exudates in the topsoil and subsoil, which may enhance the microbial carbon stabilization in the soil profile b) that under drought the shallow-rooted genotype in the mixed culture will benefit from the hydraulic lift of the deep-rooted genotype, which might increase the microbial activity in the topsoil, due to the transport of water and nutrients from the moister subsoil to the dryer topsoil layers. To test these hypotheses, a column experiment in a climate chamber under controlled conditions was performed. Therefore, the two genotypes were grown in mono- and mixed cultures under well-watered (pF 2.5-3.0) and dry conditions (pF 3.5-4.0). During plant growth, 13C pulse labeling of the atmosphere and a 15N fertilization within topsoil and subsoil was performed. Once the plants reached the reproductive stage, the above-ground plant biomass was removed, and the soil was extracted from the columns. To gain more detailed insights on the spatial distribution of the microbial activity, the activity of two key enzymes with central roles in the carbon and nitrogen cycle, the β-glucosidase and the N-acetylglucosaminidase, was investigated. In addition to the structure of the main microbial groups, the microbial 13C and 15N incorporation was determined to identify the microbial primary consumers.

All animals, regardless of trophic position, will ultimately have their biomass recycled in an ecosystem upon their death, directly by their decomposition or indirectly by the decomposition of the predator that consumed them. Most studies of faunal necromass refer to the decomposition of vertebrates or aboveground animals, but little is still known about the necromass of soil fauna in this context. Due to the high abundance of especially soil invertebrates, we have to expect a huge input of faunal dead biomass throughout the year. We here discuss potential impacts that dead faunal biomass can have on the soil and the soil community. Especially the provision of short-term, high quality food sources for the microbial community does play a major role, as the presence of available chitin might increase certain bacteria and fungi that are able to break down this component. In addition, the microbial community originating from the cuticle and from the gut system of the dead individual might, at least in the short-term, affect the soil microbial community. Overall, due to its high numbers, dead faunal biomass has to be taken into account in local nutrient turnover scenarios.

Agricultural soils in industrialized countries are exposed to high inputs of agrochemicals. Notwithstanding the undeniable benefits of pesticides for global food security, their widespread application raises serious environmental and health concerns about their adverse effects on non-target organisms. While most standardized ecotoxicity testing for pesticide authorization are conducted on standard test organisms, only a few studies exist that also include soil microorganisms. Due to the shortage in standardized tests for microorganisms, we investigated in the frame of the Horizon 2020 Project SPRINT, whether functional genes could serve as an indication of ecosystem service impairment in the presence of pesticide residues. We hypothesized that the effect of pesticides can be earlier detected and has a higher effect strength on functional genes in comparison to the existing standardized methods. To test this, we conducted a microcosm experiment according to the OECD guidelines. The fungicide Boscalid, Luzerne litter (0.4 g), sand as carrier for the pesticide and a sandy soil (80 g dw, 40% max. WHC) were used in six different treatments (0 control, control, 4 different Boscalid concentrations) in 4 replicates. The samples were pre-incubated at 20 °C for one week in plastic cubs. Three days before the pre-incubation ended, microcosms were filled with 0.8 g sand which was spiked with 200 µl Acetone with solved Boscalid, allowing the Acetone to evaporate in 48 h. For both control treatments 200 µl Acetone without Boscalid was added. The Boscalid concentrations are 4, 8, 20 and 40 mg, which are equal to the 1x, 2x, 5x and 10 times the PECacc. After the 48 h the soil was added to the microcosms and mixed with the sand. Water content was adjusted to the 40% max. WHC again. Then the microcosms where incubated at 20 °C and samples were taken at day 0, 3, 7, 14, 21 ,28 and the last time point is still incubating at this moment. Throughout the incubation respiration (CO2 release) was measured via titration. Planned analyses include quantification of functional genes (e.g. nirK, nirS, AOA, AOB, nifH, phoD), 16S bacteria and archaea, as well as ITS fungi (DNA/ RNA). In addition, microbial biomass via chloroform fumigation extraction, extracellular enzymes and Boscalid residues will be determined. This is followed by the nitrogen transformation test. First results show a higher CO2-production in the Boscalid treatments compared to the control.

Der Abbau komplexer organischer Substanz pflanzlichen und mikrobiellen Ursprungs in assimilierbare organische und anorganische Formen ist ein wichtiger Prozess in Ökosystemen. Dieser Prozess wird zum großen Teil durch extrazelluläre hydrolytische Enzyme bewerkstelligt. Die katalytischen Eigenschaften dieser Exo-Enzyme können empirisch gemessen und durch nicht-lineare Funktionen wie die Michaelis-Menten-Kinetik beschrieben werden. Totholz stellt für die Besiedlung und Aktivität der Mikroorganismen aufgrund der physikalischen Struktur und der geringen Verfügbarkeit an Nährelementen wie N und P eine Herausforderung dar. Obwohl zunehmend Totholzmanagementkonzepte unter den Aspekten der C-Speicherung und Biodiversitätsförderung Eingang in die Waldbewirtschaftung gefunden haben, ist der Kenntnisstand zum Prozess des Abbaus und der treibenden Faktoren verhältnismäßig gering. Daten zu den Exo-Enzymkinetiken sind bisher nicht vorhanden. Im Rahmen des vom Waldklimafonds geförderten Projektes HolzDeko wurden im Jahr 2020 standardisierte Holzprüfkörper der Baumarten Gemeine Kiefer und Rot-Buche in 6 Kiefernbeständen in Brandenburg in die stark versauerten und nährstoffarmen Böden ausgebracht. Ziel dabei war es den Abbau des Totholzes in der zeitlichen und räumlichen Dynamik zu erfassen und die Dynamik von Exo-Enzymen zu quantifizieren und in Beziehung zu Eigenschaften des Totholzes zu setzen. Im Ergebnis der Kinetikmessungen von β-Glukosidase, Zellobiohydrolase, Xylosidase, Mannanase, N-Acetylglukosaminidase, Saurer Phosphomono- sowie diesterase nach 6-, 16- und 28-monatiger Verweilzeit im Boden wurde festgestellt, dass es nicht-lineare Beziehungen zwischen Festigkeits- und Massenverlust des Totholzes und der Aktivitäten der Exo-Enzyme gibt. Die Exo-Enzyme aus dem C-Kreislauf unterscheiden sich in ihrer Dynamik sowohl hinsichtlich der Aktivität als auch der Substrataffinität zwischen den Baumarten. Zudem zeigen die Bereiche mit Abbau eine Akkumulation von Stickstoff welche mit einer hohen Aktivität der Enzyme aus dem N- und P-Kreislauf einhergehen. Die Untersuchungen konnten zeigen, dass für einige Enzymsysteme deutliche Abweichungen von der klassischen Michaelis-Menten-Kinetik zu konstatieren sind. Die Bedeutung dieser Beobachtungen sowie methodische Implikationen für die Erfassung der enzymatischen Abbaudynamiken während der Totholzzersetzung werden herausgearbeitet.

In natural environments, bacteria usually bind to mineral surfaces and occur in form of biofilms, where microorganisms are embedded within a self-produced matrix of extracellular polymeric substances (EPS). These polymers are mainly composed of exopolysaccharides and proteins, and could play a role for the accumulation of microbial residues in soil. The quantity and composition of the EPS depend on many factors, such as bacterial species and environmental conditions. However, it remains unclear how environmental conditions could affect EPS production. The type and quantity of the clay-sized minerals could be of importance, since they characterize the immediate environment of the microorganisms and influence their activity through adsorption. We hypothesize that clay-sized minerals stimulate EPS production, since EPS are necessary for bacterial attachment to surfaces and presumably serve as a microbial adaptation to environmental stress. To address this, we set up a flask experiment to cultivate the EPS-producing bacterium Sphingomonas desiccabilis with different types (montmorillonite, kaolinite, goethite) and amounts (0, 1, 5, 10%) of clay-sized minerals. After incubation, the biomass production (optical density OD 600nm), remaining glucose, and the amount and composition of EPS were determined. Based on that, product yields were calculated such as product (EPS amount) relative to the substrate (glucose) consumed. Subsequent exopolysaccharides analysis via liquid chromatography were used to determine the carbohydrate composition depending on type and amount of clay-sized minerals. The initial results indicate different effects of clay-sized minerals on EPS production.

Boden-Biodiversität ist ein Schwerpunktthema des NMZB. Derzeit erarbeiten im Rahmen eines Fachgremiums 18 Mitglieder mit breiter Expertise der Bodenzoologie und Bodenmikrobiologie aus der Monitoringpraxis, der Wissenschaft sowie Landes- und Bundesbehörden Grundlagen für ein Konzept eines bundesweiten Bodenbiodiversitätsmonitoring und Vorschläge für die Etablierung bundesweiter Basis-Monitoringmodule. Hierfür werden die bereits etablierten und in Planung befindlichen Monitoringaktivitäten von Bund und Ländern einbezogen. Es existieren diverse Programme, die sich mit der Erhebung von Umweltinformationen zum Boden befassen, in Teilen erheben diese auch Daten zur Bodenbiodiversität. Informationen hierzu sind beispielsweise als Programmsteckbriefe auf der Interimswebseite des NMZB verfügbar: www.monitoringzentrum.de. Das Aufzeigen von Synergiepotenzialen vorhandener Monitoringprogramme ist ein weiteres Arbeitsfeld des Fachgremiums. Das Fachgremium wird im Sommer 2023 eine Fachtagung organisieren, um die Vertretungen zahlreicher Monitoring- und Forschungsaktivitäten aus Bund- und Ländern zu gemeinsamen Gesprächen und der Entwicklung von bundesweiten Lösungsansätzen zusammen zu bringen.

Das Nationale Monitoringzentrum zur Biodiversität (NMZB) besteht seit Frühjahr 2021 und ist an das Bundesamt für Naturschutz angegliedert. Das NMZB wurde von der Bundesregierung mit der Weiterentwicklung des bundesweiten Biodiversitätsmonitorings beauftragt. Hierfür erstellt es in ressortübergreifender Abstimmung und enger Kooperation mit den beteiligten Akteuren aus Monitoringpraxis, Wissenschaft, Naturschutzverbänden, Landes- und Bundesbehörden ein Gesamtkonzept. Ziel ist es, zukünftig umfänglichere Aussagen zu Status und Trends der Biodiversität in Deutschland auf Bundesebene treffen zu können und die Datengrundlage für die Erforschung von Ursachen von Biodiversitätsänderungen zu schaffen. Auf Grundlage dessen werden Maßnahmen zum Schutz der Biodiversität entwickelt und deren Erfolg überprüft. Die Ergebnisse des Fachgremiums zum „Monitoring der Bodenbiodiversität und seiner Funktionen“ fließen in das Gesamtkonzept zur Weiterentwicklung des bundesweiten Biodiversitätsmonitorings ein.

Better understanding of plant-soil interactions is mandatory to tackle the problems in crop production that are caused by increased frequency and intensity of drought events. Plants modify soil microbiome composition by drought-triggered alterations in the extent and quality of root exudation, and these altered microbial communities play out in plant drought tolerance. We joined the field experiment of the Priority Program 2089 “Rhizosphere Spatiotemporal Organization” to better understand how the feedback processes between the roots and the soil are affected by drought. Maize root gene expression and rhizosphere microbial community composition were investigated during a dry year and a moist year, at the time of rapid growth of maize plants, the 9-leaf stage. We hypothesize higher transcript levels of genes for plant immunity, root exudation and high affinity nutrient transporters in the dry year as compared to the moist year. We also expect that the microbial community composition is changed by drought, with an enrichment of bacteria that sporulate and host thick cell walls, but that drought also leads to an enrichment of plant beneficial bacteria that can suppress the production of the plant stress hormone ethylene.

Sustaining soil multifunctionality and plant productivity while minimizing negative impacts on the environment is a key goal for sustainable agriculture. However, measuring soil functioning in practice is often limited to due costs, time and practicability. Therefore, the objective of the Bodencockpit project (Agroscope Research Program “Indicate”) is to develop an easy to use methodology and set of indicators for the quantitative and site-specific evaluation of soil quality at the plot level for arable and mixed farms in Switzerland. Based on currently available threshold values or response curves from literature, a preliminary set of representative soil indicators has been selected. This indicator set includes pedo-climatic conditions at the site, measured soil attributes and soil management activities. The manageable soil attributes used as state indicators include bulk density, gravimetric air content at -100 hPa, coreVESS, penetration resistance, water holding capacity, Corg/clay ratio, permanganate oxidizable C, N/P ratio, available nutrients (N, P, K, Mg), pH, base saturation, earthworm number and biomass, soil respiration and microbial biomass. A number of management indicators that are related to farm activities will also be included to link soil properties directly to practice, e.g. the humus balance, compaction risk (terranimo), soil cover index, crop diversity and tillage intensity. This connection can serve as decision support tool for the farmer, pointing towards improvement options or determining specific problems. By using already existing concepts to calculate the soil functional potential (e.g. Greiner et al. 2018, Vogel et al. 2019), we want to quantify the degree of fulfillment of a field’s site-specific potential. To calibrate and validate our approach concerning specific soil management indicators, we collected soil and management data from long-term field experiments. Here we present the general concept of the Bodencockpit-project with first results from the sampling campaign, and discuss the capacity for indicators to help farmers with on the ground management decisions.

Soil quality scoring is a useful tool in land management as it can help determine the most suitable land use and is used to estimate the value of land for agricultural or forestry production. In agriculture, soil scoring can also help to inform management practices such as fertilizer application and irrigation rates, or even determine taxation levels as is the case in Germany. Various indicator-based soil scoring systems exist, and are often claimed to be linked to crop yield potential as an important ecosystem service. In Germany, a system more than 100 years old called the Bodenschätzung is still used today and provides the most detailed soil information system for agricultural land across Germany. Calculating the Bodenzahl (soil score) with this method requires expert knowledge, is only applicable to German soils and does not consider climate variables such as mean annual temperature and precipitation. The Müncheberg Soil Quality Rating (MSQR) is an emerging method developed in Germany in 2007 which attempts to make yield potential scoring simpler, more widely applicable and more accurate. This system claims to be usable without extensive training and was suggested to be globally applicable by some previous studies. It also considers climate variables such as drought risk and soil temperature regime that may allow for more accurate yield predictions than soil-only methods like the Bodenzahl. However, there is little evaluation on the relation between soil quality indicators and yield. Therefore, we tested the implementation of the MSQR system and calculated MSQR scores for 3104 sampling points from the first German Agricultural Soil Inventory following the MSQR guide. In addition, we tested the performance of the Bodenschätzung with the Bodenzahl for the sampling points and related these soil quality indicators with 10 years of point specific yield data from our data set. Preliminary findings suggest that the MSQR may determine yield potential and yield stability better than the Bodenschätzung, likely due to the fact that climate variables are considered. However, MSQR parameters may need to be adjusted locally for the method to accurately predict yields in different regions, which makes a global application of the method more complex. In general, soil indicators seem to predict only part of agricultural yield at national scale with management practices and climate still playing important roles.

Weltweit werden bei archäologischen Grabungen on- und off-site Gruben gefunden. Der primäre Zweck solcher tiefen Befunde und die Deutung des Verfüllungsmaterials sind oft unklar. Wir haben das Potential von Biomarkeranalysen und weiteren bodenchemischen Untersuchungen getestet, um Informationen über die ehemalige Nutzung derartiger Gruben zu erhalten. In den Füllungen fünf verschieden geformter neolithischer Gruben in Sachsen wurden Elementgehalte sowie Fäkal- und Gewebebiomarker (Sterole, Gallensäuren, Alkane) analysiert. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Grubenfüllungen oft heterogen waren. So fanden wir in einzelnen Gruben Lagen, in die Exkremente von Herbivoren oder Omnivoren eingetragen wurden im Wechsel mit Lagen, die unverdautes tierliches oder pflanzliches Gewebe beziehungsweise andere Exkremente enthielten. Die Ergebnisse zeigten, dass Biomarkeranalysen wichtige Hinweise für die Identifikation der eingetragenen Materialien liefern können, jedoch räumlich hoch aufgelöste Untersuchungen der Verfüllungen nötig sind, um Fehlinterpretationen zu minimieren.

Das relativ kurze Tal des Kaitzbaches verläuft zu großen Teilen im Bereich der Elbe-Niederterrasse. Früher mündete das kleine Fließgewässer dort, wo heute die Brühlschen Terrassen in Dresden stehen. Im Zuge eines Bauprojektes im Bereich des Ferdinandplatzes war es möglich, während der vom Landesamt für Archäologie Sachsen durchgeführten Ausgrabungen auch einen Abschnitt des Kaitzbachtales zu untersuchen. Unterhalb der Keller der Gründerzeitbebauung fanden sich stark tonige Sedimente mit einem begrabenen Boden. Anhand von dort genommenem Probenmaterial erfolgten geochemische, mikromorphologische und palynologische Untersuchungen. OSL-Datierungen engen den Ablagerungezeitraum ein. Somit ist es möglich, erstmals für die hier aufgeschlossenen Feinsedimente des Kaitzbaches Aussagen zur holozänen Sedimentation und Bodenbildung sowie zur Vegetationsentwicklung im Kontext der vor- und frühgeschichtlichen Besiedlung der Dresdener Elbtalweitung zu machen.

Im Boden erhalten gebliebene Überreste aus der Vorgeschichte sind häufig durch Bodenbildung stark überprägt worden. Im nordwestsächsischen Braunkohlegebiet erschweren diese Prozesse das Erkennen archäologischer Befundstrukturen auf einer aus pleistozänen Lockersedimenten aufgebauten Hochfläche. Eine Besonderheit dieses Fundplatzes im Abbaufeld Peres stellen großflächige Befundstrukturen dar, die sich über weite Bereiche des ehemaligen Siedlungsareals erstreckten und Fundmaterial in unterschiedlich hohen Konzentrationen enthielten. Dabei handelt es sich um 10 bis 20cm mächtiges, weißlich grau gefärbtes schluffreiches Material. Erst darunter waren deutliche archäologische Befunde in Form von Gruben erkennbar. Im Bereich eines frühneolithischen Siedlungsareals mit ca. 70 Hausgrundrissen wurde eine dieser Strukturen detailliert ausgegraben und das darin enthaltene keramische Fundgut sowie jenes der darunter entdeckten Gruben taphonomisch ausgewertet. Ein innerhalb der Struktur angelegtes Geoprofil ermöglichte die Aufnahme der Sedimente und Böden. Die Ergebnisse belegen, dass vor allem Nassbleichung in der geringmächtigen Lössauflage zur Überprägung dieser Strukturen geführt hat und die darin eingegrabenen, archäologischen Befunde im Laufe von über 7000 Jahren unkenntlich wurden. Die detaillierte Auswertung der keramischen Artefakte deutet darauf hin, dass es sich hierbei vermutlich um die basalen Reste des durch die Nutzung beeinflussten Oberbodenbereichs der frühneolithischen Siedlung handelt.

Implementation of x-ray fluorescence spectrometry (XRF) for the estimation of soil texture, pH and cation exchange capacity (CEC) is desirable given the time-consuming nature of standard laboratory methods. Initial studies show promising results; however, further investigation is required to determine the effects of sample preparation and data evaluation techniques on model accuracy. Our objective was to optimize this approach by comparing i) measurement on soil powder ( < 0.2 mm) versus pressed pellets (17% wax, 200 kN) and ii) prediction with 20 kV spectra, 40 kV spectra (n=4096 each) or concatenated spectra measured with a Bruker S2 Puma benchtop energy dispersive XRF spectrometer, with and without spectral pre-treatment (Savitzky-Golay, smoothing), versus use of total elemental contents (n=16) determined by spectral deconvolution with the Bruker SPECTRA.ELEMENTS software, and iii) use of partial least squares regression (PLSR) versus multiple linear regression with stepwise simplification (sMLR). For this, n=395 soils were sampled from three arable fields with loess soils. A 5-fold random partitioning into training (n=300) and test (n=95) sets was carried out. Clay, silt and sand prediction accuracy can be classified as excellent (ratio of performance to interquartile distance in validation (RPIQv) > 2.7) in all cases, while CEC estimation was satisfactory to very good (RPIQv > 1.9) and pH was satisfactory (1.9 < RPIQv < 2.7). Measurement of pressed pellets rather than powdered samples decreased root mean squared error of prediction in validation (RMSEv) for all properties, but only by 3.1% on average. Prediction with either the 20 kV or 40 kV spectra was optimal compared to use of elemental contents, but the average decrease in error was only 5.2%. Use of concatenated 20 and 40 kV spectra decreased prediction error for clay, silt and pH by 4.6% on average compared to the best single spectra, but was not helpful for sand and CEC. Using spectral pre-treatments decreased error of prediction by 4.9% on average. In terms of the algorithm for predicting soil properties from elemental contents, performance was similar for PLSR and sMLR, and neither was consistently superior. For this population of loess soils, methods that decrease sample preparation and computing time can therefore be implemented with little to no accuracy loss ( < 5%), and this is particularly recommended for estimation of texture, where accuracy was excellent for all tested approaches.

Biogeochemische Bodenuntersuchungen im Siedlungsbereich der Spät-Bronze-/Eisenzeitlichen Höhensiedlung „Alter Gleisberg“ in Thüringen führten zur Identifikation einer Archaeological Dark Earth/Hortisol (KA5). Die über einen Terrassenbereich eines Inselberg-Plateaus dominanten Böden sind gekennzeichnet durch mächtige (bis zu 80 cm), schwarze (Munsell value, chroma < 3), humusreiche (2 – 6%) Ex-Horizonte. Hohe Gehalte an Phosphor und pyrogenem C unterstreichen zusammen mit Keramikfragmenten, Tierknochen, Holzkohleresten und AMS14C-Datierungen den vorgeschichtlichen (intensiv während Späthallstatt- und Frühlatène Zeit) anthropogenen Einfluss auf die Bodengenese.
Die besonders im Unterboden (> 40 cm) beobachteten hohen P-Gehalte weisen auf den Eintrag von organischer Substanz hin (z.B. Pflanzenreste, Fäkalien, häusliche Abfälle). Mittels der Analyse von Biomarkern (Δ5-Sterole, Stanole, Gallensäuren) sollten diese näher charakterisiert werden.
Erste Ergebnisse zeigen sowohl für einen Referenzboden (Rendzina) der Umgebung als auch für den Hortisol den Eintrag von Herbivorenkot im Oberboden, wobei die Einträge im Hortisol über denen der Rendzina liegen. Für den Unterboden (> 40 cm) des Hortisols ist der Eintrag von menschlichen Exkrementen sehr wahrscheinlich. Die Analyse der Gallsäuren weisen für Bodentiefen zwischen 50 – 60 cm zusätzlich auf den Eintrag von Schweinefäkalien hin. Über das Gesamte Hortisol-Profil (Ober- und Unterboden) zeigen die Biomarker einen Eintrag tierischen Gewebes.
Archäozoologische Analysen von Tierknochenresten aus dem Siedlungsbereich „Alter Gleisberg“ (1. Jahrtausend v. Chr. bis zur Zeitenwende) decken sich gut mit denen der Biomarker. In der Tierhaltung lässt sich eine Dominanz des Hausrinds, gefolgt von Schaf/Ziege und Hausschwein erkennen. Eine Analyse der Fleischwertklassen zeigt zudem, dass alle Phasen der Fleischverwertung wie Schlachtung, Zerlegung, Lagerung, Verarbeitung und Verzehr auf dem Alten Gleisberg nachweisbar sind.
Wir vermuten daher, dass vorwiegend Omnivorenfäkalien (Schwein/Mensch) und Schlachtabfälle zur Standortverbesserung des Hortisols beigetragen haben.

