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.