The mining region of Upper Silesia has a long tradition with international significance. In 2017, the historic silver mine in Tarnowsky Gory was recognized as a UNESCO World Heritage Site. With the mining of galena (PbS), the region developed into one of the most important industrial centers in Central Europe in the 16th century. In addition to the underground galleries, the historical mining has left thousands of mining shafts as small relief forms, which have not been systematically investigated so far. Partly the mining shafts are associated with Relict Charcoal Hearths (RCH), another small form which is a result of charcoal production. In the Mala Panew River valley, north of Tarnowsky Gory, several tens of thousands of these RCH are found, which could be mapped by LiDAR in recent years. More detailed pedological investigations, which would allow a systematic comparison with other known RCH sites, are missing so far.
Within the framework of a Polish-German cooperation project, we started in 2021 to investigate the mining shafts and the RCH in Tarnowsky Gory and in the Mala Panew River valley from a pedological-sedimentological point of view. At the RCH sites on the Mala Panew River, we focused on the following questions: How was the soil stratigraphy changed by the RCH construction? What are main processes of soil development before and after RCH construction? What was the role of the pits surrounding the RCH? How do the sites differ from the RCHs at Tarnowsky Gory especially with respect to soil properties and soil genesis? In Tarnowsky Gory, where a RCH was excavated directly next to a mining shaft, the following questions were in focus: How did the mining activity change soil distribution and soil properties? What are main processes of soil development on the different parts? What is the origin of the pit infill? What is the origin of the shaft rim deposits?
Our work program included the construction of excavator trenches across the mining remains, construction, description and sampling of soil profiles along the trenches, schematic drawing of the soil stratigraphy, and laboratory analyses for the determination of texture, Munsell color, pH (CaCl2, H20), CaCO3 content, Ctotal & Ntotal and total elements by FPXRF. We present the first results of the ongoing investigations.

Uns interessierte die Frage, ob sich anthropogene Böden in Sibirien im Hinblick auf ihre biogeochemischen Eigenschaften von jenen der Mittelbreiten oder Tropen unterscheiden. Untersucht wurden drei anthropogene Bodenprofile in Süd-Sibirien. Sie haben dunkle bis schwarze, oft geschichtete Horizonte und sind reich an organischem Kohlenstoff (bis 7%), sowie an aromatischem Kohlenstoff, Carboxylgruppen und Black Carbon (bis 40%). Auch die P-Gehalte sind erhöht (Pkw bis zu 9 g kg-1). Die δ13C-Werte weisen auf C3-Pflanzen hin und die hohen δ15N-Werte (bis 12‰) belegen offene Stickstoff-Kreisläufe (cf. Zech et al., 2011). Die Alkandaten von Profil Barun Alan bestätigen die pollenanalytischen Befunde, nämlich die Ausbreitung der Waldvegetation ab dem Allerød. Fäkalbiomarker zeigen deutlichen menschlichen Einfluß, sogar in Horizonten, die von Paläolithikern besiedelt wurden, was auf den konservierenden Effekt des Klimas hinweisen könnte.


References:
Zech, M., Bimüller, C., Hemp, A., Samimi, C., Broesike, C., Hörold, C. and Zech, W., 2011. Human and climate impact on 15N natural abundance of plants and soils in high mountain ecosystems – a short review and two examples from the Eastern Pamirs and Mt. Kilimanjaro. Isotopes in Environmental and Health Studies 47 (3), 286-296.

Die Jungmoränengebiete des bayerischen Alpenvorlandes weisen oberflächennah ein relativ heterogenes Substrat auf, vor allem in Abhängigkeit von der jeweiligen Kalk- oder Kristallinkomponente aus den kleinteiligen Gletscher-Herkunftsgebieten in den Alpen. Das kompliziert die genetische Diskussion sowohl bezüglich der periglazialen Deckschichten als auch der Böden selbst. Die ehemalige Glassand-Grube von Quarzbichl (Gemeinde Eurasburg) stellt mit ihrem homogenen Quarzmaterial in diesem vielfältigen Umfeld eine unikale Sondersituation dar. Sie ist auf die tektonische Überformung der tertiären Molasse (Nonnenwaldserie) zurückzuführen.
Die Standorte auf dieser nur einige Dekameter Seitenlänge aufweisenden Tertiärscholle wurden in mehreren Profilen makroskopisch aufgenommen. Im Labor erfolgten zusätzlich bodenphysikalische (Korngrößen), chemische (RFA, pedogene Oxide, Karbonat, pH, C/N-Verhältnis, Kationenaustauschkapazität) und mineralogische Analysen (Ton- und Schwerminerale). Mit ihrer Hilfe ließ sich einerseits die Profilhomogenität auf das Vorhandensein von Fremdmaterial prüfen. Diese Grundlage präzisiert die Diskussion periglazialer Deckschichten bezüglich autochthoner und allochthoner Komponenten. Andererseits liessen sich die Intensität und Richtung von Verwitterungsprozessen abschätzen. Damit konnten die Bodenprofile in der Entwicklungsreihe Braunerde – Parabraunerde eingeordnet werden. Die Detailuntersuchung erlaubt letztendlich eine bessere bodengeographische Auflösung und ökologische Bewertung der von Faltenmolasse geprägten Abschnitte des oberbayerischen Jungmoränenlandes.

In den letzten Jahren hat das Referat Boden am Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz ca. 75 Bodenprofile im Westerwaldkreis beschrieben und beprobt. Unter diesen Böden sind zahlreiche Lockerbraunerden aus Laacher See-Tephra, die zukünftig nach der 6. Auflage der Bodenkundlichen Kartieranleitung (KA6) in die neue Bodenklasse der Andosole eingruppiert werden.

Andosole zeichnen sich durch mehrere besondere Merkmale aus, z.B. eine besondere Mineralogie (Allophane), eine geringe Trockenrohdichte, ein hohes Phosphat- und Wasserretentionsvermögen sowie ein hoher Gehalt an organischem Kohlenstoff.

In dieser Auswertung werden die organischen Kohlenstoffgehalte der bodenkundlich aufgenommenen und beprobten Andosole im Westerwaldkreis genauer beleuchtet. Ein Vergleich mit Daten nicht-andischer Böden aus dem gleichen Naturraum zeigt die Unterschiede bei den organischen Kohlenstoffgehalten und -vorräten.

Mit der Analyse werden die in der Literatur postulierten höheren organischen Kohlenstoffgehalte der Andosole mittels der im Westerwaldkreis bearbeiteten Bodenprofile quantifiziert und damit empirisch validiert.

Soil science is increasingly in focus of citizen scientists. However, next to the well established tea bag index (a simple method to quantify decomposition of particulate organic matter by the soil biome) there are still only a few methods readily validated. The professional estimation of humus concentrations by use of the Munsell color chart seems suitable for citizen science due to its simple approach, but meets very different levels of expertise within the community. Therefore, it is yet unknown whether the method is valid regardless of the user's education. For testing its robustness in soil citizen science, 15 soils with diverse textures and humus contents were assigned to chroma and value of the Munsell color chart (edition 2008). The experiment was conducted by six different groups (n=50) comprizing primary school children, teenagers, adult laypersons as well as students, practicioners and teachers of soil science and furthermore a software for color detection. Based on the found colors, the humus content was estimated according to KA5 (Bodenkundliche Kartieranleitung, 2005) by use of soil texture (Navier’s and Stokes’ method), converted to SOC=SOM/1,72, and then compared with the SOC concentration measured with elemental analyzer. This work presents the preliminary result of the broad study.

Durch den Klimawandel und anderen Umweltbelastungen ergeben sich neue Herausforderungen an die Forstplanung, die fundierte Entscheidungen hinsichtlich der Baumartenwahl und der Bewirtschaftung treffen muss. Eine unverzichtbare Entscheidungshilfe sind räumlich explizite Informationen zu Standort, Waldbeständen und Klima. Die Charakterisierung der forstlichen Standorte erfolgt in der niedersächsischen Standortkartierung auf Basis der Komponenten Wasserhaushalt, Nährstoffversorgung und Substrat/Lagerung. Während der Landeswald über eine nahezu vollständige Flächenabdeckung verfügt, ist diese für den Privatwald noch äußerst lückenhaft. Um die Schließung der Lücken in der Standortskartierung zu beschleunigen und die Datengrundlagen zu homogenisieren wird vorab eine digitale Vorschätzung der Standortstypen durchgeführt. Der Fokus liegt dabei auf dem großen Anteil nicht kartierter Flächen im pleistozänen Tiefland. Für die Vorschätzung der Standortstypen wurde mithilfe des Random Forest Algorithmus Modelle entwickelt, um die einzelnen Komponenten der Standortskartierung vorherzusagen. Neben der Einschätzung der Standortstypen für nichtkartierte Flächen wurden auch Informationen zur Vorhersagegenauigkeit und möglicher alternativer Standortstypen erzeugt. Für die Modelle wurden aktuelle Geoinformationen zu Bodeneigenschaften, Klima, Grundwasserflurabstand, Topografie etc. verwendet und aufbereitet. Zusätzlich zu einer Validierung mit der derzeitigen Standortskarte wurden die Ergebnisse mit Daten aus dem forstökologischen Datenbanksystem ECO der NW-FVA abgeglichen. Die Vorhersagen liefern eine gute Vorhersage über die wichtigsten Komponenten der Standortsziffer und können damit bei der Planung; Priorisierungen bei der Kartierungsintensität und Durchführung der Standortskartierung im Feld helfen.

Auf der Basis der BÜK 200 werden bundesweite Karten der Corg-Speicherkapazität und ihres aktuellen Erfüllungsgrades für die Acker-Oberböden dargestellt. Für die Ap-Horizonte der BÜK 200-Profile wur-den Ergebniskorridore dieser Parameter berechnet, um der Variationsbreite inhärenter Bodeneigen-schaften gerecht zu werden. Mit den BZE-Landwirtschaft-Daten wurden die Zielparameter ermittelt und die Ergebnisse auf jeweils ähnliche Oberböden der BÜK 200-Ackerprofile übertragen. Der Beitrag wird Minimum-, Median- und Maximum-Karten enthalten.
In den Ergebniskarten sind die Gebiete erkennbar, in denen selbst bei günstigsten Parameterwerten (hoher Feinpartikelanteil innerhalb der gegebenen Bodenart, niedriger Steingehalt) die Corg-Speicherka-pazität sehr gering ist. Der aktuelle Erfüllungsgrad (0 - 1) ist dann jedoch sehr hoch und liegt nahe 1, oft sogar darüber. Dies betrifft insbesondere die in Norddeutschland weit verbreiteten Sand-böden (oft schwarz-humose Sande mit weitem C/N-Verhältnis). Die Schluff- und Tonböden hingegen haben auch bei einem Feinpartikelanteil im unteren Wertebereich ihrer Bodenart noch relativ hohe Corg-Speicherka-pazitäten, und die Werte des aktuellen Erfüllungsgrades sind selbst dann oft < 1. Dies sind die prioritären Regionen, in denen durch entsprechende Bewirtschaftungsmaßnahmen eine bes-sere Nutzung des Corg-Speicherpotenzials angestrebt werden kann. Bei steigendem Feinpartikelanteil nimmt der Anteil der Acker-Oberböden mit einem Erfüllungsgrad < 1 stark zu und beträgt maximal 81,5 % der BÜK 200-Ackerleitprofile.
Das Ergebnis einer Sensitivitätsanalyse veranschaulicht den Grad des Einflusses verschiedener An-triebsparameter auf die Corg-Speicherfähigkeit und deren Erfüllungsgrad. Der Feinpartikelanteil hat einen positiven, aber im Vergleich zu Steingehalt und Trockenrohdichte (TRD) schwächeren Einfluss auf die Corg-Speicherkapazität. Einen starken negativen Einfluss hat der Feinpartikelanteil bei gegebenem Corg-Gehalt auf den Erfüllungsgrad der Corg-Speicherkapazität. In dem Beitrag werden die Ergebnisse sowie die Abhängigkeit der einzelnen Parameter voneinander erörtert.

Die forstliche Standortskartierung stellt eine wichtige Entscheidungshilfe beim Waldbau dar. Sie gibt Hinweise zur Wasser- und Nährstoffversorgung eines Standortes auf Grundlage von Bodenkartierungen, Relief- und Klimainformationen und liefert so die Grundlage für ein standortsgerechtes Waldmanagement. Umweltveränderungen wie anthropogen verursachte Stoffeinträge und Klimawandel stellen immer neue Anforderungen an die Waldbewirtschaftung und somit auch an die Standortskartierung. Dies macht es für viele Fragestellungen notwendig, die Daten der Standortskartierung mit zusätzlichen per Bodeninventuren, Digital Soil Mapping und Modellierungen gewonnen Informationen zu verknüpfen. Dem gehen wir im Rahmen des FNR-geförderten Projektes „Standortgerechtes Waldmanagement im Kleinprivatwald“ für Brandenburg in Kooperation mit Forschungseinrichtungen aus anderen Bundesländern (Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Verein für forstliche Standortserkundung e.V., Nordwestdeutsche forstliche Versuchsanstalt, Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg) nach.
Im Fokus des Projektes steht die Abschätzung der Nährstoffentzüge durch verschiedene Baumarten und der Einfluss des Klimawandels auf die Artenverteilung und den Wasserhaushalt der Bestände. In einem ersten Schritt wurden den Einheiten des Nordostdeutschen Standortserkundungsverfahrens (SEA95) Werte für die Nährstoffmengen im Boden hinterlegt. Dies geschah mittels Regressionsverfahren auf Basis des SCORPAN-Ansatzes und der Daten der Bodenzustandserhebung im Wald. Die Ergebnisse werden durch bodenkundliche Kartierungen validiert. In einem weiteren Schritt wird der Wasserhaushalt verschiedener Standortstypen und Modellbestände mit Hilfe des Modells LWF-Brook90 und des modifizierten TUB-BGR-Modells unter Einbeziehung von Klimaszenarien simuliert. Von den Projektpartnern werden die Nährstoffentzüge für verschiedene Modellbestände und die zukünftige Artverbreitung modelliert.
Ziel ist es, die Projektdaten und abgeleiteten waldbaulichen Empfehlungen der forstlichen Praxis im Rahmen einer zu entwickelnden Standorts-App als QField-Applikation zur Verfügung zu stellen.

Ein teilflächenoptimiertes Nährstoffmanagement im Ackerbau trägt dazu bei, Schädigung von Ökosystemen durch landwirtschaftliche Austräge zu verringern, ohne die Ernährungssicherheit zu gefährden. Dafür stellt die Einteilung von Ackerschlägen in möglichst homogene Managementzonen (MZ) eine praktikable Lösung dar. Diese Zonen werden häufig basierend auf hochaufgelösten Ertrags- oder Biomassekarten und den damit verbundenen Nährstoffentzügen gebildet. Unterschiede in der pflanzliche Biomasse sind unter niederschlagslimitierten Bedingungen überwiegend durch Unterschiede im Wasser- (und Nährstoff-)Speichervermögen der Böden begründet. Deswegen zielt der Ansatz zur Bildung von MZ dieser Studie neben der Ertragskomponente (Nährstoffentzug) zusätzlich auf den Einbezug von räumlich hochaufgelösten Bodentexturinformationen (Speicherpotenzial) ab. Auf einem 62 ha großen Feld in einer heterogenen Moränenlandschaft im Nordosten Deutschlands wurden zur Erfassung kleinräumiger Bodentexturmuster der elektrische Widerstand und die natürliche Gammaaktivität mit einer mobilen Sensorplattform erfasst. Die interpolierten Sensordaten (Block-Kriging) wurden mit Referenzproben verschnitten, um hochauflösende Bodenartengruppenkarten aus Ton-, Schluff- und Sandkarten abzuleiten. Ertragsgruppenkarten wurden aus Ertragsaufzeichnungen einer Fruchtfolgerotation (2018-2022) abgeleitet, in dem in 5%-Schritten 7 Klassen zwischen 10-40 % Abweichung vom Mittelwert der jährlichen Relativerträge gebildet wurden. Als Kriterium für die Bewertung der Variabilität innerhalb der MZ wurden die pH-Werte einer kalibrierten pH-Sensorkarte, die durch Interpolation von Messpunkten einer mobilen pH Messplattform erzeugt wurde, von 2017 herangezogen. Außerdem wurden von 250 über das gesamte Feld in 2020 genommenen Proben die Variabilität von P, K, Mg und Corg ausgewertet. Die pH-Varianz aller MZ lag zu Beginn des Untersuchungszeitraumes unter 0,11 pH-Einheiten und im Mittel bei 0.03. Für 100 g Boden lag die mittlere Varianz für P bei 1,1 mg (SD = 0,7 mg), für K bei 1,7 mg (SD = 1.5 mg) und für Mg bei 1 mg (SD = 1 mg), und für Corg bei 0.03% (SD = 0,3%). In Zonen mit reinem und schwach lehmigen Sanden (Ton: 0-17%, Schluff: 0-50%) und einer positiven Ertragsabweichung vom Mittel war die pH-Varianz mit >0,05 am höchsten. Diese ersten Ergebnisse zeigen das Potential auf, um die Einteilung von MZ zu verbessern und eine nährstoffeffizienzentere Bodennutzung zu entwickeln.

In bodenwissenschaftlichen Forschungsprojekten werden kontinuierlich und weltweit Bodenprofile kartiert. Bislang gab es kaum oder keine Möglichkeit diese wertvollen Datenbestände einheitlich zu veröffentlichen und der gesamten Forschungs-Community zur Verfügung zu stellen. Im BonaRes-Projekt wurde deshalb ein Onlinetool entwickelt, das es Bodenwissenschaftlern ermöglicht, Bestandsdaten von Bodenprofilen, die nach den Kartieranleitung KA3-KA5 erhoben wurden, mit ihrer geografischen Position, zu veröffentlichen. Das Tool ermöglicht es zudem, begleitende Daten zur Bodenprobennahme, Methoden und Ergebnisse von Laboranalysen und ein Übersichtsfoto zu speichern und anderen Nutzern nachnutzbar zu machen.
Datengeber können über ein einfaches Eingabetool und Schlüssellisten der bodenkundlichen Kartieranleitung alle KA-Felder, Projektinformationen am Schreibtisch oder im Feld eingeben und mit Ergebnissen aus Laboranalysen ergänzen. Als interessierter Nachnutzer von Bodenprofildaten können Dritte in einer Suchmaske nach Bodentypen, Landnutzung, Forschungsprojekten usw. oder in einer Karte nach veröffentlichten Profildaten in einer bestimmten Region suchen. Nutzer können sowohl aggregierte Informationen einzelner Bodenprofile, alle Daten eines Bodenprofils oder auch Daten aus selbst erstellten Kollektionen von Bodenprofilen ansehen und herunterladen und die Autoren (Kartierer und/oder Datengeber) über einen DOI zitieren.
In diesem Beitrag stellen wir die aktuelle Entwicklung des Tools vor und diskutieren die Funktionalitäten und mögliche Erweiterungen und Verbesserungen.

The intensive use of maize (Zea mays) as a bioenergy crop in Germany has received severe criticism due to the relative high risk of erosion and the development of a monoculture landscape. The perennial cup plant (Silphium perfoliatum) has shown potential to partly replace maize due to its ability to reduce nitrogen leaching and surface runoff. After harvesting, cup plants continue to grow leaves in the autumn period, which will protect the underlying soil during winter and spring against soil erosion during heavy rain showers. In addition, soil cultivation takes place only in the year of crop establishment, while maize needs to be sown every year. No-till maize in comparison to annual ploughing is also seen to reduce water erosion processes. The aim of this project is to study effects of the perennial cup plant and direct seeded maize on runoff and nutrient loss in comparison to conventionally sown maize. At two locations in Germany (Erkerode, Lower Saxony and Spöck, Baden-Württemberg), nine plots (three per treatment) have been established on a gentle slope in 2021. Both locations differentiate in soil properties, slope angle, and rainfall intensity. At each plot, the eroded soil and runoff are collected downslope after each significant rain event. Subsequently, the collected sediment and water samples are weighed and analysed in the lab in order to determine the nitrogen and phosphorus loss. Parameters affecting erosion processes, like soil moisture, soil cover, soil mineral N content, and nitrogen and phosphorus uptake by plants, are measured as well. The first preliminary results show among others that cup plants tend to have the potential to decrease soil loss and water runoff compared to maize during the summer months. Additionally, a lower loss of nitrogen in the runoff from cup plant plots in comparison with maize plots was recorded in 2022. A comparison of the measurements at both locations shows that the results of the three treatments are dependent on the timing and intensity of the precipitation throughout the summer. Additional measurements during this year (2023) will help to draw conclusions about the potential of cup plant and direct seeding of maize to reduce soil erosion by water and protect water bodies from nitrogen and phosphorus pollution.

Apple farmers face an array of growing challenges, pest and disease management, to soil nutrient and water regulation, to the accumulation of Potentially Toxic Elements (PTEs). Climate change is leading to increasingly unpredictable weather patterns, characterized by extended periods of drought and extreme periods of precipitation. To match demand and produce high-quality fruit, apple farmers rely on cost-effective methods for effectively addressing these issues. Organic orchards in Germany are engaged in the "conventionalization" of organic practices, where the major difference lies in the avoidance of synthetic inputs. Intensive cultivation methods are relied upon in order to maintain output relative to conventional practices. This study examined the PTEs (Zn, Cu, Fe, Al) and micronutrients (Mg, Ca, K) in soil and composite plant samples from 16 apple orchard sites in the Eastern region of Germany comprised of conventional and organic farming systems (CFS and OFS). Bulk soil and composite plant samples (branches, leaves, apples, grasses) were collected from 16 participating orchards, providing 32 sites (2 subplots per orchard). Elemental concentration analyses were conducted using MP-AES and CNS technology. Bulk soil samples were taken at two depths (0-20, 20-40 cm), both along the tree and grass row. Homogenic properties of the soil samples were analyzed, including; pH, electrical conductivity (EC), carbonate content, and meteorological patterns of the sites. Results showed no significant difference (SD)(P < 0.05) in total mean values concentration of PTEs and micronutrients in soil other than Zinc, which had a 38% increase in total mean concentration in OFS when compared with CFS. Bioaccumulation of Zn, Cu, Mg, Ca, and K from soil to apples showed no SD based on t-test for Zn and Cu (Al, Fe not applicable), however in CFS all three micronutrients (Mg, CA, K) had a significant increase in mean values of calculated Bioaccumulation Factor (BAF), indicating higher accessibility of the apples to these nutrients. Translocation Factor (TF) calculated for the elemental concentration between fruit and leaves of the trees revealed higher mean TF in all PTEs and micronutrients in CFS, with the exception of Zinc. Our preliminary results indicate that the use of standardized farming system practices, such as fertilizers and pesticides, has a significant impact on the accumulation of PTEs and micronutrients in the tissues and fruit of apple trees in the region.

Paddock trails offer horses the possibility to follow their natural urge to move and to behave typical in a group association. This type of horse husbandry has however inevitably consequences for the physico-chemical properties and structure of soil, potentially affecting soil quality in a negative way.
The aim of this study is to determine long-term changes in the soil structure and biological activity under covered paddock trails and to compare these findings with the soils of uncovered paddock trails. Specifically, we ask if commonly used soil covers on paddock trails prevent soil from loosing critical functions due to soil compaction, loss of fertility and microbial activity in the long-term. It can be hypothesized that soils are better protected when covered and remain therefore in better condition compared to unprotected paddock trails in the long- term.
To test this hypothesis, horse farm estates with covered and uncovered paddock trails with varying soil properties and age of paddock trail establishment have been selected across Switzerland, Germany and Luxembourg. A range of physico-chemical soil parameters (Bulk density, CN, texture, pH, microbial biomass) were measured in a depth explicit way and compared to nearby on farm control sites without paddock trails. This poster will show the first results of these measurements, clarifying the influence of prevalence of soil covers on paddock trails on soil structure and microbiology.

Termination of grass-clover leys, presenting a central element in organic crop rotation systems (Oberson et al., 2013), may be a critical period with respect to N losses into the environment. Due to the decomposition of large amount of biomass accumulated above- and belowground, there is a distinct potential for nitrogen losses with seepage water or by gaseous emissions. Under the pedoclimatic conditions of the low mountain ranges of Luxembourg and depending on the subsequent crop, it is common practice to plough grass-clover leys either in autumn or in spring. Loosing as little nitrogen as possible is of high interest in organic farming; however, there is a large gap of knowledge about most suitable termination dates.
Within the frame of CloverTerm, N2O emissions and nitrate losses with seepage water are simultaneously investigated in a sophisticated approach. Therefore, different ploughing dates of grass-clover leys are compared to each other in a biennial field experiment at three sites with different soil conditions. Gathered data will serve to evaluate the current situation and to determine reduction potentials. Moreover, these data will be included in a modelling approach to estimate the behaviour of the systems if boundary conditions like ambient temperature or precipitation pattern change as predicted for the future. The modelling will also foster the mechanistic understanding of the processes.
The contribution will introduce the methodological approach and highlight the expected benefits for an even more environmental-friendly organic agriculture.


Oberson, A.; Frossard, E.; Bühlmann, C.; Mayer, J.; Mäder, P.; Lüscher, A. (2013): Nitrogen fixation and transfer in grass-clover leys under organic and conventional cropping systems. Plant Soil 371, 237-255.

Böden sind aufgrund ihrer Lebensraum-, Regulierungs- und Nutzungsfunktion besonders schützenswert. Die SDGs der UN haben u.a. das Ziel, die globale Bodendegradation zu stoppen und wenn möglich umzukehren. Die daran angelehnte Nachhaltigkeitsstrategie Deutschlands sieht vor, diese auf ca. 30 ha pro Tag zu reduzieren und bis zum Jahr 2050 keine Flächen mehr zu versiegeln. Bisher werden täglich ca. 56 ha Boden ganz oder teilweise in ihren Bodenfunktionen geschädigt, jedoch fehlen räumlich explizite, hochauflösende Informationen über die Qualität dieser Böden.
Ziel der vorliegenden Studie ist es daher Funktionen und -potentiale landwirtschaftlich genutzter Böden in Deutschland unter Verwendung der bestmöglich aufgelösten deutschlandweiten Bodenkarte zu bewerten und dabei sowohl bestehende als auch neu verfügbare digitale Datenquellen und Bewertungssysteme anzuwenden. Es werden Informationen zu Bodenqualität und Flächenverlust landwirtschaftlicher Böden generiert und erstmals Bodenverluste quantitativ und qualitativ mittels Fernerkundungsdaten bewertet.
Anhand von Kriterien aus der Bewertung der Leistungsfähigkeit des Landschaftshaushalts: biotisches Ertragspotential, Erosionswiderstand (Wasser, Wind), mechanische und physikochemische Filterfunktion, Abflussregulationsfunktion und dem Müncheberg Soil Quality Rating wird die Bodenqualität von 2006 - 2015 bewertet. Die erforderlichen Bodeninformationen werden aus der eigens weiter aufbereiteten und parametrisierten Bodenkarte BÜK200 bezogen. Für Landnutzungsdaten werden die CORINE CLC 2006 und 2012 und zur Identifizierung des Flächenverlustes die Imperviousness-Layer (IMCC) von 2006 bis 2015 des Copernicus LMS genutzt. Benötigte Klimadaten stammen vom Deutschen Wetterdienst und die Reliefparameter werden aus dem Digitalen Geländemodell (DGM10) abgeleitet.
Die Ergebnisse zeigen, dass in Deutschland zwischen 2006 und 2015 ca. 73.300 ha versiegelt wurden, was ca. 37.000 ha landwirtschaftlicher Böden betrifft. Für Deutschland entspricht das einer Versiegelungsrate von 11 ha d-1, gleichzeitig sind in Niedersachsen 1,9 ha d-1 und Brandenburg 0,8 ha d-1 Böden der Landnutzung entzogen wurden. Die Analysen verdeutlichen, dass in Niedersachsen im Gesamtzeitraum bspw. 75% Böden mit mäßig oder besser bewertetem biotischen Ertragspotential der Landnutzung entzogen wurde, in Brandenburg waren es sogar 88%. Die deutschlandweite Bewertung wird an ausgewählten regionalen Beispielen versiegelter Flächen detailliert dargestellt.

Durch eine Intensivierung der Holzernte kann unter Umständen die Nährstoffnachhaltigkeit gefährdet werden. Vor allem auf stark versauerten, nährstoffarmen Standorten werden dem Standort durch eine intensivierte Holzernte mehr Nährstoffe entzogen als durch Deposition und Verwitterung nachgeliefert werden können. Im Schweizer Mittelland findet in buchendominierten Beständen die intensivste Holznutzung statt. Unsere Arbeit verfolgt das Ziel, die Nährstoffflüsse und -pools von zwei im Schweizer Mittelland verbreiteten Standortstypen bei verschiedenen Holzerntestrategien zu vergleichen. Die Standortstypen sind Moränen des frühen bis mittleren Pleistozäns (stärker versauert) im Vergleich zu Moränen des späten Pleistozäns.
Folgende Hypothesen liegen unserer Arbeit zu Grunde: (a) Die Nährelementgehalte von Baumkompartimenten der Buche sind auf Standorten des späten Pleistozäns grösser als auf jenen des frühen Pleistozäns. (b) Dies wirkt sich in einer grösseren Biomasseproduktion aus. (c) Bei intensivierter Holzernte ist die Nährstoffnachhaltigkeit auf Standorten des frühen Pleistozäns stärker gefährdet als auf jenen des späten Pleistozäns.
Pro Standortstyp wurden je 5 Buchenbestände untersucht, ausgewählte Bäume gefällt und die Nährelementgehalte in Baumkompartimenten analysiert. Die Verwitterungsraten sowie die Sickerwasserverluste von Nährelementen wurden mit dem Modell von Posch (2022) berechnet. Die Bestandessimulationen beruhen auf dem Modell SwissStandSim von Zell et al. (2020). Es wurden die Szenarien «business as usual», «weniger intensive» und «intensivierte Holzernte» gerechnet. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurden die Biomassekompartimente aller Einzelbäume mit Hilfe allometrischer Gleichungen aus dem Schweizerischen Landesforstinventar berechnet (Didion et al., 2019; Herold et al., 2019). Die Depositionsdaten wurden ausgehend von nahen Messstationen der Deposition modelliert. Die Nährstoffbilanz für jede Bewirtschaftungsstrategie wurde berechnet als «Verwitterung» + «Deposition» - «Sickerwasserverlust» - «Entzug durch Holzernte».
Die Verwitterungsraten sind auf Moränen des frühen Pleistozäns tendenziell geringer als auf jüngeren Moränen. Hingegen unterscheiden sich die Nährelementgehalte in Baumkompartimenten zwischen den beiden Standortstypen nicht signifikant. Wie sich unterschiedliche Bewirtschaftungsszenarien auf die Nährstoffnachhaltigkeit auswirken, werden die weiteren Analysen zeigen.

Die Belange des Bodenschutzes werden gegenwärtig gestärkt – die Handlungsanleitung zum baubegleitenden Bodenschutz (DIN 19639), neue Arbeits- und Vollzugshilfen für Planungs- und Genehmigungsverfahren und die Schaffung der Zusatzqualifikation „Bodenkundliche/r Baubegleiter/in“ sind einige Meilensteine dieser Entwicklung. Gleichzeitig ergibt sich aus den Vorhaben der Gesetze zum Ausbau von Energieleitungen (EnLAG) und über den Bundesbedarfsplan im Netzausbau (BBPlG) für Trassenbauvorhaben ein erheblicher Planungsbedarf in Deutschland (12.234 Trassen-km, Bundesnetzagentur 2022). Der vorsorgende Bodenschutz ist bei diesen Vorhaben auf Grund der Eingriffe in den Boden besonders wichtig.
Die Verfügbarkeit bodenschutzrelevanter Daten und Auswertemethoden unterscheidet sich in Bundesländern erheblich. Dies erschwert eine einheitliche Bewertung von Bodenfunktionen und -empfindlichkeiten, eine bodenschonende Lenkung der Planung und die Ausarbeitung ortskonkreter Maßnahmen des Bodenschutzes für Bodenschutzkonzepte. Planungsbüros, die länderübergreifende Projekte für Genehmigungsverfahren bearbeiten, stellen sich der Herausforderung, das Schutzgut Boden mit vertretbarem Zeit- und Arbeitsaufwand zu bewerten.
Die Fugro Germany Land GmbH stellt beispielhaft Lösungen zur Bewertung heterogener Boden-Flächen- und der Verwendung projektbezogener Kartierdaten beim länderübergreifenden SuedOstLink-Projekt vor. Diese werden im Auftrag der 50 Hertz Transmission GmbH für §21 Unterlagen erarbeitet.
Um die Wirkungskraft länderübergreifender Planungen zu verbessern, entwickelt die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz (LABO) derzeit eine bundesweite Bodenfunktionsbewertung (Miller et al. 2020). Bis diese verwendet und auf ihre Praktikabilität getestet werden können, fördert der Erfahrungsaustausch zwischen Planungsbüro, Behörde und Wissenschaft, den Bodenschutz in Planung und Praxis voranzubringen.

Bundesnetzagentur (2022): Monitoring des Stromnetzausbaus Zweites Quartal 2022.
Miller, R., Herweg, U., Helbig, H., Kastler, M., zur Mühlen, S., Sperl, D. (2020): Eckpunkte-Papier zur länderübergreifenden Bodenfunktionsbewertung. In: Bodenschutz – Erhaltung, Nutzung, und Wiederherstellung von Böden (3).

Moore sind sensible Ökosysteme und sind durch ihre Rolle als Kohlenstoffspeicher, Regulator für den Landschaftswasserhaushalt und Hotspot für spezielle Arten besonders schützenswert. Sie werden aber durch äußere Eingriffe sehr stark verändert, insbesondere durch Maßnahmen des Rohr- und Kabeltrassenbaus. Hierbei kommt es zu Veränderungen im Profilaufbau durch den Aushub und das Wiedereinbringen der Substrate. Zusätzliche Veränderungen können durch die Mischungen der Torfe mit liegendem mineralischem Material entstehen. Diese geschütteten Substrate können teilweise deutliche Änderungen sowohl physikalischer als auch hydraulischer Eigenschaften gegenüber den natürlichen Moorsubstraten aufweisen. Die Fragen, denen hier nachgegangen werden soll sind:

1. Wie unterscheiden sie sich hinsichtlich der natürlich gelagerten Moorsubstrate?
2. Welche Eigenschaften weisen die wiedereingebrachten Substrate auf?

Mit dem Bau der EUGAL-Gasleitung von Lubmin bis an die Tschechische Grenze, parallel zur bereits bestehenden OPAL-Leitung, werden einige Moore in Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg gequert. Die Eigenschaften der Moorsubstrate und der wiedereingebrachten Substrate werden am Beispiel des Welsetales im Nordosten Brandenburgs und des Ziesetales in Vorpommern vergleichend gezeigt. Für den Vergleich der Eigenschaften wurden in beiden Untersuchungsgebieten mehrere Transekte angelegt, die sowohl die neue als auch die bestehende Gastrasse queren. Auf jedem Transekt wurden Profile im durch Baumaßnahmen unbeeinflussten und auf den baulich wiedereingebrachten Substrat angelegt.
Diese Profile wurden in verschiedenen Tiefen beprobt und hinsichtlich ihrer chemischen, physikalischen und hydraulischen Eigenschaften untersucht. Der Schwerpunkt dieses Beitrages liegt dabei auf Trockenrohdichten, den Wasserretentionseigenschaften und davon abgeleiteten Eigenschaften, wie z.B. Porenverteilung und pflanzenverfügbares Wasser.
Ausgehend von den zwei Fragen erfolgte die Auswertung der Laborergebnisse in zwei Schritten.
Die ersten Ergebnisse zeigen kaum Unterschiede der Eigenschaften im Oberboden. Im Unterboden sind dagegen geringere Porenvolumina sowie veränderte Porenraumanteile der Mischsubstrate gegenüber den natürlich gelagerten Substraten festzustellen, mit z.B. verringerten Makroporenanteilen. Innerhalb der Mischsubstrate können ein regelhaftes Abnehmen der Porenvolumina und verringerte Feldkapazität mit abnehmender organischer Substanz festgestellt werden.

Um die Verteilung von regenerativ erzeugtem Strom und damit die Versorgungsicherheit in Deutschland zu gewährleisten, wird das Übertragungsnetz entsprechend ausgebaut. Dies soll mit Hilfe der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungskabel (HGÜ) Technologie umgesetzt werden. Die HGÜ-Kabel sollen dabei erdverlegt werden. Im Rahmen des Übertragungsnetzausbauprojektes SuedLink sind dazu erstmalig 525 kV – Kabel geplant.

Um die baubedingten Auswirkungen auf den Boden und die Wechselwirkungen zwischen den Kabeln und dem Boden in-situ zu untersuchen, wurden im Auftrag der TenneT TSO GmbH auf drei Testflächen in Niedersachsen entlang des geplanten SuedLink-Verlaufs aufwendige Versuche als Erdkabelsimulatoren im Boden installiert. Unter der Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und den wissenschaftlichen Partnern Leibniz Universität Hannover (LUH) und Fachhochschule Kiel (FHK) sollen diese bau- und betriebsbedingten Auswirkungen von 2023 bis 2026 untersucht sowie bestehende Praxiserfahrungen validiert werden.

Auf diesen Versuchsflächen wurden Kabelgräben mit Heizrohren zur Untersuchung der betriebsbedingten Verlustleistung und Versuchsgräben ohne Beheizung zur Feststellung der rein baubedingten Auswirkungen hergestellt. Auf diesen Versuchsfeldern untersuchen die wissenschaftlichen Partner die Flächen und die Bodenprofile hinsichtlich der Schwerpunkte Pflanzenbau (FHK), Bodenregeneration (LUH) und Wärmetransport (FAU).

Es wurden umfangreiche Voruntersuchungen zur Ermittlung systemrelevanter bodenphysikalischer Parameter durchgeführt. Um den Fortschritt der Bodenregeneration zu bestimmen und Änderungen in den für den Wärmetransport entscheidenden Parametern festzustellen werden dieselben Untersuchungen über die nächsten 4 Jahre wiederholt. Dabei handelt es sich um Messungen zur Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Wassergehalt, Feldkapazität, elektrische Leitfähigkeit, Eindringwiderstand und Versickerungsfähigkeit. Um die Vorgänge in den Gräben über den Projektverlauf noch besser verfolgen zu können, wurde ein umfangreiches Sensoriknetz eingebaut. Damit können die Parameter Temperatur, Bodenfeuchte, und Matrixpotenzial kontinuierlich aufgezeichnet werden.

Neben der Untersuchung der bau- und betriebsbedingten Auswirkungen sollen auf Basis der im Projekt erzeugter Datensätze maßgeschneiderte und praxistaugliche Konzepte zum Bodenschutz bzw. standardisierten Bodenschutzmaßnahmen entlang von Erdkabeltrassen erarbeitet werden.

Im Zuge der Energiewende in Deutschland ist der Ausbau von Hochspannungsstromleitungen eine wesentliche Komponente. Die als Erdkabel verlegten Leitungen sind mit bau- und betriebsbedingten Auswirkungen verbunden, die potenziell für die landwirtschaftliche Nutzung wichtige Bodenfunktionen beeinträchtigen können. Das Bodengefüge wird durch die starke Homogenisierung des Bodens beim Bodenaushub und der Wiederverfüllung der Kabelgräben stark gestört, wovon insbesondere Leitfunktionen betroffen sind. Der Netzbetreiber TenneT TSO hat zu Forschungszwecken mehrere Testfelder in Niedersachsen gebaut, um die bau- und betriebsbedingten Auswirkungen im Rahmen einer wissenschaftlichen Begleitung untersuchen zu lassen.
Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurden auf einem Testfeld bei Seelze (Region Hannover) Bioporen- und in situ Infiltrationsmessungen im Bereich von Kabelgräben vergleichend zu ungestörten Referenzflächen durchgeführt. Hierzu wurde der Oberboden bis auf eine Tiefe von 40 cm abgetragen, die Bioporen mit einem Bodensaugers freigelegt und anschließend mit Hilfe einer Fotobox unter immer gleichen Bedingungen fotografiert. Im Anschluss an die Bilderfassung wurde in der gleichen Grube eine Infiltrationsmessung mit einem Haubenpermeameter (Hoodinfiltrometer, UGT GmbH, Müncheberg) durchgeführt. Die Bioporen wurden bildanalytisch mit der Bildanalysesoftware Fiji (Schindelin et al. 2012) ausgewertet und mit der Infiltrationsleistung korreliert. Aus den Versuchsgruben wurden nach der Infiltrationsmessung ungestörte Bodenproben (471 cm³) entnommen und im Labor Luftleitfähigkeit und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit gemessen.
Erste Ergebnisse der Infiltrationsraten zeigen, dass die Infiltration der Referenzparzellen deutlich höher ist als in den Grabenparzellen. Nach bodenkundlicher Kartieranleitung (KA5) lassen sich die Infiltrationsraten der Grabenparzellen in die Kategorie kf2 (1-10 cm/d) und die Infiltration der Referenzparzellen in die Kategorie kf3 (10-40 cm/d) und kf4 (40-100 cm/d) einordnen. Aus den gewonnenen Daten kann geschlossen werden, dass durch die Zerstörung von Bioporen im Zuge der Baumaßnahme die Infiltration deutlich beeinträchtigt wird. Wiederholte Messungen dieser Art sollen in den kommenden Jahren Aufschluss darüber geben, wie schnell sich das Bodengefüge durch „Wiedereinwanderung“ von Bioporen und die damit verbundenen Leitfunktionen regenerieren können.

Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien werden leistungsstarke Gleichstromleitungen zum großen Teil durch landwirtschaftliche Flächen verlegt. Die mit dem Erdkabelbau verbundenen Baumaßnahmen (Bodenaushub und Grabenrückverfüllung) verändern die Struktur und damit auch die Belüftung der Böden nachhaltig. In dieser Arbeit wird der Effekt der baubedingten Bodenstörung auf Bioporen im Unterboden eines Lössbodens und die Auswirkungen der Bodengefügestörung auf die relativen Gasdiffusionskoeffizienten (Ds/D0) untersucht. Auf einem durch die TenneT TSO gebauten Forschungstestfeldes (Testfeld Seelze, Region Hannover) werden Unterböden von Kabelgräben und Referenzflächen in der Tiefe von 40-45 cm auf Bioporen in situ und Gasdiffusionskoeffizienten an ungestörten Bodenproben untersucht. Mithilfe einer Fotobox wurden digitale Bilder von der Bodenoberfläche unter standardisierten Lichtbedingungen aufgenommen und Bioporen bildanalytisch in Fiji (Schindelin et al. 2012) auf Anzahl, Durchmesser und Gesamtporosität quantifiziert.
Die relativen Difussionskoeffizienten (Ds/D0) wurden bei einem Matrixpotential von -6 und -15 kPa mit der Currie-Methode (1960) bestimmt. Aus Ds/D0 und dem luftgefüllten Porenvolumen wurden Porenindizes wie Porenkontinuität und Tortuosität zur Beschreibung der Porenstruktur abgeleitet. Die bildanalytische Auswertung zeigte eine deutlich geringere Bioporenporosität in den Kabelgräben im Vergleich zu den Referenzflächen. Bei beiden Matrixpotenzialen wurden im Mittel höhere Gasdiffusionskoeffizienten in der Referenzfläche gemessen. Die Kontinuität und Tortuosität der Poren, sowie die Porengrößenverteilung zeigen Veränderung der Porenstruktur durch die bauliche Maßnahme. Die Reduktion der relativen Gasdiffusionskoeffizienten kann unmittelbar auf die Störung des Bioporennetzwerkes im Boden zurückgeführt werden. Die Kombination von in situ Bioporenaufnahmen und Verknüpfung mit Gasdiffusionsmessungen erlauben eine Aussage über die baubedingten Auswirkungen des Erdkabelbau auf die Ausbildung und Funktion des Bodengefüges. Darüber hinaus werden wiederholte Messungen in den kommenden Jahren Informationen darüber liefern, wie schnell Bioporen, Bodengefüge und damit die Belüftungseigenschaften im Unterboden sich regenerieren.

Im Rahmen der Energiewende wird das 525 kV Höchstpannungs-Gleichstrom-Übertragungs(HGÜ)-Erdkabel SuedLink von Schleswig-Holstein nach Bayern und Baden-Württemberg gelegt. Die Auswirkungen des Baus und der betriebsbedingten Wärmeabgabe im Boden, die Bodenregeneration und den pflanzenbaulichen Aufwuchs werden von einem Forschungskonsortium zwischen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der Leibnitz Universität Hannover und der Fachhochschule Kiel untersucht.
An drei Standorten in Niedersachsen mit unterschiedlichen standörtlichen Bedingungen werden bodenkundliche und pflanzenbauliche Untersuchungen im Zeitraum 2022 – 2025 durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist es die Auswirkungen des Baus und des Betriebes von Erdkabeln auf die Standorteigenschaften und das Pflanzenwachstum zu erforschen. Hierbei wird die Fachhochschule Kiel während der Vegationsperiode in drei Feldversuchen (ein Versuch pro Standort) parallel zum Pflanzenwachstum Biomasseproben entnehmen, den Blattflächenindex bestimmen und multispektrale Drohnenbefliegungen durchführen. Mithilfe dieser Parameter können sowohl Variabilitäten während des Pflanzenwachstums abgebildet als auch Ursachen für potentielle Unterschiede in den gemessenen Ertragskomponenten identifiziert werden. Die zusätzlich durchgeführten Bonituren und mineralische Stickstoff(Nmin-)beprobungen, sowie die Witterungsdaten und die Ergebnisse der Projektpartner zur Bodenregeneration und Geothermie vervollständigen die multidisziplinäre Betrachtungsweise.
Die Ergebnisse sollen genutzt werden, um bei der Umsetzung der bodenkundlichen Baubegleitung nach DIN 19639 auf Linienbaustellen von Erdkabeln wissenschaftlich basierte Handlungsempfehlungen abzuleiten. Des Weiteren kann der Einfluss der erhöhten Temperatur als Teil der betriebsbedingten Auswirkung des Erdkabels wichtige Informationen hinsichtlich der Auswirkungen klimawandelbedingter Temperaturerhöhung auf die Bodenentwicklung und das Pflanzenwachstum hervorbringen.

Die Verlegung von Rohrleitungen, vor allem von Fernwasser- und Ferngasleitungen, auf landwirtschaftlichen Flächen ist seit vielen Jahrzehnten gängige Praxis. Die dabei entstandenen Bodenveränderungen wirken sich zum Teil noch Jahrzehnte nach dem Leitungsbau, beispielsweise in Form sichtbarer Wachstumsbeeinträchtigungen der Feldfrüchte aus.
In einer Geländestudie wurden die Auswirkungen der Verlegung einer Fernwasserleitung auf den Boden in der fruchtbaren Bördelandschaft bei Salzgitter untersucht. Die Leitung wurde im Jahr 2015 in offener Grabenbauweise verlegt. Entlang der Fernwasserleitung wurden auf repräsentativen, landwirtschaftlich genutzten Untersuchungsflächen Bodenprofile auf der Leitungstrasse, der ehemaligen Baustraße und im von der Baumaßnahme unbeeinflussten Referenzbereich angelegt. Neben einer bodenkundlichen Geländeansprache, wurden wesentliche bodenphysikalische und bodenchemische Parameter erhoben und im Rahmen einer Bodenfunktionsbewertung unter besonderer Berücksichtigung der natürlichen Bodenfruchtbarkeit zusammengeführt.
Erste Geländebefunde und Laboruntersuchungen zeigen, dass im Wesentlichen Veränderungen im Unterboden zu einer Funktionsbeeinträchtigung führen können. Die Auswirkungen betreffen vor allem den Bodenwasserhaushalt. Im Bereich des Leitungsgrabens führte der Eingriff, infolge von Subtratvermischungen, zur Veränderung der Bodenart und des Skelettanteils. Im Bereich der ehemaligen Baustraße konnten Bodenverdichtungsmerkmale identifiziert werden. Die Untersuchungen konnten zeigen, dass es aufgrund der veränderten Bodeneigenschaften zu Wachstumsbeeinträchtigungen bei Pflanzen kommen kann.

For the risk assessment of plant protection products (PPP) potential effects on soil microorganisms are addressed by investigating if N-transformation (OECD 216), an important soil function, may be affected. However, by focussing on only one central function of the microbial community, other effects might be neglected.
To determine potential other effects of PPP on functional microbial activity, one objective of the project MIROSOIL is to investigate the sensitivity of three alternative test methods, i.e. substrate induced respiration (MicroRespTM), measurement of enzymatic activities (ISO 20130) and effects on ammonium oxidizing bacteria (ISO 15685, AOB). To gather information about the sensitivity of these methods, six model substances were investigated (fungicides: tebuconazole, pyraclostrobin, propamocarb; herbicide: ethufomesate; antibiotic: tiamulin hydrogen fumarate; biocide: DDAC). For sensitivity assessment, results are compared to OECD 216 data.
Up to now, tests were performed in the sandy soils LUFA 2.1 and RefeSol 04A. Three to four nominal test concentrations, e.g. 1x, 5x and 10x of the intended application rate, were tested. Measurements for each test method were performed after 14 and 28 days. If effects above 25% occurred after 28 days, the test duration was extended up to 84 days.
MicroResp™ indicated in general a low sensitivity, substance-independently. The group of AOB was strongest inhibited by the test substances. Especially for DDAC (LUFA 2.1 test results), concentration related effects > 25% were determined after 28 days of exposure. For ethofumesate in Refosol 04A, the extracellular enzymatic activities, e.g. phosphatase, altered over the exposure period between stimulation and inhibition. In general, effects > 25% occurred on specific time points, followed by recovery of the respective enzyme activity on the following measurements.
Upcoming experiments with RefeSol 02A will help to identify potential influence of soil properties to the ecotoxicological results. To encounter the impact on the group of fungi, arbuscular mycorrhiza (ISO 10832, Funneliformis mosseae) will be investigated under substance exposure. These assessment results of the different soil organisms referring to functional diversity will be complemented by ARISA (Automated Approach for Ribosomal Intergenic Spacer Analysis) structural analysis and presented at the conference.

The study was funded by the German Environment Agency FKZ 3720 64 4110.

Die Einäscherung von Verstorbenen ist in vielen Ländern der Welt, so auch in Deutschland, die häufigste Bestattungsart geworden. Die Asche des menschlichen Körpers wird nach der Kremation in eine Urne überführt und zumeist im Boden beigesetzt. Die möglichen Umweltauswirkungen von Feuerbestattungen auf Böden und Grundwasser sind jedoch noch wenig untersucht, so dass noch unklar ist ob die Freisetzung von Schwermetallen wie Chrom, Zink, Kupfer, Nickel und Blei aus Urnen ein Umweltproblem in Friedhofsböden darstellt.
Vor diesem Hintergrund wurde der (Schwer-)Metallgehalt in Urnengräbern auf 6 Friedhöfen in Nord- und Westdeutschland analysiert. Die Bodenproben wurden unterhalb der Bestattungstiefe von insgesamt 42 Urnen (nach Ablauf der Ruhezeit) und von Referenzböden ohne Urnenbestattungen (gleicher Friedhofsstandort und Tiefe) entnommen.
Die Ergebnisse zeigen eine hohe Variabilität der (Schwermetall-)Gehalte in den Bodenproben unter den beigesetzten Urnen. Wie erwartet, nahm die Anreicherung einiger Elemente (z. B. Blei und Zinn) im Boden mit höherem Zersetzungsgrad der Urnen zu, aber auch unter nur leicht korrodierten, noch nicht durchlöcherten Urnen, die häufig aus kupferhaltigen Legierungen bestanden, wurde eine Anreicherung mit Kupfer, Chrom, Nickel und Eisen festgestellt. Dies zeigt, dass die Schwermetallfreisetzungen in den Friedhofsböden sowohl von den Ascheresten als auch vom Urnenmaterial herrühren. Die potenziell schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt beschränken sich jedoch auf die ersten 10 cm unterhalb der Bestattungstiefe einzelner Urnen (13 von 42 Urnen), in denen mindestens eines der Elemente Blei, Zink, Kupfer und Nickel den kritischen Vorsorgewert überschritten hat.

Bedingt durch langjährige Verrieselung von schwermetallhaltigen Abwässern weisen die ehemaligen Rieselfelder in Wansdorf bei Berlin heute hohe Schwermetallgehalte in den Böden und eine geringe Diversität des Pflanzenbestandes auf. Ziel unseres Projektes ist es, im Rahmen eines Feldversuches herauszufinden, mit welchen Zuschlagsstoffen eine langfristige Schwermetallimmobilisierung und Etablierung diverser Pflanzenbestände auf den Rieselfeldern zu erreichen ist.
In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Pflanzenernährung und Düngung an der Humboldt Universität Berlin und der Berliner Stadtgüter GmbH, die die Flächen für einen Zeitraum von bis zu 15 Jahren für Untersuchungen zur Verfügung stellen, wurde dazu im September 2020 ein Feldversuch in einem randomisierten Blockdesign mit fünffacher Wiederholung angelegt. Nach vollständiger Beseitigung des Pflanzenbestandes wurden die Zuschlagsstoffe Eisen(hydr)oxid, Gesteinsmehl, Leonardit und Kalk homogen bis in 25 cm Tiefe eingearbeitet. Vor (t0) und unmittelbar nach Einbringung der Zuschlagsstoffe (t1) wurden von allen Parzellen Mischproben entnommen, luftgetrocknet und auf 2 mm gesiebt. Zur Identifikation der Immobilisierungsmechanismen und um damit Rückschlüsse auf die langfristige Wirksamkeit der Zuschlagstoffe abzuleiten wurden die Proben sequentiell extrahiert (Zeien und Brümmer 1989).
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die prozentualen Anteile an leicht löslichem Cadmium, Nickel und Zink durch alle Zusatzstoffe reduziert wurden. Besonders wirksam zeigten sich Leonardit und Eisen(hydr)oxid, da damit diese Schwermetalle in immobilere Bindungsformen, vor allem in die organisch und amorphe Eisenoxide gebundenen Fraktionen verlagert wurden. Die Zugabe von Kalk führt hauptsächlich zu einer Verlagerung in die leicht nachlieferbare Fraktion. Die leicht löslichen Anteile von Kupfer wurden nur durch die Zugabe von Leonardit reduziert und gingen mit einem deutlichen Anstieg in der organisch gebundenen Fraktion einher. Mit Eisen(hydr)oxid und Kalk stieg die leicht lösliche Fraktion dagegen an. Im Gegensatz zu Kalk führte aber Eisen(hydr)oxid zu einer Reduzierung der leicht nachlieferbaren Fraktion und eine Zunahme der organisch gebundenen Fraktion. Für eine langfristige Immobilisierung von Kupfer scheint daher Kalk weniger geeignet als die anderen Zuschlagstoffe.

Ein funktionsfähiger Boden leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit, dient zum Schutz vor Hochwasser, indem Wasser in der Fläche zurückgehalten wird, versorgt Pflanzen auch während längerer Trockenperioden mit Wasser und sichert die Ertragsfähigkeit eines Standortes. Dem Boden kommt angesichts des Klimawandels eine wichtige Rolle hinsichtlich der Resilienz und Anpassungsfähigkeit des Agrarökosystems zu. Aufgrund seiner Speicherkapazität und Pufferfähigkeit können sich im Boden aber auch Schadstoffe, eingetragen durch Immissionen aus der Luft, Dünger oder Pflanzenschutzmittel, anreichern. Je nach Pufferfähigkeit des Bodens können Schadstoffe über Ernteprodukte in die Nahrung oder ins Sickerwasser gelangen. Bodenverdichtung und Bodenerosion sind weitere Gefahren, die mit einer intensivierten Nutzung einhergehen. Im Jahr 1985 wurde daher die Bodenschutzkonzeption der Bundesregierung verabschiedet (Deutscher Bundestag, 1985). Noch im gleichen Jahr wurde in Bayern mit der Einrichtung der ersten Bodendauerbeobachtungsflächen (BDF) auf landwirtschaftlichen Flächen begonnen mit dem Ziel den Zustand der Böden langfristig zu dokumentieren und Veränderungen ihrer Funktionsfähigkeit aufgrund von stofflichen Einträgen oder Nutzung der Böden zu erkennen. In den Folgejahren entstanden in Bayern 140 BDF auf landwirtschaftlich genutzten Standorten, (zusätzlich 77 BDF Wald, 61 BDF Sonderstandorten). In regelmäßigen, mehrjährigen Abständen werden seitdem durch die LfL auf den landwirtschaftlich genutzten Flächen Bodenproben (Humus, Schadstoffe und Bodenphysik untersucht) entnommen, die Bodenfauna (Regenwürmer) erfasst, Vegetationsaufnahmen durchgeführt und die Bewirtschaftung der Flächen dokumentiert. Zusätzlich werden die in den BDF-Betrieben anfallenden Wirtschaftsdünger beprobt und auf Nährstoffe sowie anorganische Schadstoffe untersucht. Langjährige Messreihen sind nötig, um Veränderungen einzelner Parameter zu erkennen und unter Berücksichtigung von Standortfaktoren wie Bodenart, Topografie und Klima, Zusammenhänge zu bestimmten Bewirtschaftungssystemen abzuleiten. Es sind nicht nur die Auswirkungen wie längere Trockenperioden, steigende Temperaturen oder häufigere Starkregenereignisse, sondern auch gesellschaftliche Erwartungen, die neue Herausforderungen für die Landwirtschaft der Zukunft darstellen.

Ackerböden sind in besonderem Maße als Standorte für die landwirtschaftliche Nutzung vom Klimawandel betroffen. Je nach Region sind negative Effekte wie z.B. sinkende Ertragssicherheit durch Trockenheitsperioden zu erwarten. Veränderte klimatische Bedingungen können auch eine Anpassung von Bewertungsmethoden für Böden erforderlich machen.
Mit dem Müncheberger „Soil Quality Rating“ (SQR) liegt ein Verfahren zur Abschätzung des ackerbaulichen Ertragspotentials vor. Die Methode wurde für die Anwendung auf Bodenkarten von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) angepasst. Als Eingangsdaten werden Bodendaten (BGR), mittlere jährliche Niederschlagsdaten (DWD), Relief- (BKG) und Landnutzungsdaten (CLC 2006) verwendet. Eine Bewertung findet anhand von Bodenbasisindikatoren wie Durchwurzelungstiefe und ertragslimitierenden Gefährdungsindikatoren wie der effektiven Wasserbilanz in den Sommermonaten Mai - August statt.
Wir legen eine aktualisierte Berechnung der SQR-Auswertungskarten mit korrigierten Niederschlagsdaten des DWD (Tageswerte der korrigierten Niederschlagshöhe für Deutschland für den Zeitraum vom 1961 bis 2020 in 1km2-Auflösung) vor. Erste Berechnungen zeigen eine erhebliche Veränderung in der räumlichen Verteilung und Höhe der Niederschläge und des Ertragspotentials. Während in der Klimaperiode 1961-1990 die Jahresniederschläge deutschlandweit höher als 500 mm a-1 waren, sanken sie zwischen 1991-2020 besonders in Ostdeutschland regional auf unter 450 mm a-1 ab. Kombiniert mit den dort regional vorkommenden sandigen Böden, ist hier ein signifikanter Rückgang des ackerbaulichen Ertragspotentials anhand des SQR Verfahrens zu erwarten. Weiterer Forschungsbedarf liegt in der Weiterentwicklung der Berechnungsalgorithmen, die bisher auf der Basis der Standardperiode (1961-1990) entwickelt wurden und zukünftig für aktuelle Änderungen und Prognosen angepasst werden sollen, um so Grundlagen für Maßnahmen gegen den Klimawandel bilden.

During the last decades soil research has more and more focussed on soil health. Beside soil health comprising factors beyond the relevance to soil quality and fertility, focusing on crop production or ecosystem performance, the main target remains on factors to maintain soil function for soils as vital living ecosystem to sustain plants, animals, and humans. There is increasing awareness of the importance of silicon (Si) in plant physiology, ecology, soil, and environmental sciences, but an interlink of Si with soil health is missing so far. Here we argue based on well accepted results or first hints from recent publications how strong Si is involved or potentially involved in soil health traits.
Most soil minerals, aggregates and even soil structure rely on Si. Nevertheless, soil science has neglected the importance of Si for soil processes and health for long time, potentially because of its omnipresence, the slow dissolution rate of Si from those minerals or the low reactivity of Si bound in minerals. Another fact leading to the perspective of Si being unreactive may be the consideration of the less reactive monosilicic acid for sorption competition experiments instead of more reactive polysilicic acid, both being abundant in soil solution. Another soil Si species which is by far too little recognized in soil science and health is amorphous silica (ASi) with ASi being a dominant source of silicic acid. This solid Si phase comprises of different forms: biogenic amorphous Si and minerogenic forms. The low interest in ASi for soil science may be because most agricultural soils exhibiting ASi contents near zero. However, natural soils are in the range between 1 and 6% ASi with volcanic ash soils exceeding those ASi contents by far.
One effect of Si in soils is the sequestration of large amounts of CO2 during mineral weathering. Silicic acid has been demonstrate to increase phosphorus availability in soils and with this increase biomassproduction and crop yield in agriculture. ASi was recently shown to strongly increase soil water storage and water availability toward plants. First hints are showing that ASi also increases the stability of soil aggregates. Si seems to decrease soil pathogens and fungal abundance, increases bacteria abundance and immobilize toxins like heavy metals.
Overall Si seems to be an overlooked but important parameter for soil health trait.

The temperature sensitivity (Q10) of heterotrophic soil respiration is dependent on soil moisture and crucial for coupling the global carbon and water cycles. It is highly variable and exhibits considerable spatial heterogeneity. However, a fixed value has been used in climate models so far. To contribute to a better representation of the continental C and water cycles in climate models, it is thus essential to understand the spatial heterogeneity of temperature and moisture sensitivity of soil respiration as well as the impact of soil properties. We assume that on a continental scale Q10 will increase with decreasing mean annual temperature and that site-dependent factors, such as soil groups and texture, influence the temperature and moisture sensitivity of soil respiration. To test this hypothesis, we sampled a transect across Europe from Sweden to southern Spain, with precipitation and carbon contents decreasing from north to south. We sampled forest soils from 0-30 cm depth in a texture range from loamy to sandy soil. Soil samples will be incubated under increasing temperatures (5-25°C) and three different moisture levels to determine the temperature and moisture sensitivity of soil respiration. These data will help to further improve modelling of changes in soil respiration and their contribution to climate change.

Der Klimawandel hat und wird zukünftig in Niedersachsen zu einem Anstieg der Temperatur und Veränderungen der Niederschlagsverteilung im Jahresverlauf führen (Klimawirkungsstudie Niedersachsen, 2019). Durch die erhöhte Verdunstung und die Verschiebung der Niederschläge in die Wintermonate verändert sich insbesondere der Wasserhaushalt der Böden in der Vegetationsperiode. Dies hat nicht nur in der fernen Zukunft Konsequenzen, sondern muss bereits heute in der land- und forstwirtschaftlichen Praxis berücksichtigt werden. Der Boden wird seine Funktionen nach BBodSchG bzw. seine Ökosystemleistungen anders erfüllen als bisher.
Mit Hilfe von vielfältigen Methoden des Niedersächsischen Bodeninformationssystems (NIBIS) können die Auswirkungen des Klimawandels auf den Boden und seine Funktionalität nachgewiesen werden. Dazu werden sowohl Klimabeobachtungsdaten der letzten 60 Jahre als auch Klimaprojektionsdaten für das 21. Jahrhundert verwendet, um auf Basis der Bodenkarte für Niedersachsen 1:50.000 (BK50) die Veränderungen beim Wasserrückhalt, bei der Wasserbereitstellung für Pflanzen, der Bodenfeuchte, der Beregnungsbedürftigkeit und der Stoffauswaschung aufzuzeigen. Die Erkenntnisse können direkt bei der Beratung zur Klimafolgenanpassung verwendet werden.

Die Biodiversität nimmt ab, deswegen kam es bereits zur Etablierung einer europäischen Biodiversitätsstrategie für 2030 zum Schutz der Natur und der Umkehrung der Schädigung der Ökosysteme. Parallel ändert sich das Klima mit veränderten Niederschlagsmustern, die zur tiefgründigen Austrocknung von Böden führen und so ebenso Biodiversität und auch Ökosystemleistungen negativ beeinflussen können. Das BioWaWi-Projekt (Biodiversität und Wasserwirtschaft) hat sich zur Aufgabe gesetzt zusammen mit einem Unternehmen der Wasserwirtschaft Maßnahmen zum Schutz von Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen in Wasserschutzgebieten zu identifizieren. Ein wesentlicher Aspekt spielt dabei das Monitoring und Management des Bodenwasserhaushalts.

Hierzu wurde ein an die Boden- und Bodentypen angepasstes Wetterstationsmessnetz inklusive automatisierter Bodenprofilfeuchtemessungen entwickelt und am Beispiel der Wasserschutzgebiete der Stadt Bühl in Südwestdeutschland etabliert. Zudem wurden Datenlogger in Grundwassermessstellen eingehängt, um regionale Unterschiede im Grundwasser zu erfassen. Weiterhin fanden Infiltrationsmessungen über das gesamte Untersuchungsgebiet statt und die Bodentypen wurden detailliert kartiert.

Eine wichtige Frage ist, zu welchem Zeitpunkt eine langanhaltende Trockenphase in tiefere Schichten eindringt, wie stark dieses vom Bodentyp abhängig ist und ab wann eine Gefahr für das Trinkwasser und die Biodiversität besteht. Auch die Wasserentnahme durch die Landwirtschaft sowie der Bevölkerung (vor allem private Brunnen) ist hier ein wichtiger Faktor. Weitere Fragen des Projektes sind: Ab wann muss die Entnahme von Grundwasser in den Wasserschutzgebieten und in den angrenzenden Bereichen reduziert werden, um ein zu starkes Absinken des Grundwasserspiegels zu vermeiden? Ab wann sollten daher zum Beispiel private Pools als Bewässerung von Trinkwasserschutzgebieten eingesetzt werden? Welche Flächen im Wasserschutzgebiet sollten primär geschützt werden? Können mit den Wasserwerken Maßnahmen entwickelt werden in Trockenperioden durch gezielte Bewässerungen negative Einflüsse auf Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen der Böden zu minimieren?

Hierzu werden die erhobenen Daten im Hinblick auf die Gefahr durch Dürre- und Hitzeperioden sowie Starkniederschlägen ausgewertet, um Konzepte für Umweltmanagementsysteme von Wasserwirtschaftsunternehmen zu entwickeln, die ein funktionierendes Ökosystem gewährleisten.

Der Kohleausstieg setzt einen Transformationsprozess in den sächsischen Braunkohlerevieren in Gang, der große Herausforderungen für den Wasserhaushalt, die Gewässerbewirtschaftung sowie für den Boden- und Naturschutz mit sich bringt. Verstärkt werden diese durch den Klimawandel und seine Folgen.
Um den Strukturwandel nachhaltig zu gestalten, werden fachübergreifend regionale Netzwerke mit Behörden, braunkohlefördernden Unternehmen, Fachverbänden und weiteren regionalen Akteuren aufgebaut, um Wissen zu bündeln, Daten- und Erfahrungen auszutauschen, gemeinsame Lösungsansätze zu erarbeiten und diese in Modellvorhaben umzusetzen.

Wasser gilt dabei als der limitierende Standortfaktor für den Strukturwandel in den Braunkohleregionen. Dem enormen Wasserbedarf für die Sanierung des gestörten Wasserhaushalts der Bergbauregionen sowie für bestehende und zukünftige Nutzungen steht derzeit, bedingt durch die Trockenperioden der letzten Jahre, ein kumulatives Wasserdefizit von durchschnittlich 945 l/m² gegenüber.

Den Böden der beiden Braunkohlereviere kommt somit eine enorme Bedeutung als Wasserspeicher zu! Sie müssen in die Lage versetzt werden, ihre Bodenfunktionen auch unter extremen Bedingungen (Trockenperioden, Starkniederschläge) erfüllen zu können. Hierfür ist ein integratives, nachhaltiges Wasser- und Bodenmanagement unabdingbar.

Die Böden der sächsischen Braunkohlereviere sind stark anthropogen überprägt. Natürliche Böden wurden großflächig zerstört oder sind stofflich belastet. Ihre natürlichen Bodenfunktionen gingen verloren oder sind stark beeinträchtigt. Die rekultivierten „Kippböden“ sind äußert empfindlich und müssen besonders verantwortungsvoll genutzt werden. Der Erhalt und die Wiederherstellung der natürlichen Bodenfunktionen, insbesondere des Infiltrations- und Wasserspeichervermögens sowie der Kohlenstoffspeicherung, sind von zentraler Bedeutung für einen nachhaltigen und klimaresilienten Strukturwandel in den Braunkohleregionen.
Anhand vorhandener und noch zu erhebender Bodendaten sollen in enger Abstimmung mit regionalen Partnern Konfliktbereiche identifiziert, neue Modelle und Bewertungsinstrumente entwickelt und bodenschutzfachliche Konzepte zur Unterstützung von Planungsvorhaben erarbeitet werden. Hierzu gehören z.B. angepasste Nutzungskonzepte für den Erhalt und die Wiederherstellung von Mooren, Nassstandorten und Auenböden, zur Etablierung extensiver Nutzungsformen in der Landwirtschaft sowie zur Lenkung der Brachflächennutzung.


Quelle: Müller, Uwe; Spänhoff, Bernd; Kranich, Johannes; Jahns, Christin; Schuch, Stephan; Weißbach, Jörg (2023): RegioNet WasserBoden ein Projekt zur Unterstützung des Strukturwandels. In: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik (Hg.): Wasserbau und Wasserwirtschaft im 'Stresstest'. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 69. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik. S. 85-89. https://hdl.handle.net/20.500.11970/110928

Das BODIUM-Modell ist ein systemisches Bodenmodell, mit dem sich die Auswirkungen veränderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden auf Bodenfunktionen wie Ertrag, Wasserspeicherung und -filterung, Nährstoffrecycling, Kohlenstoffspeicherung und Lebensraum für die biologische Vielfalt berechnen lassen. Dabei wird der Einfluss von Fruchtfolge, Bodenbearbeitung, Düngung sowie die Wirkung eines sich ändernden Klimas standortspezifisch berücksichtigt.

Eine Version dieses Modells, das BODIUM4Farmers, soll dem/der Landwirt*in vor Ort als Entscheidungshilfe für die langfristige Planung der Bodenbewirtschaftung unter Berücksichtigung der tatsächlichen ökonomischen und ökologischen Anforderungen dienen. Das Modell berücksichtigt die standort- und betriebsspezifischen Bedingungen. Es benötigt eine Reihe von Eingangsvariablen: eine Beschreibung des Bodens, Wetter- und Bewirtschaftungsdaten.
In Zusammenarbeit mit Landwirt*innen und landwirtschaftlichen Berater*innen arbeiten wir derzeit an einer optimierten Schnittstelle, die es den Landwirt*innen ermöglicht, das System so effizient wie möglich zu nutzen und die die relevanten Ergebnisse auf leicht verständliche Weise visualisiert. Die Integration von BODIUM4Farmers in den landwirtschaftlichen Betrieb erfordert einen umfassenden Dialog mit den Nutzer*innen. Der erste Workshop mit Anwender*innen aus der landwirtschaftlichen Praxis hat hierfür wichtige Impulse gegeben.
Mit diesem Beitrag möchten wir BODIUM4Farmers vorstellen, erste Ergebnisse präsentieren und zu Diskussionen und Feedback mit potentiellen Anwender*innen anregen.

The breakdown of coniferous stands in response to climate change may result in adverse effects like those known from the forest decline of the late 20th century due to strong acidification. With pH values ranging from 2.6 at the topsoil to around 4.3 at the subsoil horizons of the Cambisols in Fichtelgebirge Germany, the effect of the acidification processes is reflected by elevated concentrations of Fe and Al in soil solution and B-horizons. To study Al and Fe biogeochemistry, sites were selected with long-term cultivation with conifers that differed in lithologies. For mineral and OM analysis, soil material was sampled from the soil horizons and the regolith. Seepage water is collected from topsoil and subsoil employing tension-controlled lysimeters at the topsoil/subsoil interface and the subsoil/regolith interface. Soil materials were analyzed for pH(H2O, CaCl2), electric conductivity, soil organic and inorganic carbon, total nitrogen, cation exchange capacity, bulk density, water content, and texture. Elemental contents were measured by ICP-OES after total digestion. The analytical strategy also included several selective dissolution techniques, to understand the distribution of Fe, Al, and Si in organic and inorganic phases in relation to their natural setting. Bulk soil and clay fractions were analyzed using X-ray diffractometry (XRD) and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. The primary results show that the acidification level in Fichtelgebirge is similar to those measured in 1995, and forest soils are showing an increase in the level of Aluminum with depth. More data will be available before the annual meeting in September.

Fortschreitende Verwitterung führt in humosen Oberböden zur Mobilisierung anorganischer Spezies zusätzlich zu der von gelöster organischer Substanz (DOM). Wir untersuchten in Beregnungsexperimenten die Freisetzung von Al, Fe, Si und DOM aus Oberböden zunehmenden Podsolierungsgrads aus äolischem Sand (Podsol-Braunerde bis Normpodsol) sowie von Locker-/Humusbraunerden aus Schutt/Fließerden magmatischer/metamorpher Gesteine. Die Eluate aus Beregnungsexperimenten wurden als solche analysiert, nach Filtration (0,45 µm) sowie nach Dialyse (1 kDa), um zwischen partikulären (> 0,45 µm), kolloidalen/als gelöst definierten (1kDa-0,45 µm) und „echt gelösten“ (< 1 kDa) Spezies zu unterscheiden. Zudem führten wir Speziationsrechnungen unter Verwendung der Aktivitäten freier Al3+-Ionen und H4SiO4 sowie Essigsäure als Modell der DOM in dialysierten Lösungen durch. Bei allen untersuchten Horizonten waren Al, Fe und DOM größtenteils in der Fraktion 1 kDa-0,45 µm zu finden. Enge Korrelationen zwischen Metall- und DOC-Konzentrationen in dieser Fraktion deuteten auf Assoziationen der Metalle mit organischer Substanz hin, z.B. in kolloidaler Form oder als Assoziationen der Metalle mit komplexerer DOM als einfache niedermolekulare organische Säuren. Silizium hingegen dominierte in der Fraktion < 1 kDa bei den Podsolen und den Braunerden aus magmatischen/metamorphen Gesteinen, was auf die Freisetzung als monomere Kieselsäure hinweist. Die Speziationsrechnungen zeigten eine geringe Untersättigung bzw. ein Gleichgewicht mit Imogoliten an. Die Existenz/Verlagerung solcher schwach kristallinen Aluminosilikate in den untersuchten Bodentypen wird seit langem diskutiert. Die Speziationsrechnungen wiesen also darauf hin, dass die Al- und Kieselsäureaktivitäten von der Auflösung schwach kristalliner Aluminosilikate gesteuert wurden, auch wenn sich die Böden stark in den Gehalten Oxalat-extrahierbaren Siliziums als Indikator dieser Aluminosilikate unterschieden (< 23 mg/kg bei Böden aus Sand; 36-1010 mg/kg bei Böden aus magmatischen/metamorphen Gesteinen). Die größendifferenzierte Analyse von Freisetzungsdaten ist ein einfach anzuwendender Ansatz, um Informationen zur Speziierung in der Lösungsphase und, in Kombination mit Speziationsrechnungen, zu potenziell aktivitätsbestimmenden Mineralphasen zu erlangen.

Remediation of acid sulfate soils via re-establishment of reducing conditions requires submergence and sufficient amounts of biodegradable organic carbon (OC) to support reducing bacteria. Addition of fresh plant litter has been shown to activate reducing bacteria, likely due to the release of readily available soluble organic matter. Here, we tested the potential of wheat straw-derived dissolved OC (DOC) to remediate sulfuric (pH < 4) soils.
In a first set of anoxic incubation experiments, we used a mineralogically simple sandy sulfuric subsoil with low OC concentration (~3 mg/g). Addition of DOC induced reductive conditions and rapid increases in pH by 2-3 units within 3 weeks of incubation. We found increased concentrations of Fe and S in the soil solutions, indicating the redox- and pH-induced dissolution of Fe oxyhydroxy sulfate phases such as jarosite. This was confirmed by Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction, revealing jarosite losses. In turn, short range-ordered Fe(III) oxyhydroxides were formed, most likely by Fe(II)-catalysed transformation of jarosite. In addition, Mössbauer spectroscopy suggested the possible presence of organically complexed Fe(II) and Fe(III). No Fe(II) sulfides were detected, suggesting that growth of sulfate-reducing bacteria is limited as long as redox conditions are governed by the Fe(II)–Fe(III) redox couple. Since Fe oxyhydroxides, unlike Fe sulfides, are not prone to support renewed acidification in the case of future aeration, this result has important implications for the remediation of sulfuric soils.
In another set of incubation experiments, we studied mineralogically more complex clayey sulfuric soils with native OC concentrations of ~15 mg/g and found that much higher DOC additions were needed to sustain reducing conditions and pH values of > 5.0. Sorption experiments showed that most of the added OC was immediately bound to soil minerals, making it less available for microorganisms. Compared to the sandy sulfuric soil, pH values remained lower, despite similarly low redox potentials were achieved. We assume that the high amount of organic acids identified in the native OC partly compensates for the proton consumption associated with reduction reactions. Similar to the sandy sulfuric soil, increased Fe concentrations in the soil solution point at pH- and redox-induced dissolution of jarosite. Under the resulting pH and redox conditions, formation of Fe sulfides is unlikely as well.

In soils, phosphorus (P) is important for metabolic pathways and carbon (C) turnover. The availability of P in soils has a significant impact on terrestrial ecosystems' primary productivity. However, P limitation occurs in many soils as it is tightly adsorbed to mineral surfaces, and thus inaccessible to plants. Silicon (Si) can mobilize P from strong binding sites as shown for arctic and paddy soils. Furthermore, Si competes also with dissolved organic carbon (DOC) for binding. But the interdependent mechanisms are still poorly understood. This study aims to elucidate the mechanism of the interdependency of P, DOC, and Si on the binding to goethite and hematite. The experiment was conducted at pH 5 and 7, because changes in pH values cause a change in the surface charge of Fe minerals, altering the surface properties. Here, we used goethite and hematite synthesized in our labs. The minerals were preloaded with 2 mM of PO43-. For subsequent mobilization, two different forms of Si were used: 100 mg hydrophilic fumed silica and 50 mg monomeric silicic acid. The samples were left to incubate for 30 days. Sampling was conducted at five different dates (after 0.2, 1, 3, and 30 days). Scanning transmission X-ray microscopy (STXM), an approach that employs spatially resolved near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy was used to analyze directly and indirectly the binding mechanisms of Si, P, and DOC to the Fe-oxides and their interdependency. The result of the adsorption experiment revealed that about 0.23 mg L-1 and 0.25 mg L-1 phosphate were adsorbed after 24 hours at pH 5 and 7 on goethite, respectively. After 30 days of incubation, the amorphous Si released 12 mg L-1 and 99 mg L-1 Si (Si < 200 nm) into the solution at pH 5 and 7, respectively. This resulted in the mobilization of about 0.02 mg L-1 and 0.06 mg L-1 P which is more than the amount released in the control (< 0.001 mg L-1 P) at both pH values from the goethite surface. Compared to the reference (where no Si was added to P suspension), a release of 0.03 mg P was observed at pH 7. At pH 5 however, a higher P release (0.1 mg L-1 P) was observed. In conclusion, it should be noted that silicon has a significant role in controlling P mobility in Fe minerals, which is important for the management of P availability in soils.

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Die Lausitz zählt schon heute zu einer der niederschlagärmsten Regionen in Deutschland. Durch den Klimawandel wird sich diese Situation noch weiter verstärken und die Wahrscheinlichkeit von extremen Trockenperioden während der Hauptvegetationsphase wird weiter zunehmen. Eine der zentralen zukünftigen Herausforderungen wird es somit sein, die geringe Wasserhaltekapazität der vor allem sandigen Böden in dieser Region zu steigern.

Im Rahmen des laufenden Verbundvorhabens StabilOrg wurden Bodenhilfsstoffe auf Basis von regional verfügbaren Ausgangsstoffen (Eisenhydroxidschlämme, Tone und organisches Material) entwickelt. Eisenhydroxidschlämme (EHS) fallen in der Lausitz in großen Mengen bei der Aufbereitung von Grubenwässern und überregional bei der Trinkwasseraufbereitung an. EHS aus Absetzanlagen und der Fließgewässersedimenten weisen hierbei vor allem einen erhöhten Gehalt an organischem Material auf (z.B. Wurzeln, Detritus etc.). Aus bodenkundlicher Sicht bieten sie damit als Bodenadditiv zwei entscheidende Vorteile: (I) es werden Eisen(hydro)oxide eingebracht, die natürlicherweise bereits in Böden vorkommen und die zur langfristigen Stabilisierung von Kohlenstoff und Nährstoffen beitragen und (II) es wird gleichzeitig organisches Material eingebracht, das sich positiv auf die Nährstoffverfügbarkeit und die Wasserhaltekapazität auswirkt. Durch Mischungen mit weiteren Komponenten, wie z.B. Ton oder Kompost, können die positiven Auswirkungen ggf. noch weiter gesteigert werden.

Erste Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich vor allem durch die Bodenhilfsstoffe mit einem erhöhten Anteil an EHS, die Wasserhaltekapazität von sandigen Böden steigern lässt. Zudem weisen die Bodenhilfsstoffe einen erhöhten Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt, sowie niedrige Konzentrationen an Schwermetallen (insbesondere Arsen und Nickel) auf. Um die Stabilität der entwickelten Bodenhilfsstoffe im Boden abschätzen zu können, soll in ersten Säulenexperimenten die Nähr- und Schadstoffauswaschung untersucht werden. Zudem sind Experimente geplant, die den Einfluss der EHS auf das Abbauverhalten des beigemischten Kompostes untersuchen sollen.

Bei gärtnerischen Substraten haben sich verschiedene Lagerstättentone als Zuschlagstoff zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften und insgesamt der Kultursicherheit bewährt. Die vermehrte Nutzung biogener Beiprodukte wie Gärreste zur Verminderung des Torfanteils bei der Herstellung von Kultursubstraten bedingt eine alkalische und damit wenig pflanzenverträgliche Reaktion. Dies ergibt neue pH-regulierende Ansprüche an die Tonbeimengung und die Fragestellung, ob die nötige pH-Einstellung durch den Einsatz versauernd wirkender Tone erbracht werden kann. Zur Kennzeichnung der Versauerungsmechanismen und deren Intensität wurden Langzeit-Oxidationsexperimente an 3 verschiedenen Lagerstättentonen sowie vergleichend 4 verbreitet vorkommenden Erzmineralen mit hohem Gehalt an in reduzierter Form vorkommenden Elementen durchgeführt. Suspensionen im Verhältnis von 1:10 bzw. 1:200 wurden mit und ohne Zusatz eines Oxidationsmittel (0,1-1,0% H2O2) hergestellt und Temperaturen von 20 und 60°C exponiert. In definierten Zeitintervallen von bis zu 1500 h wurde die Reaktionskinetik über die Bestimmung des pH-Wertes, der elektrischen Leitfähigkeit, der Ionenzusammensetzung der Lösung sowie des Fe(II) und Fetot-Gehaltes der Festphase verfolgt. Sowohl der Zusatz des Oxidationsmittels als auch die Temperaturerhöhung verstärkten die Reaktion maßgeblich. Bei den Tonen konnte eine Absenkung des pH-Wertes um bis zu 2 Stufen auf pH 3 beobachtet werden. Die Leitfähigkeit versechsfachte sich zum Teil im selben Zeitraum auf Maximalwerte von 1200 µS cm-1, im Wesentlichen zurückzuführen auf den Anstieg von Sulfat in der Lösung. Untersuchungen an den Mineralen reproduzierten dieses Verhalten, wobei zum Teil noch höhere Leitfähigkeiten bis zu 2500 µS cm-1 auftraten. Parallel zur Zunahme des Sulfatgehaltes in der Lösung nahm im Versuchsverlauf das Fe(II)-Gehalt in den Tonen von ca. 90% auf bis zu 20% ab. Insgesamt zeigen die einzelnen Messergebnisse zu großen Teilen eine enge Korrelationen und für einzelne Tone kann definitiv eine deutlich versauernde Wirkung festgestellt werden. In der Praxis könnten diese Tone zur pH-Einstellung in optimaler Weise den biogenen Restoffen vor der Kompostierung in heißer Rotte bei 60°C zugesetzt werden. Hierzu laufen derzeit Kompostierungsversuche mit Tonzusatz zur pH-Regulierung.

In soil, both denitrification and its product ratio are strongly affected by easily available water-soluble compounds derived from fresh plant residues. Sorption to minerals is known to potentially limit the microbial use of organic matter, however, its effect on the bioavailability of the water-soluble organic matter (WSOM) typically fuelling denitrification has not been addressed so far. We hypothesized that sorption processes reduce WSOM and therefore the potential denitrification but will favour complete denitrification to compensate for the limited carbon availability.
We studied the effect of sorptive minerals (goethite and illite) on WSOM content and decomposition on total potential denitrification and its product ratio in microcosm incubation experiments under anoxic conditions. Soil suspensions spiked with nitrate, two different WSOM solutions derived from either stems or leaves of Lolium perenne, and each two additions of the minerals were incubated for 24 hours. The WSOM solutions were analysed for C, N, and aromaticity as indicators of bioavailability, and gas chromatography was used to determine CO2 and N2O emissions over the experimental period. The acetylene inhibition technique was applied to a second set of incubations to distinguish incomplete and complete denitrification.
The observed reduction in water-soluble organic carbon (WSOC) in presence of the two minerals; the effect increased with the amount of added minerals, and was stronger for goethite than for illite. The aromaticity remaining in solution decreased, which hints at preferential sorption of aromatic compounds. Surprisingly, the reduction in WEOC did not result in decreases in CO2 emissions. This suggests that those compounds fuelling short-term microbial respiration are not much prone to sorption. Accordingly, the potential denitrification (N2O+N2) was not reduced by the minerals either. However, we observed varying effects on the denitrification product ratio. For one WSOM, the presence of the minerals tended to shift the product ratio towards N2, i.e., it favoured complete denitrification. In turn, for the other WSOM, the presence of minerals promoted shifted the denitrification to larger shares of N2O. Our results indicate that sorption to minerals has little effect on the denitrification potential of WSOM, but may induce variations in denitrification products. The latter effect, however, remains unexplained.

Open-pit lignite mining destroys developed soils and generates acid mine drainage. Acid mine drainage results in the precipitation of tremendous amounts of iron (Fe) oxide sludge in watercourses and after mine closure lost soil functions need be restored. The restoration of soil functions focuses on the build-up of soil organic matter (SOM), usually supported by the cultivation of legumes as initial organic matter (OM) source. In the lignite mining area of Lusatia (eastern Germany), the starting point of soil re-development is a sandy substrate. Sand, however, is lacking sorptive minerals so that OM is mineralized quickly and is thus lost to the atmosphere as CO2. In developed soils and in laboratory experiments, Fe oxides have been found to strongly interact with OM. The interaction of OM with Fe oxides impedes its mineralization and therefore promotes SOM formation. Hence, the idea arose to use Fe oxide sludge excavated from mining-affected watercourses as amendment for sandy dump soils requiring SOM build-up.
In order to test the OM stabilizing effect, sandy dump soil and Fe oxide sludge from Lusatia were incubated with alfalfa biomass for 7 weeks. Sandy dump soil and alfalfa without Fe oxide sludge addition were incubated as control. The release of CO2 was monitored throughout the incubation and results are currently processed. The soils were dried at the end of the experiment and the contained SOM will be fractionated by density to determine differences in the amount of mineral-associated OM between treatments. Results will show if the addition of Fe oxide sludge has the potential to accelerate SOM build-up during the initial phase of sandy dump soil restoration.

Stabilisierung und Verbleib der organischen Bodensubstanz (OBS) prägt maßgeblich Bodeneigenschaften und –prozesse, vor allem durch Wechselwirkungen mit mineralischen Oberflächen. Die Mechanismen dieser Interaktionen und die Stabilität der OBS-Mineral-Komplexe ist daher von besonderer Bedeutung.
Aus diesen Gründen wurde die schnelle Kinetik der Interaktion von Birnessiten unterschiedlicher Kristallinität sowie Zwei-Linien-Ferrihydrit und Goethit mit wichtigen Vertretern der OBS (Phenolsäuren und Peptide) untersucht. Hierfür wurde die Leitfähigkeitsänderung über die Zeit (t ≤ 10 s) nach Reaktion beider Substanzen in einer Stopped-Flow-Apparatur aufgezeichnet. Die resultierenden Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten ergeben über den Zusammenhang der Arrheniusgleichung Aktivierungsenergien, welche Aufschluss über die stattfindenden Prozesse ermöglichen.
Zunächst wurde die Interaktion zwischen den Einzelkomponenten (Mineralsuspension + Lösung einer OBS) analysiert, um den Einfluss der funktionellen Gruppen der OBS und der Kristallinität der Minerale festzustellen. Es hat sich gezeigt, dass innerhalb der Messzeit zwei unterschiedliche Prozesse stattfinden: ein schneller Prozess (chemische Reaktion) und ein langsamerer physikalischer Prozess. Des Weiteren wurde deutlich, dass die spezifische Oberfläche der Minerale und die unterschiedlichen funktionellen Gruppen der organischen Komponenten eine untergeordnete Rolle spielen.
Durch Batchversuche (tmax = 48 h) wurden gebildete Transformationsprodukte der eingesetzten Phenolsäuren an den Mineraloberflächen ermittelt. Erneut wurde die schnelle Kinetik der Wechselwirkung zwischen den organischen Transformationsprodukten und Birnessit bzw. Zwei-Linien-Ferrihydrit betrachtet. Bisherige Resultate zeigen, dass in diesem Fall nur noch ein Prozess stattfindet: eine schnelle chemische Reaktion und kein weiterer physikalisch getriebener Prozess.
Darüber hinaus wurden voradsorbierte Komplexe von Birnessit bzw. Zwei-Linien-Ferrihydrit mit einer Phenolsäure hergestellt und die Wechselwirkung mit einem Peptid analysiert. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Interaktion zwischen den organischen Molekülen eine wichtigere Rolle spielt als die Desorption / Adsorption an der direkten Mineraloberfläche. Dies ist ein möglicher Hinweis darauf, dass sich an der Mineraloberfläche Multilayer der organischen Substanz bilden.

Formation of mineral-associated organic matter (MAOM) supports accumulation and stabilization of carbon in soil, and thus, is a key factor in the global carbon cycle. Yet, the processes relevant for the formation of MAOM are not completely understood. One open question is still what determines the composition of the organic matter (OM) that becomes associated with minerals. Is land use, i.e., vegetation, and hence plant-derived OM, or microbial input, or rather the nature of minerals and their affinity for specific OM compounds crucial? We addressed this research question by exposing mineral containers with pristine minerals (goethite, as a representative of oxide-type mineral phases, and illite, representing layered aluminosilicates) for five years to ambient soil conditions at 5 cm in 150 grassland and 150 forest plots in three regions across Germany. At 27 grassland and 27 forest plots, mineral containers were additionally placed at 30 cm depth. After recovery, the content of organic carbon (OC) and nitrogen (ON) was determined. For a subset of plots, the carbon accumulated at the surface of the minerals was analysed for its various oxidation states using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Irrespective of land use type, highly oxidized carboxylic carbon accumulates disproportionally strong on mineral surfaces, especially on the surfaces of goethite. In subsoils, the proportion of carboxylic mineral-bound carbon was less than in topsoils, suggesting that carboxylic functional groups are more important for the retention than the mobility of OM in soil. The role of carboxylic functional groups also underlines the importance of microbial oxidation of OM in the formation of MAOM. Land use resulted only in variations in the C:N ratios of the MAOM, possibly linked to the C:N ratio of the plant-derived OM inputs, but had no effect on the share of oxidized carbon. Our results suggest, that the minerals, especially oxides, act as strong filters by retaining mainly highly oxidized OM. The mineral filtering might be an immediate result of strong microbial processing of plant-derived OM inputs.

Elutionsversuche sind ein grundlegendes Instrument zur Beurteilung der Grundwassergefährdung durch kontaminierte Böden über den Wirkungspfad Boden-Grundwasser. Sie können zur Bestimmung des kurz- und langfristigen Elutionsverhaltens sowie für die Ermittlung des Quellterms von kontaminierten Böden im Rahmen einer Sickerwasserprognose eingesetzt werden.
Mit den beiden genormten Verfahren – dem Säulenperkolationsverfahren DIN 19528 und dem Schüttelverfahren DIN 19529 – wurden in den letzten Jahren viele Erfahrungen auch hinsichtlich ihrer Vergleichbarkeit gesammelt. Auch gibt es auf europäischer Ebene Entwicklungen zur Untersuchung von Ersatzbaustoffen mit einer neuen Säulenversuchsnorm. Beide Verfahren befinden sich daher derzeit in Überarbeitung und werden voraussichtlich 2023 veröffentlicht. Validierungsdaten für häufig vorkommende organische Schadstoffe stehen dann für beide Verfahren zur Verfügung. Eine Validierung für die Untersuchung von PFAS steht jedoch noch aus.
Grundlage für die Risikobewertung ist ein Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 L/kg (BBodSchV, EBV). Die Gleichwertigkeit der Testergebnisse beider Verfahren für dasselbe zu untersuchende Material wurde für eine Vielzahl von Schadstoffen in Böden untersucht und kann als zufriedenstellend betrachtet werden. Für PFAS gibt es in dieser Hinsicht nur wenige Untersuchungen und auch erst aus den letzten Jahren. Auf Grund der Vielzahl von PFAS-kontaminierten Standorten, ist eine Bewertung der Gleichwertigkeit der Verfahren aber von großer Bedeutung.
In dieser Studie wurde vier Böden mit zwei verschiedenen Kontaminationsquellen (komposthaltiger Papierschlamm und Feuerlöschschaum) untersucht und in Beziehung zum Feststoffgehalt sowie zu den Eigenschaften der Einzelverbindungen gesetzt. Die Vorbehandlung des Eluats vor der Analyse für Schütteltests (Flüssig/Fest-Trennung) wurde als Einflussfaktor mitberücksichtigt.

Urease inhibitors (UI) are organic trace substances, which are applied along with urea fertilizers to reduce NH3 emissions from agricultural fields. Due to the recent amendment to the German fertilizer act (DüngeG) which now dictates the use of UI, increasing amounts of these substances will be applied to arable soils. So far, little is known about the fate of UI in soils and there is only few data on the leaching of UI from soil to groundwater, especially with respect to field data. Therefore, the aim of this study was to investigate how long two UI, i.e. N-(2-Nitrophenyl) phosphoric acid triamide (2-NPT) and N-(n-Butyl)thio-phosphoric triamide (NBPT) remain in the topsoil in two agricultural soils. Beforehand, a method to extract the substances from the study soils had to be developed.

On two agriculturally used fields with sandy soils, which differ in their topsoil total carbon concentration (Berge 0.96 %, Ribbeck 1.39 %) and pH (Berge 5.9, Ribbeck 7.6), 2-NPT (as urea prills) and NBPT (as a mixture with urea solution) were applied along with urea. Soil samples were taken from the topsoil (0-5 cm depth) of 4 different plots each prior to the application of the substances and 1, 3, 6, 8, 10, 12, 14 and 21 days after the application.

For substance extraction from the soils, different solvents were tested on previously spiked, field-moist soil from the study sites: i) H2O and ii) 50 vol% acetonitrile/50 vol% H2O for 2-NPT and NBPT, iii) 0.1 M KCl solution for NBPT only. 50 vol% acetonitrile/50 vol% H2O (for 2-NPT) and 0.1 M KCl solution (for NBPT) showed the highest recoveries (91 ± 12 % and 76 ± 10 %, respectively) and were selected as extracting solvents. Hence, 20 ml solvent were added to 10 g field-moist soil (sieved to 2 mm) and shaken on a horizontal shaker. Samples were centrifuged and filtered prior to HPLC-MS analysis.

The concentration on day 1 after application of 2-NPT in the Berge topsoil amounted to 353 ± 151 µg/kg and in the Ribbeck topsoil to 302 ± 148 µg/kg. NBPT was not found in any of the two soils. Whilst 2-NPT was no longer detectable in the Ribbeck topsoil after 10 days, 2-NPT decreased much slower in the Berge topsoil, reaching concentrations of 15.4 ± 15.7 µg/kg after 21 days. Results will be discussed in the context of the site-specific soil parameters.

Quaternary ammonium compounds (QACs) comprise a heterogenous group of cationic and surface-active disinfectants. Their wide-spread occurrence in the environment is concerning as QACs cause ecotoxicological effects and show potential to induce resistance adaptions in microorganisms, including co- or cross-resistance against therapeutic antibiotics. A recent screening study of Hessian soils found very high QAC concentrations in alluvial soils (∑ QACs up to 5.5 mg/kg), which raises questions about the potential entry routes. As QACs enter the environment mainly via sewage treatment plants or industrial discharge and have a strong tendency to adsorb to negatively charged surfaces, they may be present at high concentrations in suspended particulate matter (SPM) of rivers. The aims of this study were therefore the following: Firstly, to investigate spatiotemporal trends in QAC concentrations in SPM of German rivers potentially affected by wastewater content, seasonal variation and the unprecedented high-emission scenario during the SARS-CoV-2-pandemic. Secondly, to determine if deposition of QACs via SPM may be a contamination source of alluvial soils.

To this end, SPM samples from the rivers Mulde, Saar and Rhine collected by the German Environmental Specimen Bank were analyzed for QAC residues. The sampling set included pooled annual samples from 2006, 2013, 2016–2021 and monthly samples from 2019–2021. Combing an established shaking-ultrasonic extraction method with a targeted multi-residue HPLC-MS/MS analysis, 22 different QACs could be quantified including alkyltrimethyl, benzylalkyl and dialkyldimethyl ammonium compounds of different chain lengths.

QACs were found in all annual samples with total concentrations ranging from 0.5–17 mg/kg. Surprisingly, the pandemic only had a small effect on the concentrations. More evident were spatial differences between the rivers: The highest concentrations were observed in SPM from the Saar (~11–17 mg/kg) and the lowest in SPM from the Mulde (~0.5–0.7 mg/kg). This may be attributable to differences in the proportion of wastewater – both of municipal and industrial origin – in the different rivers and potentially to the number of stormwater overflow events in the river basins. The current findings highlight SPM as important vectors of QAC transport and deposition into alluvial soils.

Agricultural management faces new challenges due to climate change and simultaneous population increase. The optimum crop emergence is therefore a high priority objective. By developing new innovative multifunctional seed coating systems, the Fraunhofer PREPARE project SeedPlus contributes to reaching this aim. The project corresponds to integrative plant protection management standards by ensuring an inherent and sustainable water- and plant protection management for efficient emergence even under suboptimal environmental conditions. Lately, especially (bio-)polymers are increasingly used to improve seed germination. However, (bio-)polymers are not yet considered in regulatory requirements of soil protection (e.g. Federal Soil Protection Act).
In order to address this at an early stage, an evaluation methodology of (bio-)polymers for the assessment of the impact within soils as well as the aquatic environment is being developed that considers the ecotoxicological safety of the substances. Miniaturised approaches will be established based on standardized tests to increase the screening capacity and ecotoxicological information indication. For data validation of the screening tools, the corresponding standard test information will be applied and compared to the dataset to verify the ecotoxicological risk information. The outcome of this stepwise approach will be proven in lysimeter simulations under environmental conditions indicating transferability of laboratory results to outdoor scenarios.
As terrestrial model organisms, e.g. soil microorganisms (MicroResp™), collembola (OECD 232) and earthworms (ISO 17512, OECD 222) were chosen, representing parts of the micro-, meso- and macrofauna. The impact on soil microbial functional diversity will be further investigated considering different nutrient cycles (OECD 216, ISO 15685, ISO 20130). Aquatic model organisms of different trophic levels, i.e. the green algae Raphidocelis subcapitata (OECD 201) and the invertebrate Daphnia magna (OECD 202) will be used. To consider effects on degrading bacteria in sewage sludge the inhibitory effect on Vibrio fischeri according to ISO 11348 will be observed.
First results of the ecotoxicological testing in both aquatic and terrestrial test systems with a variety of different (bio-)polymers will be presented at the conference including data comparison of the downscaled test systems to standardized test methods.

Als Reaktion auf die weiträumig degradierten Waldgebiete Mitteldeutschlands wurden im frühen 20. Jh. gezielt Buchengruppen (Ø < 20 m; < 0,5 ha) innerhalb von bodensauren Fichten- und Kiefernbeständen zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit angepflanzt. Die heute etwa 85 Jahre alten Gruppen, aufgrund ihrer Form traditionell Grüne Augen genannt, bieten die seltene Möglichkeit langfristige Auswirkungen des Waldumbaus auf bodenökologische Eigenschaften des Auflagehumus räumlich und zeitlich zu untersuchen.
Ein klimatisch-geologischer Gradient zwischen den untersuchten Regionen (Ostthüringer Buntsandstein-Hügelland, Thüringer Vogtland, Mittelerzgebirge), ermöglichte die Einbeziehung der Wirkung von Geologie und Klima. Innerhalb einer Region erlaubte die 3-fache Wiederholung von Buche-Nadelforst-Paaren unter vergleichbaren lokalen Standortsbedingungen eine Analyse der räumlichen Auswirkung der Baumarteneffekte (z.B. Streueintrag). An jedem Standort wurden mit Hilfe eines Transekt-Designs jeweils auf 40 m Länge aller 2 m (n = 41) in 5 Tiefenstufen (L-Hz. - 10 cm Mineralbodentiefe) in SO-NO-Ausrichtung u.a. der pH-Wert (u.a. in KCl), die Abbaudynamik organischen Materials und die Größe von Nährstoffvorräten (C, N, Ca, Mg, K) untersucht und mittels linear gemischter Modelle analysiert.
Der Kernbereich der Grünen Augen (6-8 m um Gruppenzentrum) unterscheidet sich hinsichtlich der Humuseigenschaften deutlich vom umgebenden Nadelforst. So sind die pH-Werte um bis zu 20 % und die Umsatzraten des organischen Materials um 43 % erhöht. Der positive Effekt der Grünen Augen auf die Humusqualität reicht bis zu 8 m über die Kronenraumbedeckung der Rotbuche hinaus, schwächt sich jedoch ab 4 m deutlich ab. Der Effekt scheint vor allem Streufall-geleitet zu sein und erstreckt sich in Bereichen mit durch den Wind fahnenartig verwehter Buchenstreu ausgedehnter in den Nadelforst. Die Ergebnisse der Transekt-Untersuchungen legen nahe, dass die Grünen Augen in erster Buchengeneration inselartig ein feuchteres und weniger saures Mikrohabitat für pH-sensitive Destruenten im Auflagehumus schaffen. Am deutlichsten ist dies in der niederschlagsärmsten, wärmsten und magersten Region. Die biologische Aktivierung des oberen Waldbodens innerhalb des Wirkungsbereiches der Grünen Augen kann zu höheren C-Transportraten in den Mineralboden führen. In Hinblick auf den Klimawandel mit einem größeren Waldbrand-Risiko kann dies zu einer stabileren Kohlenstoffspeicherung im Waldboden beitragen.

Earthworms may act as double-edged swords for soil organic matter (SOM). While they can enhance organic matter (OM) mineralization via increased microbial activity they can also elevate OM stabilization in aggregates as particulate or mineral-associated OM. In this study, we will test this potentially opposing impact in beech (Fagus sylvatica L.) forests on limestone, a forest ecosystem with particularly high earthworm activity. A specific focus will be on OM transformation along the continuum from the forest floor (O horizons) to mineral soil (A horizons). The forest floor can represent a substantial OM-pool which is an important source for SOM formation via bioturbation or leaching but can be vulnerable to alterations due to climate change. In an extended lab mesocosm experiment, we will incubate local earthworm species in soil columns consisting of O and A horizons from four beech forest sites along an elevation gradient from 550 to 1250 m in the Swiss Jura Mountain range. Along this gradient, the dominating forest floor type is mull with its thickness increasing with altitude. We will establish the following three treatments (1) control with soil and unlabeled litter, (2) with soil and labeled litter and (3) with soil, labeled litter, and earthworms. For this setup, the Ol horizon will be replaced with beech litter highly enriched with 13C, 15N, and 2H. Soil respiration (CO2) and leaching (C, N, and H in dissolved OM) will be repeatedly measured. Our setup will allow for a separation of fluxes from the O horizons and the A Horizon. After approximately 4, 7, and 10 months each, a subset of mesocosms will be harvested to investigate isotope enrichment in earthworm biomass, earthworm casts, physical soil fractions, PLFAs, and microbial necromass. This will allow us to establish a mass balance of beech litter turnover as affected by earthworms for a time scale representative of one vegetation period. Fluxes of unlabeled OM will inform on the fate of inherent SOM. We expect that (1) following an initial colonization phase, earthworms will stimulate labeled litter mineralization and enhance litter transfer to aggregate fractions while not affecting the total SOM stock. (2) In the long term, less of the labeled material will be mineralized and more SOM stabilized in aggregate fractions will be recycled.

Due to climate change, extreme events have increased in recent years, making droughts and heat waves ubiquitous and drought stress one of the most severe impacts on forest ecosystems. The forest soil and its interaction with vegetation is a key component in facing these future challenges. In temperate forests, the soil is often covered with mosses, which fulfill important ecological functions. Mosses are known for their large water storage capacity, which can have a positive effect in the forest soil as a moisture reserve during dry periods or a negative effect as an infiltration barrier, depending on species and growth form. Additionally, mosses contribute importantly to the global carbon cycle, being responsible, e.g., for one-fifth of the net carbon uptake in temperate and boreal forests. Higher soil organic carbon in turn supports the formation of soil aggregates, which increases the soil's resistance to erosion. However, these processes and interactions have been poorly studied and understood, especially in quantitative terms.

In the FNR-funded project “AnKliMoos”, we investigate how and to what extent mosses in temperate forests influence ecohydrological processes, carbon cycle, and soil structure at two research sites. For this purpose, continuous field measurements including microclimatic, soil and hydrological monitoring systems are carried out in the Nature Park Schönbuch in Baden-Württemberg (760 mm precipitation per year) and in Linde, Havelland in Brandenburg (539 mm precipitation per year). Wetness of mosses and their spatial variability are determined with specific Biocrust Wetness Probes (BWP) in relation to microclimatic boundary conditions. While hydrological influences of the mosses are measured directly, the annual carbon fluxes are calculated from empirically modelled carbon fluxes combined with recorded microclimatic parameters. To study individual species effects, infiltration boxes will be fitted with soil monoliths without and with moss cover of different species, each with four BWPs. A series of ecohydrological tests will then be conducted in a climate-controlled greenhouse to investigate water absorption, storage, and evaporation within moss covers, as well as infiltration into the underlying soil. The project will provide new insights in the importance of soil mosses in temperate forests and obtain quantitative data on influences of different moss species on soil water balance, carbon storage and soil structure.

Eine „geregelte“ Forstwirtschaft ist immer seltener umsetzbar, da die Geschwindigkeit klimabedingter Veränderungen das Reaktionsvermögen vieler Waldökosysteme übersteigt. Der Einfluss von Wetterextremen (Trockenperioden und Stürme) wirkt sich besonders auf strukturarme Fichtenforste fern ihrer natürlichen Standorte aus. Borkenkäfermassenvermehrungen und großflächige Störungsflächen sind die Folge und stellen Waldbewirtschaftende vor extreme Herausforderungen. Wenn es die forstsanitäre Situation, Aspekte der Gefahrenabsicherung und der aktuelle ökonomische Rahmen der Betriebe zulassen, stellen alternative Managementmaßnahmen weitere Möglichkeiten zur flächigen Räumung dar. Es soll geklärt werden, welche kurz- und mittelfristigen Auswirkungen die unterschiedlichen Maßnahmen auf strukturelle und bodenchemische Kennwerte der Humusauflage und des Oberbodens haben.
Die Untersuchungen wurden auf großflächigen Fichten-Störungsflächen im südlichen Harz durchgeführt. Hier wurden verschiedene Managementvarianten – angefangen bei vollständig belassenem stehendem Totholz, über „Hochstubben“, bis zu gemulchten und geräumten Freiflächen – mit einem vitalen Fichtenwald verglichen. Die untersuchten Kompartimente sind die Auflagehorizonte sowie der obere Mineralboden in mehreren Tiefenstufen bis 60 cm Tiefe, welche über einen Zeitraum von 24 Monaten regelmäßig beprobt und analysiert wurden.
Die Studie zeigt, dass sich bereits innerhalb von 3-6 Monaten Auswirkungen auf die Bodenstruktur der geräumten Störungsflächen nachweisen lassen, indem Makroaggregate abgebaut werden, die Größenfraktion der Mikroaggregate ansteigt sowie sich die Aggregatstabilität insgesamt verringert. Weiterhin führte der Abbau der Aggregate zu einer erhöhten Nährstoffverfügbarkeit (um 3-10 % bei N, K, Mg, S). Mit einem sich verengendem C/N-Verhältnis im Mineralboden bei zunehmender Auflichtung auf den Parzellen sowie Intensität des Managements, wurden mittelfristig (>6 Monate) Verluste beim pflanzenverfügbaren und Gesamt-Phosphorgehalt (Pcit und Pt) in der organischen Auflage und dem oberen Mineralboden festgestellt. Während das Mulchen zu einer Erhöhung der organischen Bodensubstanz (OBS) in der Auflage führte, ist bei den sonstigen Varianten über die Zeit ein nennenswerter Verlust an OBS im Vergleich mit dem vitalen Fichtenwald ermittelt worden. Ein verlängertes Monitoring ist erforderlich um zu verifizieren, ob die Ergebnisse nur kurzfristige Effekte auf dem Weg zu einem neuen Gleichgewicht sind.

In den Feuchtwäldern des Kernmünsterlandes sind Feuchthumusformen (Aerohydromorphe Humusformen) weit verbreitet. Infolge des Klimawandels sind diese von zunehmender Trockenheit betroffen. Dadurch verschlechtern sich die Lebensbedingungen vor allem für feuchthäutige Bodenorganismen (Regenwürmer und Kleinringelwürmer), die an der Ausbildung der Humusform wesentlichen Anteil haben. Sie werden im Rahmen des Projekts BioFeuchtHumus als Indikatoren für den Zustand der Bodenlebensgemeinschaft (Zersetzergesellschaft) untersucht.
Das noch laufende Projekt umfasst Bestandsaufnahmen der Regenwürmer und Kleinringelwürmer in den Revieren Inkmannsholz und Wolbecker Tiergarten einmalig an 56 Mikrostandorten und in zeitlicher Wiederholung an 8 Intensivstandorten. Die Erfassung der Kleinringelwürmer erfolgt durch Extraktion aus Bodenproben mit der Wassertauchmethode. Mit einem Stechzylinder wird eine Bodensäule bis maximal 18 cm Tiefe entnommen und zur Extraktion in 4 bis 5 Tiefenstufen aufgeteilt. Parallel dazu wird die Abfolge und Mächtigkeit der Humushorizonte protokolliert. Die Regenwürmer werden mit einer Kombination aus Senf-Extraktion und Handauslese erfasst und im Labor näher bestimmt und gezählt.
Dargestellt werden Ergebnisse aus dem ersten Untersuchungsjahr 2022. Typisch für Feuchthumusformen ist die Zweiteilung des Profils in einen oberen Bereich mit aeromorphen und einem unteren mit hydromorphen Merkmalen. Entsprechend dominierten bei den Kleinringelwürmern Frischezeiger im oberen Teil des Profils, während die Dominanz der Feuchte- und Nässezeiger mit zunehmender Tiefe anstieg. Dies war sowohl bei Moder- als auch bei Mullhumusprofilen der Fall. Die vertikale Verteilung der Kleinringelwürmer spiegelt somit den Gradienten des Staunässeeinflusses in der organischen Auflage und im oberen Mineralboden wider. Der Vergleich mit den morphologischen Humusprofilen zeigt auch Beispiele von Disharmonien, die auf eine schnellere Veränderungsdynamik des biologischen Bodenzustands zurückzuführen sind.

Das Vorkommen von Feucht- und Nasshumusformen sowie deren mögliche Veränderung im Klimawandel kann dazu beitragen, bodenökologische Parameter in Feuchtwäldern zu bewerten. Im Rahmen einer Masterarbeit im Projekt „BioFeuchtHumus“ der Universität Osnabrück in Kooperation mit dem Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen (GD NRW) werden in Teilen Nordrhein-Westfalens Humusformen kartiert, an denen in der Vergangenheit Feucht- und Nasshumusformen aufgenommen werden konnten oder anhand vorliegender Informationen vermutet werden. Bei den Standorten handelt es sich um Standorte der ersten Bodenzustandserhebung (BZE I) im Wald die in den Jahren 1989-1991 erstmalig bodenkundlich aufgenommen und beprobt wurden. Im Rahmen der dritten Bodenzustandserhebung (BZE III) werden einige dieser Standorte in 2022 – 2024 erneut beprobt. Auf Grundlage des Entwurfs der sechsten Auflage der Bodenkundlichen Kartieranleitung wurden Kriterien bestimmt, bei denen eine Ausbildung von Feucht- und Nasshumusformen zu erwarten ist und der BZE-Datensatz abgefragt. Zu den Kriterien gehören zum Beispiel hoch anstehendes Grundwasser, starke Staunässe und die Ausprägung von hydromorphen Boden(sub-)typen. Das Ergebnis der Abfrage sind ca. 20 Standorte, an denen ein oder mehrere Kriterien für eine mögliche Ausprägung von Feucht- und Nasshumusformen im Untersuchungsgebiet, der Westfälischen Bucht und dem Niederrheinischen Tiefland, erfüllt sind. Durch die vorliegenden Daten der BZE I, BZE II (2006-2008) und BZE III ist es möglich, Veränderungen in der Ausprägung der Humusformen festzustellen sowie den Einfluss verschiedener Standorteigenschaften auf die Humusformen kenntlich zu machen. Außerdem wird so auf die Beziehung zwischen Standorteigenschaften und dem daraus resultierenden Bodensubtyp und den Humusformen geschlossen. Zudem soll die Morphologie der Feucht- und Nasshumusformen weiter beschrieben und vertieft werden. Diese Ergebnisse können vor allem eine Prognose auf die Entwicklung der Humusformen im Klimawandel sowie auch für den weiteren Umgang mit diesen und dem jeweiligen Standort im Allgemeinen sein.

Vortrag: Feuchthumusformen und der Bodenwasserhaushalt von Waldökosystemen im Münsterland

Weiterführende Poster: 1.Untersuchungen der Anneliden-Fauna (Regenwürmer und Kleinringelwürmer) von Feuchthumusformen im Münsterland
2.Feuchthumusformen und Bodenvegetation in Waldökosystemen im Münsterland

Fotogrammetrisch-mikrotopografische Analyse der Volumendynamik der organischen Auflage in einem Mischwald

Jonas Hahn, Anka Hehl, Marc Tiefel, Friederike Lang und Helmer Schack-Kirchner

Die Humusauflage ist ein Schlüssel für die Funktionalität des Waldbodens und zudem ein bodenökologisches Merkmal, welches durch den Anteil der organische Bodensubtanz (SOM) Waldböden von Acker- und Grünlandböden unterscheidet. Die unterschiedlichen Prozesse und Einflüsse auf die Mikrotopografie des Waldbodens sowie der Speicherung von organischem Kohlenstoff sind forschungsrelevant, jedoch selten quantifiziert. Für die Quantifizierung von Oberflächen- und Volumendynamiken der Bodenoberfläche wurde in dieser Arbeit fotogrammetrisch über die Methode Structure from Motion (SfM) eine mikrotopografische Analyse der Humusauflagen in einem buchendominanten Mischwald des Freiburger Stadtwaldes „Grubenwald“, innerhalb der Gemarkung Horben für ein ganzes Jahr durchgeführt. Durch SfM konnten hochaufgelöste Punktwolken von natürlichen Waldstrukturen produziert werden, welche daraufhin nach Totholz, Vegetation und Waldboden klassifiziert wurden.
An 10 vermarkten Fixpunkten wurden 14-tägig bis monatlich die Punktewolken auf einer Fläche von 40 x 40 cm erfasst und zu 2.5D Höhenmodellen zur Erfassung der Volumendynamik interpoliert. An weiteren 10 Punkten wurden durch lagenweise Entnahmen der organischen Bodensubstanz Volumina und morphologische Parameter (Dicke, TRD und Lückigkeit) in Verbindung zum Kohlenstoffgehalt analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass es in Bezug auf die Oberflächendynamik des OL-Horizontes einen signifikanten Effekt von Temperatur, Niederschlag und Frost auf die mittlere Oberflächenhöhe gibt. Durch die invasiven Aufnahmeplots konnte ein vollständiges Bild der Humusauflagen und der bestehenden Humusform durch Begrenzungsflächenmodelle (3D-Modell) im Zusammenhang mit morphologischen Bodenparametern erstellt werden. Die praktikable, einfach umsetzbare und kosteneffiziente fotogrammetrische Untersuchungsmethode ist geeignet, um exakte Daten der Humusauflage zu gewinnen.

Die organische Auflage von Waldböden spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf von Wäldern. Die Bilanz zwischen Streueintrag und Streuabbau entscheidet über die Kohlen-stoffspeicherung in der organischen Auflage. Somit übt das Ausmaß des Blattstreuabbaus eine zentrale Rolle im CO2-Minderungspotenzial von Waldökosystemen aus. Insbesondere Mangan (Mn) könnte den Streuabbau im lignindominierten (späten) Stadium beschleunigen. Korrelationen zwischen der Mn-Konzentration und der Zerfallsrate der Streu wurden bereits bestätigt und durch die Rolle von Mn beim Ligninabbau als Cofaktor des Enzyms Manganper-oxidase erklärt. Ausgehend von den neuen Erkenntnissen möchten wir mit diesem Projekt klären, ob die Mangangehalte in der Blattstreu und deren Entwicklung im Laufe der Zerset-zung eine wichtige Wirkungsvariable für die Rate des Humusaufbaus und der Kohlen-stoffspeicherung in deutschen Wäldern darstellen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Streuabbauversuche mit Blatt- und Nadelstreu von fünf verschiedenen Baumarten (Buche, Eiche, Fichte, Kiefer, Douglasie), die zum Teil mit Mn angereichert wurden, mit der Netzbeu-telmethode (‚litterbags‘) über einen Zeitraum von 42 Monaten an 18 repräsentativen Wald-standorten in sechs Bundesländern in situ durchgeführt. Die Standorte unterscheiden sich im Bewuchs und den unterschiedlichen Standortfaktoren, speziell der Manganversorgung und der zurückliegenden Bodenschutzkalkung mit karbonatischem Material. Um den Einfluss der abio-tischen Standortfaktoren herauszuarbeiten, wurde auf allen Standorten zusätzlich Rooibostee ausgebracht und inkubiert. Die bisherigen Ergebnisse belegen einen kontinuierlichen Streu-abbau innerhalb der ersten 6 Monate. Die Streuproben haben im ersten halben Jahr durch-schnittlich 17,1 % an Masse verloren, die Rooibostee-Proben 32,3 %, wobei es jeweils große Unterschiede zwischen den Standorten gibt. Ein Einfluss der Mangan-Zugabe und der Kal-kung auf den Streuabbau konnte in diesem Zeitraum nicht nachgewiesen werden. Anhand der Ergebnisse sollen baumart- und standortspezifische `limit values` des Streuabbaus sowie de-ren Abhängigkeit von der Manganversorgung identifiziert werden.

Stichworte: Streuabbau, Waldökosystem, Litterbag, Mangan-Peroxidase, Lignin

Die Geschwindigkeit klimabedingter Veränderungen (Wetterextreme) übersteigt das Reaktionsvermögen vieler Waldökosysteme und führte in den letzten Jahren zu großflächigen Störungen. Die Entwicklung geeigneter Wiederbewaldungsstrategien zur Wiederherstellung eines Waldklimas auf diesen Störungsflächen ist zu priorisieren, um schwerwiegende Auswirkungen auf die Bodenstruktur, den Verlust von organischer Bodensubstanz und Bodennährstoffen zu vermindern sowie Waldfunktionen zu erhalten. Durch Erfassung und langfristiges Monitoring von Veränderungen des Mikroklimas im Oberboden und Bodennähe lassen sich Rückschlüsse auf eine standortsgerechte Auswahl von geeigneten Managementoptionen der Störungsflächen ziehen.
Dazu wurden auf großflächigen Fichten-Störungsflächen Untersuchungen in drei Mittelgebirgsregionen in Thüringen durchgeführt. Es wurden vier unterschiedliche Managementvarianten (belassenes stehendes Totholz, „Hochstubben“, gemulchte und geräumte Freiflächen) mit einem vitalen Fichtenwald verglichen. Neben grundlegenden bodenchemischen und physikalischen Größen wurden die Bodenfeuchte und Bodentemperatur des Oberbodens sowie die Oberflächentemperatur über 30 Monate kontinuierlich über TDR-Logger erfasst. Zusätzlich wurden an Tagen mit extremen Wetterlagen Handmessungen und Drohnenbefliegungen im thermalen Spektralbereich durchgeführt.
Durch die Untersuchung konnten signifikante Unterschiede in der Oberflächen- und Bodentemperatur zwischen den Varianten nachgewiesen werden. Die Kahlflächen zeigten während der Vegetationszeit höhere Bodentemperaturen sowie eine höhere Variabilität auf. Das stehende Totholz vermochte die Temperatur im Mittel zu senken und insbesondere hohe Temperaturspitzen abzumildern. Die Bodenfeuchte zeigte zeitliche Veränderungen in Abhängigkeit des Zerfallszustand der Fichtenwälder. Sowohl Bodentemperatur und -feuchte wiesen auf den Schattseiten der „Hochstubben“ im Tagesverlauf ausgeglichenere Werte auf, was sich positiv auf das Wachstum potenzieller Stockachselpflanzungen auswirkte. Allgemein wurde festgestellt, dass die Aggregatstabilität und Nährstoffverfügbarkeit des Bodens sich schneller verringerte je intensiver der Managementeingriff und desto stärker sich das Mikroklima vom Waldklima entfernte. Die Studie zeigt auf, dass das Mikroklima – insbesondere in Bezug auf den Boden – für nachhaltiges Waldmanagement von Störflächen mehr bedacht werden und zusätzlich einen Beitrag bei (über-)regionalen Klima-Prognosen einbringen kann.

Das Projekt „BioFeuchtHumus“ hat die Klassifizierung von Feuchthumusformen zum Ziel. Diese sind in der bisherigen Humusformen-Klassifikation zwar vorhanden, aber nicht detailliert genug ausgearbeitet, um sie als Indikator zur Zustandsbewertung von Feuchtwäldern heranzuziehen. Mit der Erforschung der Indikatorfunktion von Humusformen soll dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Monitoringverfahren für die Bewertung der bodenökologischen Eigenschaften feuchter bis wechselfeuchter Wälder leisten.
Die Entwicklung der Humusformen steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Vegetation der Krautschicht, da deren Abbauprodukte über ihre chemische Zusammensetzung die Humifizierungsprozesse beeinflussen können. Zudem kommt der Vegetation eine Indikatorfunktion zu, u. a. über die Feuchte, die Acidität oder den Nährstoffgehalt im Boden. Bednorz et al. (2000), Anschlag et al. (2017) und Hellwig et al. (2019) konnten bereits zeigen, dass die Variabilität von Humusformen auf lokaler Ebene auf Unterschiede im Mikrorelief und in der Vegetation zurückführbar ist. Die Korrelierung der im Projekt erhobenen Bodenparameter (insbesondere Bodenfeuchte und Humusform) mit den an gleicher Stelle erfassten Vegetationsdaten soll Aufschlüsse darüber geben, welche Zusammenhänge im Detail zwischen Feuchthumusform und Vegetation bestehen und inwieweit sich aus der Vegetation Aussagen über die Humusform ableiten lassen. Alle Untersuchungen finden in zwei, durch höhere Bodenfeuchte geprägte Waldgebiete im Münsterland statt. Die Vegetation wird sowohl auf 56 Standorten, auf denen neben der Kartierung der Humusform auch bodenbiologische Analysen durchgeführt werden, als auch auf acht Intensivstandorten, die zusätzlich mit Sonden zur Erfassung der Bodenfeuchte und -temperatur versehen sind, erfasst. Die Vegetationskartierung erfolgt in Anlehnung an Braun-Blanquet, jedoch wurde die Aufnahmefläche aufgrund der kleinräumigen Variabilität der Humusformen auf 25 m² (5x5 m) reduziert.
Die Ergebnisse könnten zur Vereinfachung eines großflächigen (Boden-) Monitorings von Feuchtwäldern beitragen, da der zeitliche Aufwand einer Vegetationserfassung geringer ist als der einer Humusformkartierung, insbesondere in Hinblick auf die Anwendbarkeit für in der Forstpraxis tätige Personen.
Anschlag, K., Tatti, D., Hellwig, N., Sartori, G., Gobat, J.-M., Broll, G. (2017): Vegetation-based bioindication of humus forms in coniferous mountain forests. Journal of Mountain Science 14(4), 662-673.

Wiederkehrende Trockenphasen können zu Trockenstress in Waldökosystemen führen, wie besonders die letzten Jahre seit 2018 gezeigt haben. Gestresste Fichtenbestände, v.a. Reinbestände in Höhenlagen unterhalb 800 m ü NN, sind anfälliger für den Befall durch Borkenkäfer und sind folglich Schwerpunkt des Störungsgeschehens. Im Zuge des Befalls kommt es durch den Nadelverlust zu Veränderungen in der Kronenstruktur und zu einem erhöhten Eintrag an organischer Substanz (OS), der sich auch auf die wasserbezogenen Elementflüsse auswirkt. So führte die extreme Trockenheit 2018/19 auf Fichtenstandorten über lössführendem Muschelkalk im Hainich zu jährlichen Austrägen von 119 kg N ha-1.
Weitere aktuelle Untersuchungen zur Stoffdynamik im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs „AquaDiva“ zeigten für 2022 in einem Fichtenreinbestand auf mittleren Buntsandstein im Saale-Holzland-Kreis ähnliche Effekte. Das biogeochemische Monitoring umfasst wie auf den Muschelkalkflächen im Hainich die Bestimmung der 14-tägigen gelösten Stoffflüsse (u.a. DOC und DN) mit dem Freiland- und Bestandesniederschlag, Stammabfluss, und den Bodenlösungen unterhalb der organischen Auflage und in 30 cm Bodentiefe. Zusätzlich wurde der Streufall alle ein bis zwei Wochen beprobt.
Nach der Trockenheit mit Borkenkäferbefall stiegen die DN-Flüsse in den Bodenlösungen unterhalb der organischen Auflage und in 30 cm Bodentiefe signifikant an. Der 2-fach höhere Eintrag grüner Nadelstreu stellte eine zusätzliche N-Quelle dar, v.a. in diesen N-ärmeren und versauerungsempfindlichen Standorten. Mit dem Einsetzen des Niederschlags wurde vermutlich ein Großteil des Stickstoffs aus der Nadelstreu ausgewaschen und in die Bodenlösungen unterhalb der organischen Auflage und in 30 cm Bodentiefe verlagert. Die elektrische Leitfähigkeit zeigte ebenfalls eine starke Zunahme, und die DOC und DN Flüsse sind entkoppelt. Diese Befunde deuten darauf hin, dass im Wesentlichen anorganischer N (Nitrat) verlagert worden ist. Diese Muster heben sich deutlich von einem noch intakten Fichtenbestand im gleichen Untersuchungsgebiet ab. Die DN Flüsse im Bestandesniederschlag und Stammabfluss zeigten dagegen keine signifikanten Unterschiede.
Im Vergleich zu den Muschelkalk-dominierten und basischen Fichtenstandorten im Hainich konnte gezeigt werden, dass die DN Flüsse unter Fichte auf Buntsandstein nach solch einer Störung auf ähnlich hohem Niveau liegen. Konsequenzen für den Stoffhaushalt der Ökosysteme werden im Beitrag diskutiert.

The Forest Floor (FF) is hydrologically highly relevant but remains only partly explored. Especially in the O-Layer water repellency can be strong and seasonal highly variable. This variability influences infiltration patterns and may enhance bypass flow. Additionally, the leaching of dissolved organic matter (DOM) from the FF is essential to quantify its carbon balance. Since direct observations of water and DOM fluxes are missing, we developed a weighing Forest Floor Grid-Lysimeter (FFGM) with continuous measurement of dissolved organic carbon (DOC) to study the spatial and temporal patterns of water fluxes and link them to the variability of DOC fluxes.
We built a lysimeter pan from stainless steel with four separate grids and individual drains. The pan is filled with the O-Layer of the FF and some centimeters of the upper mineral topsoil. Four load cells are mounted at the corners of the pan below the lysimeter. A steel frame holds the load cells and the measurement units (MU) under each of the four drains including a tipping bucket. The MU consists of a 3D-printed cuvette with two mountings for the light emitting LED and one for the optical fiber connected to a spectrometer. They are placed at a 90-degree angle, to allow for fluorescence spectroscopy. The used spectrometer is a Micro-Spectrometer C12880MA from Hamamatsu Photonics. The tipping buckets are made of 3D-printed parts, reed switches, and magnets. An Arduino microcontroller controls the system and allows for the data processing.
We tested the Lysimeter in the lab and in the field under a beech forest. With this setup, we examined a continuous measurement of water storage variation and discharge from the FF with an accuracy of 0.1 mm and a temporal resolution of 5 minutes. The effective range for the DOC measurement is between 0 and 100 mg C/l.
We could show that our FFGM allows for detailed quantification of water fluxes of the Forest Floor as well as DOC fluxes with a high resolution in a low-cost setup.

In 2022, 507 forest fires burnt a total area of 1.411 ha in the state of Brandenburg. There were seven larger fires ranging from 30 to 422 ha. Warmer and drier summers will increase the risk of forest fires in Brandenburg and all over Germany. Despite this challenge, there is a lack of expertise for dealing with this risk in the forestry and hazard control community. The research collaboration ErWiN (Enhancement of the ecological, silvicultural and technical expertise concerning forest fires) aims to produce an important foundation for a knowledge-based handling of forest fires in the areas of silviculture and firefighting. The work package presented here has the goal of analyzing forest fire induced changes in soil characteristics.

The research site in Treuenbrietzen (large forest fire of 334 ha in August 2018) was set up in 2021 along the burn severity gradient starting from the most severely burnt area and ending at the unharmed forest stand (control). The second site in Groß Eichholz (very small forest fire of 0,25 ha in May 2022) was set up immediately after the fire with three plots in the burnt area and one control plot in the unburnt forest. At regular intervals, soil and soil solution samples are collected from both research sites in order to quantify the changing soil properties. In addition, data monitoring includes the soil temperature, soil moisture and meteorology.

Numerous research efforts from different countries indicate that forest fires can have long-lasting effects on the chemical properties of soils. The preliminary results from Treuenbrietzen are in accordance with this observation but data from Groß Eichholz is not available yet. However, the prospect of capturing the soil dynamics directly after a forest fire can be expected at this site. Nevertheless, it is impossible to know whether the current soil state is a result of the forest fire because soil data from before the fire is not available. This raises the question of whether controlled burns of different severities are more adequate alternatives for understanding how soils change after a forest fire.

Slow turnover of the forest floor (FF) is often assumed to be related to immobilization of nutrients within the organic matter. However, the FF is also assumed to be an important nutrient source at sites with low nutrient concentrations of the mineral soil. Yet, little is known about the availability of nutrients present in the FF and how it is related to FF turnover.
Within the DFG-funded Research Unit FOREST FLOOR we aim to identify processes that control the relevance of the FF for tree nutrition as compared to the mineral topsoil in European beech forests. We quantify resin extractable macronutrients at lab conditions in the FF and the mineral topsoil along three elevation-related temperature gradients of different P status of the mineral soil. We hypothesize that nutrient availability in the FF at high mean annual temperature (MAT) sites is lower compared to low MAT sites due to temperature-enhanced immobilization of the nutrients by the microbial biomass and leaching into the mineral soil. Consequently, we expect an increased nutrient availability in the mineral soil at high MAT compared to low MAT sites due to faster nutrient mineralization of the litter. Furthermore, we argue that temperature dependency of nutrient immobilization depends on the P status of the mineral soil.
Preliminary analyses on P poor sites (< 300 g P/m2) in the Black Forest showed that higher temperatures decrease not only the stock of available P (Pres) of the FF but also the P stock of the upper 10 cm of mineral soil (Kandel, MAT 5 °C, 100 kg Pres /ha]; Waldkirch, MAT 9 °C, 80 kg Pres/ha]). These first results support the crucial role of the FF for beech forest nutrition and its vulnerability under climate change. At the conference we will introduce the results of the running analyses.

Hundreds of thousands of hectares of forest have been limed in Germany over the past few decades to counteract soil acidification processes. Lime applications cause a cascade of biogeochemical changes in the ecosystems, affecting nutrient cycling dynamics, tree growth, and rooting dynamics. To evaluate the how forest liming effects fine root biomass (FRB) dynamics, we used a paired-plot experimental design to compare FRB in limed plots with adjacent unlimed plots. In this study we investigated liming effects on (1) the magnitude of FRB changes, (2) liming effects on FRB depth allocations, and (3) we attempted to disentangle the drivers regulating FRB response to liming. In total we sampled at 15 long-term experimental sites, down to 60-cm soil depth in both broadleaf and evergreen forests across Germany.
Irrespective of liming, FRB in the forest floor layer (in the control plots) exhibited an exponential relationship with pH, where inherently acidic sites (pH < 4) had exponentially higher FRB than moderately acidic sites (pH 4 - 6). The application of lime accordingly reduced FRB by 64% in the forest floor layer, which was predominantly driven by large FRB reductions at the acidic sites. Although the liming-induced changes in FRB were most pronounced in the forest floor layer, the same trend was also evident in the mineral soil. We suspect that these FRB reductions reflects the fact that trees regulate their fine root network size to correspond to the availability of nutrients (i.e. Ca and Mg) that limit tree growth. Specifically, this means that the application of lime will have improved soil nutrient availability, and accordingly trees did not need to invest as heavily into FRB. In contrast to other studies, we did not find evidence that Al toxicity curtailed root biomass at the very acidic sites. We also did not find evidence of root redistributions in the soil profile as a result of liming.
Lastly, at a small number of our experimental sites we also recorded slight FRB increases as a result of liming. We attribute this to liming-induced tree productivity gains, which likely reflects how over an extended period of time the more productive limed stands developed larger root systems, than the control paired plot.

The conservation and establishment of near-natural forests is seen as strategy against climate change. A reduced management intensity in these forests results in higher amounts of above- and belowground deadwood. In consequence, near-natural forests have a positive effect on total carbon (C) storage in comparison to managed forest. A development towards a drier climate may put these C stores at risk. Specifically, the interactions between available soil water, deadwood, living trees with their rooting systems, and soil C storage are poorly understood. The aim of the project is to understand how water balance and soil moisture control C dynamics in near-natural beech forest with a special focus on the role of deadwood.  

A near-natural forest stand dominated by mature beech trees was selected in the Naturpark Dübener Heide, lowlands of NW Saxony. Along a slope within an end moraine landscape we defined a soil moisture gradient and established three sites (wet, fresh, more dry). In each site, we installed a monitoring system (in 2022) to determine the effects of changes in soil water availability on tree growth (above- and belowground), root turnover, soil respiration, dissolved organic matter and soil C. The monitoring system includes important parameters as sap flow, tree growth, soil water tension, soil moisture, soil temperature, throughfall, stemflow. Soil water will be sampled and analyzed regularly and soil respiration will be measured. With the obtained data from the moisture gradient, we will assess the effects of climate change-induced changes in the water balance on the C dynamics of a near-natural beech forest. In addition, we monitor soil moisture, soil temperature and sample soil water under deadwood in three different stages of decomposition. This procedure allows us to investigate the feedback of deadwood on soil organic matter and soil water dynamics and availability.

Understanding the dynamics of N mineralization and nitrification during seasonally highly variable conditions is not only important for the understanding of the nutrient supply of the native dry forest in Ecuador, but also necessary to predict the responses of dry forests to environmental change, like climate and land-use change that might influence the seasonality.

To determine the role of climate substituted by elevation for N mineralization in the mineral topsoil, we will conduct 31-days field incubations with the help of soil-filled PVC cylinders in soils of a dry forest ecosystem at 600 and 1200 m a.s.l. We will use a threefold replicated design at both elevations. The incubation cylinders will be closed both at the bottom and the top and therefore only permit horizontal water and element fluxes through lateral slits. We will determine start and end concentrations of NH4+ and NO3- in 1 M KCl extracts to calculate net ammonification and nitrification rates. The experiment will be conducted during the high rainy season between April and June, when we expect an increased and more constant mineralization rate because of increased water supply to the mineral soil.

We hypothesize that organic matter mineralization is higher at 600 m than at 1200 m a.s.l. because organic matter turnover rate and N mineralization are expected to reflect the temperature gradient. N availability is expected to be higher at 1200 m a.s.l. because of the denser vegetation cover, increased soil moisture and lower temperature which favor organic matter accumulation and a slower N release. Moreover, we expect that N mineralization rates are generally lower in the dry forest than in the tropical montane forest on the Amazon-exposed slope of the same Andean cordillera, which we studied earlier.

Because soil incubation experiments are labor- and time-intensive and can be influenced by seasonal fluctuations we will additionally explore the slope of the regression line of the δ13C values on soil organic C concentrations in 10-cm soil layers down to 0.5 m as a proxy for N mineralization rates. Following the concept of Garten et al. (Can. J. For. Sci, 2006), we expect that the change in δ13C values with increasing depth of the soil profile is related to C turnover and may thus serve as predictor of decomposition, because δ13C values integrate the C isotope fractionation by microbial activity of longer time periods and should thus be related with N mineralization rates.

In the tropical montane rainforest on the eastern cordillera of the south Ecuadorian Andes we observed increasing atmospheric N deposition during the past 20 years, mainly because of forest fires in the Amazon Basin. At the same time, increasing NO3-N concentrations and NO3-N/NH4-N concentration ratios in throughfall and in the litter leachate from the thick organic layers indicated increasing nitrification. Moreover, the N cycling became more inorganic with increasing anthropogenic release of reactive N to the environment. All these findings suggest that the N cycle in the studied forest became increasingly open.

We hypothesized that the increasingly open N cycle is reflected in increasingly heavier δ15N values of the forest litterfall and the soil organic layer, because of the preferential loss of isotopically light N via leaching and volatilization. We determined the N deposition and leaching losses of N from 1998 to 2021 in a ca. 9.1 ha large catchment in a tropical montane forest at 2000 m a.s.l. in south Ecuador together with the monthly δ15N values of litterfall from 1998 to 2019 and will determine the δ15N values of the organic layer (Oi, Oe, Oa) horizon from several sampling campaigns during the past 20 years.

From 1998 to 2014, the δ15N values of litterfall increased in line with our expectations. However, thereafter, they decreased until 2019 to a lower value than at the beginning of the observation period indicating that the plants had increasing access to isotopically light N. We are currently evaluating the drivers of the drop in the δ15N values of litterfall with the help of our long-term deposition and climate data. We will test if changes in the size or composition of the deposition, or climatic effects such as reduced humidity and associated increased soil organic matter mineralization, which releases isotopically light N, contributed to this unexpected result.

The hydrogen isotopic composition of leaf wax–derived n-alkane (δ2Hn-alkane) and oxygen isotopic composition of hemicellulose–derived sugar (δ18Osugar) biomarkers are valuable proxies for paleoclimate reconstructions. Here, we present a calibration study along the Bale Mountains in Ethiopia to evaluate how accurately and precisely the isotopic composition of precipitation is imprinted in these biomarkers. n-Alkanes and sugars were extracted from the leaf and topsoil samples and compound–specific δ2Hn-alkane and δ18Osugar values were measured using a gas chromatograph–thermal conversion–isotope ratio mass spectrometer (GC–TC–IRMS). The weighted mean δ2Hn-alkane and δ18Osugar values range from −186 to −89‰ and from +27 to +46‰, respectively. Degradation and root inputs affecting did not appear to alter the isotopic composition of the biomarkers in the soil samples analyzed. Yet, the δ2Hn-alkane values show a statistically significant species dependence and δ18Osugar yielded the same species–dependent trends. The reconstructed leaf water of Erica arborea and Erica trimera is 2H– and 18O–enriched by +55 ± 5 and +9 ± 1‰, respectively, compared to precipitation. By contrast, Festuca abyssinica reveals the most negative δ2Hn-alkane and least positive δ18Osugar values. This can be attributed to “signal–dampening” caused by basal grass leaf growth. The intermediate values for Alchemilla haumannii and Helichrysum splendidum can be likely explained with plant physiological differences or microclimatic conditions affecting relative humidity (RH) and thus RH–dependent leaf water isotope enrichment. While the actual RH values range from 69 to 82% (x̄ = 80 ± 3.4%), the reconstructed RH values based on a recently suggested coupled δ2Hn-alkane – δ18Osugar (paleo–)hygrometer approach yielded a mean of 78 ± 21%. Our findings corroborate (i) that vegetation changes, particularly in terms of grass versus non–grassy vegetation, need to be considered in paleoclimate studies based on δ2Hn-alkane and δ18Osugar records and (ii) that the coupled δ2Hn-alkane – δ18Osugar (paleo–)hygrometer approach holds great potential for deriving additional paleoclimatic information compared to single isotope approaches.

References
Lemma, B., Bittner, L., Glaser, B., Kebede, S., Nemomissa, S., Zech, W., Zech, M., 2021. δ2Hn alkane and δ18Osugar biomarker proxies from leaves and topsoils of the Bale Mountains, Ethiopia, and implication for paleoclimate reconstructions. Biogeochemistry 153, 135-153.

In intensive farming systems, most of the nutrient uptake by plants occurs from the topsoil. If the topsoil dries out due to more variable rainfall events and more frequent droughts as consequence of climate change, subsoil nutrient resources may be essential for future plant nutrition. In the RootWayS project, cover crop mixtures from deep rooting species together with shallow rooting partners from three different functional plant groups (clover, grass and brassica) were tested to enhance the root growth of maize into the subsoil, via re-use of root channels. The field experiment was located on a loamy Luvisol in Northern Germany. The aim of this study is to determine the amount of nutrient uptake of maize from the topsoil (0 – 30 cm), upper subsoil (30 – 60 cm) and lower subsoil (60 – 90 cm). Therefore, a pipe-in-tube injection system for nutrient tracers (15N-NH4+/15N-NO3-, Sr, Rb and Cs) was used. The total maize-uptake of N was 14% to 33% of the applied N tracer, with the lowest amount in the control, and the highest amount after the grass/brassica mixture. This suggests that winter cover crops generally enhance the efficiency of mineral N uptake in the following maize cropping season. Moreover, we observed a significant larger nutrient tracer uptake from the subsoil (30-90 cm depth) for maize grown after mixture 1 (red clover, white clover, tall fescue, ryegrass) and mixture 3 (oil radish, summer rapeseed, tall fescue, ryegrass) compared to maize grown on the control plots. In relation to the total tracer uptake from all three depths, maize grown after the clover/grass mixture (22% for N, 43% for K and 45% for Ca, respectively) and maize grown after the grass/brassica mixture (31% for N, 45% for K and 44% for Ca) achieved the highest uptake percentages from 30 – 90 cm depth. We conclude that the efficient soil exploration by roots of cover crop mixtures supports maize roots in reaching the subsoil and thus promotes the subsoil nutrient uptake of the main crop maize. Particularly, cover crop mixtures containing Poaceae seem to have a beneficial effect on subsoil nutrient uptake. We conclude that the observed better subsoil nutrient access of maize after cover crop mixtures containing Poaceae is either an effect of root channel re-use by primary and seminal maize roots, or an indirect effect arising from Poaceae root exudates and degradation intermediates diffusing into the soil and increasing subsoil nutrient availability.

Dynamic replacement is a crucial mechanism associated with soil erosion which results in the changes in the cropland C dynamics, especially the CO2 source or sink function. Soil erosion results in the removal of C and nutrient rich topsoil horizon leading to a thinned topsoil. In croplands, when this soil is ploughed as part of agricultural practices, subsoil such as Bt horizon, containing unsaturated clay is brought to the surface and is mixed with the topsoil. Consequently, the nutrients in the resulting mixture are diluted and the plants growing in these nutrient limited conditions should have a higher root biomass in order to access sufficient amount of nutrients (H1). In addition, unsaturated clay should also have an effect in the dynamic replacement where we hypothesise that, with increasing amount of clay, we expect more root derived C in a fraction of the soil, which protects C and potentially, acts as a CO2 sink (H2).
We conducted a pot experiment with three admixture levels by mixing 24% Bt, 12% Bt and 0% Bt (control) into Ap soil material. The investigated soil was sampled from the Ap and Bt horizon of a Nudiargic Luvisol located on the slope position of the CarboZALF-D site in Dedelow, Germany. Spring rapeseed plants (Brassica napus L.) were grown in pots under controlled conditions in climate chambers. The plants were pulse-labelled with 14CO2 at the growth stage, stem elongation. The distribution of assimilated 14C content was determined in different C pools of the plant-soil-atmosphere-continuum after 21 days, i.e. shoot, root, belowground respiration, dissolved organic carbon (DOC), sand and fine soil.
With increasing admixture of Bt materials into Ap soil, the amount of nutrients and C in the soil, such as phosphorous (P) and potassium (K) decreased and the plants grown in the soil with the highest admixture level had the highest root biomass in response to this effect. With increasing admixture level, the transferred amount of fresh, plant derived C into the bulk soil and the fine soil was more intense.
Our results suggest that root growth and the formation of a temporary C sink depends on the share of Bt admixture into Ap soil. However, to fully understand the quantitative effect of the impact of erosion on the C allocation in the plant-soil-continuum, data from the relative distribution of 14C as well as absolute C contents of further growth stages are required.

The remains of historic charcoal production from pre- and early industrial times, mostly referred to as relict charcoal hearths (RCHs), are subject to growing and multidisciplinary interest in Environmental Sciences. RCH landforms are relatively small (average diameters of 11 m) and circular microrelief features found in many forests of the North-Eastern USA and Central Europe. Soils on RCHs are special in that they are significantly enriched in organic- and pyrogenic carbon, caused by the admixture of charcoal. Many studies have shown that this results in changed soil chemical and physical properties, making RCHs unique soil microhabitats. However, questions about their impact on soil carbon storage of larger areas have hardly been studied so far; an aspect that could become more relevant with growing RCH site location databases. Here we show that RCHs can substantially add to a landscape’s soil organic- and pyrogenic carbon storage. This effect however is scale dependent, i.e. a larger scale of observation (1:20,000) will result in significant additions for areas with high site densities, contrary to smaller (>1:20,000) scales of observation where the effect is diminished. While RCH soils are increasingly recognized as unique soil microhabitats, they should be discussed in terms of their carbon storage function in soil landscapes and how to take them in account for local soil surveys. This study is the first-time combination of extensive field surveys regarding RCH morphology, stratigraphy and soil chemical properties with a deep learning based automated mapping of RCHs in the entire state of Connecticut, USA. This approach can be used as a template for assessing the effect of RCHs on state- and nation-wide inventories of soil organic carbon.

The research training group Systemlink investigates the propagation of anthropogenic stressors from fluvial to terrestrial ecosystems mediated by bottom-up or top-down effects. Copper sulfate is an inorganic fungicide widely used in organic farming, especially in viticulture. As such, these locations can serve as non-point sources for fluvial systems, which can redistribute the copper by floods to floodplains and riparian zones. In the present study we want to explore how repeated flooding and exposure to copper sulfate affect the microbial carbon cycle in riparian soils. We hypothesize that changes in the microbial community composition and activity due to copper exposure result in changes in the dissolved organic carbon (DOC) quality. The quality of DOC however has further implications for a number of soil properties as wettability after drying or the mobility of heavy metals. To test these hypotheses, columns packed with riparian soil will be repeatedly flooded with copper sulfate dissolved in artificial stream water. To assess the potential effect of both flooding and copper sulfate, four hydrological schemes (fully dry, fully flooded, 3/4, 7/7 flooded/dry cycle) and four concentrations (0, 90, 270, 810 mg/L) will be used. Samples will be taken at the end of the flooded period, as well as the end of the dry period. The dissolved carbon quality will be characterized by measuring optical properties (via UV-Vis, Fluorescence, FT-IR) and by PLFA analysis the microbial biomass and community composition will be determined. Furthermore, the community-level physiological profile will be assessed using MicroResp assay and by enzyme activity. Preliminary results will be presented and discussed.

The islands of the Galápagos archipelago are of different ages due to the combination of a geostationary volcanic hotspot and the eastward movement of the Nazca tectonic plate. Taking advantage of this, a soil chronosequence (1.5 – 1,070 ka) has recently been established covering four of the islands. In a recent publication it was shown that the soils exhibited andic properties only on the young parent materials, clay translocation at intermediate ages, and pronounced sesquioxide accumulations at the oldest sites. The macroscopically visible soil profile differentiation increased from the young to the intermediate-aged sites, but decreased again with advanced pedogenesis; the oldest and most highly weathered soil showed a rather uniform, deep profile (Candra et al.; 2021). Here we investigated the temporal development of soil microstructure and micromineralogy using micromorphological methods in combination with synchrotron-based mineralogical and geochemical microanalyses. Along the chronosequence, the microstructure changed from intergrain microaggregates in the young soils to angular blocky microaggregates in the older soils. In the young soils, a high amount of vitric scoria and weatherable minerals occur, but they quickly disappear with age, and micromass increased fast. The micromorphological studies as well as micro-XRD and micro-XRF revealed increasing heterogeneity of soil microstructure and micromineralogy due to weathering and pedogenic processes until intermediate soil age. In the oldest soils, the microstructure became more uniform again, de-mixing pedofeatures like clay coatings have completely disappeared, and kaolinite, hematite and gibbsite dominate the mineralogical composition. Our study shows that the development of soil microstructure mirrors macroscopic soil profile development showing increasing differentiation until intermediate developmental stages and receding heterogeneity in highly weathered soils.

Candra, I.N., Gerzabek, M.H., Ottner, F., Wriessnig, K., Tintner, J., Schmidt, G., Rechberger, M.V., Rampazo, N., Zehetner, F. 2021. Soil development and mineral transformations along a one-million-year chronosequence on the Galápagos Islands. Soil Sci. Soc. Am. J. 85, 2077–2099.

Micronutrients fulfill several important functions in crop performance. Hence, if not adequately replaced by fertilization and if availability in soil is low, optimum crop growth can be impaired.
We therefore aimed to quantify micronutrients including zinc (Zn), copper (Cu), nickel (Ni), manganese (Mn), molybdenum (Mo) and magnesium (Mg) in German arable soil, using samples of the German Agricultural Soil Inventory. We investigated whole soil profiles down to one meter depth, and evaluated micronutrient stocks in relation to soil type, soil texture and soil parent material.
The data have been evaluated for Cu so far. The content of Cu in German arable topsoil (0 – 0.3 m) is, on average, 16 mg kg-1, which is very high. One quarter of all sites showed topsoil Cu contents of more than 20 mg kg-1, meaning that those soils support particular crops such as maize or potato.
The Cu stocks in the upper one meter of soil vary between 5 and 1,360 kg Cu ha-1, with approximately 70% of the Cu stocks being in the subsoil (0.3 – 1 m), 50% of them even in the deep subsoil (0.5 – 1 m). Terrestrial soils showed with 200 kg Cu ha-1 larger Cu stocks than semi-terrestrial soils with 140 kg Cu ha-1. Both the total Cu stocks in the uppermost one meter and the relative percentage thereof in the subsoil are especially large at clayey sites, whereas at sandy sites the total Cu stocks (73 kg Cu ha-1) and the percentage in the subsoil (57%) are clearly below average. Soils developed on hard rock stored only 40% of Cu below 0.5 m, whereas soils developed on Quaternary sediments stored more than 50% of Cu below 0.5 m.
Our findings clearly show that subsoil can contribute considerable portions to micronutrient stocks. Even if the data evaluation for other micronutrients is still pending, arable management techniques offering access to these resources are clearly important for future crop production.

Microbial communities are involved in most biogeochemical processes creating hotspots for nutrient cycling in soil and sediments. The spatial visualization of such soil hotspots via microscopic techniques is still challenging due to the intrinsic fluorescence and opacity of the soil. One possibility to differentiate microbial cells from the heterogeneous soil matrix is a fluorescence lifetime-based technique (FLIM) with subsequent phasor plot separation. It separates and visualizes the distinctly different photon arrival times of all photons per pixel and delivers additional independent information behind intensity-based image processing and image analysis. Intensity-based image processing is often hampered by e.g. autofluorescence, resolution issues, and photobleaching artefacts caused by the prevailing minerals and organic substances. FLIM with subsequent phasor plot separation technique allows to overcome such artefacts for an improved visualization of microorganisms in the heterogeneous soil matrix. We determined characteristic fluorescence lifetime profiles of BacLight™ Green for Rhodotorula mucilaginosa and Bacillus subtilis in phosphate-buffered saline (PBS) solution, water as well as in natural, autoclaved, glucose-activated soil, and soil mineral particles by FLIM measurements via confocal laser scanning fluorescence microscopy. Rhodotorula mucilaginosa and Bacillus subtilis from pure cultures measured in water and PBS accounted for a fluorescence lifetime of 1.20 (±0.2) ns and 1.3 (±0.1) ns respectively. The lifetime profile within the cells was rather homogeneous for both microbial species tested, suggesting stable photon arrival times for microbial strains with minor effects of matrix components as tested in PBS and water. We identified a clear difference in fluorescence lifetime profiles between microorganisms (around 1 ns) and the surrounding soil matrix (0.2 to 0.7 ns, > 3.6 ns) via phasor plot separation. The latter may reflect the different phases of the soil matrix. The results presented raise the feasibility to extend the applicability of FLIM to other soils and their accompanying microbiota.

Microbial communities are involved in most biogeochemical processes creating hotspots for nutrient cycling in soil and sediments. The spatial visualization of such soil hotspots via microscopic techniques is still challenging due to the intrinsic fluorescence and opacity of the soil. One possibility to differentiate microbial cells from the heterogeneous soil matrix is a fluorescence lifetime-based technique (FLIM) with subsequent phasor plot separation; it separates and visualizes the distinctly different photon arrival times of all photons per pixel and delivers additional independent information behind intensity-based image processing and image analysis. Intensity-based image processing is often hampered by e.g. autofluorescence, resolution issues, and photobleaching artefacts caused by the prevailing minerals and organic substances. We determined characteristic fluorescence lifetime profiles of BacLight™ Green for Rhodotorula mucilaginosa and Bacillus subtilis in phosphate-buffered saline (PBS) solution and water as well as in natural, autoclaved, glucose-activated, and soil mineral particles by FLIM measurements via confocal laser scanning fluorescence microscopy. Rhodotorula mucilaginosa and Bacillus subtilis from pure cultures measured in water and PBS accounted for 1.20 (±0.2) ns and 1.3 (±0.1) ns respectively. The lifetime profile within the cells was rather homogeneous for both microbial species tested, suggesting stable photon arrival times for microbial strains with minor effects of matrix components as tested in PBS and water. We identified a clear difference in fluorescence lifetime profiles between microorganisms (around 1 ns) and the surrounding soil matrix (0.2 to 0.7 ns, > 3.6 ns) via phasor plot separation. The results presented raise the feasibility to extend the applicability of FLIM to other soils and their accompanying microbiota.

Landwirtschaftliche Plastikmulche ermöglichen Ertragssteigerungen und einen verminderten Pestizideinsatz. Mitunter verbleiben nach ihrer Anwendung aber Teile der Plastikfolien im Feld und tragen so zur Verunreinigung des Bodens mit Plastikpartikeln bei. Um dies zu untersuchen, wurden Bodenproben von Feldern entnommen, die zuvor über drei Jahre hinweg mit schwarzer Plastikmulchfolie bedeckt waren. Drei Felder ohne jeglichen Kunststoffeinsatz dienten als Kontrolle. Sichtbare Plastikrückstände >1 cm (Makroplastik) wurden manuell von der Bodenoberfläche abgesammelt. Mesoplastik (2 mm bis 1 cm) wurde durch Dichtefraktionierung mit gesättigter NaCl-Lösung von den Probenboden abgetrennt und mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie identifiziert. Partikel ≤2 mm (Mikroplastik) wurden mit einer Natriumhexametaphosphatlösung aus 50 g Boden extrahiert und gleichermaßen mit NaCl-Lösung dichtegetrennt. Das so isolierte Polyethylen (PE), Polypropylen und Polystyrol wurde per lösungsmittelbasierter Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie (Py-GC/MS) quantifiziert. Mit 89–206 Fragmenten ha–1 befanden sich die meisten Makroplastikrückstände auf Feldern, die zuvor mit Plastikmulch bedeckt waren. 80% der gesammelten Fragmente wurden als schwarze PE-Folie identifiziert. Die Anzahl der Mesoplastikpartikel in plastikgemulchtem Boden betrug im Mittel 2,3 kg–1, während auf den Referenzfeldern nur 1,0 Partikel kg–1 gefunden wurden. Die Py-GC/MS-Analysen ergaben Mikroplastikgehalte von bis zu 13 mg kg–1 im Boden. Der PE-Gehalt war auf plastikgemulchten Feldern signifikant höher als auf Referenzfeldern. Obwohl der Grad der Plastikverschmutzung insgesamt niedriger war als in vergleichbaren Studien, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Plastikmulche als Quelle von Plastikpartikeln in landwirtschaftlichen Systemen fungieren. Aufgrund ihrer stark eingeschränkten Abbaufähigkeit ist davon auszugehen, dass sich die Plastikrückstände langfristig im Boden anreichern und in immer kleinere Bruchstücke zerfallen.